生物质成型燃料循环流化床燃烧试验研究_图文

1、第15卷第1期2009年2月燃烧科学与技术Journa l of Co m busti on Sc i ence and Technology Vol . 15No . 1Feb . 2009生物质成型燃料循环流化床燃烧试验研究李诗媛, 吕清刚, 矫维红, 王东宇, 贺军, 那永洁, 贠小银(中国科学院工程热物理研究所, 北京100080摘要:在0. 15MW 循环流化床试验台上, 究. 试验结果表明, 燃烧效率达到96. 8%; 尾气中HCl 的排放质量浓度较高, S O 2; 使用选择性炉渣作为床, 结, . 关键词:生物质; ; 循环流化床; 黏结中图分类号:TK16文献标志码:A 文章

2、编号:100628740(2009 0120054205Experiment al Study on Bi o mass Bri quette Fuels Co mbusti on i nC i rcul ati n g Flui di zed BedL I Shi 2yuan, L Q ing 2gang, J I A O W ei 2hong, WANG Dong 2yu, HE Jun, NA Yong 2jie, Y UN Xiao 2yin(I nstitute of Engineering Ther mophysics, Chinese Acade my of Sciences,

3、Beijing 100080, China Abstract:A 0. 15MW circulating fluidized bed was e mp l oyed t o investigate the combusti on and em issi on characteristics of bi omass briquette fuels of corn stalk and peach tree . The results indicate that the combusti on of the bi omass briquettes is stable in the circulati

4、ng fluidized bed and the combusti on efficiency reaches 96. 8%. HCl e m issi on is high and S O 2e m is 2si on increases with the increasing of sulfur content in the bi omass briquettes . The use of s pecial bott om ash as bed material with clay added, is an effective method t o avoid aggl omerati o

5、n and de 2fluidizati on . Keywords:bi omass; combusti on; circulating fluidized bed; aggl omerati on收稿日期:2008201214.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50706055 . 作者简介:李诗媛(1979 , 女, 博士, 助理研究员. 通讯作者:李诗媛, lishiyuanmail. et p. ac . cn .生物质直接燃烧发电, 是生物质能利用的一种重要形式. 我国的生物质资源丰富, 且种类繁多, 特别是农业秸秆类生物质占较大比例. 由于秸秆类生物质燃料存在挥发分高、氧含量高

6、、水分高、灰分低以及碱金属含量高等特点1, 对于燃烧技术和燃烧设备的要求相对较高. 欧洲以及北美国家, 如丹麦, 大都采用层燃方式纯燃生物质2, 或者采取生物质与煤、垃圾、污泥等废弃物共燃的方式3. 流态化燃烧技术是燃烧特种燃料技术中灵活性最高的, 具有燃烧效率高、燃料适应性广等优点. 但是, 采用流化床燃烧生物质燃料时, 由于生物质燃料中大多含有碱金属元素K 、Na 等, 在燃烧过程中所形成的KCl 、K 2S O 4、K 2CO 3等碱金属化合物将与床料(主要成分为Si O 2 发生反应生成K 2O n Si O 2等具有黏性的低熔点物质, 造成床料黏结, 最终将影响整个流化床的运行425

7、. 目前解决上述问题的方法主要分为3类:一是控制燃烧温度, 二是选择性地使用矿物添加剂和床料; 三是对生物质燃料进行预处理6. 另一方面, 由于生物质原料松散、体积大、堆积密度小, 在给料方式和给料系统方面还需进一步研究. 目前对于生物质成型技术的研究开发和生物 质成型燃料特性研究均有报道728.本文作者在0. 15MW 循环流化床试验台上, 选择性地使用床料和添加剂, 进行纯玉米秸秆成型燃料和苹果树枝成型燃料的燃烧试验, 研究这两种生物质成型燃料在循环流化床中的燃烧特性和排放特性.1试验系统与试验方法1. 1试验系统试验所用的0. 15MW 1所示. 试验台包括燃烧系统、系统、冷却水系统、.

8、 烧系统中, 炉膛横300mm , 高7500mm. 炉膛内插入冷却水管, 通过改变插入深度调节炉膛温度. 位于炉膛底部的布风板上均布风帽, 布风板接一次风箱, 一次风通过布风板供入炉膛, 没有采用二次风. 在炉膛侧壁距离布风板约860mm 处设置两个水平给料口, 分别与两台螺旋给料机直接连接, 一台用于加入成型生物质燃料, 一台用于加入黏土添加剂. 返料流化风由空气压缩机提供. 烟气从炉膛顶部离, 经布. 采用床下油燃烧、空气流量、温度和. 采用傅里叶红外分析仪(FTI R DX 24000 对烟气进行在线分析, 烟气取样点位于省煤器后, 此处的烟气温度约350 .图10. 15MW 循环流

