多種生物質(zhì)與煤摻混燃燒灰熔融特性研究

汪潮洋,馬 輝,閆慧博,雷 鳴,張 磊

(1.國網(wǎng)河北能源技術(shù)服務(wù)有限公司,河北 石家莊 050000;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021;3.華北電力大學能源動力與機械工程學院,河北 保定 071003)

0 引言

生物質(zhì)資源屬于可再生資源,與傳統(tǒng)的化石能源相比,生物質(zhì)含硫量和含氮量低,燃燒后煙氣中的硫氧化物和氮氧化物含量低。與煤摻混燃燒可以有效減少火電廠煙氣中污染物的排放量。我國生物質(zhì)資源豐富,與煤摻混燃燒,在降低電廠燃料成本的同時,可以解決固體廢棄物處理的問題[1]。但生物質(zhì)與煤摻混燃燒產(chǎn)生灰渣的灰熔特性難以預(yù)測,若處理不當很容易在燃燒過程中造成受熱面積灰、結(jié)渣,嚴重時影響鍋爐的安全運行[2]。不合理的摻配方案會影響鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性[3]。李德波[4]等研究表明,在污泥添加量不超過10%時,由高溫條件下堿性氧化物熔融所形成的共融體,以及磷礦物反應(yīng)生成的非晶態(tài)礦物的共同作用,導(dǎo)致混合燃料的灰熔點隨著污泥加入比例增大而降低。劉賀[5]等研究表明,與原煤灰相比,活性炭和藥渣顯著降低了混合灰的熔點,促進結(jié)渣;樹脂提高了混合灰的熔點,不易渣化熔融。穆林[6]等研究表明,混燃灰中的堿金屬,Cl和S元素含量增加,灰渣中出現(xiàn)大量低熔點的長石和類長石礦物質(zhì),從而增強了灰渣的黏附能力,加劇混燃灰渣顆粒聚集成塊的趨勢。含有較高的Ca和Fe等元素,會生成較多的能夠抑制低溫共熔物形成的鈣質(zhì)硅(鋁)酸鹽,可減緩成渣趨勢。殷立寶[7]等研究表明,低質(zhì)量分數(shù)的氧化鐵形成低溫共熔體以及透輝石、鈣長石會降低煤和污泥混合后的灰熔融溫度;而鈣鎂橄欖石、莫來石和單體形式存在的氧化鐵能提高煤和污泥混合后的灰熔融溫度。混合灰熔點的降低并不一定都會帶來不利的影響,對于采用液態(tài)排渣工藝的鍋爐來說,一般要求灰的流動溫度(Flow Temperature,FT)小于1 400 ℃[8]。這種情況將煤與生物質(zhì)進行摻燒可使灰的流動溫度調(diào)整到合適的范圍。周偉健[9]等針對軟化溫度(Sphere Temperature,ST)提出了適用于判別生物質(zhì)熔融結(jié)渣指標。為減少生物質(zhì)鍋爐或生物質(zhì)燃煤耦合發(fā)電鍋爐的結(jié)渣現(xiàn)象提供了新的參考指標。

ST 對鍋爐燃燒的安全性和經(jīng)濟性有很大影響,是重要的煤質(zhì)指標之一[10]。生物質(zhì)灰成分復(fù)雜,與煤摻混后各礦物質(zhì)間發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng),混樣的灰熔融特性難以預(yù)測。因此對煤和生物質(zhì)摻混物的灰熔融特性進行研究非常必要。目前許多種類的生物質(zhì)單獨燃燒時的灰成分、灰化溫度和灰化時間對灰粒度和灰形態(tài)等的影響以及生物質(zhì)灰的結(jié)渣特性研究較多[11]。許潔[12]等研究了灰化溫度對灰成分存在形式、灰分中礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及灰結(jié)渣程度的影響。宋興飛[13]等對4種中藥渣的結(jié)渣特性進行了研究,結(jié)果表明灰中堿金屬主要以鹽和氧化物的形式存在,4種中藥渣結(jié)渣傾向均為嚴重。唐菊[14]對秸稈顆粒進行了灰熔結(jié)渣實驗,添加不同的試劑并研究了其對秸稈結(jié)渣傾向的影響。結(jié)果表明MgO 的改善作用最明顯。楊欽[15]對4種生物質(zhì)的灰熔點進行了測定,將灰熔點與流化床燃燒溫度進行比較,結(jié)果表明小麥秸稈的燃燒優(yōu)勢較多。對煤與生物質(zhì)摻混燃燒時的灰熔融特性也有相關(guān)研究。胡世豪[16]等研究了貧煤、煙煤和木屑摻燒時灰沉積特性,摻燒時,貧煤、煙煤的灰沉積厚度與木屑摻混比例增加時的變化趨勢相反。李至[17]對生物質(zhì)與煤混燒時鍋爐積灰結(jié)渣做出了預(yù)測,表明在30%及以下比例混燒木屑,鍋爐的積灰結(jié)渣風險總體可控。

