生物質(zhì)與煤共燃技術(shù)

生物質(zhì)與煤共燃技術(shù)徐向乾,路春美,張夢(mèng)珠,鞏志強山東大學(xué),山東濟南250061[摘要]對農林業(yè)廢棄物、下水道污泥等生物質(zhì)與煤共燃技術(shù)在燃料制備、燃盡特性、熱效率、污染物排放、積灰、腐蝕等方面進(jìn)行了介紹。這些生物質(zhì)與煤共燃雖具有較高的積灰和腐蝕性,但其可降低CO2、SO2、NO,的排放,環(huán)境效益顯著(zhù)。[關(guān)鍵詞]生物質(zhì);廢棄物;下水道污泥;共燃;污染物排放[中圖分類(lèi)號]X705[文獻標識碼]A[文章編號]1002-3364(2008)05-0050-04大氣中CO2濃度的增加,會(huì )對全球氣候產(chǎn)生一定快速生長(cháng)能源植物如芒、象草、蘆竹灌木、喬木等;(4)的負面效應。減輕CO2排放問(wèn)題的途徑除了節能、提城市垃圾、有機廢水;(5)下水道污泥。高能源利用效率外采用可再生能源是一種更有效的(1)農林廢棄物密度一般較低,如麥稈和稻殼的密方法?？稍偕茉蠢猛緩街?燃用農林業(yè)廢棄物下度分別為(50~120)kg/m3和122kg/m3,而褐煤密度水道污泥進(jìn)行熱電生產(chǎn)是其中一種降低CO2凈排放為(560~600kg/m3,煙煤為(800~900)kg/m3。這的有效方法。種生物質(zhì)發(fā)熱量較低僅為煤發(fā)熱量的1/2~1/3。低利用生物質(zhì)和垃圾發(fā)電有兩種方式,一是作為單密度、低發(fā)熱量使得生物質(zhì)廢棄物的處理、運輸和儲存一燃料使用小負荷生物質(zhì)鍋爐實(shí)現熱電聯(lián)產(chǎn),二是利變得復雜。污泥的性質(zhì)與低品質(zhì)煤的性質(zhì)相似。用現有煤粉爐實(shí)現煤與生物質(zhì)的共燃。前者需要建立(2)生物質(zhì)燃料工業(yè)及元素分析與煤的比較見(jiàn)表很多分散的生物質(zhì)電廠(chǎng),并且生物質(zhì)特性差別較大,必1。生物質(zhì)燃料揮發(fā)分較高,干燥基揮發(fā)分一般為須為不同生物質(zhì)設計不同的鍋爐。此外,生物質(zhì)生產(chǎn)60%~80%。而且水分含量高范圍從小于10%到大的季節需要大量的儲存空間,導致成本增加。后者是于50%受天氣和處理過(guò)程等的影響較大。生物質(zhì)燃利用大型電站的煤粉爐、流化床鍋爐進(jìn)行與煤共燃發(fā)料固定碳一般在10%~20%之間。污泥的固定碳含電,投資和運行成本較低。在生物質(zhì)與煤共燃發(fā)電站量較低。生物質(zhì)燃料的灰分比煤低,比如木材的干燥按中生物質(zhì)的季節性波動(dòng)和地域性波動(dòng)垃圾成分變化基灰分含量?jì)H為0.2%。但下水道污泥的灰分較高,交引起的影響可以通過(guò)改變煤和生物質(zhì)的比例進(jìn)行補償。其于燥基灰分約為30%~60%。流生物質(zhì)的硫含量較低。木材、秸稈、能源植物1生物質(zhì)燃料特性等的干燥基硫含量一般低于0.15%,下水道污泥的硫含量較高。農林廢棄物與下水道污泥的氧含量都比較可供利用的生物質(zhì)燃料包括:(1)農業(yè)廢棄物的秸高,約為30%~45%農林廢棄物的氮含量中等,但稈、稻殼等;(2)林業(yè)廢棄物的薪柴、樹(shù)皮樹(shù)葉等;(3)是煤化工,約為6%10%,相CNMHG○收稿日期:200706-11八作者簡(jiǎn)介:徐向乾(1982-),男,山東秦安人山東大學(xué)能動(dòng)學(xué)院在讀研究生研讀方向為燃燒與污染物控制當一部分燃料氮以氨化物形式存在。在污泥干燥過(guò)程火點(diǎn)降低,可以快速點(diǎn)燃。生物質(zhì)與煤共燃時(shí),通常采中,其中一部分氨揮發(fā)掉.