9、化床试验系统示意1. 2试验方法试验中所使用的燃料分别为经过粉碎成型的颗粒状玉米秸秆和苹果树枝, 在成型过程中没有添加其它物质. 燃料颗粒的直径为6mm 、长度为10mm , 产地为辽宁营口一带. 表1为这两种生物质成型燃料的元素分析和工业分析结果, 表2为灰的主要化学成分和灰熔融性的分析结果. 试验中采用特殊炉渣作为床料, 黏土作为添加剂, 黏土在试验过程中通过螺旋给料机间断地加入. 黏土的主要化学成分分析结果见表2.表1玉米秸秆和苹果树枝分析数据燃料工业分析/%元素分析/%M adA adV adF C, adw C, adw H, adw N, adw O, adw S, adw C,

10、ad发热值Q ad, net /(MJ kg -1 玉米秸秆1. 286. 2374. 5017. 9944. 925. 640. 8740. 880. 180. 57416. 89苹果树枝1. 303. 3076. 5718. 8347. 535. 780. 7641. 250. 080. 19317. 86552009年2月李诗媛等:生物质成型燃料循环流化床燃烧试验研究 表2玉米秸秆、苹果树枝和黏土的主要化学成分和灰熔融性燃料化学成分分析/%灰熔融性/Si O 2A l 2O 3Fe 2O 3Ca O Mg O K 2O Na 2O T DT ST HT F玉米秸秆45. 646. 042

11、. 169. 3516. 2410. 140. 291120119012201230苹果树枝16. 824. 423. 4834. 167. 0111. 224. 481450>1500 黏土68. 7511. 793. 815. 962. 162. 232. 00试验中, 生物质的给料速率为2933kg/h,炉膛出口氧体积分数控制在10%. 试验共连续进行了12h, 分别进行了不同温度下纯燃玉米秸秆成型燃料(质量比 为11 , 取样位置如图1所示. 为转换成干烟气、11%的氧气体积分数下的排放结果.2试验结果和分析2. 1燃烧特性炉膛出口氧体积分数为10%时, 不同温度下纯燃玉米秸秆成

12、型燃料、混燃玉米秸秆成型燃料与苹果树枝成型燃料在典型工况下, 炉膛内温度分布如图2所示. 从图2中可以看出, 炉膛上下温度分布比较均匀, 没有特别的高温区和低温区, 说明生物质成型燃料颗粒进入炉膛后上下的燃烧份额分布比较均匀, 并没有出现入炉后因挥发分快速析出燃烧造成的局部温度过高的现象. 图3为炉膛出口氧体积分数为10%、纯燃玉米秸秆成型燃料时的炉膛温度运行曲线, 可见, 运行稳定, 没有出现任何床层黏结和结焦的现象. 图4为炉膛出口氧体积分数为10%、玉米秸秆成型燃料和苹果树枝成型燃料按照质量比11混合加入炉膛燃烧时, 炉膛温度的运行曲线, 燃烧状态与纯燃玉米秸秆成型燃料时基本一致.图2典

13、型工况炉膛内的温度分布玉米秸秆成型燃料和苹果树枝成型燃料的混合物在炉膛平均温度为880、炉膛出口氧体积分数为10%的燃烧工况下, 进行飞灰和底渣取样并检测其含碳量, 飞灰的碳含量为2. 53%, 底渣碳含量为013%. 通过热平衡计算得出燃烧效率达到96. 8%, 可见生物质中的碳具有较高的燃烧活性. 2. 2污染物排放特性图5为炉膛出口氧体积分数为10%、纯燃玉米秸秆成型燃料时, 烟气中CO 、N 2O 、NO 、S O 2和HCl 的排放质量浓度随炉膛平均温度的变化曲线. 从图5中可以看出, CO 的排放质量浓度随燃烧温度的升高急剧下降, 燃烧温度低于850时, CO 的排放质量浓度很高,

14、 说明在较低温度下生物质不能够充分燃烧. 由于试验中没有采取分级供风, 所以NO 和N 2O 的排放质量浓度较高.65燃烧科学与技术第15卷第1期 图5燃料为玉米秸秆时, 污染气体排放质量浓度随炉膛平均温度的变化, 2, 图5中S O 2的质量浓度曲线为没有采取脱硫措施情况下的排放值. 虽然玉米秸秆中的硫含量较低, 但是如果不采取脱硫措施, S O 2的平均排放质量浓度达到529mg/m3, 不能达到国家规定的环保要求. 图6和图7为炉膛底部温度为880时, 典型工况下S O 2的排放质量浓度曲线. 由于苹果树枝中的硫含量大大低于玉米秸秆中的硫含量, 所以燃烧玉米秸秆和苹果树枝混合物时, 尾气

