生物质与煤共燃技术

生物质与煤共燃技术徐向乾,路春美,张梦珠,巩志强山东大学,山东济南250061[摘要]对农林业废弃物、下水道污泥等生物质与煤共燃技术在燃料制备、燃尽特性、热效率、污染物排放、积灰、腐蚀等方面进行了介绍。这些生物质与煤共燃虽具有较高的积灰和腐蚀性,但其可降低CO2、SO2、NO,的排放,环境效益显著。[关键词]生物质;废弃物;下水道污泥;共燃;污染物排放[中图分类号]X705[文献标识码]A[文章编号]1002-3364(2008)05-0050-04大气中CO2浓度的增加,会对全球气候产生一定快速生长能源植物如芒、象草、芦竹灌木、乔木等;(4)的负面效应。减轻CO2排放问题的途径除了节能、提城市垃圾、有机废水;(5)下水道污泥。高能源利用效率外采用可再生能源是一种更有效的(1)农林废弃物密度一般较低,如麦秆和稻壳的密方法。可再生能源利用途径中,燃用农林业废弃物下度分别为(50~120)kg/m3和122kg/m3,而褐煤密度水道污泥进行热电生产是其中一种降低CO2净排放为(560~600kg/m3,烟煤为(800~900)kg/m3。这的有效方法。种生物质发热量较低仅为煤发热量的1/2~1/3。低利用生物质和垃圾发电有两种方式,一是作为单密度、低发热量使得生物质废弃物的处理、运输和储存一燃料使用小负荷生物质锅炉实现热电联产,二是利变得复杂。污泥的性质与低品质煤的性质相似。用现有煤粉炉实现煤与生物质的共燃。前者需要建立(2)生物质燃料工业及元素分析与煤的比较见表很多分散的生物质电厂,并且生物质特性差别较大,必1。生物质燃料挥发分较高,干燥基挥发分一般为须为不同生物质设计不同的锅炉。此外,生物质生产60%~80%。而且水分含量高范围从小于10%到大的季节需要大量的储存空间,导致成本增加。后者是于50%受天气和处理过程等的影响较大。生物质燃利用大型电站的煤粉炉、流化床锅炉进行与煤共燃发料固定碳一般在10%~20%之间。污泥的固定碳含电,投资和运行成本较低。在生物质与煤共燃发电站量较低。生物质燃料的灰分比煤低,比如木材的干燥按中生物质的季节性波动和地域性波动垃圾成分变化基灰分含量仅为0.2%。但下水道污泥的灰分较高,交引起的影响可以通过改变煤和生物质的比例进行补偿。其于燥基灰分约为30%~60%。流生物质的硫含量较低。木材、秸秆、能源植物1生物质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较高。农林废弃物与下水道污泥的氧含量都比较可供利用的生物质燃料包括:(1)农业废弃物的秸高,约为30%~45%农林废弃物的氮含量中等,但秆、稻壳等;(2)林业废弃物的薪柴、树皮树叶等;(3)是煤化工,约为6%10%,相CNMHG○收稿日期:200706-11八作者简介:徐向乾(1982-),男,山东秦安人山东大学能动学院在读研究生研读方向为燃烧与污染物控制当一部分燃料氮以氨化物形式存在。在污泥干燥过程火点降低,可以快速点燃。生物质与煤共燃时,通常采中,其中一部分氨挥发掉.有些生物质的氯含量比较取低温燃烧技术,炉膛火焰中心温度平均在1000℃高,如麦秆稻草等约为0~0.6%。1200℃,可避免局部高温和结焦以及高温型NO2表1生物质工业和元素分析与煤的比较的生成。工业分析生物燃料的燃尽程度取决于燃料种类和摻入的生燃料M V FCA C H O N S物质比例。与芒等共燃时,当芒的热量输入超过总输棉杆6.973.016.93.250.48.439.81.40.0·入量的25%过量空气系数小于1.1时,会导致燃尽豆秆6.369.619.05.145.46.746.90.90率的下降,灰斗中焦炭量高,烟气中CO浓度较高。