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镇江典型生物质能源颗粒燃烧特性试验

来源: 发布时间:2019-02-17 5508 次浏览

  摘要:为研究生物质能源颗粒的 燃烧特性及污染物排放特性,该文以国外引进的 生物质能源颗粒燃烧器为试验装置,选择了8种典型的 生物质能源颗粒进行试验研究。试验结果表明,挥发份含量越高,含水率越低,生物质能源颗粒所需的 点火时间越短,SO2、NOx等污染物排放质量浓度远低于标准,但存在着部分生物质能源颗粒灰分含量过大、结渣严重等问题。对大多数颗粒燃料来说,软化温度越高,结渣率越低,当软化温度超过1389~C时,不会发生结渣;Si元素、碱金属元素含量越高,越容易结渣,碱土金属元素含量越高,越抗结渣。玉米秸中Si的 质量分数为27.70%,底灰结渣率达到48.84%,落叶松中Si的 质量分数仅为9.76%,不结渣;使用添加剂后,玉米秸的 底灰结渣率降低了22.77%。这将为设计适合中国国情的 生物质能源颗粒燃烧设备及改善燃料的 燃烧性能提供依据。
  0引言
  生物质能源颗粒是一种典型的 生物质固体成型燃料,具有高效、洁净、点火容易、CO2零排放等优点,可替代煤炭等化石燃料应用于炊事、供暖等民用领域(domain)和锅炉燃烧、发电等工业领域。巾国的 生物质资源产量丰富,其中农作物秸秆年产量约为6亿t,具有极大的 发展潜力。但由于以秸秆等生物质为原料生产的 生物质能源颗粒的 灰分、碱金属含量较高,使用时易出现结渣、碱金属及氯腐蚀、设备内飞灰严重等问题,对燃烧技术和设备提出了更高的 要求。
  目前,国内外对于生物质能源颗粒的 燃烧机理方面开展了一定的 研究。盛奎川等对hjc黄金城官网(fuel)的 物理品质进行了研究;王惺、王翠苹等采用TG.DTG热分析技术研究了生物质能源颗粒的 着火、燃尽等特性;马孝琴等研究了影响秸秆成型(Forming)燃料燃烧速度的 因素,侯中兰等研究了成型燃料点火性能的 影响凶素。Gilbe
  C、JuanF.Gonzfilez分别研究了不同木质、秸秆类(包括能源作物等)成型燃料在家用炉具中结渣的 形成与特征,Boman
  C、LindaSJohansson分别研究了木质燃料及成型燃料的 燃烧特性,MariaOlssonvs~研究了软木颗粒燃烧时污染物的 排放量,J.Dias研究了4种不同颗粒燃料在家用炉具中的 燃烧特性及污染物排放,GeorgBaemthaler。确定了生物(Organism)质燃料中影响灰分形成的 主要元素为A
  L、C
  A、F
  E、
  K、Mg等。
  虽然中国也引进了部分燃烧设备,但是目前对生物质能源颗粒的 燃烧特性及污染物排放特性缺乏详细的 研究。国外的 情况与国内有较大差异,如国外多以木质原料为主,而中国主要以农作物秸秆为主。本文拟在国外引进的 生物质颗粒燃料燃烧器中对中国的 生物质能源颗粒开展燃烧试验,深入分析生物质能源颗粒的 点火特性、燃烧效率、污染物排放以及燃烧后的 灰渣特性等,为设计适合中国国情的 生物质能源颗粒燃烧设备提供理论依据和技术支撑。
  1材料与方法
  1.1试验原料
  本试验所用生物(Organism)质能源颗粒均于2009年7月取自北京市大兴区某生物质能源颗粒生产厂,由农业部规划设计研究院研制的 485型生物质能源颗粒成型机压制而成。试验选取了8种典型的 生物质能源颗粒,包括棉秆、麦秸、玉米秸、玉米秸(含添加剂)4种秸秆类颗粒燃料;落叶松、红松、混合木质(榆树、柳树、杨树、桃树和红松的 混合物)3种木质颗粒燃料;以及1种木质与秸秆类的 混合生物质能源颗粒(木屑与花生壳混合,质量比为1:4)。所有颗粒燃料均压缩加工为圆柱型,直径8mm,长度10~30mm,颗粒密度约1.2g/cm3。8种典型生物质能源颗粒的 特性见表1。
