多种生物质与煤掺混燃烧灰熔融特性研究

时间：2024-07-28

汪潮洋,马辉,闫慧博,雷鸣,张磊

(1.国网河北能源技术服务有限公司,河北石家庄 050000;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北石家庄 050021;3.华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003)

0 引言

生物质资源属于可再生资源,与传统的化石能源相比,生物质含硫量和含氮量低,燃烧后烟气中的硫氧化物和氮氧化物含量低。与煤掺混燃烧可以有效减少火电厂烟气中污染物的排放量。我国生物质资源丰富,与煤掺混燃烧,在降低电厂燃料成本的同时,可以解决固体废弃物处理的问题[1]。但生物质与煤掺混燃烧产生灰渣的灰熔特性难以预测,若处理不当很容易在燃烧过程中造成受热面积灰、结渣,严重时影响锅炉的安全运行[2]。不合理的掺配方案会影响锅炉运行的安全性和稳定性[3]。李德波[4]等研究表明,在污泥添加量不超过10%时,由高温条件下碱性氧化物熔融所形成的共融体,以及磷矿物反应生成的非晶态矿物的共同作用,导致混合燃料的灰熔点随着污泥加入比例增大而降低。刘贺[5]等研究表明,与原煤灰相比,活性炭和药渣显著降低了混合灰的熔点,促进结渣;树脂提高了混合灰的熔点,不易渣化熔融。穆林[6]等研究表明,混燃灰中的碱金属,Cl和S元素含量增加,灰渣中出现大量低熔点的长石和类长石矿物质,从而增强了灰渣的黏附能力,加剧混燃灰渣颗粒聚集成块的趋势。含有较高的Ca和Fe等元素,会生成较多的能够抑制低温共熔物形成的钙质硅(铝)酸盐,可减缓成渣趋势。殷立宝[7]等研究表明,低质量分数的氧化铁形成低温共熔体以及透辉石、钙长石会降低煤和污泥混合后的灰熔融温度;而钙镁橄榄石、莫来石和单体形式存在的氧化铁能提高煤和污泥混合后的灰熔融温度。混合灰熔点的降低并不一定都会带来不利的影响,对于采用液态排渣工艺的锅炉来说,一般要求灰的流动温度(Flow Temperature,FT)小于1 400 ℃[8]。这种情况将煤与生物质进行掺烧可使灰的流动温度调整到合适的范围。周伟健[9]等针对软化温度(Sphere Temperature,ST)提出了适用于判别生物质熔融结渣指标。为减少生物质锅炉或生物质燃煤耦合发电锅炉的结渣现象提供了新的参考指标。

ST 对锅炉燃烧的安全性和经济性有很大影响,是重要的煤质指标之一[10]。生物质灰成分复杂,与煤掺混后各矿物质间发生复杂的反应,混样的灰熔融特性难以预测。因此对煤和生物质掺混物的灰熔融特性进行研究非常必要。目前许多种类的生物质单独燃烧时的灰成分、灰化温度和灰化时间对灰粒度和灰形态等的影响以及生物质灰的结渣特性研究较多[11]。许洁[12]等研究了灰化温度对灰成分存在形式、灰分中矿物质转化以及灰结渣程度的影响。宋兴飞[13]等对4种中药渣的结渣特性进行了研究,结果表明灰中碱金属主要以盐和氧化物的形式存在,4种中药渣结渣倾向均为严重。唐菊[14]对秸秆颗粒进行了灰熔结渣实验,添加不同的试剂并研究了其对秸秆结渣倾向的影响。结果表明MgO 的改善作用最明显。杨钦[15]对4种生物质的灰熔点进行了测定,将灰熔点与流化床燃烧温度进行比较,结果表明小麦秸秆的燃烧优势较多。对煤与生物质掺混燃烧时的灰熔融特性也有相关研究。胡世豪[16]等研究了贫煤、烟煤和木屑掺烧时灰沉积特性,掺烧时,贫煤、烟煤的灰沉积厚度与木屑掺混比例增加时的变化趋势相反。李至[17]对生物质与煤混烧时锅炉积灰结渣做出了预测,表明在30%及以下比例混烧木屑,锅炉的积灰结渣风险总体可控。

本文研究了贫煤与3种生物质在不同掺混比例下混合灰的熔融特征温度和结渣特性,为实际应用提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

选取贫煤(C)、稻草秸秆(G)、市政污泥(N)和中药渣(Z)为实验原料,将实验原料研磨、烘干后进行筛分,过200目筛,粒径小于74μm。贫煤和3种生物质的工业分析与元素分析见表1。将秸秆、污泥和中药渣粉末均分别按照10%、20%、30%的质量分数与煤粉进行掺混。

表1 实验原料的工业分析与元素分析

1.2 灰样品制备

灰样品制备采用快速灰化法,在815±10 ℃马弗炉内将各样品灼烧,并进行检验性灼烧至质量恒定。生物质灰按照GB/T 28731—2012《固体生物质燃料工业分析方法》进行制备,灰化温度为550 ℃。煤和生物质及其各掺混样的灰成分见表2。

