煤與生物質(zhì)耦合燃燒的協(xié)同效應(yīng)

周 巍,王浩帆,熊晟熙,蔣思磊,何曉燕,馬曉春,婁 春,姚 斌

(1.江西贛能股份有限公司,江西 南昌 330096;2.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;3.新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院,新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著雙碳目標(biāo)提出,燃煤電廠利用可再生能源替代化石能源以降低碳排放的需求緊迫。而生物質(zhì)能具有生命周期內(nèi)零碳排放,可再生,來源廣泛,儲量豐富等優(yōu)點,是替代化石燃料的重要能源[1]。目前,北歐國家憑借其豐富的森林資源,形成成熟高效的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。然而,最近研究表明[2],砍伐森林以提供用于替代化石燃料的木質(zhì)生物質(zhì)所造成的碳排放多于減少的碳排放,在有限長時間尺度上,林木生物質(zhì)資源消耗超過森林再生速度。為避免林木生物質(zhì)利用產(chǎn)生多余碳排放,農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品資源成為生物質(zhì)發(fā)電的主要燃料來源。利用這些農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品資源實現(xiàn)碳中和目的,需要大量投資來改造現(xiàn)有純煤粉爐,目前我國燃煤電廠不具備大規(guī)模將燃煤鍋爐改造為純?nèi)忌镔|(zhì)鍋爐條件,生物質(zhì)與煤耦合燃燒成為一種有明顯優(yōu)勢的生物質(zhì)資源利用方式[3]。已有研究結(jié)果證明了工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)與煤耦合燃燒可行性,目前已經(jīng)在最高640 MW鍋爐上進(jìn)行了試驗[4-5]。

煤與生物質(zhì)耦合燃燒性能主要由生物質(zhì)燃料堿金屬(K和Na)含量和揮發(fā)分、灰分決定[6]。耦合燃燒特性主要包括著火特性、燃燒火焰溫度、氣相堿金屬釋放特性與結(jié)渣傾向。由于煤和生物質(zhì)耦合燃燒過程中存在協(xié)同效應(yīng)[7],煤與生物質(zhì)耦合燃燒與二者單獨燃燒的燃燒性能差異不能通過化學(xué)成分或相關(guān)性質(zhì)的算術(shù)平均確定。

對于耦合燃燒著火特性的協(xié)同效應(yīng)研究較廣泛,其產(chǎn)生原因主要是有機(jī)非催化效應(yīng)與無機(jī)催化效應(yīng)[8]。有機(jī)催化效應(yīng)由揮發(fā)分釋放促進(jìn)煤分解引起,而無機(jī)非催化效應(yīng)由生物質(zhì)中含有的堿金屬與堿土金屬元素降低反應(yīng)活化能引起。由于生物質(zhì)熱解產(chǎn)生更多焦油和輕氣體[9],生物質(zhì)在脫揮發(fā)燃燒階段著火溫度比煤低。然而,對于著火特性過程研究手段主要為熱重分析法,較為單一。如CONG等[10]利用熱重分析法發(fā)現(xiàn),煙草秸稈與低階煤共燃過程中,混合物著火溫度、燃盡溫度與活化能均隨摻混比增加而顯著降低。然而熱重分析法加熱速率低,與實際燃燒環(huán)境差距大。而平焰燃燒器中采用大粒徑顆粒摻混燃燒,大粒徑樣品揮發(fā)分燃燒時間長,協(xié)同作用更加明顯,可進(jìn)行燃燒過程監(jiān)測,利于協(xié)同效應(yīng)分析。

