生物质燃料再燃研究进展

第21卷第3期热能动工程Vol 21. No. 32006年5月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER文章编号:1001-206200603-027-04生物质燃料再燃研究进展段佳,罗永浩,陈祎(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)摘要:生物质能是可再生能源,生物料可以实现CO2净排放为零。此区域内燃烧,过量空气系数质燃杆具有O2净排放为零的特性对利用生物质能符合实现可持续发SR1>1,生成NOx等产物;在主它的利用可减少温室气体排放符合实展的要求,许多国家加大了生物燃区下游的再燃区内,再燃燃料现可持续发展的要求。生物质燃料再质能研究与开发力度,我国于被喷入炉膛,再燃燃料约占锅炉燃方式包括直接再然、间接再燃和高级2006年实施《中华人民共和国可燃料的10%-20%,过量空气系再燃等3种方式,都能有效减少NO排放。利用木柴直接再燃的研究较多再生能源法》,将生物质能等可再数SR2<1,形成具有很强还原性采用人工模拟生物质气化气是研究间生能源的科学技术研究和产业化的富燃料气氛,在初级燃区内生接再燃的有效途径。生物质燃料种类发展列为国家科技发展与高技术成的部分NOx被还原为N2及其尺寸、组分,燃料携带气,燃料喷入位产业发展的优先领域。它含氮分子,如HCN、NH3;燃尽置、燃尽风、再燃区过量空气系数等多我国生物质资源量巨大,据风(OFA)在燃尽区被喷入,该区种因素影响再燃。对我国开展生物质预测到2010年我国农业产生的域过量空气系数sR,>1,形成贫燃料再燃研究提出了建议。废料约合12×105k,相当于燃料气氛,氧化剩余可燃物,剩余关键词:生物质燃料:直接再燃;4.09×104t标准煤“。尽管生物的含氮分子(NO、 HCN, NH3)被转间接再燃;高级再燃质资源量非常大,但由于生物质化为NO或(和)N2中图分类号:X511资源供应具有季节性,分散分布,文献标识码:A能量密度小,运输、储存成本较高,从而限制了生物质能在大型1前言电站的利用规模。在燃煤锅炉上燃尽风生物质能,是指利用自然界采用生物质燃料再燃方式,一方再燃区二次燃料的植物、粪便以及城乡有机废物面能控制生物质能利用规模,另主燃料转化成的能源。生物质能是一方面能降低燃煤锅炉CO2种可再生能源,是植物通过光合S0x、NOx等污染物排放,是具作用将太阳能转变为化学能而储有优势的生物质能利用方式。图1再燃过程存在生物质内部的能量2。与煤相比较,生物质燃料具有C、N2再燃概念S、Cl含量低,O含量高,挥发份含再燃”概念最初由 John Zine3生物质燃料再燃C02、sOx、燃料型NOz低等特是在炉膛内采用二次燃料(又称1生物质燃料直接再燃性。燃烧生物质燃料所释放的再燃燃料)作为还原剂,减少生物质直接再燃是指将未经C可在植物进行光合作用时被NOz排放的技术6。再横计程。热化学处理(热解气化)的生物吸收如果适当利用生物质能则分3步,炉膛相应地被中国煤化工二次燃料的再燃方可以构成一个封闭的CO2循环,区域(见图1)。主燃区CNMHG生初庾燃料再燃能降低因此从长远来看,燃用生物质燃部,约80%~90%的锅炉燃料在收稿日期:2005-06-09;修订日期:2006-01-16作者简介:段佳(1974-),男,湖南长沙人,上海交通大学博土研究生228热能动力工程2006年NOx排放。生物质细煤粉、水生物质燃料再燃的一个限制,嘴都设计在炉内同一面墙上所形煤浆、碳化废物衍生燃料(CRDF)值得进一步加以研究。成的混合效果比在相对的两面墙和沥青乳液等再燃实验表明多种生物质燃料都可用于再上的混合效果差;再燃喷嘴在旋这些再燃燃料都能有效减少燃,其中采用木柴作为再燃燃料风燃烧器上方约24m处时,至NOx排放,其中高挥发份、高碱的研究较多。木柴中氮含量低,少能减少NOx排放40%。利用金属、低氮的生物质燃料和不含硫木片向炉膛内喷射时具烟气代替空气作为木柴颗粒携带CRDF再燃能减少NOx排放有弹道特性,可与烟气较好混合。气富燃料气氛更强,再燃效果更50%。在较短的停留时间内,天 Harding等人的研究表明,木柴颗好但混合不好将形成局部贫燃然气再燃效果较好因为天然气粒尺寸对再燃效果几乎没有影料气氖,降低再燃效果。OFA高无须再析出挥发份,但停留时间响,实验对比了3种再燃燃料速喷入能改善混合,但高速射流超过0.56后,所有燃料再燃效携带气对再燃的影响,3种携带将产生较高压降。果相同。气分别是空气、氮气和模拟烟气生物质燃料,尤其是农业废在小型滴管炉进行的再燃还(含3%029%N)。