生物质燃料成份对生物质流化床燃烧的影响

第42卷第5期锅炉技术Vol 42. No 52011年9月BOILER TECHNOLOGYSep., 2011文章编号:CN31-1508(2011)09-0075-04生物质燃料成份对生物质流化床燃烧的影响赵晴川(山东电力研究院,山东济南250002)要:基于流化床的生物质燃烧技术应用日益广泛。生物质燃料流化床的缺点是容易产生床体结焦。灰的组分和生物质燃料中的硫、氯是影响流化床锅炉烧结倾向、锅炉污染速率、灰沉积过程、结焦和过热器腐蚀的主要因素。以灰成分为基础划分生物质燃料,可分为具有显著的不同燃烧特性的3类。在实践的基础上,阐述了各类生物质燃料及其灰分特性以及在流化床燃烧中的特点关键词:生物质;灰分;流化床燃烧;床体聚集;结渣中图分类号:X705文献标识码:B0前言度、净发热量、氮和氯含量等。该标准还列出了表征生物质燃料化学特性的一些典型参数及其近年来对生物质燃料的需求在不断增长。数值包括灰成分、高位和低位发热量、主要可燃与传统燃料相比,生物质燃料燃烧更加困难。燃物质(C,H,O,N,S)、卤素(CL和F)等。该标准料随季节和所在地区而不同,水分可能很高。燃中给出了大量固体生物质燃料的具体特性,包括料的预处理和给料系统较复杂。燃烧生物质锅针叶树木及落叶树木的树干和树皮、伐木屑、灌炉普遍存在沾污、灰沉积、结焦和过热器腐蚀等木、秸秆和谷物、杂草、果壳等。尽管CEN/Ts问题。14961以标准形式提供了不同固体生物质燃料的固体生物质燃料常用的工业燃烧技术是鼓重要信息和数据,但从燃烧学方面来看,这些分泡流化床(BFB)、循环流化床(CFB)和层燃锅炉。类并不足以完全描述不同生物质的燃料特性其中基于流化床(BFB和CFB)的技术应用日益广泛。生物质流化床锅炉的燃烧与灰成分密切2生物质燃料的灰分相关。灰沉积物和生物质中的硫、氯是影响流化从燃烧观点看,生物质燃料以灰分可划分为床锅炉结焦倾向、锅炉污染速率、灰沉积过程、结3类:焦、和过热器腐蚀的主要因素。以灰成分为基础(1)灰中富CaK贫Si生物质;可将生物质燃料划分为具有不同燃烧特性的三(2)灰中富Si贫Ca、K生物质;大类。每类生物质燃料特性和灰特性各不相同,(3)灰中富Ca、KNa生物质。决定了其在在流化床燃烧中的特性大多数木质燃料属第一类。稻壳、甘蔗渣、1生物质燃料或春季成熟的草本植物是典型第二类生物质,葵花籽壳和菜籽饼是第三类燃料。欧洲标准委员会固体生物质燃料分类标准CEN/TS14961把生物质分成三大类:木质生物3灰分中富钙和钾、贫硅的生物质质、草本生物质以及果实类生物质。三大类之下木质生物质与其他化石燃料相比,含低氮包含一些子类,以及自然混合物和人工混合物。(重量百分比0.3%~0.7%),低硫(0.03%~此标准提供了包括木炭、木屑锯末、原木、0.05%),以及低灰分(0.1%~6%)。水分通常橄榄树种子、草砖等众多木质颗粒状生物质燃料很高达到50中国煤化工低位发的特性和规格,如燃料尺寸、水分、灰分、堆积密热量。CNMHG收稿日期:2010-07-22作者简介:赵晴川(1972-),男,副教授、高级工程师,从事电站锅炉燃烧优化、性能分析、节能改造等工作76锅炉技术第42卷木质生物质的灰分通常富含Ca和K,见表处于700℃~900℃正常运行温度的床料中的石1。CaO在树干和树皮灰分中占30%~50%,英(SiO2)反应,在床料颗粒上形成一层硅酸钾、K2O浓度达到15%,甚至更高。MgO也是木质硅酸钙外壳。此外壳随时间增厚,颗粒尺寸增灰中主要成分之一,占4%~10%。钠含量通常大。此壳层具有粘性,床体颗粒会聚集导致尺寸比较低。Na2O通常在木质生物质灰中低于3%。更大。当遇到在锅炉运行波动,或偶然的床温偏如果Na2O灰分很高,通常是由于污染,或植物生高,会造成整个床体会结渣。通过定期排渣和加长在盐地土壤造成的。入新沙粒以保持床体碱含量足够低可以控制床表1不同物质的灰成分wv/%料聚集。燃料灰分与床料的化学反应是复杂的,通常减少床料的石英含量能减轻床体的聚集。波兰煤煤泥针叶林树皮森林沉积物木质燃料的灰熔点变化很大,并与灰成分变SO274.7324.811.62.8化很大有关。通常如果燃料的碱和氯含量越高,Fe: O9.5结渣和初始变形温度就越低。Cao3.8燃烧过程中木质燃料灰分在900℃~1000℃开始聚集和结渣,而煤和煤泥通常在此温度K,O2.41.49.2范围是安全的。木质生物质燃料锅炉常与煤和Na,o1.10.50.9煤泥混烧。木质生物质燃料的灰分比化石燃料P,O3.74.2灰分更具活性。煤和煤泥的灰分主要由石英及其他8.4各种硅酸盐矿物质组成,它们不像在生物质中注:煤和煤泥在815℃下灼烧树皮和森林沉积物在那样自由,因此在流化床燃烧中不活跃,即灰分575℃下灼烧。的活性较低。尽管燃烧生物质燃料比煤和煤泥SiO2自然存在于一些如云杉和白杨的木材更困难,但随锅炉和材料技术的发展,目前木质中。如果含有大量的Al2O3和SiO2表明被土壤生物质燃烧技术日趋完善。在造纸业,许多木中的硅酸铝所污染。质生物质燃烧锅炉已达到很好的可靠性,超生物质灰成分严重依赖于植物的种类和部过800h/a位,树干、树皮、分支、树叶具有不同的灰成分。木质生物质在大型锅炉燃烧过程的高温高土壤、肥料、天气情况等也显著影响灰成分。