棉秆流化床燃烧过程中钙基吸顶灰性能的研究

棉秆流化床燃烧过程中钙基吸顶灰性能的研究

0生物质流态化燃烧由于棉茎能源丰富、易于运输和焚烧污染较低，棉茎对生物化工有很大影响。流化床燃烧技术具有较高的燃烧效率、良好的燃料适应性和优越的环保性能,其作为一种新型高效、低污染燃烧技术,在国内外已得到广泛应用。同样,流化床锅炉也适合生物质燃烧,并且是大规模高效利用生物质能源最有前途的技术之一。生物质流态化燃烧时,床料选择非常重要,生物质中碱金属含量比较大,燃烧时碱金属容易和石英砂这种常规的酸性床料发生反应,从而引起床料的烧结,最终导致被迫停炉。本文主要对山东某地棉秆的成灰特性进行分析,并对石英砂和高铝矾土这两种床料的烧结特性进行对比研究。1棉秆堆积密度与棉秆灰渣的关系试验棉秆的元素分析、工业分析以及发热值见表1。棉秆同其它生物质一样,主要成分是木质素、纤维素和半纤维素等,其含量取决于棉秆的品种和生长环境。实验得出长度为30.0～80.0mm的棉秆堆积密度为100～130kg/m3,棉秆堆积的密实性与堆积高度有很大的关系。工业分析结果表明,棉秆灰分含量很低、挥发份较高,但氧含量高,热值比较低。元素分析表明,棉秆S和N含量都不算高。2床料的流变学分析为了研究棉秆流化床燃烧的可行性,我们首先研究了热态条件下长度为30.0～80.0mm的棉秆,与φ0.1～1.0mm宽筛分高铝矾土床料能否均匀流化混合、稳定燃烧。重点观察密相区床温能否维持在850～880℃,并对棉秆灰的元素成分特别是碱金属含量进行分析。在此装置上还研究了分别采用石英砂和高铝矾土床料连续运行38h后,床料颗粒有无烧结现象。0.2MWth试验台如图1所示。流化床密相区高1.2m,截面积为230mm×230mm,稀相区高4.5m,截面积为460mm×395mm,过渡段高0.2m,内部用耐火砖砌筑而成,在1.8m处布置有二次风入口,距离布风板不同高度装有温度测点。布风装置为风帽式布风板,共有22个风帽,每个风帽上有4只φ4mm的孔,开孔率为2.1%。由于棉秆不适宜采用螺旋加料器加料,而用星型加料器加料时转动轴经常会因缠上棉秆而无法转动,所以实验时通过加料口人工加料。3棉杆流的燃烧试验3.1次减量时温度稳定性分析试验床料为φ0.1～1.0mm宽筛分高铝矾土颗粒,静止床高400mm。计算得1kg棉秆完全燃烧需空气3.8m3,约35kg/h的棉秆加料量,过量空气系数α取1.3～1.5时,总风量为170～200m3/h。试验时在不同的一、二次风量下,通过调节棉秆加料量观察密相区温度能否稳定在850-880℃,图2给出了一次风为120m3/h,此时流化速度为2.64m/s,流化数N约为6,二次风量分别为50、60、80m3/h时,对应的床温沿床高的分布。试验表明,在较大的温度范围内,棉秆都能在流化床中稳定燃烧,密相区温度能够维持在850～880℃。棉秆非常容易着火,当棉秆含水量增加时,在其它参数不变的情况下,棉秆消耗量有所增加。高铝矾土床料燃烧后颗粒能保持原来的形貌,没有发生烧结现象,说明高铝矾土床料能适用于棉秆流化床燃烧。实验过程中,床层压差在小范围内波动,没有不规则的大起大落晃动,说明棉秆燃烧得比较稳定。试验时用烟气分析仪对排放烟气成分进行了测量,计算得出以上3个工况的燃烧效率都在99%以上。3.2测试结果与分析图3为在试验装置不同部位的取样灰,棉秆灰颜色灰白、粘性大、流动性较差,但能清楚看出棉秆灰在运行工况下没有处于熔融状态。为了研究棉秆流化床燃烧时,床温在900℃以下碱金属的析出特性,试验对棉秆及棉秆灰中部分元素进行了测定。操作方法如下:分别称取棉秆0.9996g、棉秆灰0.1646g,放入聚四氟乙烯容器中,加入HO3、HF,在电热板上砂浴加热,使其充分反应后将容器放入压力罐中密封,150℃恒温加热8h,再配成溶液,定容成25mL,之后用ICP测定指定元素的含量,测试结果见表2。