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响水生物质燃料在流化床内结渣特性判别指标研究

来源: 发布时间:2019-03-31 4187 次浏览

  [摘要] 采用流化床燃烧生物质过程中床料团聚结渣对系统的 正常运行会造成严重影响。阐述了生物质流化床床料团聚结渣的 流体力学原因和热化学机理;基于13种生物质成分分析(Analyse)和流化床试验结果,着重分析和验证了3种生物质结渣判别指标的 可靠性。利用碱性氧化物指数(AI)、铁/碱金属比(BAI)和碱土金属/碱金属比(I),能够准确判别生物质燃烧的 结渣倾向。
  由于生物质灰中富含碱金属,燃烧生物质的 流化床锅炉在运行中存在腐蚀、结垢、结渣等问题。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。此外,生物质流化床的 床料团聚结渣会导致流化失效,造成非正常停炉。因此,研究生物质燃烧结渣机理,提出判别生物质结渣特性的 指标,对于指导生物质燃烧设备运行具有重要意义。
  1生物质灰的 组成
  表1列出了13种生物质燃料的 高位发热量、灰分组成及结渣特性。与煤相比,生物质的 灰含量较低,固定碳含量低,挥发分含量高,更容易点燃且燃烧速率快,热值约为标准煤的 一半。生物质灰的 主要成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、Ca
  O、Mg
  O、TiO2、Na2
  O、K2
  O、C
  L、SO3、P2O5等,与结渣相关的 成分为碱金属(Na2
  O、K2O)、碱土金属(Ca
  O、MgO)、SiO2和Cl等。生物质中的 碱金属活性高,能和SiO2结合成低熔点的 碱金属共晶体硅酸盐,导致床料团聚结渣。碱金属含量越高,生物质灰熔点越低,越容易结渣。碱土金属的 存在能够提高共晶体硅酸盐的 熔点,它们的 含量越高,结渣的 倾向性越小。Cl能够促进碱金属的 挥发,再与SiO2反应生成碱金属硅酸盐,促进结渣的 产生。
  生物质燃料大致可以分为3类:(1)木材及林业加工剩余物。这类生物质燃料热值较高,灰分含量低,灰分中碱金属和SiO2的 含量低,碱土金属的 含量高或较高,灰熔点高,不易结渣。实测木材和树皮的 结渣温度分别是905℃和985℃,在流化床运行温度下不会产生结渣。(2)草本植物热值较低,灰分含量较高,碱金属和SiO2的 含量高或较高,碱土金属的 含量低或较低,灰熔点比较低,容易结渣。(3)农产品加工剩余物,如甘蔗渣、橄榄壳、松子核等,热值高或较高,灰分含量中等,灰分中碱金属的 含量高或较高,大部分生物质灰中SiO2高或很高,碱土金属的 含量也较高,生物质灰的 熔点较低,容易结渣。
  2生物质流化床结渣机理
  流化床床料团聚结渣机理的 研究从两个方面进行:(1)从流体力学的 角度,考察床料结渣乃至流化失败时的 床层流化状态变化及其流体力学方面的 原因;(2)从热化学的 角度,考察渣块的 典型元素和化合物组分以及这些化合物的 形成路径等。
  2.1流体力学原因
  试验发现,当床温超过一定值,即 ;初始烧结温度 ;时,最小流化速度将不再遵循Ergun方程,而是远远高于方程计算出来的 值。这是由于床料颗粒变粘并团聚成大颗粒,这一过程(process)破坏了流化状态,最终引起流化失败。通过测量(cè liáng)流化床结渣前后的 床料粒径分布发现床料颗粒变大的 趋势非常明显。进一步通过扫描式电子显微镜(SEM)观察床料颗粒发现,在所有的 试验中几乎所有的 小床料颗粒都结合成较大的 颗粒。
