第21卷第3期熱能動(dòng)工程Vol 21. No. 32006年5月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER文章編號(hào):1001-206200603-027-04生物質(zhì)燃料再燃研究進(jìn)展段佳,羅永浩,陳祎(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200240)摘要:生物質(zhì)能是可再生能源,生物料可以實(shí)現(xiàn)CO2凈排放為零。此區(qū)域內(nèi)燃燒,過(guò)量空氣系數(shù)質(zhì)燃桿具有O2凈排放為零的特性對(duì)利用生物質(zhì)能符合實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)SR1>1,生成NOx等產(chǎn)物;在主它的利用可減少溫室氣體排放符合實(shí)展的要求,許多國(guó)家加大了生物燃區(qū)下游的再燃區(qū)內(nèi),再燃燃料現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求。生物質(zhì)燃料再質(zhì)能研究與開(kāi)發(fā)力度,我國(guó)于被噴入爐膛,再燃燃料約占鍋爐燃方式包括直接再然、間接再燃和高級(jí)2006年實(shí)施《中華人民共和國(guó)可燃料的10%-20%,過(guò)量空氣系再燃等3種方式,都能有效減少NO排放。利用木柴直接再燃的研究較多再生能源法》,將生物質(zhì)能等可再數(shù)SR2<1,形成具有很強(qiáng)還原性采用人工模擬生物質(zhì)氣化氣是研究間生能源的科學(xué)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化的富燃料氣氛,在初級(jí)燃區(qū)內(nèi)生接再燃的有效途徑。生物質(zhì)燃料種類(lèi)發(fā)展列為國(guó)家科技發(fā)展與高技術(shù)成的部分NOx被還原為N2及其尺寸、組分,燃料攜帶氣,燃料噴入位產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域。它含氮分子,如HCN、NH3;燃盡置、燃盡風(fēng)、再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)等多我國(guó)生物質(zhì)資源量巨大,據(jù)風(fēng)(OFA)在燃盡區(qū)被噴入,該區(qū)種因素影響再燃。對(duì)我國(guó)開(kāi)展生物質(zhì)預(yù)測(cè)到2010年我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的域過(guò)量空氣系數(shù)sR,>1,形成貧燃料再燃研究提出了建議。廢料約合12×105k,相當(dāng)于燃料氣氛,氧化剩余可燃物,剩余關(guān)鍵詞:生物質(zhì)燃料:直接再燃;4.09×104t標(biāo)準(zhǔn)煤“。盡管生物的含氮分子(NO、 HCN, NH3)被轉(zhuǎn)間接再燃;高級(jí)再燃質(zhì)資源量非常大,但由于生物質(zhì)化為NO或(和)N2中圖分類(lèi)號(hào):X511資源供應(yīng)具有季節(jié)性,分散分布,文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A能量密度小,運(yùn)輸、儲(chǔ)存成本較高,從而限制了生物質(zhì)能在大型1前言電站的利用規(guī)模。在燃煤鍋爐上燃盡風(fēng)生物質(zhì)能,是指利用自然界采用生物質(zhì)燃料再燃方式,一方再燃區(qū)二次燃料的植物、糞便以及城鄉(xiāng)有機(jī)廢物面能控制生物質(zhì)能利用規(guī)模,另主燃料轉(zhuǎn)化成的能源。