（环境工程专业论文）煤与生物质混燃灰比电阻特性的实验研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文煤与生物质混燃灰比电阻特性的实验 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蓥互蛰丝 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：菸劢盔呈 日期：鼍幽 导师签名： r-、 -j11ljl，一 1， i 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 粉尘比电阻是影响收尘性能的一个重要参数，本文在实验的基础上研究了某些 生物质灰以及它们与煤的混燃灰的比电阻特性。结果表明：生物质灰比电阻随着温 度升高整体呈上升趋势，且没有明显的峰值；混燃灰的比电阻随温度变化的曲线图 与粉煤灰很相像；生物质灰具有较严重的结渣倾向，随着生物质的不断加入，混燃 灰沾污倾向有变轻趋向，结渣特性跟原始煤样接近，但有加重趋势；三种生物质的 磨损倾向非常轻微；随着小麦掺烧比例的增大，混燃灰的亲水性增强；随着玉米掺 烧比例的增大，混燃灰浸润性均属亲水性，但数据显示有增大趋势；三种生物质灰 中小麦灰的粘附性最小，玉米灰和锯末灰的粘附性很大，随着生物质掺烧比例的增 大，粘附性先增大后减小。 关键词：生物质，熔融，结渣，比电阻，混燃灰 a b s t r a c t t h er e s i s t i v i t yo fd u s ti sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h ed u s tc o l l e c t i o np e r f o r m a n c e t m s t h e s i ss t u d i e st h er e s i s t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c so fs o m eb i o m a s sa n dc o f i r i n ga s ho nt h eb a s i so f t h ee x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h er e s i s t i v i t yo f b i o m a s sa s hi n c r e a s e sa st h er a i s i n g o ft e m p e r a t u r ea n dt h e r ei sn oo b v i o u sp e a k ；t h er e s i s t i v i t yo fc o f i r i n ga s ht h a n g i n gw i t h t e m p e r a t u r ei sv e r ys i m i l a rw i t hf l ya s h ；b i o m a s sa s hh a sav e r ys e r i o u ss l a gt e n d e n c y t h e c o n t a m i n a t i o nt r e n d so fc o f i r i n ga s hc h a n g e sl i g h ta n ds l a gc h a r a c t e r i s t i c si sa p p r o a c ht o o r i g i n a lc o a la l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u sa d d i n go fb i o m a s s b u ts l a gc h a r a c t e r i s t i c sh a v e i n c r e a s i n gt r e n d s ；w e a ra n dt e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ek i n d so fb i o m a s si sv e r ys l i g h t ；t h e h y d r o p h i l i cc h a r a c t e r i s t i c so fc o f i r i n ga s he n h a n c e sw i t h w h e a tb l e n d i n gr a t i oi n c r e a s e s ：t h e w e t t i n gp r o p e r t yo fc o f i r i n ga s hi sh y d r o p h i l i cw i t hc o mb l e n d i n gr a t i oi n c r e a