有些生物質(zhì)的氯含量比較取低溫燃燒技術(shù),爐膛火焰中心溫度平均在1000℃高,如麥稈稻草等約為0~0.6%。1200℃,可避免局部高溫和結焦以及高溫型NO2表1生物質(zhì)工業(yè)和元素分析與煤的比較的生成。工業(yè)分析生物燃料的燃盡程度取決于燃料種類(lèi)和摻入的生燃料M V FCA C H O N S物質(zhì)比例。與芒等共燃時(shí),當芒的熱量輸入超過(guò)總輸棉桿6.973.016.93.250.48.439.81.40.0·入量的25%過(guò)量空氣系數小于1.1時(shí),會(huì )導致燃盡豆稈6.369.619.05.145.46.746.90.90率的下降,灰斗中焦炭量高,煙氣中CO濃度較高。當木屑40.046.712.80.550.75943.10.20.04秸稈和蘆竹的量超過(guò)25%時(shí),CO排放與單獨燃燒褐下水通.94620455263831633.1煤時(shí)相當。當生物質(zhì)顆粒尺寸足夠小,并且充分干燥煙煤7.534.053.64.98.06.04.01.20.8后,可以實(shí)現穩定的點(diǎn)火和燃盡。褐煤1341.221.324.448.93.211.71.40.5生物質(zhì)顆粒度對燃燒效率有微弱影響。 Richerer(2通過(guò)500MW煤粉爐煙煤與秸稈的共燃研究發(fā)(4)農林廢棄物含有較高的堿金屬成分(K等)堿現,當粗顆粒(平均直徑大于6m)秸稈的輸入量從土金屬(Ca等),一般CaO含量為25%~60%,K2O為0~40%時(shí),燃盡效率從9.5%降到99.3%,而細顆粒10%-35%,P2O為4%-15%,堿金屬含量高容易(平均直徑小于0.75mm)的效率則增長(cháng)到9.9%導致鍋爐受熱面結渣和腐蝕。污泥的金屬含量比農林另外,生物質(zhì)高的反應活性高的揮發(fā)分、大的比表面廢棄物更高,污泥灰分中約含有10%左右的Fe:O和積等均可以改善煤的燃燒特性。20%左右的CaO,而且Zn、P、HgCr、Pb、Cu、Co、Ni在污染物排放方面,燃燒器的噴射方式對NO2的均比煤高。形成有很大影響。如果燃料通過(guò)燃燒器的中心管?chē)娙?會(huì )進(jìn)入過(guò)量空氣系數較低的回流區,NO2排放較2燃料制備低,但若從燃燒器環(huán)形間隙噴入,則燃料在高過(guò)量空氣條件下熱解,導致燃料N向NO2轉化的增加。因此,生物質(zhì)與煤共燃時(shí)需要單獨的制備系統和給料裝氮含量高的燃料應從中心管?chē)娙?。與純煤燃燒相比,置,對于稻殼木屑、蘆竹等纖維結構的生物質(zhì),在燃生物質(zhì)與煤共燃采用空氣分級燃燒,在總體富氧條件燒時(shí)需要切割和破碎。由于在煤粉爐燃燒時(shí)有較長(cháng)的下即可實(shí)現低NO4排放。另由于生物質(zhì)含硫量較低停留時(shí)間,可以保證生物質(zhì)的充分燃燒秸稈長(cháng)度最大以及生物質(zhì)灰所具有的固硫作用,使SO2產(chǎn)物也隨著(zhù)可達20m,木屑需磨成小于1mm的顆粒。如果木生物質(zhì)摻燒比例的增加而降低。材水分大于8%時(shí),會(huì )影響制備系統的運行。在流化與氯含量較高的生物質(zhì)(如稻草、芒類(lèi))共燃時(shí),可床鍋爐燃燒系統中,秸稈既不用磨制,也無(wú)需預先干能會(huì )因腐蝕加重而影響鍋爐運行。當摻燒熱量占10%的秸稈時(shí),鍋爐的腐蝕速率比純煤運行時(shí)增加,但下水道污泥與煤在可磨性上相近,可使用與煤相并不影響運行。在生物質(zhì)摻燒比率較小的情況下,煤同的制備系統。王雪在污泥制備過(guò)程中發(fā)現污泥的灰的性質(zhì)占主導,與全燃煤時(shí)無(wú)明顯差異。