表2 煤和生物质的灰成分分析 %

1.3 熔融特性分析方法

依据GB/T 219—2008《煤灰熔融性的测定方法》的要求制备各个灰样品的灰锥,实验采用BYTHR 9E微机灰熔融特性测定仪用封碳法在还原性气氛下对各样品的灰熔点进行测定,该设备以15±1 ℃/min 的升温速率加热到900 ℃,900~1 500 ℃的温度区间内以5±1 ℃的速率进行加热。对高清摄像头记录的灰锥形态变化进行筛选,得到表征各灰样品熔融性的4个特征温度:变形温度(Deformation Temperature,DT)、ST、半球温度(Hemisphere Temperature,HT)和FT。工程上一般采用ST 来表征灰熔融温度,熔融性温度越低灰的结渣倾向越严重。ST 大于1 350 ℃的灰为难熔灰。若DT 与FT 之间温差大于200℃,该灰也不易结渣。

2 灰熔融及结渣特性分析

2.1 熔融性温度分析

实验得到各混合物灰样的4个特征温度见表3。图1 为各灰样的DT 及ST 折线图。贫煤的ST 超过1 500 ℃,属于不熔灰。由表3可知贫煤与生物质的各种掺混方案均使4种特性温度有所降低。其中掺混秸秆与药渣后ST 的变化趋势相同,都是随着掺混比例的增加而降低,呈负相关的趋势。

图1 各灰样的DT、ST折线示意

表3 各灰样的熔融特征温度 ℃

生物质中秸秆的ST 最低,仅为1 120 ℃,属于易熔灰;药渣的ST 最高,达1 427 ℃,属于难熔灰。但秸秆与贫煤掺混后,掺入10%的秸秆时ST仍超过1 500 ℃,增大秸秆的掺混比例,混合物的ST 逐渐下降,但温度下降幅度较小,3 种掺混比例下混合物的灰样ST 均大于1 350 ℃,属于难熔灰。药渣与贫煤掺混,掺混比例为10%时,灰样的ST 大于1 400 ℃,属于难熔灰;但随着药渣掺混比例的增大,混合物的ST 会大幅度下降,相比于10%,在20%的掺混比例下,ST 的降低非常显著。20%和30%的掺混比例下灰样的ST 均小于1 250 ℃,属于中等熔融灰。秸秆的ST 低,但与煤掺混后对混合物的ST 影响较小,药渣的ST高,但与煤掺混后会导致混合物ST 大幅度下降。

污泥与煤掺混,掺混比例为10%和30%时混合物的ST 都较低,30%时的ST 与污泥纯样的ST 非常接近,而20%时相对较高,污泥与煤掺混时对ST 来说存在最优比例。

计算ST 与DT 差值可知,仅贫煤和秸秆掺混比例为10%时,DT 与ST 之间的温差大于200℃,秸秆的掺混比例为20%时,DT 与ST 的温差为135 ℃。其他的掺混方案下各样品的DT 与ST 之间的温差均小于100 ℃,燃烧时会在短时间内出现大面积严重结渣。

2.2 结渣特性分析

结渣倾向判别可由常用的判别指数变量来预测,如碱酸比(B/A)、硅铝比(w(SiO2)/w(Al2O3))、硅比(G)和铁钙比(w(Fe2O3)/w(CaO))等。碱酸比是最常用的将灰熔融性与其成分联系起来的参数。应用于少量成分相似的样品,可以得到较好的结果,但如果应用于大量不同来源、成分范围较大的样品,则效果较差。判别指数定义如下。

碱酸比为

式中:B为灰成分中碱性氧化物总和;A为灰成分中酸性氧化物总和。一般情况下,酸性组分具有增加灰熔点的作用,而碱性组分具有降低灰熔点的作用[8]。

硅比为

结渣指数为

式中:w(S t,d)为煤种干燥基全硫的质量分数,%。

积灰指数为

综合指数为

计算各样品的判别指数和判别结果如表4所示,有时各判别指数所得的判别结果之间有较大差异,根据硅铝比与铁钙比对各混合灰的结渣特性判别,大部分为轻微结渣或中度结渣,但根据酸碱比和硅比则可能出现重度结渣的判别结果。生物质的各种掺混方案下积灰指数R f判别结果均为中度积灰。

表4 各灰样品的判别指数及判别结果

根据综合指数R结合实验结果综合判别[4,12],煤属于中度偏轻微结渣,3种生物质均属于严重结渣。秸秆和煤掺混后,在小于30%的掺混比例下,对混合灰的结渣特性影响较小,属于中度结渣;污泥和煤掺混,随着掺混比例的增大,结渣倾向越重;药渣的掺混比例增大时,混合灰的结渣倾向亦会加重。掺混秸秆混合物的灰融特性最好,其次为污泥,掺混药渣的灰融特性最差。电厂可通过掺混添加剂、调整燃烧温度和调整吹灰方式等措施对受热面的积灰结渣进行减轻和预防[17]。