流化床秸秆燃烧技术研究与开发

发布时间:2024-09-20

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第28卷第12期 2006年12月水利电力机械

WATERCONSERVANCY&ELECTRICPOWERMACHINERY

Vol.28 No.12

Dec.2006

 

流化床秸秆燃烧技术研究与开发

Developmentandresearchofthestrawcombustionforbedboiler

秦建光,余春江,,,QINJian2guang,YQMeng2xiang,LUOZhong2yang

,浙江杭州 310027)

(ofCleanEnergyUtilizationofZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

摘 要:介绍了秸秆生物质在我国大规模燃烧利用的重要意义以及研究发展现状。为了解决秸秆燃烧应用中的技术难题,深入地研究了秸秆的基本燃烧特性和动态燃烧过程,特别对秸秆燃烧中由碱金属引发的低温灰熔融现象和过热器金属材料的高温腐蚀问题进行了针对性研究。简要论述了由浙江大学结合国内研究和国外相关运行经验教训而自主开发的循环流化床秸秆燃烧技术和工程示范项目。关键词:秸秆;生物质;燃烧;循环流化床;碱金属问题

中图分类号:TK6   文献标识码:A   文章编号:1006-6446(2006)12-0070-06

Abstract:TheimportanceoflargescalestrawcombustioninChinaanditsR&Dstatuesispresented.Tosolvethetechnicalproblemswithstrawcombustionapplication,thecommoncombustioncharacteristicsanddynamicprocessofstrawcombustionareintenselystudied.Specially,theseriouslowtemperatureashmeltingphenomenonandhightemperaturecorrosionofsuper-heatermetalmaterialcausedbyalkalifromstrawarestudiedindetail.Abriefintro2ductiontoanewcirculatingfluidizedbedstrawcombustiontechnologydevelopedbyZhejiangUniversityanditsin2dustrialapplicationaregiven,whichtakesintoaccountthelessonsandexperiencesfrombothdomesticresearchandoverseapractice.

Keywords:straw;biomass;combustion;circulatingfluidizedbed;alkaliproblem

1 生物质资源利用的意义

能源问题和环境问题是21世纪人类面临的两

[1]

大重要问题,常规能源资源短缺和利用中严重的环境污染已经成为制约我国经济增长和社会可持续

[2]

发展的主要因素。生物质能源由于具有资源丰富、可再生且分布地域广、可实现CO2零排放、大气污染物排放少等优点,被认为是21世纪最有前景的

[3]

绿色可再生能源之一。

广义的生物质包括各种农林业废弃物和生活垃圾、有机废水等,本质上是直接或者间接来源于光合作用产生的富含化学能的有机物质。现在每年全球靠光合作用就能产生1200亿t生物质,但是人类仅利用了每年生物质产量的7%左右。我国是一个农业大国,农作物秸秆是我国生物质资源的主体,每年

收稿日期:2006-10-23

可产生7.05亿t秸秆,占我国生物质资源的一半以上,这是我国生物质资源区别于其他国家的重要特征。目前,我国的秸秆资源除了一部分用作还田肥料和动物饲料外,大部分都废弃或者就地焚烧,不但浪费了宝贵的能源,也给空气带来污染,甚至影响

[5,6]

公路交通和民航运行。如果能够采用合适的技术高效利用秸秆中蕴涵的绿色能源,不但能得到可观的高品位能源,还有显著的环保效益。另一方面,秸秆能源化产业还能有效增加农民收入,缓解农村就业形式,从而有利于解决“三农”问题和新农村建[7,8]设。

[4]

2 利用现状和问题

以秸秆为代表的生物质大规模能源转化途径目前主要有生化转化和热化学转化两大类。生化转化

作者简介:秦建光(1980-),男,山东潍坊人,浙江大学能源清洁利用国家重点实验室在读博士研究生,主要从事生物质秸秆燃烧问题研究。

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第28卷第12期秦建光,等:流化床秸秆燃烧技术研究与开发 71

利用发酵等生物化学工艺,存在着生产率低和工艺要求高、稳定性差等问题,并在分解破坏秸秆牢固的有机聚合结构中存在着转化率低、成本高等问题。目前,仅在户用沼气生产中得到广泛应用,以秸秆为原料的生化转化过程尚处于研发阶段。热化学转化利用高温破坏生物质原始结构,具有生产率高、生产强度大和成本低等优势。从工艺上分类有燃烧、热解、气化、直接间接液化等类型。目前,在秸秆大规化发电,[9]