  1.2试验仪器(appliance)和装置
  1.2.1试验仪器
  试验仪器主要包括GJ一2密封式化验制样粉碎机(河南省鹤壁市天弘仪器有限企业)、XL一1箱型高温炉(河南省鹤壁市天弘仪器有限企业)、VarioEL元素分析(Analyse)仪(德国ELEMENTAR企业)、VISTA—MPX型等离子(ion)发射光谱仪(美国瓦里安企业)、BSA223S—CW型分析天平(赛多利斯科学仪器(北京)有限企业)、PL2002型电子天平(瑞士梅特勒.托利多企业)、SZ11-4型往复式自动振筛机(河南省鹤壁市天弘仪器有限企业)、KM9106型综合烟气分析仪(英国凯恩企业)、101.1A型电热鼓风干燥箱(河南省鹤壁市天弘仪器有限企业)、ZDHW-5型微机全自动量热仪(河南省鹤壁市天弘仪器有限企业)、HR.A5型微机灰熔点测定仪(河南省鹤壁市天弘仪器有限企业)等。
  1.2.2试验装置
  本试验所用的 装置如1所示,整个系统由料仓、螺旋输送器、燃烧器、热水锅炉、烟气分析系统和测量控制(control)系统等组成。其中,燃烧系统选用从瑞典引进的 PelleX生物质能源颗粒自动燃烧器,热输出为10~25kw;燃烧效率约为90%;点火功率消耗约为400w;运行时功率消耗约为40w。该燃烧器的 喂料方式为上进料式,具有燃烧器与料仓分离、回火危险小、可根据功率要求保证定量进料等优点。
  操作流程:启动时,首先使螺旋输送器中充满燃料,然后将其与燃烧器连接;打开操作开关,燃烧器启动,开始进料,当达到启动所需的 燃料量时点火,当火焰传感器检测出火焰后,启动完成;鼓风机启动,燃料着火区域扩大,继续喂给燃料,当火焰稳定后,进入预运行阶段:待燃烧逐步稳定后,进入运行阶段,鼓风机全速运行,螺旋输送器按照设定值以规定速率进料,燃烧器全功率运行;当热水锅炉的 出水温度低于设定温度约5℃时,燃烧器进入低功率运行状态,进料量为正常运行的 65%,鼓风机速度降低;当锅炉温度达到设定值(或关闭开关)时,火焰逐渐熄灭,进料停止,鼓风机继续运行一段时间后停止,进入等待模式。如果热水锅炉的 出水温度低于设定温度,燃烧器将再次启动。
  燃烧器设有控制器,可以自动监控燃烧器的 整个工作过程,主要包括启动与停止燃烧器,调节启动时的 燃料量、进料速度、进风量,以及设置不同的 启动温度与停止温度。此外,控制器还可以显示燃烧器的 各个工作阶段(包括启动、预运行、运行、等待/停止等),燃烧过程中出现的 过热保护、点火失败、故障等。
  1.3试验方法
  试验前,对试验所有样品都取样,进行工业分析、元素分析及发热量等测定;试验结束后,称量底灰及渣块质量(Mass),并对灰渣进行取样,分析灰熔融特性和化学成分。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。燃烧器启动时的 燃料量约为230~250g,进料速度为4.0~4.5kg/h;同一种燃料,至少重复试验3次,结果取平均值。
  1)点火特性。燃料的 点火特性主要是测定燃料的 点火时间,利用秒表记录自燃烧器启动开始至点火成功的 时间。
  2)燃烧及污染物排放特性。采用综合烟气分析仪(KM9106)对烟气进行实时分析和记录,烟气的 采样点在烟囱与热水锅炉相接的 一端,且与锅炉相距200~250mm。