如果生物技水分低于30%時(shí),對制備系統無(wú)影響:30%~50%時(shí),質(zhì)摻燒比例較大,由于生物質(zhì)灰的熔點(diǎn)較低,未完全燃杰制備系統會(huì )出現部分堵塞短時(shí)間內可正常運行;超過(guò)燒的秸稈顆?？赡茉斐山Y焦。流50%時(shí),制備系統出現異常,料倉內料部分被壓結塊,輸送管出現嚴重堵塞。煤粉與污泥顆粒粒徑相同,制3.2流化床熱備系統問(wèn)題較少。流化床對燃料適應性強,可同時(shí)燃燒幾種不同特3農林廢棄物與煤共燃性的燃料燃料檉和檐混出例比較靈活。流§化床可以中國煤化工在分段中引入二3.I煤粉爐燃盡風(fēng)NMHG充分混合,提z在煤粉爐內生物質(zhì)與煤共燃點(diǎn)火比純煤容易。燃燒效率。此外,也可以通過(guò)加長(cháng)懸浮段高度(3~5)八這是由于生物質(zhì)的揮發(fā)分含量高,使得混合燃料的著(zhù)m,增加鍋爐內反應物的停留時(shí)間進(jìn)一步提高燃盡效率25%的共燃比例下,NO,可降低到350mg/m3。另流化床燃燒可以大大降低煙氣中SO2的含量。外,SO2排放比生物質(zhì)共燃時(shí)低,一般燃料硫轉化為這是由于生物質(zhì)燃料含硫量低以及生物質(zhì)灰中的SO2的比例為90%CaO、MgO具有一定的固硫能力。另外,由于燃料中下水道污泥顆粒中的Zn、P、Cr、Pb、Cu、Co、Ni的燃料氮含量較低,NO排放總量也比煤粉爐有所降含量比純煤燃燒時(shí)高,但低于排放標準。下水道污泥低,NO2可降至200mg/m3左右。Hg以化合物形態(tài)存在,含量一般較高。由于汞的沸由于流化床燃燒溫度較低(850℃~900℃),N2O點(diǎn)低,Hg的化合物易蒸發(fā)并與煙氣混合排出。但Hg的排放濃度一般比其它燃燒方式高。荷蘭代爾福特大的化合物在高溫下不穩定,在高于700℃會(huì )分解成元學(xué)的研究認為加入生物質(zhì)對NO排放無(wú)影響,而王素Hg,元素Hg不易溶解。因此,必須額外增加文丘晶紅等人則認為,N2O會(huì )有微小的降低,并且與混里吸附器(與褐煤共燃)以吸收煙氣中的Hg。吸收器合比例有關(guān),生物質(zhì)比例越大,削減程度越高。劉德般安裝在靜電除塵器之后可以除去95%的Hg昌認為,N2O降低的主要原因是由于隨揮發(fā)分釋放出來(lái)的燃料氮主要以NH3而不是HCN存在,而42流化床HCN是N2O形成的主要原因,并且隨生物質(zhì)量的增下水道污泥與褐煤共燃時(shí),燃燒和排放特性均很加,NH3呈線(xiàn)性增加,HCN則降低。好。 Tadaaki shimizu發(fā)現污泥共燃時(shí)NO2排放量在生物質(zhì)共燃煙氣中,當氯含量較高生物質(zhì)摻燒比單獨燃用純煤時(shí)要高很多,并且隨運行時(shí)間的增長(cháng),比例達到60%時(shí),煙氣中氯含量是單獨燃用煤時(shí)的20排放濃度上升,而N2O濃度則有輕微降低。由于污泥倍。污染物二惡英、呋喃濃度也隨摻燒量增大而增大,中活性鈣是煤的2~3倍,且分布均勻,因而污泥的加這主要由于生物質(zhì)氯含量和揮發(fā)分較高以及煤灰中入提高了混合燃料燃燒過(guò)程中的固硫能力污泥加入的含有一定量的銅等所致。量越多,固硫能力越強。但是 M. Bele n Figueras認在循環(huán)流化床鍋爐中積灰呈非粘性分析顯示積為,在污泥中起主要固硫作用的是CaO,而其它堿金屬灰中含有大量氯化鉀。 Hansen2在80MW流化床鍋KNa等由于含量低并且FeCl中的氯會(huì )使得鈉鉀爐中發(fā)現在對流通道中過(guò)熱器腐蝕嚴重。分析認為生等揮發(fā)而且由FeCl轉化來(lái)的Fe2O3會(huì )與CaO生成物質(zhì)K、C含量較高,Cl是引起過(guò)熱器高溫腐蝕的主鐵酸鈣CaO與SiO2生成2CaO·SiO2,均減小了CaO要原因。