s e s ，b u tt h e d a t as h o w st h a ti th a si n c r e a s i n gt r e n d s ；w h e a ta s ha d h e s i o ni sm i n i m u mi nt h et h r e ek i n d so f b i o m a s sa s h ，c o ma s ha n ds a w d u s ta s ha d h e s i o na r el a r g e t h ea d h e s i o ni n c r e a s e df i r s ta n d t h e nd e c r e a s e sw i t ht h ep r o p o r t i o no fb i o m a s si n c r e a s e s c a il i h o n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y u a ny o n g t a o k e y w o r d s ：b i o m a s s ，m e l t i n g ，s l a g ，r e s i s t i v i t y ，c o f i r i n ga s h ， 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言。1 1 1 选题背景及其意义1 1 2 国内外研究动态。j 3 1 3 生物质燃料特性简介j 4 1 3 1 生物质成型燃料的优点4 1 3 2 生物质能与常规能源的相似性及可获得性5 1 4 课题主要研究内容一5 第二章试样的采集与制备一7 2 1 生物质电厂燃料的采集7 2 1 1 小麦的预处理7 2 1 2 小麦秸秆燃烧工艺流程9 2 2 灰样的制备一9 2 2 1 生物质与煤混燃系统简介9 2 2 2 生物质与煤混燃主要方式1 1 2 2 3 实验室灰样的制备1 2 第三章灰的形成机理及灰比电阻的影响因素1 3 3 1 灰的形成过程1 3 3 1 1 粉煤灰的形成过程13 3 1 2 生物质灰的形成过程1 4 3 2 灰的物理、化学特性与比电阻的关系1 5 第四章灰的物理特性对比电阻影响的实验研究1 7 4 1 本课题实验燃料的基本性质1 7 4 2 粒径对比电阻的影响。1 7 4 2 1 比电阻测定仪器简介1 7 4 2 2 真密度测定方法1 9 4 2 3 粒径对煤及生物质纯燃灰比电阻特性的影响2 0 4 2 4 粒径对混燃灰比电阻特性的影响2 6 4 3 灰样粘附性和浸润性的研究3 3 华北电力大学硕士学位论文目录 4 3 1 粘附性和浸润性的测量方法3 3 4 3 2 粘附性和浸润性的实验结果及分析3 5 第五章灰的化学特性及熔融特性对比电阻影响的研究3 7 5 1 灰的化学成分对比电阻的影响3 7 5 2 灰的熔融特性对比电阻的影响4 0 5 2 1 评价积灰结渣特性的指标4 0 5 2 2 评价灰沾污特性的指标4 l 5 2 3 各灰样的结渣、沾污特性分析4 3 5 2 4 灰的熔融特性对比电阻的影响分析4 5 第六章结论与建议o 4 6 6 1 结论4 6 6 2 几点建议4 7 参考文献4 8 致谢5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 l 1 1 选题背景及其意义 人类正面临着发展与环境的双重压力。经济社会的发展以能源为重要动力，经 济越发展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消费的增加，就有两个突出问题摆在我 们面前：一是造成环境污染日益严重，二是地球上现存的化石燃料总有一天要掘空。 按消费量推算，世界石油资源在今后5 0 年到8 0 年间将最终消耗殆尽。到2 0 5 9 年， 也就是世界上第一口油井开钻二百周年之际，世界石油资源大概所剩无几。另一方 面，由于过度消费化石燃料，过快、过早地消耗了这些有限的资源，释放大量的多 余能量和碳素，打破了自然界的能量和碳平衡，是造成臭氧层破坏，全球气候变暖， 酸雨等灾难性后果的直接因素。这就是说如果不发展出新的能源来取代化石常规能 源在能源结构中的主导地位，在2 1 世纪必将发严重的、灾难性的能源和环境危机， 是人类在下一世纪所面临的三大最可能发生的灾难之一【1 2 1 。 环境与发展问题是当今全球普遍关注的焦点问题之一，环境保护已成为可持续 发展进程的一个重要组成部分，而能源的可持续发展事关国民经济发展、社会稳定 和国家安全。能源问题一直是制约我国经济快速发展的一个瓶颈，能源供求紧张、 结构不佳和利用效率不高等问题已经成为我国整体战略安全的一个极大隐患，利用 可再生资源、发展循环经济势在必行、大势所趋。随着十六届五中全会的召开，“加 快建设资源节约型、环境友好型社会，大力发展循环经济”已被正式提上日程。