  3)底灰结渣率。测定及计算方法:取一种试验用生物质成型燃料,在燃烧器内燃烧,进料量、进风量等其他条件基本一致,待燃烧器停止后,冷却,将底灰全部取出,称质量并记为m1筛分灰渣中粒度大于6mm的 渣块,称质量并记为m2,则粒度大于6mm的 渣块占总灰渣质量的 百分数,称为该试样的 底灰结渣率c,即C=m2/m1×100%。
  2结果与分析
  2.1点火特性
  通过对8种生物质能源颗粒进行试验,发现各种燃料的 点火时间与挥发分、含水率密切相关。其中落叶松的 挥发分含量更高,含水率更低(见表1),点火时间最短,而棉秆的 挥发分含量更低,含水率较高(参见表1),点火时间最长。点火时间与挥发分大致呈线性关系,挥发分越高,点火时间越短,如2a所示,这是因为hjc黄金城官网中的 挥发分中含有大量氢气、甲烷、不饱和烃(CmHn)、一氧化(oxidation)碳等可燃气体,挥发分含量越高,则hjc黄金城官网越容易着火。而点火时间与含水率大致呈指数关系,含水率越高,点火时间越长,如2b所示,这是因为hjc黄金城官网中含水率越高,一方面延长了干燥(drying)时问,另一方面降低了更高燃烧温度(绝热燃烧温度),从而使燃料所需的 点火时间延长,同时,大家也可以发现,当含水率超过一定数值时,点火时间将会是无限长,即无法点燃。
  2.2燃烧特性
  2.2.1表观描述
  经观察,8种颗粒燃料的 燃烧过程均可分为启动、预运行、运行、停止4个阶段。启动阶段开始时,烟气呈白色,主要是由水蒸汽组成,烟气黑度较高;待点火成功后,火焰颜色较红且宽,温度较低,烟气黑度变淡,呈灰色或黑色,主要是由于燃烧过程中助燃空气不足造成的 。预运行阶段,火焰变成了橘黄色,温度逐渐升高,烟气黑度更低。进入运行阶段后,火焰由橘黄色变成了浅黄色,烟气变成一缕淡淡的 青烟。停止阶段,烟气黑度加大,火焰逐渐熄灭。
  2.2.2烟气(flue gas)中CO含量
  燃烧器启动后,烟气中CO含量随燃烧的 进行不断升高并达到更大;进入运行阶段后,其含量则大大降低(见3)。经分析可知,在燃烧启动与预运行阶段,燃烧室温度(temperature)较低、进风量较小而进料量已经达到预设值,此时生物质能源颗粒燃烧不充分,CO排放浓度高。随着燃烧进入运行阶段,鼓风(blast)机全速运行,温度不断升高,燃烧逐渐稳定,hjc黄金城官网能够充分燃烧,此时CO浓度排放值最小。当燃烧器停止或者关闭时,螺旋输送器和鼓风机停止工作,未燃尽的 燃料不能充分燃烧,即出现中CO浓度迅速上升的 情况。
  燃烧器正常运行时,8种生物质能源颗粒的 CO排放质量浓度由低到高依次为:落叶松、红松、玉米秸、木屑+花生壳、玉米秸(含添加剂)、混合木质、麦秸、棉秆,其排放质量浓度分别为29.18、51.19、59.06、63.09、65.25、120.00、365.94、555.37mg/m3。由此可见,其中麦秸和棉秆的 CO排放质量浓度较高,这可能是因为不同生物质能源颗粒的
  C、
  H、0元素的 含量不同,其所需的 理论空气量也不同,而燃烧器的 风量是一定的 ,造成了过量空气系数的 不匹配。
  2.3SO2、NO排放
  不同生物质能源颗粒的 烟气中SO2、NOx排放质量浓度如4、5所示。燃烧器的 启动、预运行(Windows)以及停止阶段,SO2排放浓度相对较高,这是由于不完全燃烧引起的 ;在运行阶段,绝大部分hjc黄金城官网燃烧时SO2的 排放浓度非常低,污染物排放水平较低,基本为零(见4),远远低于GB13271-2001锅炉大气污染物排放标准中规定的 900mg/m3的 指标。这主要是由生物质中s含量较低所决定的 。棉秆则是一个例外,其SO2排放浓度远高于其他hjc黄金城官网,S含量与其处于同一数量级的 其他秸秆类燃料的 SO2排放浓度则低得多。这说明生物质燃烧时,其SO2生成机理的 复杂性,不仅与s含量有关,而且与燃料种类和设备等因素有关。