生物質(zhì)能是一方面能降低燃煤鍋爐CO2種可再生能源,是植物通過(guò)光合S0x、NOx等污染物排放,是具作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能而儲(chǔ)有優(yōu)勢(shì)的生物質(zhì)能利用方式。圖1再燃過(guò)程存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量2。與煤相比較,生物質(zhì)燃料具有C、N2再燃概念S、Cl含量低,O含量高,揮發(fā)份含再燃”概念最初由 John Zine3生物質(zhì)燃料再燃C02、sOx、燃料型NOz低等特是在爐膛內(nèi)采用二次燃料(又稱(chēng)1生物質(zhì)燃料直接再燃性。燃燒生物質(zhì)燃料所釋放的再燃燃料)作為還原劑,減少生物質(zhì)直接再燃是指將未經(jīng)C可在植物進(jìn)行光合作用時(shí)被NOz排放的技術(shù)6。再橫計(jì)程。熱化學(xué)處理(熱解氣化)的生物吸收如果適當(dāng)利用生物質(zhì)能則分3步,爐膛相應(yīng)地被中國(guó)煤化工二次燃料的再燃方可以構(gòu)成一個(gè)封閉的CO2循環(huán),區(qū)域(見(jiàn)圖1)。主燃區(qū)CNMHG生初庾燃料再燃能降低因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,燃用生物質(zhì)燃部,約80%~90%的鍋爐燃料在收稿日期:2005-06-09;修訂日期:2006-01-16作者簡(jiǎn)介:段佳(1974-),男,湖南長(zhǎng)沙人,上海交通大學(xué)博土研究生228熱能動(dòng)力工程2006年NOx排放。生物質(zhì)細(xì)煤粉、水生物質(zhì)燃料再燃的一個(gè)限制,嘴都設(shè)計(jì)在爐內(nèi)同一面墻上所形煤漿、碳化廢物衍生燃料(CRDF)值得進(jìn)一步加以研究。成的混合效果比在相對(duì)的兩面墻和瀝青乳液等再燃實(shí)驗(yàn)表明多種生物質(zhì)燃料都可用于再上的混合效果差;再燃噴嘴在旋這些再燃燃料都能有效減少燃,其中采用木柴作為再燃燃料風(fēng)燃燒器上方約24m處時(shí),至NOx排放,其中高揮發(fā)份、高堿的研究較多。木柴中氮含量低,少能減少NOx排放40%。利用金屬、低氮的生物質(zhì)燃料和不含硫木片向爐膛內(nèi)噴射時(shí)具煙氣代替空氣作為木柴顆粒攜帶CRDF再燃能減少NOx排放有彈道特性,可與煙氣較好混合。氣富燃料氣氛更強(qiáng),再燃效果更50%。在較短的停留時(shí)間內(nèi),天 Harding等人的研究表明,木柴顆好但混合不好將形成局部貧燃然氣再燃效果較好因?yàn)樘烊粴饬３叽鐚?duì)再燃效果幾乎沒(méi)有影料氣氖,降低再燃效果。OFA高無(wú)須再析出揮發(fā)份,但停留時(shí)間響,實(shí)驗(yàn)對(duì)比了3種再燃燃料速?lài)娙肽芨纳苹旌?但高速射流超過(guò)0.56后,所有燃料再燃效攜帶氣對(duì)再燃的影響,3種攜帶將產(chǎn)生較高壓降。果相同。氣分別是空氣、氮?dú)夂湍M煙氣生物質(zhì)燃料,尤其是農(nóng)業(yè)廢在小型滴管爐進(jìn)行的再燃還(含3%029%N)。當(dāng)SR2<棄物及木柴中鈉鉀等堿金屬含原模擬煙氣中NO的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)表09時(shí),3種攜帶氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果量高,容易導(dǎo)致灰熔點(diǎn)降低。采明叫,采用木屑橘皮和稻殼等3幾乎相同;SR2>0.9時(shí)攜帶氣用生物質(zhì)燃料直接再燃將導(dǎo)致種再燃燃料可減少NO排放50%為空氣時(shí)減少NOx排放效果最受熱面積灰、沾污等問(wèn)題,尤其是~70%,由于3種生物質(zhì)燃料中好。還對(duì)發(fā)電功率為265MW旋安裝了高溫過(guò)熱器的鍋爐內(nèi)受熱木屑中揮發(fā)份含量最高,其還原風(fēng)爐采用木柴顆粒再燃進(jìn)行了全面積灰沾污十分嚴(yán)重。