15、中S O 2的排放质量浓度远低于纯燃玉米秸秆时的排放质量浓度, 平均排放质量浓度只有109mg/m3. 因此, 循环流化床燃烧生物质时, 是否需要采取脱硫措施取决于生物质的种类 .由于玉米秸秆和苹果树枝中Cl 元素的含量较高, 因此燃烧过程中将产生HCl 气体. 从图5中可以看出, 随着燃烧温度的升高, HCl 的生成量增大, 烟气中的排放质量浓度较高, 最大排放值达到802mg/m3. 图8和图9分别为炉膛底部温度为880时, 纯燃玉米秸秆成型燃料、混燃玉米秸秆成型燃料和苹果树枝成型燃料的典型工况下, HCl 排放质量浓度曲线. 由图8和图9可见, , 所以HCl , 平均458mg/m3,

16、 但是此排放质量浓度仍然远远超过国家规定的排放标准, 必须采取措施降低HCl 的排放值 .2. 3添加剂和选择性床料对于控制黏结的作用试验研究表明, 如果以砂子(主要成分是Si O 2 作为流化床的床料, 随着运行时间的增长, 床层将出现黏结现象. 原因是生物质在流化床燃烧过程中所生成的碱金属化合物, 如KCl 、NaCl 、K 2S O 4、K 2CO 3等, 将与床料反应, 生成具有黏性的低熔点物质硅酸钾和硅酸钠. 反应式如下9:2KCl +n Si O 2+H 2O K 2O n Si O 2+2HCl (1 2NaCl +n Si O 2+H 2O Na 2O n Si O 2+2HC

17、l (2 K 2S O 4+n Si O 2K 2O n Si O 2+S O 2+015O 2(3 K 2CO 3+n Si O 2K 2O n Si O 2+CO 2(4针对流化床纯燃生物质所存在的床料黏结问题, 本试验中采取了特殊床料和适当使用添加剂的方法,752009年2月李诗媛等:生物质成型燃料循环流化床燃烧试验研究 整个试验过程中没有出现温度和压力的非正常波动, 没有出现任何床层黏结现象. 试验中采用特殊炉渣作为床料, 由于炉渣中不含Si O 2, 仅混有极少量的砂子,所以反应(1 (4 的低熔点物质硅酸钾和硅酸钠的生成量较少; 同时, 在燃烧过程中间断地添加黏土作为添加剂, 黏土

18、的主要成分为A l 2O 32Si O 22H 2O , 其抑制黏结的机理如下9:A l 2O 32Si O 22H 2O A l 2O 32Si O 2+2H 2O (5A l 2O 32Si O 2+2KCl +H 2O 2HCl +K 2O A l 2O 32Si O 2A l 2O 32Si O 2+22A 232+S O 2+02(7 A l 2O 32Si O 2+2CO 3K 2O A l 2O 32Si O 2+CO 2(8 Na 2O 3Si O 2+Al 2O 3+3Si O 2Na 2O A l 2O 36Si O 2(9K 2O 3Si O 2+Al 2O 3+3Si

19、O 2K 2O A l 2O 36Si O 2(10 从上述的反应式中可以看出, A l 2O 32Si O 22H 2O 分解失去结晶水后不仅能够与碱金属化合物直接反应, 还能够与低熔点物质硅酸钾和硅酸钠发生反应生成熔点较高的钠长石和钾长石, 钾长石的熔点为11301450, 钠长石的熔点为1100120010. 因此, 黏土能够有效地抑制生物质在流化床燃烧过程中床料黏结的发生, 同时黏土对于循环流化床的物料循环流化也起到稳定的作用.3结论(1 玉米秸秆成型燃料和苹果树枝成型燃料在循环流化床中能够稳定燃烧, 颗粒状的生物质燃料在炉膛上下燃烧份额的分布比较均匀, 生物质中的碳燃尽率较高, 燃烧

20、效率达到96. 8%, 没有出现入炉后挥发分快速析出燃烧所造成的局部温度过高的现象.(2 循环流化床混燃玉米秸秆成型燃料和苹果树枝成型燃料时, 烟气中HCl 的排放质量浓度较高; 纯燃玉米秸秆成型燃料时, S O 2的排放质量浓度较高, 但是混燃玉米秸秆成型燃料和苹果树枝成型燃料时, S O 2的排放质量浓度较低; 是否需要脱硫依生物质中的硫含量决定.(3 使用特殊炉渣作为床料和加入黏土作为添加剂的方法, 能够有效抑制由于生物质碱金属含量较高而引起的床料黏结的发生. 同时, 黏土对于循环流化床的物料循环流化也起到稳定的作用. 参考文献:1L iao C, W u C, Yan Y, et al

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