固 然，发展生物质能源不是获得新的能源的唯一途径，人类可以采用高技术手段获得 核能源，甚至从外太空获得能源，但其中的危害也是有目共睹的。首先，核能源的 发展极可能给已经不安的世界带来新的不稳定因素，甚至直接威胁到人类的生存环 境；其次，各国或各集团在人类下世纪技术水平下所能到达的有限外太空区域内进 行的能源开发，将不可避免地引发新的争夺或争端，其祸福不言自明。而生物质能 源则不仅是最安全、最稳定的能源，而且通过一系列转换技术，可以生产出不同品 种的能源，如固化和炭化可以生产因体燃料，气化可以生产气体燃料，液化和植物 油可以获得液体燃料，如果需要还可以生产电力等等。目前，世界各国，尤其是发 达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源 资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障【3 】。 我国是一个农业大国，生物质能几乎是农村燃料的主要依靠，多数生物质以直 接燃烧为主，燃烧效率低于1 0 。随着农村经济的发展，大量秸秆和林业剩余物及 有机固体垃圾被浪费，甚至有些地区。每到收获季节，田间地头烽烟四起，不但烧 掉了宝贵的生物质资源，又严重污染了大气，因此对生物质能利用的研究开发已成 1 华北电力大学硕士学位论文 为开发新能源的一个重要方向。在生物质燃烧发电过程中，生物质的燃烧过程以及 燃烧所产生物质的化学和物理性质对能量转化装置的设计，灰资源化利用与污染控 制具有重要的理论意义和应用价值。本文将系统地研究生物质灰的比电阻特性，以 便为生物质高效除尘提供理论基础【4 1 。 实验表明，最适合电除尘器工作的比电阻值为1 0 4 - 5 x 1 0 1 0 ( q e r a ) 。在这个数值 范围以外，电除尘器的性能将下降，从图1 1 可以看出粉尘比电阻与除尘效率的关 系【5 1 。 曲 轮 t 争秘 糟 o 图1 - 1 比电阻与除尘效率的关系 电除尘器对粉尘比电阻是比较敏感的，比电阻过大或过小都会对除尘效率产生 不利影响。1 ) 低比电阻粉尘到达收尘极后迅速放电，由于静电感应获得正电荷， 当正电荷形成的排斥力大得足以克服粉尘的粘附力时，则已沉积在极板上的粉尘将 重返气流，在空间又与负离子相撞而荷电，这些荷负电的尘粒再次向收尘极板运动， 结果形成在收尘极板上的跳跃现象，最终逃逸出电除尘器而不能被捕集。2 ) 高比 电阻粉尘到达极板后放电困难，形成的粉尘层电阻较大，使后续荷电粒子放电更加 困难，造成粉尘层表面有较密的负电荷分布，它们排斥荷电粒子向收尘极板靠拢， 并对电场产生抑制效果，随着粉尘比电阻的增大最终发生反电晕现象，降低除尘效 率。所以通过对生物质灰及混灰比电阻特性的研究，为改善电除尘器运行工况，提 高电除尘的捕集效率提供科学依据。 国家在2 0 0 3 年1 2 月份发布的“火电厂大气污染排放标准( o b1 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 中 要求自2 0 0 4 年1 月1 日起，新建、扩建、改建火电厂建设项目的燃煤锅炉烟尘最 高允许排放浓度标准为5 0 m g m 3 。我国目前大多数的电厂都在使用静电除尘器作 为烟尘处理的主要手段，然而烟气中的二氧化硫是粉尘比电阻的调质剂，随着二氧 化硫排放浓度的限制，粉尘的比电阻会相应升高，从而引起静电除尘器反电晕，降 低了除尘效率。这时静电除尘器要想达到较好的除尘效果，就必须采用一定措施改 进电源技术或者本体结构如：增加电场数、加宽极间距及提高电场强度等，这样显 2 华北电力大学硕士学位论文 然既增加了初投资也增加了运行费用。此时，烟气性质的研究就显得尤为重要【6 1 。 1 2 国内外研究动态 随着全球工业化的快速发展，一次性能源的消耗量不断增加，人类为了自身的 生存和发展，不断寻找新的能源，以减少或替代一次性能源的消耗。在各种可再生 能源中，生物质是储存太阳能的惟一种可再生的炭源，是可持续再生能源中的重要 组成部分。生物质能源具有以下特点：首先是一种可再生的绿色能源；其次，生物 质生长过程中吸收的c o ：与其燃烧利用中排放的c o ：是相等的，在c o ：总量上实现 了零排放；此外，与煤相比，生物质通常含有很低的灰分，几乎不含硫【7 1 。因此对 生物质能利用的研究开发已成为开发新能源的一个重要方向。世界有许多国家都制 定了相应的开发研究计划，在日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源 农场和巴西的酒精能源计划等发展计划，并形成了各具特色的生物质能源研究与开 发体系，拥有各自的技术优势。其它诸如美国、丹麦，英国和芬兰等正在大规模推 广利用生物质能发电【8 l ，这也是我国目前正在推广的一项新技术。我国早期在生物 质的开发应用上取得了一定的突破，但其他技术如热解裂化，直接燃烧等工业技术 都没有突破性进展。