每压环境下,生物质燃料和其灰分的负面特性被放种元素的含量波动范围在几十个百分点是常大。与煤和煤泥锅炉相比,锅炉的沾污、灰沉积见的腐蚀等问题更为突出。燃烧木质生物质,除了灰生物质燃烧产生的灰颗粒非常细,只有几微成分外,还应了解灰的活性。生物质燃料通常与米。含钙、钾的灰很容易在受热面表面沉积,形其他燃料混烧,应了解灰分间的反应特性,以及成富含CaO、CaSO4和K2SO4的积灰,如果吹灰烟气与灰的反应特性。不及时,过热器区域的灰沉积物会硬化,导致受早期的生物质燃料通常采用传统锅炉,与化热面沾污。在省煤器区烟气温度低于500℃,沉石燃料的锅炉类似,辐射过热器布置在燃烧区的积物较疏松,通过吹灰方式能够较容易地清除。上部,暴露在恶劣的燃烧环境中,沾污、灰沉积MgSO4在锅炉燃烧过程中不稳定,不参与灰的形腐蚀等问题突出,限制了锅炉容量的发展。目前成过程中随着新技术的采用,生物质燃料锅炉容量逐渐增燃料中的氯能够加剧受热面沾污,并增加过大。例如,福斯特惠勒流化床锅炉中采用了外置热器的高温腐蚀危险。氯在树干中含量低,干木床式过热器,炉膛和锅炉尺寸考虑了低热值的生材中约0.01%~0.02%。树皮中略高,约物质燃料和更高的烟气流量,容量最高达到2400.02%~0.03%。森林沉积物和灌木氯含量为MW,蒸汽温度压力超过10MPa。0.02%~0.03%,与树皮同等水平。明显的例外中国煤化工4灰富是桉树树皮包含高含量的氯,通常为0.2%CNMHG0.3%,曾经分析到浓度高达0.98%第二类燃料化学成分和燃烧特性非常纷杂。在流化床燃烧中,生物质灰分中的钾和钙与此类燃料多为草本或农作物燃料。其中谷物叶第5期赵晴川:生物质燃料成份对生物质流化床燃烧的影响子含高K和CL。稻壳和甘蔗渣的灰中含有很高多其他生物燃料。稻壳灰分中SO2超过90%的SO2,见表2。这一点与稻草有显著区别。稻壳灰中钾和钙含表2麦秆,稻草稻壳和甘蔗渣量低于稻草,大约15%的K2O和3.5%的CaO575℃灼烧后的灰成分(w/%)稻壳的灰熔点很高,大约1500℃。麦秆稻草稻壳甘蔗渣稻壳是水稻产区常见的一种生物质燃料,通SiOz59,969.9常采用层燃或流化床燃烧。稻壳灰颗粒具有保Al,O0.1持锅炉受热面不受污染的特点,即使与易结焦燃0.20.12.5料混烧,也不会产生明显的沾污和结焦。稻壳这3.40,46.2种的清洁作用可能是由于稻壳的物理冲刷作用。1.60.3由于稻壳灰的颗粒大并含有坚硬的SO2颗粒,对K2O16.915.3l.8受热面起到冲刷的效果。Na, o5灰中富Ca、K、Na生物质其他7.41.46.0第三类生物质燃料常见的是食品工业中向生物质燃料的灰分组成根据生物质植物的日葵茎和菜籽饼,其灰中主要含有K2O、CaO和种类和不同部位而不同。土质肥料、和天气情P2O3,见表3。况等也显著影响钾钠氯和磷含量,尤其是农作表3向日葵茎及菜籽饼的灰成分(wt/%)物的生物质灰分。向日葵茎菜籽饼稻草中的钾含量以及钾(和钠)的可溶性与0.0氯含量以及氯的可溶性相关。这一特性可以影Al2 O3响农作物的碱和氯含量。例如,在多雨的年份Fez O30.20.3稻草中的氯含量比干早年份的低,因为部分氯被雨水溶解了。季节对于农作物灰成分也有明显影响例如春季的稻草相比秋季稻草的钾和氯含K,O27.5量要低。从燃烧角度评价,春季稻草的灰特性更利于燃烧。PrO18.541.1稻草约有5%~10%的灰。SiO2是灰的主要其他39.711.8成分,其波动范围很大。其他主要灰成分包括此类作物的灰中钾,钠,氯和磷的含量受到K2O5%~30%,CaO4%~14%。有时Na2O和土质、肥料、和天气情况的显著影响。而且这类P2O3也很高,可分别达到10%和8%。谷物叶子农作物生物质含氯,增加了氯引起的过热器高温中的氯成份与木质燃料相比更高,在干麦秆中可腐蚀的危险。灰熔点温度与稻草类似,烧结开始达2%。稻壳中氯含量相对低,通常低于0.1%,于700℃,灰在1200℃以下完全融化。而在稻草中则高达0.7%根据目前有限的运行实践表明,这类燃料燃谷类稻草的灰熔特性较低,烧结温度在700烧过程中易沾污。但它们可以在普通高效流化℃~900℃,软化温度在低于1000℃,完全融化床锅炉中与一定比例的煤混烧。实践表明流化在1200℃以下。一般认为稻草具有高反应活床锅炉中石灰石可与高碱高磷的燃料混烧。石性、高度易沾污、易结焦和腐蚀的特性。灰石的作用可概况为:(1)提供钙与磷反应,生成稻草类(表2)流化床燃烧过程中也存在的床高灰熔点的磷酸钙,代替低熔点的磷酸钾;(2)包料聚集现象,其化学机理与木质生物质锅炉(表裹硅酸盐颗粒,防止与磷酸钾(钙)反应。硅酸盐2)有所不同。稻草燃烧过程中,床料的聚集是由来自床料,可粘性的或部分熔融的灰颗粒产生的而木质生物在流化床燃烧中国煤化工,尤其是质燃烧时的床料聚集是由床料颗粒表面具有粘CNMHG性的碱和钙硅酸盐层造成的。6结语稻壳的灰成分在干料中15%~25%高于许固体生物质燃料按照灰成分可分为3类。锅炉技术第42卷每类在流化床燃烧中表现出相似性,如床料聚OF DIFFERENT TYPES OF BIOMASS IN CFB BOILERS集、易沾污受热面、腐蚀等。各类燃料之间的燃[C]. 16 European Biomass Conference. Feria valencia烧特性有较大差别。