生物質(zhì)與煤共燃技術(shù)徐向乾,路春美,張夢(mèng)珠,鞏志強(qiáng)山東大學(xué),山東濟(jì)南250061[摘要]對(duì)農(nóng)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。[關(guān)鍵詞]生物質(zhì);廢棄物;下水道污泥;共燃;污染物排放[中圖分類號(hào)]X705[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1002-3364(2008)05-0050-04大氣中CO2濃度的增加,會(huì)對(duì)全球氣候產(chǎn)生一定快速生長(zhǎng)能源植物如芒、象草、蘆竹灌木、喬木等;(4)的負(fù)面效應(yīng)。減輕CO2排放問(wèn)題的途徑除了節(jié)能、提城市垃圾、有機(jī)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(nóng)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(nóng)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(yùn)輸和儲(chǔ)存一燃料使用小負(fù)荷生物質(zhì)鍋爐實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn),二是利變得復(fù)雜。污泥的性質(zhì)與低品質(zhì)煤的性質(zhì)相似。用現(xiàn)有煤粉爐實(shí)現(xiàn)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,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(shè)計(jì)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(jié)需要大量的儲(chǔ)存空間,導(dǎo)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(yùn)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(jié)性波動(dòng)和地域性波動(dòng)垃圾成分變化基灰分含量?jī)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(bǔ)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(nóng)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(nóng)業(yè)廢棄物的秸高,約為30%~45%農(nóng)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、樹皮樹葉等;(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?yàn)槿紵c污染物控制當(dāng)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(jié)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(dāng)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(shù)小于1.1時(shí),會(huì)導(dǎo)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(dāng)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(dú)燃燒褐下水通.94620455263831633.1煤時(shí)相當(dāng)。當(dāng)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(xiàn)穩(wěn)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(duì)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(nóng)林廢棄物含有較高的堿金屬成分(K等)堿現(xiàn),當(dāng)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(xì)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(zhǎng)到9.9%導(dǎo)致鍋爐受熱面結(jié)渣和腐蝕。污泥的金屬含量比農(nóng)林另外,生物質(zhì)高的反應(yīng)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(duì)NO2的均比煤高。形成有很大影響。如果燃料通過(guò)燃燒器的中心管噴入,會(huì)進(jìn)入過(guò)量空氣系數(shù)較低的回流區(qū),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(dǎo)致燃料N向NO2轉(zhuǎn)化的增加。因此,生物質(zhì)與煤共燃時(shí)需要單獨(dú)的制備系統(tǒng)和給料裝氮含量高的燃料應(yīng)從中心管噴入。與純煤燃燒相比,置,對(duì)于稻殼木屑、蘆竹等纖維結(jié)構(gòu)的生物質(zhì),在燃生物質(zhì)與煤共燃采用空氣分級(jí)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(zhǎng)的下即可實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)度最大以及生物質(zhì)灰所具有的固硫作用,使SO2產(chǎn)物也隨著可達(dá)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(tǒng)的運(yùn)行。在流化與氯含量較高的生物質(zhì)(如稻草、芒類)共燃時(shí),可床鍋爐燃燒系統(tǒng)中,秸稈既不用磨制,也無(wú)需預(yù)先干能會(huì)因腐蝕加重而影響鍋爐運(yùn)行。當(dāng)摻燒熱量占10%的秸稈時(shí),鍋爐的腐蝕速率比純煤運(yùn)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(yùn)行。在生物質(zhì)摻燒比率較小的情況下,煤同的制備系統(tǒng)。王雪在污泥制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)污泥的灰的性質(zhì)占主導(dǎo),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(duì)制備系統(tǒng)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(tǒng)會(huì)出現(xiàn)部分堵塞短時(shí)間內(nèi)可正常運(yùn)行;超過(guò)燒的秸稈顆粒可能造成結(jié)焦。流50%時(shí),制備系統(tǒng)出現(xiàn)異常,料倉(cāng)內(nèi)料部分被壓結(jié)塊,輸送管出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞。煤粉與污泥顆粒粒徑相同,制3.2流化床熱備系統(tǒng)問(wèn)題較少。流化床對(duì)燃料適應(yīng)性強(qiáng),可同時(shí)燃燒幾種不同特3農(nóng)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(guó)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(nèi)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(zhǎng)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m,增加鍋爐內(nèi)反應(yīng)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。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(wěn)定,在高于700℃會(huì)分解成元學(xué)的研究認(rèn)為加入生物質(zhì)對(duì)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(rèn)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(rèn)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呈線性增加,HCN則降低。好。 Tadaaki shimizu發(fā)現(xiàn)污泥共燃時(shí)NO2排放量在生物質(zhì)共燃煙氣中,當(dāng)氯含量較高生物質(zhì)摻燒比單獨(dú)燃用純煤時(shí)要高很多,并且隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng),比例達(dá)到60%時(shí),煙氣中氯含量是單獨(dú)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(qiáng)。但是 M. Bele n Figueras認(rèn)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(xiàn)在對(duì)流通道中過(guò)熱器腐蝕嚴(yán)重。分析認(rèn)為生等揮發(fā)而且由FeCl轉(zhuǎn)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(qū)溫度不能有效控制,是的固硫能力。導(dǎo)致旋風(fēng)區(qū)和對(duì)流通道嚴(yán)重積灰的主要原因。5結(jié)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(xiǎn)在煤粉爐內(nèi)共燃時(shí),污泥須脫水,預(yù)先干燥。污泥低,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保優(yōu)勢(shì)。雖然可能引起和煤粉可以預(yù)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(dú)從不同燃燒器噴入,爐膛溫度可達(dá)1500℃~在適當(dāng)?shù)膿綗壤?對(duì)運(yùn)行的影響仍處在可控制的術(shù)交160℃。對(duì)于可燃用高水分燃料的鍋爐,最多可以摻范圍。我國(guó)生物質(zhì)的產(chǎn)量較大且隨著人民生活的提流燒水分10%的污泥,而設(shè)計(jì)煤種為褐煤時(shí),污泥水分高,包括下水道污泥在內(nèi)的垃圾逐年增多;同時(shí)商品—最高可達(dá)40%~50%。污泥摻入比例的范圍通常在能源在農(nóng)村能源消費(fèi)中比例的增大大量農(nóng)林業(yè)生物2%~20%之間。由于污泥中氮含量較高,不分級(jí)燃燒質(zhì)被廢棄。發(fā)展火電廠共燃技術(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(nóng)林廢棄物的最佳途徑比例的增加而增加。在分級(jí)燃燒條件下,NO減排效二率可以達(dá)到70%~80%。例如 IVD University Stutt-中國(guó)煤化工料]o gart D進(jìn)行的.5MW煤粉爐共燃試驗(yàn)采用不分N士煤粉爐上應(yīng)用的試驗(yàn)研究八級(jí)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(hù),2007,23(2)800mg/m3;當(dāng)?shù)椭魅紖^(qū)過(guò)量空氣系數(shù)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(guó)煤化工 submerged gas jetlow:sudden expension ratioCNMHG八