且生物质能转化效率低下运行成本高，难以形成规模效益，不 能发挥其应有的、重大的能源作用。生物质与煤是完全不同的一种燃料，但是国内 对生物质锅炉的设计以及除尘器的改造和除尘效率提高方面研究的还很少。 国内外对生物质能源的利用做了很多研究，但是对生物质灰的后续处理研究的 却比较少。目前，国内外对生物质灰研究比较多的有：1 ) 生物质灰的熔融特性： 通过热重分析仪研究了生物质的灰化温度和结渣特性。生物质燃烧过程中，碱金属、 硫和氯元素以气体的形态挥发出来，相互之间发生化学反应，然后以硫酸盐或氯化 物的形式凝结在飞灰颗粒和受热面的壁面上。同时化学反应也包括气体和沉积物灰 渣本身发生反应( 如：硫化、碱化和氧化等) ，而使积灰结渣层增厚【9 】。2 ) 对生物质 灰渣做x - r a y 衍射分析观察其结晶相。3 ) 对很多生物质灰做了工业分析、元素分析 和成分分析，生物质灰的主要元素有：k 、n a 、c a 、m g 、a l 、f e 、s i 等，但不同的 生物质，其无机物的含量是不同的【1 0 1 。4 ) 不同的生物质灰的形貌有很大差别，通 过t e m 照片可知，生物质灰为形貌各异的纳米粒子，玉米秆灰颗粒近似球形，分散 比较好；稻秆灰颗粒尺寸较小，团聚比较严重；而麦秆灰的形貌与玉米秆和稻秆完 全不同，呈链状分布。灰形貌的多样性反映出生物质中的无机物存在形式的不同】。 5 ) 煤与生物质混燃时可吸入颗粒物中矿物质元素的演变，混合原料在各工况下燃 烧时，几种重要的单一矿物元素( 包括其氧化物形式的成灰元素钙，磷，钠，硫以及 痕量元素锌) 在p m l o o 0 u r n 下颗粒物) 和p m l 0 + ( 1 0 u r n 以上颗粒物) 上的富集情况 各不相同，并且随着氧气比例的增加颗粒物中各元素的浓度分布的变化趋势也有较 3 华北电力大学硕士学位论文 大差异1 2 】。总之，国内外对生物质灰的熔融特性研究的较多，但是对它的比电阻特 性以及生物质与煤的混燃灰的特性研究的却非常少，所以本文着重研究生物质及其 与煤混燃灰的比电阻特性，并提出它对除尘效率有何影响。 1 3 生物质燃料特性简介 我国是一个农业大国，有着丰富的生物质资源。据统计，每年仅农作物秸秆产 量就有5 7 亿吨，除去还田、做饲料和副业原料外，尚有3 5 亿4 亿吨可作为能 源资源，这相当于1 7 2 亿吨标准煤的热值。对于这部分生物资源的利用，大部分 地区以农用直接燃烧为主，其燃烧效率低下，以致在一些秸秆资源匮乏的地区，大 量砍伐薪柴作为燃料使用，对生态环境造成了破坏；而在较为发达的地区，由于商 品能源的使用，大量的秸秆在田间焚烧，既造成能源的浪费，又引起严重的环境污 染，甚至还威胁机场、高速公路的运营安全。因此，发展以秸秆为原料的生物质发 电技术将使大量的生物质资源得到高效合理的利用。 另外，每年我国年产水稻约1 5 1 8 亿吨，则可生产稻壳约0 3 0 4 5 亿吨， 这也是一个巨大的生物能源库，而且比较集中。 我国2 0 0 4 年煤炭产量约为1 9 6 亿吨，2 0 0 5 年煤炭产量约为2 1 1 亿吨，可见中 国全年产生的秸秆相当于煤产量的1 2 还多。同时，据资料显示，中国火电工业每 年耗煤近1 0 亿吨，而且随着大量大容量火电机组的投产，每年将增加耗煤近1 亿 吨，烟尘、s 0 2 、c 0 2 排放量均占全国第一位，其中s 0 2 占“两控区排放量的6 0 以上，给环境造成沉重的压力。生物质能电力创造的环保方面的效益是一目了然的， 可造福全人类。 以上调研资料表明，我国发展生物质发电技术有着雄厚的可再生能源物质作后 盾，关键在于找到适合我国国情的生物质发电技术及生物质灰的后续处理技术。 1 3 1 生物质成型燃料的优点 把松散的秸秆、籽壳和农村废弃物经粉碎( 有的不要粉碎) 挤压成为成型燃料， 其优点是密实度提高( 可达0 6 1 2 9 c m 3 ) ，体积缩d 5 8 倍，便于储藏和运输；热值 提高，可以替代煤炭，减少面源污染，实现清洁燃烧，对二氧化碳减排有很大现实 意义。 成型燃料的形状有棒状( 实心和空心) 、颗粒状、块状，还有蜂窝煤形状的。 它具有以下特征：1 ) 有较高的密度；2 ) 热值相当与普通原煤的0 7 倍左右；3 ) 燃 烧排放有害成分较低，可以实现二氧化碳零排放，二氧化硫含量较低，粉尘排放低 于国标、低于原煤；4 ) 燃烧速度比成型煤快1 0 左右，残留灰渣很少；5 ) 燃料成 4 华北电力大学硕士学位论文 本1 0 0 1 2 0 元吨( 不含原料) 。 1 3 2 生物质能与常规能源的相似性及可获得性 生物质能的载体是有机物，所以这种能源是以实物的形式存在的，是唯一一种 可储存和可运输的可再生能源。而且它分布最广，不受天气和自然条件的限制，只 要有生命的地方即有生物质存在。 从利用方式上看，生物质能与煤、石油内部结构特性相似，可以采用相同或相 近的技术进行处理和利用，利用技术的开发与推广难度比较低。