,最具产业化前景。

生物质直接燃烧技术根据燃料构成可分为生物质和化石燃料混烧技术和以生物质为单一燃料的直接燃烧技术。根据燃烧形式可分为流态化方式燃烧、悬浮燃烧方式燃烧和层燃方式燃烧等类型。如果以生物质燃料中碱金属含量为判断依据,则可分为以木质燃料为代表的低碱生物质燃烧和以秸秆为代表的高碱生物质燃烧2种类型。

现今较大规模的生物质燃烧发电工程主要集中在欧美等一些发达地区,但是,由于资源情况的不同,在这些燃烧利用工程中,大多数以木质类原料如枝条、木片、废弃木材等为主要燃料,仅仅有小部分掺烧少部分的农作物秸秆。对于秸秆类生物质的燃烧技术,目前则以丹麦的水冷振动炉排技术为代表。丹麦由于国内资源特点和对能源供应可持续性的深刻认识,很早就开始了秸秆大规模燃烧方面的开发

[10]

和应用。目前,丹麦已建成100多家秸秆发电厂,每年燃用75万t以上的秸秆。丹麦秸秆热电站规模不同,但共同点是设计燃料为麦秆,燃料运输和贮存采用标准的捆包形式,燃烧系统为振动炉排炉,进料采用秸秆捆直接推入炉膛的“雪茄式”燃烧,或者采用先将秸秆捆分散破碎然后给入炉排上方的方[11]式,如图1、图2所示。

需要指出的是,秸秆的燃烧并不如人们想象的那么容易,它具有非常特殊的燃烧特性,特别是由于其富含钾和氯,秸秆在燃烧中会出现复杂的碱金属问题,从不同的角度危害正常的燃烧组织和设备运

[12]

行,例如受热面沉积、结渣和高温腐蚀等问题。秸秆在燃烧过程中表现出来的严重的碱金属是限制其进一步充分燃烧的重要因素。

考虑流态化燃烧固有的优势和秸秆的燃烧特性,在对丹麦的水冷振动炉排技术理解吸收的基础

上,浙江大学凭借多年来在流化床研究和产业开发积累经验的基础上,针对秸秆的特点,与北京中环联合环境工程有限公司合作开发了拥有自主知识产权的循环流化床秸秆燃烧技术。

3 流态化秸秆燃烧研究

流态化燃烧与层燃炉相比,具有燃烧效率高,燃料适应性广,便于控制燃烧温度,实现低污染物排放等优点。国际上以流态化燃烧技术燃用生物质的公司不少,有代表性的公司有AE&E,FosterWheeler,B&W,Kvaerner等,其主要的应用都在欧洲和美国,燃料主要是木片锯末、果园修剪枝条以及河道污泥等,容量都不大,多在75t以下,蒸汽温度低于500℃。个别锅炉涉及秸秆燃料,但是秸秆只是作为混烧燃料之一。图3和图4是欧洲已经在运行的掺烧秸秆的流态化燃烧电站。3.1 秸秆基本燃烧特性研究

秸秆类生物质一般具有水分含量多变、质地疏松、单位热值小的特点。从常规燃烧特性看有高挥发分、高含氧量、低灰和低硫氮含量等特点。常见生物质对比分析见表1。

秸秆在燃烧中的性能特点具有和煤等类型的化

[10,11]

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72 水利电力机械

表1 典型秸秆生物质的常规数据分析

2006年12月

秸秆类型

工业分析/%

Mt13.65

Aar9.67

Vdafr61.24

FCar15.44

发热量

Qnet,ar/(J/g)

元素分析/%

Car37.1

Har5.07

Nar0.85

Sar0.14

Oar33.05

稻草13590

麦草8.

0511.7762.7117.471386037.15.070.5636.03

芦苇6.435.6071.5317.14306.0.0.2538.10

应活性,在较低的温度下依然能够保证合理的炉膛

一次通过燃尽率,这些都使得炉膛设计的灵活性增

石燃料燃烧迥然不同的特性,图5和图6显示了空气气氛下秸秆和煤炭的燃烧失重过程对比。显然,秸秆的挥发分析出温度低,析出过程迅速,同等条件下半焦的燃尽迅速而彻底,表现出极强的反应活性。