  8种典型生物质能源颗粒燃烧时NOx的 排放浓度见5,正常运行时由低到高依次为:落叶松、混合木质、红松、木屑+花生壳、麦秸、玉米秸、棉秆、玉米秸(含添加剂),其排放质量浓度分别为33.88、83.47、87.05、110.35、115.31、132.18、140.63、145.34mg/m3。结合表1可知,各种颗粒燃料的 NOx排放质量浓度与其N含量基本成正比关系,N元素含量高,其NOx排放质量浓度亦高。生物质能源颗粒燃烧时的 温度较低(<1300℃),NOx的 生成方式主要为燃料型反应机制,而非热力型反应机制。
  2.4灰分对燃烧的 影响
  生物质颗粒燃料的 灰分含量对燃烧器的 正常运行时间有显著影响,见表2。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。如果颗粒燃料的 灰分含量过大,会导致燃烧器因无法及时排出灰分而难以持续运行,如棉秆的 灰分质量分数更高(21.69%),而底灰结渣率很低(24.13%),但其正式运行时间最短(仅为7min),同样的 情形可见玉米秸秆(含添加剂)等。此外,底灰结渣率对燃烧器的 正常运行时间也有较大影响,如红松、玉米秸,虽然其灰分含量较低(仅为6.32%、7.71%),但结渣率达到57.81%、48.94%,严重的 结渣造成了燃烧器的 检测孔被堵,从而导致燃烧器受控停止,不能实现连续运行。可见国外的 燃烧器并不适合中国,需要进行改造,否则难以连续运行。同时,大家还可以看出,生物质颗粒燃料的 灰分含量对燃料的 结渣基本上没有趋势性影响。
  2.5结渣特性
  2.5.1灰渣形貌
  通过观察燃烧后的 灰渣(见6),可以发现,各种不同原料的 生物质能源颗粒燃烧后,其灰渣的 外观形状、颜色、尺寸存在较大差异;木质类颗粒燃料之间、秸秆类颗粒燃料之间、木质类与秸秆类颗粒燃料之间,也有较大不同,大致可以分为3种类型:
  1)不结渣。落叶松。该燃料在燃烧后的 灰渣呈灰黑色的 细小颗粒物,无块状的 渣块产生,如6a所示。
  2)中度结渣。包括棉秆、玉米秸(含添加剂)。这两种燃料在燃烧后均出现轻微的 结渣现象,但渣块尺寸较小,易碎。其中,棉秆燃烧后的 灰渣呈灰黄色,粒度一般为8~10mm,如6b所示;玉米秸(含添加剂)燃烧后的 灰渣为与燃烧前形状类似的 浅棕黄色颗粒,但直径与长度均较燃烧前减小,约为Ø5.5mm×12.5mm,如6c所示。
  3)严重结渣。其渣块尺寸由小到大依次为:麦秸、玉米秸、木屑+花生壳、混合木质、红松。这些燃料的 结渣现象都很明显,渣块硬度较大,且尺寸和质量都很大。其中麦秸燃烧后其灰渣为深灰色,渣块更大尺寸约68.5mm,质量为9.14g,硬度相对较小;玉米秸燃烧后灰渣颜色较深,略呈深蓝色,色泽较亮,渣块尺寸更大能达到82.5mm,质量达20.03g;木屑+花生壳的 混合燃料在燃烧后,灰渣尺寸更大能达到106mm,质量达105,46g,其颜色较浅,呈灰黄色;混合木质燃烧后的 灰渣颜色偏暗,渣块更大尺寸约为112mm,质量为81.49g;红松燃烧后的 灰渣颜色偏红,渣块尺寸更大能达到116mm,质量达133.41g,硬度非常大。如6中
  D、
  E、
  F、
  G、h所示。
  值得注意的 是,当在玉米秸中加入添加剂后,其灰渣的 形态与特性都发生了较大变化,如颜色由青黑色变为浅棕黄色,渣块粒度变小且呈较为规则的 短圆柱状,更加易碎等,见6中