当木屑40.046.712.80.550.75943.10.20.04秸秆和芦竹的量超过25%时,CO排放与单独燃烧褐下水通.94620455263831633.1煤时相当。当生物质颗粒尺寸足够小,并且充分干燥烟煤7.534.053.64.98.06.04.01.20.8后,可以实现稳定的点火和燃尽。褐煤1341.221.324.448.93.211.71.40.5生物质颗粒度对燃烧效率有微弱影响。 Richerer(2通过500MW煤粉炉烟煤与秸秆的共燃研究发(4)农林废弃物含有较高的碱金属成分(K等)碱现,当粗颗粒(平均直径大于6m)秸秆的输入量从土金属(Ca等),一般CaO含量为25%~60%,K2O为0~40%时,燃尽效率从9.5%降到99.3%,而细颗粒10%-35%,P2O为4%-15%,碱金属含量高容易(平均直径小于0.75mm)的效率则增长到9.9%导致锅炉受热面结渣和腐蚀。污泥的金属含量比农林另外,生物质高的反应活性高的挥发分、大的比表面废弃物更高,污泥灰分中约含有10%左右的Fe:O和积等均可以改善煤的燃烧特性。20%左右的CaO,而且Zn、P、HgCr、Pb、Cu、Co、Ni在污染物排放方面,燃烧器的喷射方式对NO2的均比煤高。形成有很大影响。如果燃料通过燃烧器的中心管喷入,会进入过量空气系数较低的回流区,NO2排放较2燃料制备低,但若从燃烧器环形间隙喷入,则燃料在高过量空气条件下热解,导致燃料N向NO2转化的增加。因此,生物质与煤共燃时需要单独的制备系统和给料装氮含量高的燃料应从中心管喷入。与纯煤燃烧相比,置,对于稻壳木屑、芦竹等纤维结构的生物质,在燃生物质与煤共燃采用空气分级燃烧,在总体富氧条件烧时需要切割和破碎。由于在煤粉炉燃烧时有较长的下即可实现低NO4排放。另由于生物质含硫量较低停留时间,可以保证生物质的充分燃烧秸秆长度最大以及生物质灰所具有的固硫作用,使SO2产物也随着可达20m,木屑需磨成小于1mm的颗粒。如果木生物质掺烧比例的增加而降低。材水分大于8%时,会影响制备系统的运行。在流化与氯含量较高的生物质(如稻草、芒类)共燃时,可床锅炉燃烧系统中,秸秆既不用磨制,也无需预先干能会因腐蚀加重而影响锅炉运行。当掺烧热量占10%的秸秆时,锅炉的腐蚀速率比纯煤运行时增加,但下水道污泥与煤在可磨性上相近,可使用与煤相并不影响运行。在生物质掺烧比率较小的情况下,煤同的制备系统。王雪在污泥制备过程中发现污泥的灰的性质占主导,与全燃煤时无明显差异。如果生物技水分低于30%时,对制备系统无影响:30%~50%时,质掺烧比例较大,由于生物质灰的熔点较低,未完全燃杰制备系统会出现部分堵塞短时间内可正常运行;超过烧的秸秆颗粒可能造成结焦。流50%时,制备系统出现异常,料仓内料部分被压结块,输送管出现严重堵塞。煤粉与污泥颗粒粒径相同,制3.2流化床热备系统问题较少。流化床对燃料适应性强,可同时燃烧几种不同特3农林废弃物与煤共燃性的燃料燃料柽和檐混出例比较灵活。流§化床可以中国煤化工在分段中引入二3.I煤粉炉燃尽风NMHG充分混合,提z在煤粉炉内生物质与煤共燃点火比纯煤容易。燃烧效率。此外,也可以通过加长悬浮段高度(3~5)八这是由于生物质的挥发分含量高,使得混合燃料的着m,增加锅炉内反应物的停留时间进一步提高燃尽效率25%的共燃比例下,NO,可降低到350mg/m3。另流化床燃烧可以大大降低烟气中SO2的含量。外,SO2排放比生物质共燃时低,一般燃料硫转化为这是由于生物质燃料含硫量低以及生物质灰中的SO2的比例为90%CaO、MgO具有一定的固硫能力。另外,由于燃料中下水道污泥颗粒中的Zn、P、Cr、Pb、Cu、Co、Ni的燃料氮含量较低,NO排放总量也比煤粉炉有所降含量比纯煤燃烧时高,但低于排放标准。下水道污泥低,NO2可降至200mg/m3左右。