本文研究了貧煤與3種生物質(zhì)在不同摻混比例下混合灰的熔融特征溫度和結(jié)渣特性,為實際應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

選取貧煤(C)、稻草秸稈(G)、市政污泥(N)和中藥渣(Z)為實驗原料,將實驗原料研磨、烘干后進行篩分,過200目篩,粒徑小于74μm。貧煤和3種生物質(zhì)的工業(yè)分析與元素分析見表1。將秸稈、污泥和中藥渣粉末均分別按照10%、20%、30%的質(zhì)量分數(shù)與煤粉進行摻混。

表1 實驗原料的工業(yè)分析與元素分析

1.2 灰樣品制備

灰樣品制備采用快速灰化法,在815±10 ℃馬弗爐內(nèi)將各樣品灼燒,并進行檢驗性灼燒至質(zhì)量恒定。生物質(zhì)灰按照GB/T 28731—2012《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》進行制備,灰化溫度為550 ℃。煤和生物質(zhì)及其各摻混樣的灰成分見表2。

表2 煤和生物質(zhì)的灰成分分析 %

1.3 熔融特性分析方法

依據(jù)GB/T 219—2008《煤灰熔融性的測定方法》的要求制備各個灰樣品的灰錐,實驗采用BYTHR 9E微機灰熔融特性測定儀用封碳法在還原性氣氛下對各樣品的灰熔點進行測定,該設(shè)備以15±1 ℃/min 的升溫速率加熱到900 ℃,900~1 500 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)以5±1 ℃的速率進行加熱。對高清攝像頭記錄的灰錐形態(tài)變化進行篩選,得到表征各灰樣品熔融性的4個特征溫度:變形溫度(Deformation Temperature,DT)、ST、半球溫度(Hemisphere Temperature,HT)和FT。工程上一般采用ST 來表征灰熔融溫度,熔融性溫度越低灰的結(jié)渣傾向越嚴重。ST 大于1 350 ℃的灰為難熔灰。若DT 與FT 之間溫差大于200℃,該灰也不易結(jié)渣。

2 灰熔融及結(jié)渣特性分析

2.1 熔融性溫度分析

實驗得到各混合物灰樣的4個特征溫度見表3。圖1 為各灰樣的DT 及ST 折線圖。貧煤的ST 超過1 500 ℃,屬于不熔灰。由表3可知貧煤與生物質(zhì)的各種摻混方案均使4種特性溫度有所降低。其中摻混秸稈與藥渣后ST 的變化趨勢相同,都是隨著摻混比例的增加而降低,呈負相關(guān)的趨勢。

圖1 各灰樣的DT、ST折線示意

表3 各灰樣的熔融特征溫度 ℃

生物質(zhì)中秸稈的ST 最低,僅為1 120 ℃,屬于易熔灰;藥渣的ST 最高,達1 427 ℃,屬于難熔灰。但秸稈與貧煤摻混后,摻入10%的秸稈時ST仍超過1 500 ℃,增大秸稈的摻混比例,混合物的ST 逐漸下降,但溫度下降幅度較小,3 種摻混比例下混合物的灰樣ST 均大于1 350 ℃,屬于難熔灰。藥渣與貧煤摻混,摻混比例為10%時,灰樣的ST 大于1 400 ℃,屬于難熔灰;但隨著藥渣摻混比例的增大,混合物的ST 會大幅度下降,相比于10%,在20%的摻混比例下,ST 的降低非常顯著。20%和30%的摻混比例下灰樣的ST 均小于1 250 ℃,屬于中等熔融灰。秸稈的ST 低,但與煤摻混后對混合物的ST 影響較小,藥渣的ST高,但與煤摻混后會導(dǎo)致混合物ST 大幅度下降。

污泥與煤摻混,摻混比例為10%和30%時混合物的ST 都較低,30%時的ST 與污泥純樣的ST 非常接近,而20%時相對較高,污泥與煤摻混時對ST 來說存在最優(yōu)比例。

