棉稈流化床燃燒過程中鈣基吸頂灰性能的研究

棉稈流化床燃燒過程中鈣基吸頂灰性能的研究

0生物質(zhì)流態(tài)化燃燒由于棉莖能源豐富、易于運輸和焚燒污染較低，棉莖對生物化工有很大影響。流化床燃燒技術(shù)具有較高的燃燒效率、良好的燃料適應(yīng)性和優(yōu)越的環(huán)保性能,其作為一種新型高效、低污染燃燒技術(shù),在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用。同樣,流化床鍋爐也適合生物質(zhì)燃燒,并且是大規(guī)模高效利用生物質(zhì)能源最有前途的技術(shù)之一。生物質(zhì)流態(tài)化燃燒時,床料選擇非常重要,生物質(zhì)中堿金屬含量比較大,燃燒時堿金屬容易和石英砂這種常規(guī)的酸性床料發(fā)生反應(yīng),從而引起床料的燒結(jié),最終導(dǎo)致被迫停爐。本文主要對山東某地棉稈的成灰特性進行分析,并對石英砂和高鋁礬土這兩種床料的燒結(jié)特性進行對比研究。1棉稈堆積密度與棉稈灰渣的關(guān)系試驗棉稈的元素分析、工業(yè)分析以及發(fā)熱值見表1。棉稈同其它生物質(zhì)一樣,主要成分是木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等,其含量取決于棉稈的品種和生長環(huán)境。實驗得出長度為30.0～80.0mm的棉稈堆積密度為100～130kg/m3,棉稈堆積的密實性與堆積高度有很大的關(guān)系。工業(yè)分析結(jié)果表明,棉稈灰分含量很低、揮發(fā)份較高,但氧含量高,熱值比較低。元素分析表明,棉稈S和N含量都不算高。2床料的流變學(xué)分析為了研究棉稈流化床燃燒的可行性,我們首先研究了熱態(tài)條件下長度為30.0～80.0mm的棉稈,與φ0.1～1.0mm寬篩分高鋁礬土床料能否均勻流化混合、穩(wěn)定燃燒。重點觀察密相區(qū)床溫能否維持在850～880℃,并對棉稈灰的元素成分特別是堿金屬含量進行分析。在此裝置上還研究了分別采用石英砂和高鋁礬土床料連續(xù)運行38h后,床料顆粒有無燒結(jié)現(xiàn)象。0.2MWth試驗臺如圖1所示。流化床密相區(qū)高1.2m,截面積為230mm×230mm,稀相區(qū)高4.5m,截面積為460mm×395mm,過渡段高0.2m,內(nèi)部用耐火磚砌筑而成,在1.8m處布置有二次風(fēng)入口,距離布風(fēng)板不同高度裝有溫度測點。布風(fēng)裝置為風(fēng)帽式布風(fēng)板,共有22個風(fēng)帽,每個風(fēng)帽上有4只φ4mm的孔,開孔率為2.1%。由于棉稈不適宜采用螺旋加料器加料,而用星型加料器加料時轉(zhuǎn)動軸經(jīng)常會因纏上棉稈而無法轉(zhuǎn)動,所以實驗時通過加料口人工加料。3棉桿流的燃燒試驗3.1次減量時溫度穩(wěn)定性分析試驗床料為φ0.1～1.0mm寬篩分高鋁礬土顆粒,靜止床高400mm。計算得1kg棉稈完全燃燒需空氣3.8m3,約35kg/h的棉稈加料量,過量空氣系數(shù)α取1.3～1.5時,總風(fēng)量為170～200m3/h。試驗時在不同的一、二次風(fēng)量下,通過調(diào)節(jié)棉稈加料量觀察密相區(qū)溫度能否穩(wěn)定在850-880℃,圖2給出了一次風(fēng)為120m3/h,此時流化速度為2.64m/s,流化數(shù)N約為6,二次風(fēng)量分別為50、60、80m3/h時,對應(yīng)的床溫沿床高的分布。試驗表明,在較大的溫度范圍內(nèi),棉稈都能在流化床中穩(wěn)定燃燒,密相區(qū)溫度能夠維持在850～880℃。棉稈非常容易著火,當(dāng)棉稈含水量增加時,在其它參數(shù)不變的情況下,棉稈消耗量有所增加。高鋁礬土床料燃燒后顆粒能保持原來的形貌,沒有發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象,說明高鋁礬土床料能適用于棉稈流化床燃燒。實驗過程中,床層壓差在小范圍內(nèi)波動,沒有不規(guī)則的大起大落晃動,說明棉稈燃燒得比較穩(wěn)定。試驗時用煙氣分析儀對排放煙氣成分進行了測量,計算得出以上3個工況的燃燒效率都在99%以上。3.2測試結(jié)果與分析圖3為在試驗裝置不同部位的取樣灰,棉稈灰顏色灰白、粘性大、流動性較差,但能清楚看出棉稈灰在運行工況下沒有處于熔融狀態(tài)。為了研究棉稈流化床燃燒時,床溫在900℃以下堿金屬的析出特性,試驗對棉稈及棉稈灰中部分元素進行了測定。操作方法如下:分別稱取棉稈0.9996g、棉稈灰0.1646g,放入聚四氟乙烯容器中,加入HO3、HF,在電熱板上砂浴加熱,使其充分反應(yīng)后將容器放入壓力罐中密封,150℃恒溫加熱8h,再配成溶液,定容成25mL,之后用ICP測定指定元素的含量,測試結(jié)果見表2。