Hg以化合物形态存在,含量一般较高。由于汞的沸由于流化床燃烧温度较低(850℃~900℃),N2O点低,Hg的化合物易蒸发并与烟气混合排出。但Hg的排放浓度一般比其它燃烧方式高。荷兰代尔福特大的化合物在高温下不稳定,在高于700℃会分解成元学的研究认为加入生物质对NO排放无影响,而王素Hg,元素Hg不易溶解。因此,必须额外增加文丘晶红等人则认为,N2O会有微小的降低,并且与混里吸附器(与褐煤共燃)以吸收烟气中的Hg。吸收器合比例有关,生物质比例越大,削减程度越高。刘德般安装在静电除尘器之后可以除去95%的Hg昌认为,N2O降低的主要原因是由于随挥发分释放出来的燃料氮主要以NH3而不是HCN存在,而42流化床HCN是N2O形成的主要原因,并且随生物质量的增下水道污泥与褐煤共燃时,燃烧和排放特性均很加,NH3呈线性增加,HCN则降低。好。 Tadaaki shimizu发现污泥共燃时NO2排放量在生物质共燃烟气中,当氯含量较高生物质掺烧比单独燃用纯煤时要高很多,并且随运行时间的增长,比例达到60%时,烟气中氯含量是单独燃用煤时的20排放浓度上升,而N2O浓度则有轻微降低。由于污泥倍。污染物二恶英、呋喃浓度也随掺烧量增大而增大,中活性钙是煤的2~3倍,且分布均匀,因而污泥的加这主要由于生物质氯含量和挥发分较高以及煤灰中入提高了混合燃料燃烧过程中的固硫能力污泥加入的含有一定量的铜等所致。量越多,固硫能力越强。但是 M. Bele n Figueras认在循环流化床锅炉中积灰呈非粘性分析显示积为,在污泥中起主要固硫作用的是CaO,而其它碱金属灰中含有大量氯化钾。 Hansen2在80MW流化床锅KNa等由于含量低并且FeCl中的氯会使得钠钾炉中发现在对流通道中过热器腐蚀严重。分析认为生等挥发而且由FeCl转化来的Fe2O3会与CaO生成物质K、C含量较高,Cl是引起过热器高温腐蚀的主铁酸钙CaO与SiO2生成2CaO·SiO2,均减小了CaO要原因。燃烧室上部和旋风区温度不能有效控制,是的固硫能力。导致旋风区和对流通道严重积灰的主要原因。5结论4下水道污泥与煤共燃生物质与煤共燃技术利用煤粉炉、流化床锅炉效4.1煤粉炉率高的特点燃烧和排放特性较好,而且投资低风险在煤粉炉内共燃时,污泥须脱水,预先干燥。污泥低,具有较高的经济效益和环保优势。虽然可能引起和煤粉可以预先混合通过煤粉燃烧器喷入或两种燃料积灰和腐蚀的加重以及重金属排放高等技术问题但技单独从不同燃烧器喷入,炉膛温度可达1500℃~在适当的掺烧比例下,对运行的影响仍处在可控制的术交160℃。对于可燃用高水分燃料的锅炉,最多可以掺范围。我国生物质的产量较大且随着人民生活的提流烧水分10%的污泥,而设计煤种为褐煤时,污泥水分高,包括下水道污泥在内的垃圾逐年增多;同时商品—最高可达40%~50%。污泥掺入比例的范围通常在能源在农村能源消费中比例的增大大量农林业生物2%~20%之间。由于污泥中氮含量较高,不分级燃烧质被废弃。发展火电厂共燃技术是解决垃圾处理,合第茇条件下,NO排放浓度较高,且排放水平随污泥掺娆理利用农林废弃物的最佳途径比例的增加而增加。在分级燃烧条件下,NO减排效二率可以达到70%~80%。例如 IVD University Stutt-中国煤化工料]o gart D进行的.5MW煤粉炉共燃试验采用不分N士煤粉炉上应用的试验研究八级燃烧方式共燃50%的污泥时,NO排放浓度为[].电力环境保护,2007,23(2)800mg/m3;当低主燃区过量空气系数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中国煤化工 submerged gas jetlow:sudden expension ratioCNMHG八