另外，生物质可以 通过一定的先进技术进行转换，除了转化为电力外，还可生成油料、燃气或固体燃 料，直接应用于汽车等运输机械或用于柴油机，燃气轮机、锅炉等常规热力设备， 几乎可以应用于目前人类工业生产或社会生活的各个方面，所以在所有新能源中， 生物质能与现代的工业化技术和目前的现代化生活有最大的兼容性，它在不必对已 有的工业技术做任何改进的前提下即可以替代常规能源，对常规能源有很大的替代 能力，这些都是今后生物质能发挥重要作用的依据。 从化学的角度上看，生物质的组成是c h 化合物，它与常规的矿物燃料，如石 油、煤等是同类。由于煤和石油都是生物质经过长期转换而来的，所以生物质是矿 物燃料的始祖，被喻为即时利用的绿色煤炭。正因为这样，生物质的特性和利用方 式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术开发利 用生物质能。但与矿物燃料相比，含固定碳少。生物质燃料中含碳量最高的也仅5 0 左右，相当于生成年代较少的褐煤的含碳量。特别是固定碳的含量明显地比煤炭少。 因此，生物质燃料不抗烧，热值较低；含氢量稍多，挥发分明显较多。生物质燃料 中的碳多数和氢结合成低分子的碳氢化合物，遇一定的温度后热分解而折出挥发 物。所以，生物质燃料易被引燃，燃烧初期，析出量较大，在空气和温度不足的情 况下易产生镶黑边的火焰。在使用生物质为燃料的设备设计中必须注意到这一点； 生物质燃料含氧量明显地多于煤炭，它使得生物质燃料热值低，但易于引燃。在燃 烧时可相对地减少供给空气量；生物质燃料的密度明显地较煤炭低，质地比较疏松， 特别是农作物秸杆和粪类。这样使得这类燃料易于燃烧和燃尽，灰烬中残留的碳量 较燃用煤炭者少；生物质燃料含硫量大多少于0 2 0 ，n o x 的排放也较少，造成空 气污染和酸雨现象会明显降低，燃烧时不必设置气体脱硫装置降低了成本，又有利 于环境的保护，这也是开发利用生物质能的主要优势之一。 1 4 课题主要研究内容 本课题着重研究生物质灰及生物质与煤按不同的比例( 热量比换算成质量比) 混燃后，其混燃灰的比电阻特性，并分析影响其比电阻特性的物理、化学特性，包 5 华北电力大学硕士学位论文 括：粉尘粒度，孔隙率，浸润性，粘附性，化学成分和温度等。 1 ) 温度，粉尘比电阻是两种独立的导电机理的综合，一种是通过粉尘内部的 体积导电，它与粉尘的化学成分有关，体积比电阻与工作温度成反比；另一种是沿 着粒子表面进行的表面导电，它与粉尘及烟气成分都有关，表面比电阻与工作温度 成正比。哪一种导电机理占主导地位，主要取决于温度。本实验利用d r 型高压粉尘 比电阻试验台对所有灰样进行比电阻测量，从而找出不同灰样的比电阻随着温度的 变化规律。 2 ) 粉尘的真密度和浸润性的测定，粉尘的真密度与粉尘的密实度有很大关系， 由于粉尘层颗粒间充满的空气起着降低导电性的作用。因此，粉尘层越松散，一般 来说比电阻越高；各种湿式洗涤器的除尘，主要是靠粉尘被水浸润的作用，但是浸 润性过大，会使粉尘粘附在电除尘器极板或滤袋表面，不利于除灰，所以了解粉尘 的浸润性，可以为除尘器的选型提供依据。 3 ) 粒度分析，粒轻不同则孔隙率、堆积密度和比表面积也不同，堆积密度越 小，填充率就越小，相对空气粒子容积比大，故容积导电性能较之孔隙率小的灰 更占优势，更易导电。粒径不同，氧化铝、氧化镁和氧化钙等有助于提高飞灰的比 电阻的化学成份含量也不同【l3 1 。为了排除碳含量对比电阻的影响，在进行粒径分析 之前首先要对灰样进行无碳化处理。 4 ) 粉尘成分：大多数的液体粒子和某些类型的固体离子，具有内在的导电性 能，因此不致发生高比电阻所引起的困难但是，在工业电除尘应用中所遇到的许 多烟尘和微粒，它们由硅酸盐、金属氧化物和其他类似的无机化合物组成，其中有 许多物质在纯干燥状态时是已知的最好绝缘物，因此会导致粉尘比电阻的增高【1 4 】， 所以用常量分析法对灰样进行成分分析，找出生物质加入量的不同对灰样成分的影 响以及对比电阻特性的影响。 5 ) 灰的粘附性：粘附性的差异决定了灰粒的孔隙度和碰撞过程中相互黏结的 难易程度，也决定了粉尘颗粒在冷却过程中捕集分散物( 微细颗粒、胶体物质、络合 物、离子团、氧化物分子、金属离子等) 的能力，并因此决定了比电阻特性的不同【1 5 】。 通过对灰样粘附性的测量分析生物质灰与煤灰粘附性的差异及粘附性对比电阻特 性的影响。 6 ) 灰结渣、积灰特性：结渣不仅会对燃烧设备的热性能造成影响，而且危及燃 烧设备安全性【1 6 】。因此在燃烧设备设计时，必须考虑燃料的结渣特性，进而才能把 炉膛尺寸，受热面布置，以及吹灰系统的选择和布置这些问题解决得比较合理，这 对确保机组的安全、经济运行也是至关重要的，所以探寻生物质秸秆灰及其混燃灰 结渣的规律及影响因素也就显得非常重要。 6 -_-_-_-，_- 华北电力大学硕士学位论文 第二章试样的采集与制备 2 1 生物质电厂燃料的采集 本实验用的生物质原料有小麦秸秆、玉米成型燃料和锯末成型燃料。小麦取自山东 十里泉电厂，玉米、锯末成型燃料由清华大学提供，取自国能惠远生物质能发电有限 公司。