油页岩流化床燃烧污染物排放特性研究

油页岩流化床燃烧污染物排放特性研究

0油页岩循环流化床锅炉排放特性研究油页岩循环轨迹的开发一直受到许多专家和科学家的关注。油页岩与普通化石燃料相比具有很多特殊性,它是一种高挥发分、高灰分的劣质燃料,发热量低,灰熔点也较低,很难利用煤粉炉进行燃烧利用,而循环流化床燃烧方式的出现给油页岩燃烧利用提供了可靠保证。虽然循环流化床燃烧是一种洁净燃烧方式,但随着人们对赖以生存的环境的要求越来越高,循环流化床锅炉燃烧污染物排放与控制的问题也越来越受到重视,很多专家、学者都一直在从事相关方面的研究工作[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]。为了掌握油页岩循环流化床燃烧污染物排放的规律,确定影响污染物排放的主要因素,从实验研究入手,针对循环流化床燃烧的循环倍率、床料高度、二次风率进行了污染物排放特性实验研究,给出了最优的运行参数,为油页岩循环流化床锅炉的运行、设计提供参考。关于床温、油页岩颗粒粒度、Ca/S摩尔比、过量空气系数对油页岩循环流化床燃烧污染物排放特性的影响参见文献。1油页岩灰成分分析方法实验采用桦甸油页岩,其粒径的具体尺寸、实验样品的工业分析和元素分析数据以及油页岩灰成分分析数据请参见文献。鉴于油页岩的自脱硫能力很强,其中起主要脱硫作用的是油页岩中的碳酸盐,因此本次实验也采用化学滴定法进行了油页岩中碳酸盐含量的测定,得到油页岩中碳酸盐含量为6.38%。2流化床污染物排放特性实验研究本实验是在自行设计的小型流化床实验台上进行的,主要研究了循环倍率、床料高度、二次风率对油页岩流化床燃烧过程中SO2、NO、NO2、NOx等污染物排放特性的影响,实验的设计采用正交实验方法。实验系统分为送风、给料、流化床本体、加热、温控和烟气分析5个主要部分,具体说明请参考文献。实验系统见图1。3结果和数据分析3.1循环倍率对排放特性的影响对不同循环倍率的油页岩流化床燃烧进行了污染物排放特性实验研究,寻找循环倍率对油页岩流化床燃烧污染物排放特性的影响规律。实验样品采用颗粒粒度为300～600µm的油页岩和油页岩灰的混合物,并依据循环倍率按照不同质量进行配比,配比后的循环倍率分别为1、2、4和6;配比的方式为:循环倍率为2的实验样品是用1倍质量的油页岩原样混合2倍质量的油页岩灰得到的,其他不同循环倍率实验所用的样品的配比方式类似;其中油页岩灰是将油页岩原样在马沸炉中加热到850℃之后得到的。对于循环倍率的影响共做了4次实验,分别对上述按不同循环倍率配比得到的样品进行了实验研究,4次实验中除将实验样品和给料量改变外,其他实验条件完全相同。给料量的改变是按照油页岩原样中未掺入油页岩灰之前的入炉量来调整的,即保证各次实验中入炉的样品中所含有的油页岩原样质量相同。其他实验条件为:床温850℃,N2流量10L/min,O2流量2.5L/min,流化风流量8.5L/min,一次风流量4L/min,二次风流量0L/min,床料高度30mm,折算为未加入油页岩灰之前的油页岩原样的给料量为40g/h。图2所示为循环倍率对油页岩流化床燃烧污染物排放特性的影响曲线。由图可知,随循环倍率的增加,SO2浓度急剧下降,当循环倍率为4时SO2基本上全部被脱除,而后即使再增加循环倍率脱硫的效果也不甚明显。这是因为油页岩是一种高灰分的劣质燃料,其灰分中含有大量的金属氧化物,灰分中的CaO含量已经达到了14.78%,而且还有其他大量的金属氧化物,如:Fe2O3、Al2O3等,CaO含量高,不可能在一次燃烧过程中全部和SO2反应掉,必然残存很多,增加循环倍率的目的就是为了利用灰分中残存的这些金属氧化物作为进一步的脱硫剂,以净化烟气达到脱硫的目的。