  运行经验表明,当床料结渣进行到一定程度时,流化床上下床层之间的 压差将有一个突然的 下降,这是由于出现更大的 空隙让空气通过。另外,由于混合搅拌的 强度(strength)变弱,上下床层之间的 温差将有一个突然的 增大。显然,在实验(experiment)室或生物质电厂中,可以使用床层的 温差和压差作为表征流化失败的 指标。
  2.2热化学机理
  用SEM观察渣块的 形貌发现,每个渣块包含许多床料颗粒,这些床料颗粒或者被大量的 熔融物(熔化后冷却形成)所包裹,熔融物表面光滑,为玻璃状物质;或者表面被一层薄的 灰层覆盖,颗粒之间通过有限的 点相互连接(称为颈状连接),且连接处有融化的 痕迹。因此,从形貌可以判定,就是这些熔融物提供了粘性力,使得床料颗粒相互连接团聚。FrydaLE计算了渣块表面灰层的 组分及融化比例与温度的 关系,发现结渣温度与融化温度有很好的 一致性。对这些熔融物、表面灰层、颈状连接点处的 元素组成进行分析发现,它们和新鲜的 床料颗粒的 组分不同,除了富含Si以外,K的 含量比较高,而且还存在一定量的 C
  A、F
  E、Mg等元素。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。由于主要成分是S
  I、
  K、Ca,渣块融化物可以归结为K2O-CaO-SiO2三元系,即碱金属和碱土金属的 共晶体硅酸盐,其组分与玻璃(Glass)的 组分类似(Na2O-CaO-SiO2三元系),这也是熔融物呈玻璃状的 原因。碱金属的 共晶体硅酸盐熔点较低,如K2O-SiO2熔点温度为770℃,低于流化床的 运行温度,所以容易在床层中融化。根据K2O-CaO-SiO2三元系相,Ca的 含量越高,熔点也越高,Ca含量高的 渣块对应的 结渣温度更高,通过热化学平衡或相计算也得出了一致的 结论。
  显然,生物质流化床结渣可以分为 ;包覆层导致型 ;和 ;融化导致型 ;2类。前者是来自生物质灰的
  K、Ca等元素与石英砂床料表层发生反应,形成均匀致密的 反应层且厚度不断增加,其在高温下融化,产生粘性力使碰撞的 床料颗粒通过颈状连接而团聚。由于需要经过生物(Organism)质灰和床料反应,结渣时间较长。棉杆在石英砂为床料的 流化床中产生的 结渣就是典型的 包覆层导致型。 ;融化导致型 ;结渣是由生物质灰中的 低熔点物质直接融化所致,无需经过与床料的 反应。
  当生物质(Biomass)灰中同时含有较多的 K和Si,Ca的 含量又较低时,其在K2O-CaO-SiO2三元系相中处于低熔点区域,在高温中会直接融化。橄榄壳渣、橄榄壳和松子壳在石英砂流化床中燃烧时产生的 结渣即为融化导致型,表现为床料颗粒被包裹在大团的 熔化物中,结渣时间较短。
 
  在流化床燃烧生物质时, ;包覆层导致型 ;结渣比 ;融化导致型 ;结渣更加常见。运行温度越高,融化导致型的 结渣倾向越高。当生物质灰中同时含有较多的 Si和K,而Ca的 含量较低时,结渣的 倾向严重,且倾向于 ;融化导致型 ;结渣。草本的 黄色秸秆,如稻秆、麦秆也有这样的 特性,它们的 结渣倾向严重,且难以抑制。
  2.3碱金属与矿物质的 气固反应动力学
  生物质灰中的 碱金属活性高,在高温(high temperature)中易于生成KCl等盐类并挥发,床料颗粒与气态碱金属盐发生了气固反应。试验表明,矿物质通过化学反应和物理吸附吸收气相碱金属,但以前者为主。高岭土和褐煤灰均富含Si和Al,吸收碱金属的 能力最强,远远高于二氧(Oxygen)化硅。
  TranKQ研究了850℃下高岭土吸收气态KC
  L、KO