基于灰分对燃料进行分类有助于评估和预测生物质燃料的燃烧特性,并有[2]叶贻杰陈汉平,王贤华,杨海平,赵向富张世红,生物质流化床燃烧过程中的结渣特性[.可再生能源,2007,25(3):助于预测多燃料混合燃烧时的灰分之间的反应。[3]宋鸿伟郭民臣,王欣,生物质燃烧过程中的积灰结渣特性参考文献[].节能与环保,2003(9):29-31[1] Hiltunen M., Barisic V, Coda Zabetta E. COMBUSTIONBiomass Composition Combustion Performance in CFB BoilersZHAO Qing-chuan(Shandong Electric Power Research Institute, Jinan 250002, ChinAbstract: The technologies based on fluidized bed biomass combustion are becoming increasingly popular. Biomass-fired CFB may suffer from bed agglomeration, Ash compositiontogether with sulfur and chlorine contents in biomass fuels are the main factors having animpact on the risk of bed agglomeration in fluidized bed boilers, and on the rate of boilerfouling, deposit formation, slagging, and superheater corrosion. On the basis of ash compo-sition, the biomass fuels can be divided into three groups having significant differences incombustion. This paper reviews in light of experience what are the main differences in fueland ash properties and how the fuels from each group can be fired in CFB boilers.Key words: bimass; ash content; CFB combustion; bed agglomeration; slag(上接第43页)Numerical Simulation of the Gas-Solid Two phase flow in SquareCyclone Separator with Different InletZHENG An-qiao', GAO Fa-niat(1. Shanghai Bluebirdme Environment Development Co. Ltd, Shanghai 200333, China;2. Weihai Urban Planning Dessign Institute Co. Ltd, Weihai 264500, China)Abstract: A CFD simulation based on RSM turbulent model was carried out by Fluent 6. 3to calculate the flow field, the grade separation efficiency, friction factor and the particletrajectory inside 4 types of square cross-section cyclone separator with different inlets. TheRSM CFD simulation was first demonstrated to be good by the comparison of the velocitydistribution between the calculated results and the experimental results by particle dynamicanalyzer. Then it was applied to carry out the simulation of the flow field, pressure fieldseparation efficiency, particle trajectory inside the separation, respectively. The resultsshowed clearly the vector flow field, local vortex中国煤化工sefulinformationCNMHGKey words: Circulating Fluidized Bed; separator; square cyclone Separator; numencal sImulation