此外,生NO的效果最好。尺度數(shù)值模擬,研究了影響再燃物質(zhì)灰和煤灰的摻混不可避免,無(wú)煙煤、秸稈、象草、木柴、天過(guò)程混合的多種因素,認(rèn)為再燃導(dǎo)致飛灰很難再加以利用,降低然氣再燃實(shí)驗(yàn)表明,無(wú)煙煤再燃料噴嘴要盡量接近旋風(fēng)燃燒了鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。采取將生物燃最低NOx排放濃度為500mg器,才能獲得充分的混合及燃燒質(zhì)氣化再燃的方式則可將生物質(zhì)m(6%02),生物質(zhì)燃料再燃最低時(shí)間;采用木柴顆粒與主燃區(qū)煙灰和煤灰分離從而可以解決直NOx排放濃度在250-300mgm3氣逆向噴入方式,可以獲得二者接再燃給燃煤鍋爐運(yùn)行造成的飛(6%Q2)以內(nèi),天然氣再燃最低較好的混合;OFA高速?lài)娙肽墚a(chǎn)灰難以再利用受熱面積灰沾污NOx排放濃度為260mg/m3(6%生更好的混合,從而降低CO,在和腐蝕等問(wèn)題。過(guò)熱器管屏入口處形成均勻的過(guò)生物質(zhì)燃料間接再燃02)。 Rudiger等人指出影響最低量空氣系數(shù)分布。對(duì)比空氣和煙生物質(zhì)燃料間接再燃是采用NOx排放量的最重要因素是燃?xì)庾鳛閿y帶氣的再燃效果表明,生物質(zhì)熱解油和氣化氣作為二次料揮發(fā)份含量其次是氮含量以。采用空氣作為再燃燃料攜帶氣時(shí)燃料的再燃方式。由于將生物質(zhì)高揮發(fā)份可有效降低NOx排放;可減少Nox排放45%-48%熱解油作為化工原料利用具有更再燃過(guò)程中,生物質(zhì)燃料氮以用煙氣時(shí)為5%。另外,高的經(jīng)濟(jì)性,因此研究集中于采NH1的形式大量釋放,將NOx直在0.8~0.93范圍內(nèi)每降低0.0用氣化氣再燃。Beg等人分析接還原為N。實(shí)驗(yàn)表明,各種燃可減少Nox排放5%,這可通過(guò)了模擬過(guò)熱器管在不同再燃條件料再燃方式都存在與之對(duì)應(yīng)的增加再燃燃料木柴量實(shí)現(xiàn)。下的灰沉積樣本2,指出生物質(zhì)SR2范圍,如天然氣再燃時(shí)為Ads等采用數(shù)值模擬研化氣再燃方式所生成的灰與不065~0.9,生物質(zhì)燃料再燃時(shí)為究了旋風(fēng)爐木柴再燃過(guò)程,其采用再燃方式所生成的灰沒(méi)有顯075~0.859。實(shí)驗(yàn)還研究了再中木柴顆粒的反應(yīng)包括3個(gè)過(guò)著差別,有利于飛灰的利用。燃時(shí)生物質(zhì)燃料顆粒尺寸對(duì)燃盡程,即水分蒸發(fā)析出揮華生物質(zhì)氣化氣的主要可燃成的影響,表明增大象草顆粒尺寸氣體和木炭燃燒。得到中國(guó)煤化工2及CH等烴類(lèi)。后,燃燒燃盡率降低,雖然木柴顆[10]一致的結(jié)論,并進(jìn)CNMHGH2再燃時(shí),隨著再粒尺寸更小,但其燃燒燃盡率比了再燃燃料噴嘴布置、再燃燃料燃燃料溫度升高,NOzx排放濃度象草顆粒低,這可能與燃料結(jié)構(gòu)攜帶氣的作用和OFA噴入的影下降,減少NOx排放可達(dá)到不同有關(guān)因此燃盡率是對(duì)固體響。文獻(xiàn)[1]指出將再燃燃料噴20%~30%。生物質(zhì)氣化氣第3期段佳,等:生物質(zhì)燃料再燃研究進(jìn)展229中烴類(lèi)組分也具有還原NOx的主要步驟有1600K時(shí)NO轉(zhuǎn)化達(dá)40%;在由作用H。HCCO+ NO++hCn+CO呋喃/NO/O2/Ar構(gòu)成的氧化環(huán)境在再燃研究中,通常采用人HCCO+ NO++HCNO +CO掃,溫度達(dá)到1300K以上,NO濃工模擬生物質(zhì)氣化氣代替真實(shí)生HCNO+h+hCN+OH度迅速降低,到1600K可降低物質(zhì)氣化氣。