两种煤样均为烟煤，分别由华北电力大学( 大同煤) 和十里泉电厂提供。生 物质成型燃料表观形态如图2 1 所示。 、。 2 1 1 小麦的预处理 图2 - 1 生物质成型燃料 图2 2 至2 7 为十里泉电厂生物质的预处理工艺过程。原料车间建筑设计为减 少秸秆对周围环境的污染考虑采用围护封闭结构形式，并设有换气、清洁、除尘、 水电暖及消防等设施。锤磨机因设备运行噪声大，布置在一个单独隔音的房间内。 图2 2 小麦秸秆加工厂房外贸 7 图2 - 3 秸秆加工车间 华北电力大学硕士学位论文 图2 4 一级粉碎机 图2 6 秸秆输送管道 图2 5 二级粉碎 图2 7 白色管为炉前秸秆管道 秸秆燃料的输送和制备系统： 秸秆燃烧输送段是从秸秆料仓的螺旋输送机开始，秸秆碎片通过料仓下面布置 的主螺旋输送机进入系统的变径料管，使秸秆燃料均匀分散进入旋转给料机，旋转 给料机以每分钟2 8 转的转速均匀供给发射器。罗茨风机产生的压缩空气经出口消 音器、安全阀、冷却器等消音，冷却后以低于6 0 的温度进入发射器，将发射器中 的连续物流变成物料、空气的双相流。高速双相流进入输送管路。通过改变螺旋输 送机转速即可改变物料输送量与气力输送系统料气比。在输送管路沿途设有8 个压 力变送器将双相流的压力变化即时传入控制系统。输送管路的末端就是秸秆燃烧 器，在燃烧器前管路设有气动快关球阀和膨胀节。锅炉发生故障或其它紧急情况时， 气动快关球阀可快速关闭，切断秸秆燃料的供应。膨胀节用来吸收管路冷热态下的 膨胀差。在输送管路中设有压缩空气旁路，当压力传感器显示压力高于设定值时视 为管路发生堵塞，此时旁通管路电磁阀打开，压缩空气切向进入管路中的增速器， 清除管路堵塞。 秸秆燃烧制备线是通过秸秆包链条输送机，秸秆包被送入切碎机，切碎机把送 来的秸秆切成7 5 - 1 0 0 m m 的小段；通过切碎机输出螺旋将切碎秸秆送至负压抽吸 8 华北电力大学硕士学位论文 口，调节风门大小，一方面可调节吸风风速，另一方面可将混杂在秸秆中的石头、 大块泥土分离，石头、土块沿吸口下端出口分离出去。秸秆物料沿吸口通过输送管 道进入锤磨机，在高速旋转的锤磨机中进一步粉碎，经过滤筛的筛口出来，粉碎至 5 1 5 m m 左右，经锤磨机下部的集料箱口进入吸料管路到旋风分离器。秸秆碎片经 旋风分离器分离，6 0 以上的物料被分离出来，从旋风分离器出口经旋转卸料阀直 接进入料仓。这一段输送管路风速高( 约1 9 “s ) 、混合比大，空气压力损失也较大。 未分离的秸秆碎片随气流从旋风分离器上端出口进入布袋式除尘器，进一步被分 离，同时细尘也被分离出来。分离后的秸秆碎片及细尘经除尘器旋转卸料阀再入料 仓，经除尘过滤的空气排入大气。这一段的特点是风速低( 约6 l 吖s ) ，混合比低， 压力损失也较低。 2 1 2 小麦秸秆燃烧工艺流程 十里泉发电厂 5 机组秸秆发电工程主要是引入了丹麦b w e 公司的生物发电理 念，并结合十里泉发电厂自身特点，对泊来技术进行了全面的消化和改进，改进后 的生物秸秆直燃发电技术适用于我国中小型燃煤发电机组四角切圆煤粉炉的改造。 秸秆燃烧系统主要工艺流程如图2 8 所示： 竺二打! 秆竺车望车竺用! ：竺：切驾 兰器三锤誊冒 b 旋转卸料闽。：= l 向螺旋输送器由纵向螺旋输送器由发送器由秸秆一次风管道 空气。奄罗茨风机出消音器及冷却器j 0 = = = _ - 一- - 一i _ _ k 母秸秆燃烧器啦炉膛 2 2 灰样的制备 图2 8 秸秆燃烧系统主要工艺流程 2 2 1 生物质与煤混燃系统简介 i 司剖 过去l o 年里，流化床燃烧成为非常普遍的一种方式。其中的一个原因就是任 何不同类型的煤种，包括低品质的煤种，都可以使用这种锅炉进行燃烧，并能获得 高的燃烧效率。而且，流化床中的燃烧温度较低，这直接降低了n o x 的排放。流 9 华北电力大学硕士学位论文 化床还允许采用石灰石直接喷入炉膛的廉价脱硫方式降低s o x 的排放。 c f b 的主要优点可总结如下： _ 由于燃烧温度一般在8 5 0 。c ，比常规煤粉炉的燃烧温度低，偏离了“热力型” n o x 的生成温度，降低了氮氧化物的排放。 通过埋管换热，具有高的换热效率，使得锅炉的结构很紧凑。 _ 对燃料有较宽的适应性，包括那些含硫灰分量较高的燃料。 一 可以燃用低阶燃料，包括生物质和其他废弃物，以及进行不同类型燃料的混 燃。+ 一可以燃用粒径较大的燃料，降低燃料磨制成本。 _ 由于无需安装脱硫设备和碾磨设施，系统相对占地面积较小。 见于流化床对燃料适应性强，可同时燃烧几种不同特性的燃料，燃料种类的选 择和掺混比例比较灵活。所以生物质与煤混燃多采用循环流化床，如图2 9 所示【1 7 】， 秸秆由风力系统将其运送到锅炉。秸秆碎料进入炉膛是通过将其吹送至灰循环系统 ( 返料器) ，与送至此处的煤一起进入炉膛底部的流化床料中。从储存槽的底部生 物燃料由风力系统将其直接吹送到流化床锅炉的下部。