循环灰量的加入增大了SO2气体和这些脱硫剂的接触机会,提高了灰分中这些金属氧化物的利用率,进而达到了高效脱硫的目的。而当循环倍率为4时,所加入的循环灰量已足以将烟气中的SO2气体脱除,所以即使再增加循环灰量,即增加循环倍率也不会取得更好的脱硫效果。从图2中也可以看出,在低循环倍率(循环倍率小于4)时,虽然增加循环倍率可以大幅度降低SO2气体的排放量,但是却导致了NOx浓度的增大。这是因为,为各实验工况得到的实验数据具有可比性,要求的给料量是一定的,要保证各实验工况下送入炉膛的样品中所含有的可燃油页岩的量相同,就要降低低循环倍率下的给料量,以保证在高循环倍率时的进料量能够达到要求,因为实验样品是经过配比同时从给料口由一次风送入炉膛的,按照要求,如果循环倍率为1的实验过程中折算后的给料量为40g/h,则实际入炉的样品量将是80g/h,而循环倍率为6的实验过程中的给料量将达到280g/h,这样就使得进入炉膛的样品中可燃成分很低,在给定空气量的情况下燃烧相当充分,所以产生的CO量很低,炉内气氛完全处在氧化性气氛当中;虽然增加循环灰量可以增加炉内CaO等对CO与NO的还原反应有催化作用的金属氧化物的含量,但是由于CO含量很低,所以催化作用不明显,而这种氧化性气氛促进了从挥发分中析出的NH3和HCN等含氮物质更快地氧化为NO和NO2,加之灰分中未燃烧完全的焦碳粒子燃烧所产生的NO和NO2综合导致了NOx排放浓度的上升。而当再增加循环灰量即增加循环倍率时(循环倍率大于4),虽然炉内依然处在氧化性气氛当中,CO含量也未有提高,但是循环灰量的增加,使得灰分中的CaO等金属氧化物的催化作用以及灰分中未燃烧完全的焦碳颗粒对NO和NO2的还原作用逐渐占据了主导地位,导致了NOx浓度的降低。综上可知,当锅炉设计完成时,炉膛空间的大小是一定的,循环倍率也是事先选定的,循环倍率的确定决定了旋风分离器的分离效率,即循环灰量在锅炉达到稳定运行时是一定的,增加进料量将导致大量的灰分循环回炉膛,而锅炉炉膛空间的大小决定了其所能承受的最大进料量和返料量的大小,考虑受热面的磨损、运行安全和维护费用等其他因素,可以确定,循环倍率存在着一个最优值。大的循环倍率虽然能够保证烟气中污染物的排放浓度达到更加理想的效果,但是也要求炉膛空间增大,这不能保证既定炉温,又增加了建设性投资,同时又导致大量的灰分进入烟道,加剧烟道内受热面的磨损,影响运行安全和增加维护费用,炉内结渣现象也会变得严重。因此,在循环流化床设计中循环倍率是个关键的参数,适当的循环倍率的选择是决定循环流化床锅炉稳定、经济运行和保证烟气中污染物排放浓度达到要求的关键。笔者在综合考虑上述因素后,得到最优的循环倍率为6。3.2床料高度的影响对不同床料高度的油页岩流化床燃烧进行了污染物排放特性实验研究,结果如图3所示。所用的油页岩颗粒粒度为300～600µm,采用的静止床料高度分别为1、2、3、4和5cm。5次实验中除改变床料高度外,其他实验条件完全相同。床温850℃,N2流量10L/min,O2流量2.5L/min,流化风流量8.5L/min,一次风流量4L/min,二次风流量0L/min,给料量200g/h,返料量0g/h。从图3中看出,随着床料高度的增加,各排放气体浓度均有上升,但是上升的幅度不是很明显。上升的原因,是因为烟气中的绝大部分SO2和NOx等气体污染物是在炉膛的密相区产生的,产生后的气体污染物在稀相区焦碳粒子的还原作用下开始分解。