与秸秆燃烧特性相对应,在流态化秸秆燃烧的组织中必须非常重视挥发分的燃烧,避免燃料给入过程中挥发分提前析出,为炉膛内挥发分的析出着火提供足够的空间以及合理的二次风布置都要在秸秆循环流化床锅炉设计中得到体现。另一方面,由于秸秆的着火温度低,过程迅猛,不需要过多担心入炉燃料的着火问题;且秸秆半焦具有很高的燃烧反

加。3.2 秸秆灰渣熔融特性研究

作为一年生草本作物,秸秆的碱金属和氯等无机物质的含量也较高。表2给出了秸秆的相关无机物质含量。以钾为代表的碱金属含量高带来的主要问题是使秸秆灰渣的熔融温度大大降低。由于秸秆中碱金属在受热成灰熔融过程中,存在与成分和外部环境相关的复杂物理化学反应,并引发碱金属析出逃逸现象,对秸秆灰熔融过程的研究难度很大。

初步的试验是以稻草为原料的静态燃烧试验(马费炉试验),结果如图7、图8所示。试验在空气

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第28卷第12期秦建光,等:流化床秸秆燃烧技术研究与开发

%

项目软化温度/℃

73

表2 典型生物质的主要无机物含量对比

秸秆类型稻草麦草芦苇

K1.961.491.34

Cl0.900.790.86

表3 秸秆原料灰熔点及灰成分分析

符号

STSiO2Al2O3Fe2O3

稻草

79567.881.680.03481.5118.560.85

麦草

77058.062.461.255.863.91.7823.811.21

次烟煤

142046.4839.576.264.691.050.623.012.62

气氛下进行,利用马费炉控制成灰和灰熔融过程温度。图7是粉状稻草在700℃燃烧后的成灰照片,可以发现此时秸秆灰已经有粘连现象,并具有一定的硬度。结合文献研究,,气相

[13]

/%ONa2OK2OSO3

,生化学反应。图8是原始状态的稻草束在900℃下燃烧后的灰熔融情况,秸秆灰在该温度下生成的熔融半透明状物质非常明显。秸秆的灰熔点及灰成分由于碱金属的挥发特性难以测准,通过低温成灰工艺制取灰样分析得到的初步数据和典型煤的数据对比见表3。表中的数据定性显示了秸秆灰的低熔特性,而且可以推断,秸秆灰中的碱金属和SiO2含量高可能是导致秸秆灰熔点降低的主要原因。

秸秆灰在700℃以上即可出现熔融迹象,900℃以上

的高温环境下秸秆灰呈完全熔融状态的特性是秸秆燃烧区别于化石燃料燃烧的一个主要方面,也是秸秆燃烧需要面对的一个主要困难。流态化燃烧方式的低温燃烧特性可以在很大程度上缓解秸秆灰低熔给燃烧组织带来的困难。流态化燃烧,特别是循环流化床燃烧对于炉膛温度有很强的控制能力,利用床料的循环,循环流化床燃烧中可以可靠地降低秸秆挥发分,集中释放燃烧区域的温度,从而大大缓解该区域内秸秆灰颗粒发生熔融对炉壁和后续受热面造成的威胁。3.3 秸秆燃烧高温腐蚀过程研究

高温过热器受热面的高温腐蚀是秸秆锅炉运行中面临的一个主要问题。丹麦的工程运行经验表明,秸秆锅炉在运行一段时间后,由于碱金属物质在受热面上的沉积、沉积物与炉内烟气及秸秆飞灰之间复杂的多相反应作用,会使受热面换热效率降低,烟气流通截面减小,受热面的运行工况偏离设计,更为严重的是沉积在受热面上的物质在金属壁温较高的情况下会快速腐蚀受热面金属,严重影响锅炉的安全运行。国外运行的锅炉主要通过降低烟气温度、采用低蒸汽参数、定期吹灰、使用特殊的耐腐蚀的合金材料来减缓腐蚀,但这无疑会增加很多工作量和发电成本。

[14,15]

相关研究表明,初始沉积的形成是这种高温腐蚀出现的直接原因。图9显示了典型秸秆电站锅炉换热面沉积的结构,由图中可以看出最初的沉积层是碱金属盐,具体的说就是以KCl为代表的钾盐在受热面形成均匀的沉积层,该初始沉积主要由气相中的碱金属盐蒸汽在较冷的受热面管壁上凝结构成。后续的沉积则是烟气中的灰颗粒或者其他成分通过惯性撞击、热迁移、扩散凝结和化学反应等与