根據(jù)殘渣量分析試驗,得出干燥基殘渣量為3.00%,這與表1中元素分析干燥基灰量3.15%有一些誤差,主要是因為不同檢測部門的測定結(jié)果有一定差別。表2還給出了假設(shè)討論的元素未析出,把棉稈中各元素含量折算成完全燃燒后理論上灰渣中各元素組成的質(zhì)量分數(shù)。比較表格中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),棉稈灰中Cl、K、Na、Ca、Mg元素含量均有所減少,特別是K元素減少幅度最大,說明上述元素在燃燒過程中部分以揮發(fā)態(tài)析出,堿金屬的析出主要以氯化物和氫氧化物的形式揮發(fā)出來,KOH是棉桿中鉀鹽與水蒸汽以及其他物質(zhì)在一定的高溫環(huán)境下反應(yīng)的產(chǎn)物,也會隨著蒸氣壓的升高而進入氣相。這一現(xiàn)象與其它生物質(zhì)堿金屬析出特性比較相似,但堿金屬元素析出量的多少與其在棉稈中的賦存形式有關(guān),棉稈中可溶性鉀鹽可能比較多,所以較容易析出。飛灰中還含有較多的堿金屬成分,由于堿金屬鹽熔點較低,飛灰中堿金屬含量越高,對流受熱面結(jié)渣和沾污的可能性越大。試驗過程中就曾因為空預(yù)器管內(nèi)被飛灰堵塞造成引風(fēng)機抽力不足而被迫停爐,圖3b是從空預(yù)器煙氣進口管內(nèi)清出的灰,沉積的棉稈灰粘性比較大。所以,用流化床燃燒棉稈時,一定要注意受熱面的吹灰問題。為了表征棉稈流化床燃燒時受熱面的積灰趨勢,本文根據(jù)文獻引入灰污因子,其定義式如下:計算得:其值比煤燃燒灰污因子高出了一個數(shù)量級。從上表還可以看出,氯在灰中的含量很少,在燃燒過程中氯幾乎全部析出,析出產(chǎn)物一部分是堿金屬的氯化物形式,其它轉(zhuǎn)化為HCl。HCl的存在會引起受熱面的高、低溫腐蝕,同時,為了達標排放,還要采取相應(yīng)的減排措施。另外,灰中相對較高的磷含量也可能會引起低溫受熱面積灰現(xiàn)象,這在文獻中也有報導(dǎo)。3.3床料的燃燒效果生物質(zhì)燃燒過程中,Na和K在一定條件下會與Si生成Na2O·2SiO2和K2O·4SiO2的低溫共熔混合物,其熔點分別為874℃和764℃,從而引起其與床料相互黏結(jié),導(dǎo)致流化床溫度和壓力波動,使正常流化無法進行。因此,為了避免床料的燒結(jié),要選擇合適的床料。實驗時,密相區(qū)溫度控制在850～880℃,在相同運行工況,即給料量和配風(fēng)相同的情況下,分別選用多0.1～1.0mm石英砂和高鋁礬土顆粒為床料,經(jīng)過38h連續(xù)運行比較床料的燒結(jié)狀況。圖4和圖5是兩種床料的原料和運行38h后的顆粒形貌對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn),φ0.1～1.0mm高鋁礬土床料燃燒后顏色加深,變?yōu)榧t褐色,但顆粒依舊保持原來的形貌,無燒結(jié)現(xiàn)象,運行時密相區(qū)溫度較好控制,風(fēng)室與稀相區(qū)壓差波動正常。而φ0.1～1.0mm石英砂床料燃燒后顆粒粒徑明顯變粗,燒結(jié)比較嚴重,大結(jié)塊長度甚至超過7cm,有的結(jié)塊還比較硬,手指很難碾碎,運行時密相區(qū)溫度有時波動較大,風(fēng)室與稀相區(qū)壓差在燃燒8h后即發(fā)現(xiàn)較大的波動,隨著運行時間的加長波動逐漸加大,同時壓差發(fā)現(xiàn)減小的趨勢,這說明燒結(jié)已經(jīng)嚴重影響到床料的正常流化。圖6是兩種床料燃燒前后掃描電鏡的對比圖片,從圖6a和圖6b對比看出,石英砂顆粒燃燒后表面生成了3μm厚的裹覆層,通過不同時間對底渣的取樣分析,此裹覆層隨著運行時間的加長逐漸變厚,甚至有的床料顆粒裹覆層厚度達到30μm,實際上這么厚的裹覆層早已影響到床料的正常流化。通過EDX對裹覆層的元素成分進行了分析,發(fā)現(xiàn)裹覆層內(nèi)富集了大量的K、Ca等堿金屬元素,SEM圖片顯示裹覆層表面比較光滑,表明燃燒時此層處于熔融狀態(tài),以上分析證明了由于棉稈灰中堿金屬的存在,在石英砂床料顆粒表面形成了具有很強粘性的低溫共熔體,從而引起了床料的燒結(jié),最終影響到床料的正常流化,圖6c為石英砂床料運行38h后結(jié)塊的SEM圖片。從圖6d可以看出,高鋁礬土床料運行38h前后顆粒剖面邊緣結(jié)構(gòu)沒有變化,沒有形成像石英砂床料顆粒那樣的裹覆層,整體顆粒形貌也沒有變化,說明高鋁礬土顆粒可以作為棉稈流化床燃燒的床料。4堿金屬鹽類1)實驗表明,棉稈流化床燃燒時,能保持穩(wěn)定的床溫。棉稈中含有大量堿金屬,在燃燒過程中部分堿金屬以揮發(fā)態(tài)析出,飛灰中堿金屬成分含量較高,對流受熱面沾灰的可能性很大。燃燒過程中