当SR2<弃物及木柴中钠钾等碱金属含原模拟烟气中NO的热态实验表09时,3种携带气的实验结果量高,容易导致灰熔点降低。采明叫,采用木屑橘皮和稻壳等3几乎相同;SR2>0.9时携带气用生物质燃料直接再燃将导致种再燃燃料可减少NO排放50%为空气时减少NOx排放效果最受热面积灰、沾污等问题,尤其是~70%,由于3种生物质燃料中好。还对发电功率为265MW旋安装了高温过热器的锅炉内受热木屑中挥发份含量最高,其还原风炉采用木柴颗粒再燃进行了全面积灰沾污十分严重。此外,生NO的效果最好。尺度数值模拟,研究了影响再燃物质灰和煤灰的掺混不可避免,无烟煤、秸秆、象草、木柴、天过程混合的多种因素,认为再燃导致飞灰很难再加以利用,降低然气再燃实验表明,无烟煤再燃料喷嘴要尽量接近旋风燃烧了锅炉运行经济性。采取将生物燃最低NOx排放浓度为500mg器,才能获得充分的混合及燃烧质气化再燃的方式则可将生物质m(6%02),生物质燃料再燃最低时间;采用木柴颗粒与主燃区烟灰和煤灰分离从而可以解决直NOx排放浓度在250-300mgm3气逆向喷入方式,可以获得二者接再燃给燃煤锅炉运行造成的飞(6%Q2)以内,天然气再燃最低较好的混合;OFA高速喷入能产灰难以再利用受热面积灰沾污NOx排放浓度为260mg/m3(6%生更好的混合,从而降低CO,在和腐蚀等问题。过热器管屏入口处形成均匀的过生物质燃料间接再燃02)。 Rudiger等人指出影响最低量空气系数分布。对比空气和烟生物质燃料间接再燃是采用NOx排放量的最重要因素是燃气作为携带气的再燃效果表明,生物质热解油和气化气作为二次料挥发份含量其次是氮含量以。采用空气作为再燃燃料携带气时燃料的再燃方式。由于将生物质高挥发份可有效降低NOx排放;可减少Nox排放45%-48%热解油作为化工原料利用具有更再燃过程中,生物质燃料氮以用烟气时为5%。另外,高的经济性,因此研究集中于采NH1的形式大量释放,将NOx直在0.8~0.93范围内每降低0.0用气化气再燃。Beg等人分析接还原为N。实验表明,各种燃可减少Nox排放5%,这可通过了模拟过热器管在不同再燃条件料再燃方式都存在与之对应的增加再燃燃料木柴量实现。下的灰沉积样本2,指出生物质SR2范围,如天然气再燃时为Ads等采用数值模拟研化气再燃方式所生成的灰与不065~0.9,生物质燃料再燃时为究了旋风炉木柴再燃过程,其采用再燃方式所生成的灰没有显075~0.859。实验还研究了再中木柴颗粒的反应包括3个过著差别,有利于飞灰的利用。燃时生物质燃料颗粒尺寸对燃尽程,即水分蒸发析出挥华生物质气化气的主要可燃成的影响,表明增大象草颗粒尺寸气体和木炭燃烧。得到中国煤化工2及CH等烃类。后,燃烧燃尽率降低,虽然木柴颗[10]一致的结论,并进CNMHGH2再燃时,随着再粒尺寸更小,但其燃烧燃尽率比了再燃燃料喷嘴布置、再燃燃料燃燃料温度升高,NOzx排放浓度象草颗粒低,这可能与燃料结构携带气的作用和OFA喷入的影下降,减少NOx排放可达到不同有关因此燃尽率是对固体响。文献[1]指出将再燃燃料喷20%~30%。生物质气化气第3期段佳,等:生物质燃料再燃研究进展229中烃类组分也具有还原NOx的主要步骤有1600K时NO转化达40%;在由作用H。HCCO+ NO++hCn+CO呋喃/NO/O2/Ar构成的氧化环境在再燃研究中,通常采用人HCCO+ NO++HCNO +CO扫,温度达到1300K以上,NO浓工模拟生物质气化气代替真实生HCNO+h+hCN+OH度迅速降低,到1600K可降低物质气化气。范志林等人采用由HCN+0及HCN,NCO,NHNO浓度80%。目前有关焦油或COH2CH/CHCH构成的人CN +0,++NCO+0焦油组成成份还原NOx机理研工模拟生物质气化气,实验研NCo+H+NH+cO究的公开报道较少究了生物质气化气组成成份、再NH+NO4→N2O+H3.3生物质燃料高级再燃燃温度、停留时间、烟气初始NON,0+H++N2+ Oh生物质燃料高级再燃是在生浓度等条件对NO还原效果的影范志林等人建立了充分搅拌物质燃料基本再燃基础上,采用响,指出生物质气的成份,尤其是反应器和柱塞流反应器串联模向炉内高温烟气中喷入氨或尿素CH对NO还原效果有显著的影型以,模拟生物质气化气还原NO的方式,可减少NOx排放90%。响,烟气中较髙的NOx初始浓度的过程。模型假设在再燃燃料喷Berge等人研究了采用掺混以及水分和SO2的存在不利于嘴出口局部有x份额的气体在充了含氮杂质的内烷(CH)为初级NO还原,并且含量越高不利程度分搅拌反应器中还原NO,另外(1燃料时的3种再燃形式,即仅越大。 Rudiger等人对比了人工-x)份额的气体未经混合从该局喷入低热值生物质气化气、喷入模拟生物质气化气与天然气的再部区域绕过后与充分搅拌反应器低热值生物质气化气与氨的混合燃效果。