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初始沉积层作用而形成的

水利电力机械2006年12月

结果并为进一步产业推广和工程实际提供了大量宝贵的数据

图9 ,由表2的分析可以看出1%~2%的数量级,它们在750℃以上时,在氯存在的条件下,除了部分以氧化物的形式滞留在固相中,另外相当大的一部分会以气态的形式析出。根据不同的物理化学条件,可能的析出物为KCl,K2SO4等,而且环境温度越高,碱金属盐的蒸汽压就越高,进入气相的碱金属物质就越多。显然,过高的秸秆燃烧温度将会强化碱金属盐进入气相的过程,从而使后续受热面上出现沉积,引发高温腐蚀的几率增加。而流态化的低温燃烧特性在应对秸秆燃烧高温腐蚀问题上又可以发挥重要作用。浙江大学的循环流化床秸秆锅炉有效地控制了燃烧高温区的形成,大大降低了秸秆原料中钾进入气相的比例,从而有望大幅度缓解上述高温腐蚀问题。另一方面,低温的流态化燃烧有助于大部分碱金属以固态盐形式留在飞灰相中,对于飞灰还田的肥用价值提升也有很大的好处。3.4 流态化燃烧基础和验证示范试验

4 工程示范项目介绍

在该技术成功开发的基础上,浙江大学和中节

能(宿迁)生物质能发电有限公司在江苏宿迁联合实施了秸秆燃烧的工程示范项目,图12为该项目的规划效果图。这是我国自主开发并完全拥有自主核心技术的示范项目,是我国同时也是世界上第1台以稻、麦秸秆为单一燃料的循环流化床锅炉。工程总投资2.48亿元,装机容量2×12MW(2×75t/h秸秆锅炉),预计2006年底一期工程可以运行,2007年上半年整体工程全面竣工。项目建成后预计年发电1.56亿kW h,实现销售收入过亿元。每年可以消化秸秆17万t,增加农民收入5000万元

为了深入研究秸秆生物质的动态燃烧特性,使该技术顺利走向产业化,在开发过程中针对流态化秸秆燃烧过程中的各工程问题进行了不同规模的热态流态化燃烧试验。在如图10和图11所示的小型流化床试验台和1MW的半工业规模流化床燃烧台架上进行的试验着重探索了特定筛分和品种的床料在流化床中的运行组织、秸秆入炉几何特征对床层内燃烧情况的影响、聚团特性的掌握和抑止、运行时热态风速选择、秸秆燃烧时床层内各个部分的燃烧份额和秸秆在流态化燃烧条件下的燃烧反应活性等专题,取得了详实可信的结果。

在试验基础上,浙江大学逐步形成了比较成熟的燃用高碱秸秆的循环流化床燃烧技术方案,并在半工业规模流化床生物质燃烧试验中进行了概念验证,验证试验实现了高效稳定的燃烧,取得了圆满的

图12 宿迁秸秆燃烧项目规划效果图

该项目设计燃料为麦秆和稻秆,但实际运行中可能掺烧棉花秆、玉米秆、杨树枝条等。通过精心的

设计,该燃烧技术利用流态化低温动力燃烧的特点,最大程度抑止了高碱的秸秆在燃烧中的各种碱金属问题,同时利用高效的物料循环实现了高效的燃尽。

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得益于流态化燃烧的特性,锅炉对于入炉燃料的品种、水分含量、预处理程度的变化有很强的适应能力,可以最大程度地适应我国生物质燃料供应的实际情况。具体设计运行参数如下:

锅炉额定蒸发量/(kg/h)   7500过热蒸汽出口压力/MPa3.82

过热蒸汽出口温度/℃给水温度/℃

锅筒工作压力/MPa省煤器入口压力/MPa/(kJ/%输入秸秆量B/(t/h)

4501504.37.14351.3590.215.66

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5 结论

秸秆生物质的有效大规模利用具有重大的经济

意义和环保意义,在充分认识生物质的燃烧特性、现状以及比较不同的燃烧方式后,发现生物质流态化燃烧发电是实现该目标的有效可行途径。浙江大学对秸秆燃烧方面进行了一系列的研究,特别是在流态化燃烧发电方面的深入研究,解决了秸秆燃烧中的难题,成功开发了循环流化床秸秆燃烧技术,并开展了工程示范项目的建设。该技术打破了我国在秸秆发电产业化道路上依赖国外技术的引进或者简单模仿的模式,走出了一条自主开发的新路。参考文献:

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(编辑:王书平)

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