根据残渣量分析试验,得出干燥基残渣量为3.00%,这与表1中元素分析干燥基灰量3.15%有一些误差,主要是因为不同检测部门的测定结果有一定差别。表2还给出了假设讨论的元素未析出,把棉秆中各元素含量折算成完全燃烧后理论上灰渣中各元素组成的质量分数。比较表格中数据发现,棉秆灰中Cl、K、Na、Ca、Mg元素含量均有所减少,特别是K元素减少幅度最大,说明上述元素在燃烧过程中部分以挥发态析出,碱金属的析出主要以氯化物和氢氧化物的形式挥发出来,KOH是棉杆中钾盐与水蒸汽以及其他物质在一定的高温环境下反应的产物,也会随着蒸气压的升高而进入气相。这一现象与其它生物质碱金属析出特性比较相似,但碱金属元素析出量的多少与其在棉秆中的赋存形式有关,棉秆中可溶性钾盐可能比较多,所以较容易析出。飞灰中还含有较多的碱金属成分,由于碱金属盐熔点较低,飞灰中碱金属含量越高,对流受热面结渣和沾污的可能性越大。试验过程中就曾因为空预器管内被飞灰堵塞造成引风机抽力不足而被迫停炉,图3b是从空预器烟气进口管内清出的灰,沉积的棉秆灰粘性比较大。所以,用流化床燃烧棉秆时,一定要注意受热面的吹灰问题。为了表征棉秆流化床燃烧时受热面的积灰趋势,本文根据文献引入灰污因子,其定义式如下:计算得:其值比煤燃烧灰污因子高出了一个数量级。从上表还可以看出,氯在灰中的含量很少,在燃烧过程中氯几乎全部析出,析出产物一部分是碱金属的氯化物形式,其它转化为HCl。HCl的存在会引起受热面的高、低温腐蚀,同时,为了达标排放,还要采取相应的减排措施。另外,灰中相对较高的磷含量也可能会引起低温受热面积灰现象,这在文献中也有报导。3.3床料的燃烧效果生物质燃烧过程中,Na和K在一定条件下会与Si生成Na2O·2SiO2和K2O·4SiO2的低温共熔混合物,其熔点分别为874℃和764℃,从而引起其与床料相互黏结,导致流化床温度和压力波动,使正常流化无法进行。因此,为了避免床料的烧结,要选择合适的床料。实验时,密相区温度控制在850～880℃,在相同运行工况,即给料量和配风相同的情况下,分别选用多0.1～1.0mm石英砂和高铝矾土颗粒为床料,经过38h连续运行比较床料的烧结状况。图4和图5是两种床料的原料和运行38h后的颗粒形貌对比,结果发现,φ0.1～1.0mm高铝矾土床料燃烧后颜色加深,变为红褐色,但颗粒依旧保持原来的形貌,无烧结现象,运行时密相区温度较好控制,风室与稀相区压差波动正常。而φ0.1～1.0mm石英砂床料燃烧后颗粒粒径明显变粗,烧结比较严重,大结块长度甚至超过7cm,有的结块还比较硬,手指很难碾碎,运行时密相区温度有时波动较大,风室与稀相区压差在燃烧8h后即发现较大的波动,随着运行时间的加长波动逐渐加大,同时压差发现减小的趋势,这说明烧结已经严重影响到床料的正常流化。图6是两种床料燃烧前后扫描电镜的对比图片,从图6a和图6b对比看出,石英砂颗粒燃烧后表面生成了3μm厚的裹覆层,通过不同时间对底渣的取样分析,此裹覆层随着运行时间的加长逐渐变厚,甚至有的床料颗粒裹覆层厚度达到30μm,实际上这么厚的裹覆层早已影响到床料的正常流化。通过EDX对裹覆层的元素成分进行了分析,发现裹覆层内富集了大量的K、Ca等碱金属元素,SEM图片显示裹覆层表面比较光滑,表明燃烧时此层处于熔融状态,以上分析证明了由于棉秆灰中碱金属的存在,在石英砂床料颗粒表面形成了具有很强粘性的低温共熔体,从而引起了床料的烧结,最终影响到床料的正常流化,图6c为石英砂床料运行38h后结块的SEM图片。从图6d可以看出,高铝矾土床料运行38h前后颗粒剖面边缘结构没有变化,没有形成像石英砂床料颗粒那样的裹覆层,整体颗粒形貌也没有变化,说明高铝矾土颗粒可以作为棉秆流化床燃烧的床料。4碱金属盐类1)实验表明,棉秆流化床燃烧时,能保持稳定的床温。棉秆中含有大量碱金属,在燃烧过程中部分碱金属以挥发态析出,飞灰中碱金属成分含量较高,对流受热面沾灰的可能性很大。燃烧过程中