在c f b 锅炉中，空气速度较 高，大部分的物料离开床体后被旋风分离器分离并收集，分离后的颗粒( 未燃尽燃 料颗粒、床体物料、石灰石颗粒) 返回锅炉的底部。流化床锅炉的床体温度大约在 7 5 0 9 5 0 ，上限温度由灰的烧结温度决定，避免腐蚀。 e 终 图2 9c f b 技术 1 0 气体鬟镪妒 ( 2 ) 生物质与煤使用不同的预处理装置与燃烧器。此方法的优点是能够更好 的控制生物质的燃烧过程，保持锅炉的燃烧效率；能够更灵活地，更大范围地调节 生物质的掺混比例；缺点是锅炉的建设、改造和维护的费用较高。 另有s a m i 1 8 】等按锅炉加料方式将生物质与煤直接共燃分为3 类：生物质与煤分 别使用不同的加料设备和燃烧器；生物质与煤分别使用不同的加料设备和相同的燃 烧器；对于混合好的煤与生物质使用相同的加料设备和相同的燃烧器 2 间接混燃 间接混燃是一种工艺过程，是生物质或废弃物转换为气体或液体燃料后再与主 要燃料混合燃烧的过程。间接混燃与直接混燃相比，有几点技术上和经济上的好处， 尤其是用于煤粉炉的情况。到目前为止，所有工业规模及商业运行的基于生物质气 化后气体间接混燃的应用都是在较大规模的煤粉炉上。但生物质热解技术以及热解 油产品尚在开发阶段，这可以为间接混燃的利用提供其他的途径。 ( 1 ) 气化。气化是一种热量转化过程，可以将固体( 或某种特殊情况下为液 体) 转化为可燃烧的气体燃料。典型的气化过程是燃用部分燃料产生热量以提供维 持有利于该燃料气化反应所需的温度。气化过程的产物是c o 、c 0 2 、h 2 、c x h y 、 h 2 0 以及一些杂质，另外鼓入空气气化时，产物中还有n 2 。通常，鼓入空气气化是 为了制造燃料气，用于空气能源的生产应用；鼓入氧气气化是为了制造合成气，用 于原料的化学合成或者联合循环应用。实际上，氧的成本限制了氧气气化后进行大 规模、高效率的能源生产过程和贵重产品的生产过程( 化学品、液体燃料等) 。气 化过程是基于不同的技术方法来完成。一般来说，气化技术分为3 种：固定床气化、 流化床气化和曳出气流气化。 ( 2 ) 热解。热解是将固体生物质转化为液体形式的技术。从技术上来说，热 解过程比气化过程简单，但反应气中不含有氧气。气化过程需要氧气，但气化反应 之后的气化气体中没有氧气。快速热解技术能够生成大量的液体产物。一般来说， 这可以通过流化床技术来实现，另外也在发展其他技术。通常，热解温度在4 0 0 6 0 0 之间，在热解反应器中，气体或蒸气凝结后形成液体产物，未凝结的可燃性气体 和残余碳在热解反应器中燃烧为热解过程提供热能以保持热解所需的适宜温度。由 1 】 华北电力大学硕士学位论文 固体生物质热解生成液体燃料的转化效率依据生物质种类、热解过程等不同而变 化，一般在4 0 6 5 。热解油的燃料特性与重油的相比化学组成不同，热解油中含有 大量的水，可由热凝结技术降低其含量。其低位发热量为1 3 1 8 m j 他g ，比矿物质油 料的明显要低。 ( 3 ) 基于蒸汽循环一体化的混燃。生物质与化石燃料的混燃还可以以分离的 生物质锅炉和燃煤锅炉的一体化蒸汽循环的方式来组织实现。比如蒸汽可以在燃用 生物质的锅炉内产生而过热器可以安置在燃煤或天然气的锅炉内。这种结合方式可 以避免污垢形成、结渣以及生物质锅炉内高蒸汽参数引起的腐蚀等问题。丹麦的 a v e d o r e 间接混燃发电厂即是按照这种所谓的秸秆、煤、天然气平行混燃的方式设计 的。 本文采用直接将生物质混入煤中进行燃烧制取灰样的方法。这种方法比较符合 我国国情，且技术、设备要求比较低。 2 2 3 实验室灰样的制备 小麦秸秆取自山东十里泉电厂，发热量为1 2 m j k g 。十里泉煤属于混合烟煤， 发热量2 1 m j k g 。玉米和锯末成型燃料由清华大学提供( 取自国能惠远生物质能发 电有限公司) ，玉米发热量为1 5 m j k g 。大同煤为烟煤，发热量3 0 m j k g 。小麦秸秆 经粉碎后长度为5 1 5 r a m 。在制取锯末和玉米灰样时，将其破碎至小于5 m m ，本文采 用美国试验材料学会( a s t m ) 锌j 4 定的生物质灰分量分析标准( e 8 7 0 - - 8 2 ( 1 9 9 8 年修正) ) 中规定的温度进行生物质灰的制取。将生物质置于马弗炉内，6 0 0 灼烧2 4 , 时，收 集残留物。对于混燃灰和粉煤灰，把煤制成粒度小于1 2 0 u m 的分析煤样，煤与生物 质分别按热量比9 ：l ，8 ：2 ，7 ：3 混合，根据我国煤灰分量分析g b t 2 1 2 2 0 0 1 标准，温度控制在8 1 5 左右燃烧2 小时( 为了尽量使实验条件和工况条件接近，燃 烧过程一定要注意不断通风，并对试样进行搅拌) 。生物质量最大没有超过5 0 是因 为生物质过多会降低总的热量输出，从电厂的角度来说是不切实际的。然而实验中 也做了生物质纯烧的实验，是为了提供一个基准资料。