計算ST 與DT 差值可知,僅貧煤和秸稈摻混比例為10%時,DT 與ST 之間的溫差大于200℃,秸稈的摻混比例為20%時,DT 與ST 的溫差為135 ℃。其他的摻混方案下各樣品的DT 與ST 之間的溫差均小于100 ℃,燃燒時會在短時間內(nèi)出現(xiàn)大面積嚴重結(jié)渣。

2.2 結(jié)渣特性分析

結(jié)渣傾向判別可由常用的判別指數(shù)變量來預(yù)測,如堿酸比(B/A)、硅鋁比(w(SiO2)/w(Al2O3))、硅比(G)和鐵鈣比(w(Fe2O3)/w(CaO))等。堿酸比是最常用的將灰熔融性與其成分聯(lián)系起來的參數(shù)。應(yīng)用于少量成分相似的樣品,可以得到較好的結(jié)果,但如果應(yīng)用于大量不同來源、成分范圍較大的樣品,則效果較差。判別指數(shù)定義如下。

堿酸比為

式中:B為灰成分中堿性氧化物總和;A為灰成分中酸性氧化物總和。一般情況下,酸性組分具有增加灰熔點的作用,而堿性組分具有降低灰熔點的作用[8]。

硅比為

結(jié)渣指數(shù)為

式中:w(S t,d)為煤種干燥基全硫的質(zhì)量分數(shù),%。

積灰指數(shù)為

綜合指數(shù)為

計算各樣品的判別指數(shù)和判別結(jié)果如表4所示,有時各判別指數(shù)所得的判別結(jié)果之間有較大差異,根據(jù)硅鋁比與鐵鈣比對各混合灰的結(jié)渣特性判別,大部分為輕微結(jié)渣或中度結(jié)渣,但根據(jù)酸堿比和硅比則可能出現(xiàn)重度結(jié)渣的判別結(jié)果。生物質(zhì)的各種摻混方案下積灰指數(shù)R f判別結(jié)果均為中度積灰。

表4 各灰樣品的判別指數(shù)及判別結(jié)果

根據(jù)綜合指數(shù)R結(jié)合實驗結(jié)果綜合判別[4,12],煤屬于中度偏輕微結(jié)渣,3種生物質(zhì)均屬于嚴重結(jié)渣。秸稈和煤摻混后,在小于30%的摻混比例下,對混合灰的結(jié)渣特性影響較小,屬于中度結(jié)渣;污泥和煤摻混,隨著摻混比例的增大,結(jié)渣傾向越重;藥渣的摻混比例增大時,混合灰的結(jié)渣傾向亦會加重。摻混秸稈混合物的灰融特性最好,其次為污泥,摻混藥渣的灰融特性最差。電廠可通過摻混添加劑、調(diào)整燃燒溫度和調(diào)整吹灰方式等措施對受熱面的積灰結(jié)渣進行減輕和預(yù)防[17]。

3 結(jié)論

以3種生物質(zhì)和貧煤按照不同比例摻混燃燒形成的混合灰樣為研究對象,通過熔融性溫度分析和灰成分分析,結(jié)合ST 測定結(jié)果和結(jié)渣傾向判別指數(shù),對各個灰樣品的結(jié)渣特性進行研究。后續(xù)可進一步對多種生物質(zhì)同時與煤摻混時混合灰的結(jié)渣特性進行研究。

1)貧煤的ST 高于1 500 ℃,生物質(zhì)的ST 由高到低依次為藥渣、污泥、秸稈。生物質(zhì)中雖然藥渣的ST 最高,但其與煤摻混后混合物的ST 會大幅下降;秸稈的ST 最低,增大摻混比例后混合物的ST 下降幅度較小;污泥在20%的質(zhì)量分數(shù)時混合物的ST 最高,摻混污泥存在最佳摻混比例。

2)根據(jù)綜合指數(shù)R判別煤屬于中度偏輕微結(jié)渣,3種生物質(zhì)均屬于嚴重結(jié)渣。秸稈和煤摻混后,在小于30%的摻混比例下,對混合灰的結(jié)渣特性影響較小,屬于中度結(jié)渣;污泥、藥渣和煤摻混,隨著摻混比例的增大,結(jié)渣傾向越重;藥渣的摻混比例增大時,混合灰的結(jié)渣傾向亦會加重。

3)摻混秸稈的混合物的灰融特性最好,其次為污泥,摻混藥渣的灰融特性最差。