范志林等人采用由HCN+0及HCN,NCO,NHNO濃度80%。目前有關(guān)焦油或COH2CH/CHCH構(gòu)成的人CN +0,++NCO+0焦油組成成份還原NOx機(jī)理研工模擬生物質(zhì)氣化氣,實(shí)驗(yàn)研NCo+H+NH+cO究的公開(kāi)報(bào)道較少究了生物質(zhì)氣化氣組成成份、再NH+NO4→N2O+H3.3生物質(zhì)燃料高級(jí)再燃燃溫度、停留時(shí)間、煙氣初始NON,0+H++N2+ Oh生物質(zhì)燃料高級(jí)再燃是在生濃度等條件對(duì)NO還原效果的影范志林等人建立了充分?jǐn)嚢栉镔|(zhì)燃料基本再燃基礎(chǔ)上,采用響,指出生物質(zhì)氣的成份,尤其是反應(yīng)器和柱塞流反應(yīng)器串聯(lián)模向爐內(nèi)高溫?zé)煔庵袊娙氚被蚰蛩谻H對(duì)NO還原效果有顯著的影型以,模擬生物質(zhì)氣化氣還原NO的方式,可減少NOx排放90%。響,煙氣中較髙的NOx初始濃度的過(guò)程。模型假設(shè)在再燃燃料噴Berge等人研究了采用摻混以及水分和SO2的存在不利于嘴出口局部有x份額的氣體在充了含氮雜質(zhì)的內(nèi)烷(CH)為初級(jí)NO還原,并且含量越高不利程度分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器中還原NO,另外(1燃料時(shí)的3種再燃形式,即僅越大。 Rudiger等人對(duì)比了人工-x)份額的氣體未經(jīng)混合從該局噴入低熱值生物質(zhì)氣化氣、噴入模擬生物質(zhì)氣化氣與天然氣的再部區(qū)域繞過(guò)后與充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器低熱值生物質(zhì)氣化氣與氨的混合燃效果。人工模擬生物質(zhì)氣化出口氣體混合一起進(jìn)入柱塞流反物、氨在生物質(zhì)氣化氣下游且在氣各組分(COC2H2/CH應(yīng)器,進(jìn)行還原NO的反應(yīng)。模擬OFA上游噴入。在僅噴入低熱值C2Hx)體積百分?jǐn)?shù)分別為26.5采用了CHNO、S五元素、45生物質(zhì)氣化氣實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)SR2為5.350.755317.3及41.5037.種組分106個(gè)基元反應(yīng)的機(jī)理。0.,7時(shí),NO濃度從再燃區(qū)進(jìn)口50.8710.2,分別代表生物質(zhì)燃模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線在總體走勢(shì)8∞omgm(6%)降低到再燃區(qū)料中溫和高溫氣化產(chǎn)生的燃?xì)狻Ｉ匣疽恢?模擬表明在不同條出口20mgm(6%0);噴人低熱兩種人工模擬生物質(zhì)氣化氣再燃件下反應(yīng)過(guò)程中控制NO脫除的值生物質(zhì)氣化氣與氨的混合物實(shí)減少NOx排放的效果與天然氣基元反應(yīng)并不相同。再燃的差別很小,相差最大不到生物質(zhì)燃料氣化過(guò)程中將產(chǎn)驗(yàn)中,0.92>R2>0.77時(shí),再燃10%。 Glarborg等人研究了烴類(lèi)焦油,通常采用的“焦油”定義區(qū)出口NO濃度低于200mgm3在生物質(zhì)氣化氣再燃中的作是氣化氣中所有芳香烴及多環(huán)芳6%0);氨在生物質(zhì)氣化氣下游用。所采用的人工模擬生物香烴,包括了從單環(huán)到5環(huán)及且在OFA上游噴入實(shí)驗(yàn)中NO濃質(zhì)氣化氣中CO和H的體積百以上的多種芳香烴、雜環(huán)芳香烴,度由再燃區(qū)進(jìn)口800mgm3(6%分?jǐn)?shù)相同,混人CH作為人工模如甲苯、酚萘、茚呋喃等。