在密相区,床料的增加使得焦炭颗粒减少,煤中矿物质的离解度较小,这就降低了煤中矿物质与燃烧过程中生成的SO2气体的接触机会,使得SO2气体排放浓度增加;而在稀相区,在颗粒表面形成的以CO气体为主的还原气氛,恰恰延缓并减弱了最初有机硫析出的H2S等气体进一步氧化生成SO2,所以导致更多的H2S等气体进一步与煤中的矿物质发生反应,进而形成无机形式的硫化物,如CaS等物质,CaS等进一步氧化反应最终生成硫酸盐,从而增加了煤粉的自身固硫作用,使得SO2排放浓度降低,然而床料的增加使密相区增大,而稀相区减小,稀相区的作用减弱,从而导致污染物排放浓度增加。但是总体来看,这种增加的效果并不是很明显,在设计和实际运行中可以忽略其影响。因此,在进行油页岩循环流化床设计和运行时,可以不必考虑床料高度对燃烧污染物排放量的影响,合适的床料高度应根据风室压力和料层差压来估算,并以能够保证炉内燃烧稳定,使燃料燃烧更加完全以及考虑通风能耗等相关因素进行选取。依据本次实验的部分数据和实际流化床锅炉的运行经验,流化床床料高度的选取应以占炉膛高度的5%左右为宜。3.3油页岩燃烧污染物的排放特性利用图1的实验系统,进行了不同二次风率情况下燃烧污染物排放特性实验研究。所用的油页岩颗粒粒度为300～600µm,对4种不同二次风率的情况进行了实验研究。实验过程中所采用的不同二次风所占总风量的百分率为:20%、30%、40%和50%。4个工况中除二次风率改变外,其他实验条件基本相同。床温850℃,流化风流量9L/min,一次风流量3L/min,床料高度30mm,给料量200g/h,返料量0g/h,对应不同二次风率下的二次风流量分别为3、5.1、8、12L/min,N2流量分别为12、13.6、16、19.2L/min,O2流量分别为3、3.4、4、4.8L/min。图4所示为不同二次风率下的油页岩燃烧污染物排放特性曲线。从图中可以看出,随着二次风率的增加,NO、NO2以及NOx的排放量都逐渐降低,这是因为随着二次风率的增加,炉膛稀相区焦碳粒子的燃烧更加充分,二次风的加入使得稀相区还原性气氛减弱,降低了焦碳粒子对NOx的还原作用所致。而SO2浓度有所增加,但增加幅度不是很大,这是因为SO2主要来源于油页岩的焦碳中,挥发分产生的SO2所占的比重较小,而二次风的加入正好适应了焦碳粒子的进一步燃烧完全,从而导致了SO2排放浓度的增加。同时,在密相区,随二次风率的增加,一次风率降低,燃料在缺氧条件下燃烧,燃烧速度及火焰温度较低,因而抑制了挥发分燃烧生成的热力型NO;另一方面,在稀相区,燃烧生成的CO与NO进行还原反应以及燃料中N分解成大量的NH、CN、HCN、NH3等化合物相互作用或与NO还原分解,抑制了燃料型NOx的生成。因而总的NOx生成量是降低的。考虑到SO2和NOx对大气环境的影响效果不同,在图4中列出了以酸当量表示的SO2和NOx对大气环境的影响效果曲线图。由于SO2和NOx在进入大气形成酸以后所携带的氢离子数量不等,因此单个的SO2分子和单个的NOx分子对大气的污染效果不同,酸当量就是考虑到以上因素而对SO2和NOx进行加权平均后所得的数值,其中SO2的加权系数为2,而NOx加权系数为1,酸当量越大表示对大气的污染越严重,越小则表示对大气的污染越轻。从图中可以看出,酸当量随二次风率的增加是先增加而后减小,在二次风率为50%时达到最低,然而二次风率的大小不仅对NOx排放量和SO2排放量有较大影响,同时关系到燃烧的稳定性,因此,二次风率不能无限制的增大,考虑以上因素,二次风率应以40%～50%为宜。4床料高度对