人工模拟生物质气化出口气体混合一起进入柱塞流反物、氨在生物质气化气下游且在气各组分(COC2H2/CH应器,进行还原NO的反应。模拟OFA上游喷入。在仅喷入低热值C2Hx)体积百分数分别为26.5采用了CHNO、S五元素、45生物质气化气实验中,当SR2为5.350.755317.3及41.5037.种组分106个基元反应的机理。0.,7时,NO浓度从再燃区进口50.8710.2,分别代表生物质燃模拟曲线与实验曲线在总体走势8∞omgm(6%)降低到再燃区料中温和高温气化产生的燃气。上基本一致,模拟表明在不同条出口20mgm(6%0);喷人低热两种人工模拟生物质气化气再燃件下反应过程中控制NO脱除的值生物质气化气与氨的混合物实减少NOx排放的效果与天然气基元反应并不相同。再燃的差别很小,相差最大不到生物质燃料气化过程中将产验中,0.92>R2>0.77时,再燃10%。 Glarborg等人研究了烃类焦油,通常采用的“焦油”定义区出口NO浓度低于200mgm3在生物质气化气再燃中的作是气化气中所有芳香烃及多环芳6%0);氨在生物质气化气下游用。所采用的人工模拟生物香烃,包括了从单环到5环及且在OFA上游喷入实验中NO浓质气化气中CO和H的体积百以上的多种芳香烃、杂环芳香烃,度由再燃区进口800mgm3(6%分数相同,混人CH作为人工模如甲苯、酚萘、茚呋喃等。生物0)降低到再燃区出口120-140质气化气中焦油含量量级可高达mgm(6%O),氨喷嘴离再燃燃料拟生物质气化气中的烃类,研究表明生物质气化气再燃效果与再100g/m3。100g/m3。实验表明,生物质喷嘴越近降低NO排放越多。SR2气中焦油有助于减少NOx排<0.90时,低热值生物质气化气燃气体烃浓度有关,但烃的作用效果随反应条件变化当SR2为啟.x)。Gume等人采用试验与氨的混合喷入的再燃效果最和数值方法研究了呋喃在激波管佳;SR2>0.90时,氨在再燃燃料09时,生物质气化气中烃浓度越高,减少NOx排放效果越显内还原NO的作用。描述呋喃下游0.25-0.5m位置喷入能有/NO系统的化学反应模型整合了效降低NO排放。著;当SR2为07时,采用烃浓度呋哺热解模型和烃/N氧化模型低的生物质气化气减少NOx排其中吹哺通过裂解生成中国煤化工燃料()细煤放效果更显著。类烃类通过氧化发生CNMHG再燃燃料,尿素作Dagaut等人总结了人工模拟烃基)。研究表明,在由呋喃/为还原剂进行了高级再燃实验。生物质气化气( CO/H2/CH/CH/No/Ar构成的热解环境中,温度再燃燃料热量占炉膛输入热量C2H)再燃还原NOx的机理,达到1300K,NO才开始转化,在10%,尿素喷入温度在12001230热能动力工程2006年560K范围内。喷入温度为探索再燃过程中生物质燃料热a rebuming fuel; a specialized cofiring ap-1200K尿素溶液时,天然气再燃解、气化产物各组成成份还原plication [J]. Biomass and Bioenergy能减少NOx排放81%;喷人温度NOx的机理、各组成成份影响其 ADAM B R. HARDING NS.Bmip为1300K尿素溶液时,CRDF和它组成成份还原NOx的机理,为ing biomss for NO controd [] Fud Pn超细煤粉能减少NOx排放83%;控制生物质燃料热解、气化和燃cessing Tedmology, 1998, 54: 29-263喷入温度为136ω0K尿素溶液时,烧,优化再燃提供依据。[121 BERGE N, OSKARSSON J, RRDUING L,et生物质燃料再燃能减少NOx排(3)增加生物质再燃燃料种al. flame with an LCV- pas combined with放9%。生物质燃料灰具有钠钾类,尤其要关注秸秆等农业废弃SNCR [A]. Rebuming of a P FOeanRechnology for Solid Fuels( 1996-1998含量高的特性。在高级再燃过程物及能源作物的再燃研究C). Bruxelles: European Comission, 1999中,碱金属通过生成自由基强化(4)开展生物质燃料处理NH2-NO的相互作用,其中最具再燃集成系统研究,评估锅炉系13 GLARBORG P, KRISTENSEN P G, DAM活性的碱基助催化剂是钠。高温统采用生物质燃料再燃技术的效JOHANSEN K. 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