  C、e,添加剂有益于改善燃料的 结渣性能。
  2.5.2灰熔融性对结渣的 影响
  8种生物质能源颗粒的 底灰结渣率由小至大分别为:落叶松<棉秆<玉米秸(含添加剂)<麦秸<木屑+花生壳<混合木质<玉米秸<红松,见表3。可以发现,燃料的 结渣率与其软化温度密切相关,软化温度越高,结渣率越低;当燃料的 软化温度达到一定数值时(如落叶松的 软化温度为1389℃),则燃料将不会出现结渣现象。但对某些生物质能源颗粒,灰熔融特性对底灰结渣率的 影响却不明显,甚至有矛盾。如棉秆的 软化温度为1211℃,低于玉米秸(含添加剂),但底灰结渣率反而较低,仅为24.13%;同样,麦秸的 软化温度为1201℃,低于木屑+花生壳,其底灰结渣率为36.57%。
  另外,在燃料中添加适当的 添加剂,能够有效降低生物质能源颗粒的 结渣趋势,如试验中的 玉米秸,未含添加剂其底灰结渣率为48.94%,使用添加剂后的 底灰结渣率降低到26.17%,降低了22.77%。
  2.5.3灰渣化学组成的 影响
  生物质能源颗粒的 底灰结渣率与其化学组成密切相关,见7,中所示燃料的 结渣率为依次增大。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。一般来说,燃料中Si元素含量越高,结渣趋势越明显,如木屑+花生壳、玉米秸、红松、以及麦秸等,其si的 质量分数基本在25%左右或更高,结渣率较高;反之,落叶松灰渣中的 化学成分中si的 质量分数更低,仅为9.76%,其结渣率也更低(不结渣)。
  除Si元素外,碱金属元素(
  K、Na)及碱(Alkali)土金属元素(C
  A、Mg)对底灰结渣率的 影响也很大,如棉秆与麦秸,二者的 Si元素含量大致相同,但二者的 K元素含量相差很大,麦秸的 K元素质量分数高达14.17%,而其底灰结渣率也比棉花秆高出许多;再如玉米秸(含添加剂)与玉米秸,可以发现前者Mg元素含量较高,比后者高出3倍多,K元素含量则较低,约是后者的 1/2,而前者结渣率比后者降低了22.77%;再如混合木质与红松,前者的 ca元素含量约是后者的 3倍,其结渣率则降低了约10%。由此可知,碱金属元素含量越高,燃料结渣趋势越明显;碱土金属含量越高,燃料结渣趋势越小。
  3结论与建议
  1)生物质能源颗粒所需的 点火时间与燃料的 挥发份、含水率密切相关,挥发分越高,含水率越低,点火时间越短。
  2)生物质(material)能源颗粒在燃烧器中正常燃烧时的 SO2、NOx等污染(pollute)物排放浓度远低于标准,但存在着部分生物质能源颗粒灰分含量过大、结渣严重等问题,从而导致燃烧器难以连续运行。
  3)燃料的 灰熔融特性对其结渣率有较大影响,对大多数燃料来说,软化温度越高,结渣率越低,当软化温度达到一定数值时,燃料不会发生结渣,如落叶松。
  4)影响生物质能源颗粒结渣趋势的 元素主要有s
  I、碱金属和碱土金属。其中,Si元素含量越高,碱金属含量越高,越易于结渣;碱土金属含量越大,越抗结渣。添加适当的 添加剂,可有效改善燃料(fuel)的 结渣性能。
  建议在生产生物质能源颗粒时添加适当的 添加剂,以降低燃料的 结渣率,改善运行工况;同时,建议对国外引进的 燃烧器进行优化改进,及时排出灰渣,保证其正常连续运行,以适应中国的 国情。(罗娟,侯书林,赵立欣,孟海波,田宜水)
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