燃燒室上部和旋風(fēng)區溫度不能有效控制,是的固硫能力。導致旋風(fēng)區和對流通道嚴重積灰的主要原因。5結論4下水道污泥與煤共燃生物質(zhì)與煤共燃技術(shù)利用煤粉爐、流化床鍋爐效4.1煤粉爐率高的特點(diǎn)燃燒和排放特性較好,而且投資低風(fēng)險在煤粉爐內共燃時(shí),污泥須脫水,預先干燥。污泥低,具有較高的經(jīng)濟效益和環(huán)保優(yōu)勢。雖然可能引起和煤粉可以預先混合通過(guò)煤粉燃燒器噴入或兩種燃料積灰和腐蝕的加重以及重金屬排放高等技術(shù)問(wèn)題但技單獨從不同燃燒器噴入,爐膛溫度可達1500℃~在適當的摻燒比例下,對運行的影響仍處在可控制的術(shù)交160℃。對于可燃用高水分燃料的鍋爐,最多可以摻范圍。我國生物質(zhì)的產(chǎn)量較大且隨著(zhù)人民生活的提流燒水分10%的污泥,而設計煤種為褐煤時(shí),污泥水分高,包括下水道污泥在內的垃圾逐年增多;同時(shí)商品—最高可達40%~50%。污泥摻入比例的范圍通常在能源在農村能源消費中比例的增大大量農林業(yè)生物2%~20%之間。由于污泥中氮含量較高,不分級燃燒質(zhì)被廢棄。發(fā)展火電廠(chǎng)共燃技術(shù)是解決垃圾處理,合第茇條件下,NO排放濃度較高,且排放水平隨污泥摻嬈理利用農林廢棄物的最佳途徑比例的增加而增加。在分級燃燒條件下,NO減排效二率可以達到70%~80%。例如 IVD University Stutt-中國煤化工料]o gart D進(jìn)行的.5MW煤粉爐共燃試驗采用不分N士煤粉爐上應用的試驗研究八級燃燒方式共燃50%的污泥時(shí),NO排放濃度為[].電力環(huán)境保護,2007,23(2)800mg/m3;當低主燃區過(guò)量空氣系數0.7~0.9、[2] J Werther, M Saenger,E.-U. 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A comparison of the calculated 35result with the tested result has been carried out results of study show that the process is a flow process of top-submerged gas jet tflow with negative buoyance, adverse pressure gradient, and sudden expansion thk power function relation is existing between themaximal penetration depth of gas and the momentum flux at the gas outlet along with decrease of the sudden expansion ratio, the syn- jAthetic gas is strengthened, the amount of liquid drops and air bubbles being increased, and the liquid level being enhanced. The calcu-lated result tallies well with that of experiment.Key words: coal-water slurry gasifier scrubbing cooling chamber; liquid ciste中國煤化工 submerged gas jetlow:sudden expension ratioCNMHG八