生物0)降低到再燃區(qū)出口120-140質(zhì)氣化氣中焦油含量量級(jí)可高達(dá)mgm(6%O),氨噴嘴離再燃燃料擬生物質(zhì)氣化氣中的烴類(lèi),研究表明生物質(zhì)氣化氣再燃效果與再100g/m3。100g/m3。實(shí)驗(yàn)表明,生物質(zhì)噴嘴越近降低NO排放越多。SR2氣中焦油有助于減少NOx排<0.90時(shí),低熱值生物質(zhì)氣化氣燃?xì)怏w烴濃度有關(guān),但烴的作用效果隨反應(yīng)條件變化當(dāng)SR2為啟.x)。Gume等人采用試驗(yàn)與氨的混合噴入的再燃效果最和數(shù)值方法研究了呋喃在激波管佳;SR2>0.90時(shí),氨在再燃燃料09時(shí),生物質(zhì)氣化氣中烴濃度越高,減少NOx排放效果越顯內(nèi)還原NO的作用。描述呋喃下游0.25-0.5m位置噴入能有/NO系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)模型整合了效降低NO排放。著;當(dāng)SR2為07時(shí),采用烴濃度呋哺熱解模型和烴/N氧化模型低的生物質(zhì)氣化氣減少NOx排其中吹哺通過(guò)裂解生成中國(guó)煤化工燃料()細(xì)煤放效果更顯著。類(lèi)烴類(lèi)通過(guò)氧化發(fā)生CNMHG再燃燃料,尿素作Dagaut等人總結(jié)了人工模擬烴基)。研究表明,在由呋喃/為還原劑進(jìn)行了高級(jí)再燃實(shí)驗(yàn)。生物質(zhì)氣化氣( CO/H2/CH/CH/No/Ar構(gòu)成的熱解環(huán)境中,溫度再燃燃料熱量占爐膛輸入熱量C2H)再燃還原NOx的機(jī)理,達(dá)到1300K,NO才開(kāi)始轉(zhuǎn)化,在10%,尿素噴入溫度在12001230熱能動(dòng)力工程2006年560K范圍內(nèi)。噴入溫度為探索再燃過(guò)程中生物質(zhì)燃料熱a rebuming fuel; a specialized cofiring ap-1200K尿素溶液時(shí),天然氣再燃解、氣化產(chǎn)物各組成成份還原plication [J]. Biomass and Bioenergy能減少NOx排放81%;噴人溫度NOx的機(jī)理、各組成成份影響其 ADAM B R. HARDING NS.Bmip為1300K尿素溶液時(shí),CRDF和它組成成份還原NOx的機(jī)理,為ing biomss for NO controd [] Fud Pn超細(xì)煤粉能減少NOx排放83%;控制生物質(zhì)燃料熱解、氣化和燃cessing Tedmology, 1998, 54: 29-263噴入溫度為136ω0K尿素溶液時(shí),燒,優(yōu)化再燃提供依據(jù)。[121 BERGE N, OSKARSSON J, RRDUING L,et生物質(zhì)燃料再燃能減少NOx排(3)增加生物質(zhì)再燃燃料種al. flame with an LCV- pas combined with放9%。生物質(zhì)燃料灰具有鈉鉀類(lèi),尤其要關(guān)注秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄SNCR [A]. Rebuming of a P FOeanRechnology for Solid Fuels( 1996-1998含量高的特性。在高級(jí)再燃過(guò)程物及能源作物的再燃研究C). Bruxelles: European Comission, 1999中,堿金屬通過(guò)生成自由基強(qiáng)化(4)開(kāi)展生物質(zhì)燃料處理NH2-NO的相互作用,其中最具再燃集成系統(tǒng)研究,評(píng)估鍋爐系13 GLARBORG P, KRISTENSEN P G, DAM活性的堿基助催化劑是鈉。高溫統(tǒng)采用生物質(zhì)燃料再燃技術(shù)的效JOHANSEN K. 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