  H、K2SO4的 效率及影响因素。研究不同床料与碱金属的 化学反应动力技术,可以帮助寻找有效的 添加剂或替代床料和优化运行参数。
  3生物质结渣特性判别指标(target aim)
  在生物(Organism)质流化床锅炉设计及运行参数选定时,均需要了解所选用的 生物质的 结渣特性。对于煤来说,已经有大量的 研究成果和若干可靠的 结渣特性判别指标(target aim)用于指导工程实践,但对生物质结渣特性指标研究不多。阎维平研究了煤结渣特性指标用于生物质结渣特性判别的 适用性,VamvuKaD使用碱性氧化物指数A
  I、碱酸比Rb/
  A、铁/碱金属比BAI表现水洗对减轻生物质结渣倾向的 作用(role),JenKinsBM提出碱性(alkaline)氧化物指数AI和碱酸比Rb/a作为生物质结渣特性判别指标,但均没有通过试验验证(Experimental)。
  3.1灰组分对生物质结渣特性的 影响
  表2为3种基于灰组分的 生物质结渣特性判别指标。本文用以上13种生物质及其流化床燃烧试验结果来检验这3个指标的 准确性。各生物质对应的 结渣特性判别指标计算结果及其准确性如表3所示。
  3.1.1碱性氧化(oxidation)物指数AI
  文献给出碱性氧化物指数AI作为生物质结渣特性判别指标,即用每GJ生物质燃料热量含有碱性氧化物(K2O和Na2O)的 量判别燃料的 结渣倾向(如式(1))。由表3可以看出,13种生物质中,AI对11种判别无误。
 
 
  3.2灰熔融温度及破碎性
  与煤一样,生物质灰熔融温度也可以作为结渣特性判别指标,但生物质流化床锅炉的 典型运行温度是850℃,远低于燃煤锅炉的 出口烟温,因此应该修正判别界限值。有研究表明,变形温度能够准确反映各生物质的 结渣倾向,但对于一些生物质来说,虽然其灰熔融温度高,但仍能产生 ;包覆层导致型 ;结渣。一些生物质的 流化床床料团聚结渣温度低于灰熔融温度。用灰熔融温度判别生物质结渣特性的 结果偏于乐观。
  4结语
  (1)生物质燃料可以大致分为木材及林业加工剩余物、草本植物和农产品加工剩余物3类。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。前一种生物质灰分含量低,灰分中碱金属和SiO2的 含量低,碱土金属的 含量高或较高,在流化床运行中不易结渣。后两种生物质灰分含量较高,灰分中碱金属和SiO2的 含量高或较高,碱土金属的 含量低或较低,灰的 熔点比较低,容易结渣,在流化床中燃烧或热转化时,需要防治结渣。
  (2)生物质在流化床中热转化时,会有低熔点碱金属共晶体硅酸盐出现并融化,使得床料颗粒变粘,当融化达到一定比例,粘性力足够大时,颗粒之间相互团聚,形成结渣乃至流化床不能正常流化;融化物一般为K2O-SiO2-CaO2三元系,共晶体硅酸盐可能来源于生物质灰的 直接融化,由此产生的 结渣称为 ;融化导致型 ;结渣,或者由生物质灰与床料石英砂反应生成,称为 ;包覆层导致型 ;结渣,取决于运行温度和生物质灰中
  K、S
  I、Ca等元素的 含量。
  (3)碱性氧化物指数A
  I、铁/碱金属比BAI和碱土金属/碱金属比I能够准确判别生物质(Biomass)的 结渣倾向,可用于指导生物质流化床设计(Design)和运行参数的 选择。但当生物质灰含量过高或过低时,AI预测结果可能与实际情况有差别,当Fe2O3含量过高时,BAI的 预测将受到影响。灰熔融温度对一些生物质结渣特性的 判别仍然有效,但由于一些生物质结渣温度远低于灰变形温度,使用此种判别方法时需要注意。
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