生物质的加入量不能低于 l o ，因为实验中火焰的不稳定性和点火问题发生在生物质量低于1 0 时。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章灰的形成机理及灰比电阻的影响因素 3 1 灰的形成过程 3 1 1 粉煤灰的形成过程 燃煤是我国电力工业的主要能源，煤中无机组分是燃煤飞灰的主要物质来源， 研究煤粉颗粒中矿物分布特征及其在燃烧过程中的变化与粉煤灰的形成机理和矿 物组成，对于分析飞灰的物理化学特性及提高火电厂电除尘效率有着重要的意义。 煤灰实际上是粘土矿物在高温下煅烧的产物，煤中矿物质的多少决定了煤灰的多 少，混入煤中的矿物质越多，煤的灰分就越大，一般来说，煤的灰分产率低于煤中 矿物质的含量，煤粉燃烧过程中，煤中的矿物质发生一系列分解、化合等变化，其 中的矿物质和金属氧化物就形成了十分复杂的煤灰，到目前为止，已发现煤中的无 机矿物达数十种【1 9 】，其中含量较高、较常见的有十余种。并且不同地区、不同电厂 的燃煤，矿物的种类和相对含量也有很大的差异。 煤灰一般以s i 0 2 为主，其次为a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、c a o 等，而m g o 、k 2 0 、n a 2 0 、 l i 2 0 、t i 0 2 等含量较少。煤灰的组成以氧化物的形态来表示，并不意味着煤灰中就 有这种氧化物，实际上它们是以硅酸盐、硅铝酸盐、硫酸盐、氧化物和少量碳酸盐、 磷酸盐以及其它化合物等多种形态的化合物混合组成的。 煤灰是由在炉内高温状态下未发生碰撞或发生碰撞后聚积的，尺寸为o 2 0 0 u m 的颗粒组成的。煤灰形成的机理的研究中，r c f l a g e n 2 0 】模型最有影响，如 图3 1 所示，该模型描述了煤加热逸出挥发分和碳燃烧的全过程。煤灰的形成大致 可分为三个阶段： 启| 毛灰( ( 0 1 u r n ) 图3 1 燃烧飞灰的形成过程模型 1 3 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 煤粉在燃烧开始时，其中气化温度低的挥发分首先自矿物质与固定碳连接 的缝隙间不断逸出，形成多孔性碳粒，此时的煤灰颗粒状态基本保持原煤粉的不规 则碎屑状，由于其多孔性，比表面积较大； 2 ) 伴随着多孔性碳粒中有机质完全燃烧和温度的升高，其中的矿物质开始脱 水、分解、氧化变成无机氧化物，此时的煤灰颗粒变成多孔性玻璃体，尽管其形态 大体上仍维持与多孔碳粒相同，但比表面积明显小于多孔碳粒； 3 ) 随着燃烧的进行，多孔玻璃体逐步熔融，收缩而成颗粒，孔隙率不断降低， 圆度不断提高，粒径不断变小，最终由多孔玻璃体变为密度较高、粒径较小的密实 球体，颗粒比表面积下降为最小。不同粒径和密度的灰粒具有显著的化学和矿物学 方面的特征差别，小颗粒一般比大颗粒更具玻璃性和化学活性。最后形成的煤灰( 其 中8 0 - - - - - 9 0 为飞灰，1 0 2 0 为炉底灰) 是外观相似、颗粒较细而不均匀的复杂多变 的多相物质【2 1 1 。 3 1 2 生物质灰的形成过程 ， 生物质燃料的燃烧过程是强烈的化学反应过程，又是燃料和空气间的传热、传 质过程。燃烧除去燃料存在外，必须有足够温度的热量供给和适当的空气供应。图 3 2 为燃料燃烧过程的图示。它可分作：预热、干燥( 水分蒸发) 、挥发分析出和焦碳 ( 固定碳) 燃烧等过程。 图3 2 生物质燃料的燃烧过程 生物质燃料在燃烧过程中有以下一些特点： 1 )生物质燃料的密度小，结构比较松散，挥发分含量高，在2 5 0 ( 2 时热分解开 始。在3 2 5 时就已开始十分活跃，3 5 0 时挥发分能析出8 0 。可以看到，挥发分 + 析出时间较短，若空气供应不当，有机挥发分容易不被燃烬而排出，排烟为黑色， 严重时为浓黄色烟。所以在设计燃用生物质燃料的设备时，必须有足够的扩散型空 1 4 华北电力大学硕士学位论文 气供给，燃烧室必须有足够的容积和一定的拦火，以便有一定的燃烧空问和燃烧时 间。同时空气供给量的多少也是生物质气化炉设计的关键之一。 2 ) 挥发分逐渐析出和烧完后，燃料的剩余物为疏松的焦碳，气流运动会将一 部分碳粒裹入烟道，形成黑絮，所以，通风过强会降低燃烧效率。 3 ) 挥发分烧完，焦碳燃烧受到灰烬包裹和空气渗透较难的影响，妨碍了焦碳 的燃烧，造成灰烬中残留余碳。为促进焦碳的燃烧充分，此时应适当加以捅火或加 强炉蓖的通风【2 2 1 。 3 2 灰的物理、化学特性与比电阻的关系 1 温度：温度对粉尘比电阻来说是最为敏感的因素之一。温度会影响到粒子内 部水分的蒸发，从而影响表面导电。同时，温度的升高会将较大的热能传给粉尘， 使可供粒子层导电的离子数量增多，这有利于增加粉尘层的导电率。 2 粒度：粉尘越粗，孔隙率则越小，粉尘越细，则孔隙率越大。由于孔隙中的 空气起着绝缘作用，且粉尘粒子表面会吸附一定的水分和其他化学物质，这些因素 都会对比电阻有很大影