另外,生物質(zhì)中含有大量堿金屬與堿土金屬元素,在燃燒過程中,堿金屬元素(如K、Na等)在高溫下以氣相形式析出,在受熱面表面凝結(jié),與煙氣反應(yīng)生成主要成分為堿金屬硫酸鹽結(jié)渣內(nèi)白層,使受熱面表面黏度增大,爐膛內(nèi)熔融顆粒附著難度降低,促進(jìn)受熱面結(jié)渣[11-12],影響熱傳導(dǎo)效率。因此,準(zhǔn)確測量燃燒過程氣相堿金屬濃度對厘清結(jié)渣機(jī)理、緩解結(jié)渣危害意義重大。目前測量燃燒過程中氣相堿金屬元素的主要方法包括外加光信號主動式測量[13-14]與分析火焰自發(fā)射信號被動式測量。主動式測量技術(shù)需外加光源,設(shè)備成本高,裝置復(fù)雜;被動式測量技術(shù)直接收集火焰自發(fā)射信號,獲得燃燒過程氣相堿金屬信號[15]。HE等[16-17]采用被動式測量技術(shù)對生物質(zhì)燃燒K釋放以及煤燃燒Na釋放進(jìn)行原位測量,并應(yīng)用于工業(yè)爐膛中。而目前爐膛結(jié)渣傾向判斷與預(yù)測的主要方法是基于灰成分的結(jié)渣指數(shù)法[18]。結(jié)渣指數(shù)法判別操作簡單易行,應(yīng)用廣泛,但結(jié)渣指數(shù)僅代表燃料性質(zhì),無法反映燃料不同燃燒狀態(tài)對結(jié)渣的影響。結(jié)渣過程主要由煙氣中氣相堿金屬控制[19],而結(jié)渣指數(shù)計算僅考慮灰分中堿金屬含量,未考慮不同燃燒工況對堿金屬釋放的影響。另外,目前結(jié)渣指數(shù)法應(yīng)用對象為煤,對于生物質(zhì)燃料、生物質(zhì)與煤耦合燃燒結(jié)渣判別與預(yù)測適應(yīng)性不強(qiáng)。

由于發(fā)電廠附近生物質(zhì)供應(yīng)不穩(wěn)定,而不同類型生物質(zhì)性質(zhì)差異巨大,需進(jìn)一步研究某特定類型生物質(zhì)的耦合燃燒特性。中國在2019年已成為世界上最大板栗生產(chǎn)國,2022年板栗年產(chǎn)量達(dá)到195萬t[20],而板栗殼是板栗最重要的副產(chǎn)物。由于內(nèi)富含木質(zhì)素,板栗殼已被研究用于提高生物乙醇產(chǎn)量[21]。另一項研究調(diào)查板栗殼熱解行為[22],確定其作為固體生物燃料的潛力。

筆者摻混煤與生物質(zhì),制作顆粒樣品,在Hencken平焰燃燒器上燃燒,利用高速攝像機(jī)結(jié)合圖像處理技術(shù)計算著火延遲時間,利用光譜儀檢測耦合燃燒過程中火焰溫度、氣相K濃度,以此研究耦合燃燒過程中著火、燃燒與氣相堿金屬釋放特性的協(xié)同效應(yīng),并著重分析其原因。最后根據(jù)殘灰成分,計算結(jié)渣指數(shù),通過結(jié)渣指數(shù)與氣相K釋放量相關(guān)性分析,建立了氣相K釋放與結(jié)渣傾向之間的關(guān)聯(lián),證明氣相K濃度具有判別結(jié)渣特性的潛力。

1 試 驗

1.1 試驗樣品準(zhǔn)備

試驗選取板栗殼作為生物質(zhì)燃料,板栗殼木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.61%,纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)21.51%[23],屬于典型低纖維素、高木質(zhì)素生物質(zhì)燃料,熱值高,可用于燃燒發(fā)電。試驗用煤選擇神府煙煤,揮發(fā)分在煙煤中較高,屬于低堿煤,以排除Na的影響。在試驗樣品準(zhǔn)備階段,煙煤與生物質(zhì)被粉碎、研磨,最后被篩分至200 μm以下,分析其特性并進(jìn)行燃燒試驗。煤與生物質(zhì)工業(yè)分析、元素分析與灰分分析見表1。隨后,將生物質(zhì)分別以質(zhì)量比30%、50%和70%與煙煤粉末均勻混合。使用液壓機(jī)在2 MPa壓力下,將混合后的粉末壓制為55 mg,直徑6 mm、厚度約2 mm的圓餅形顆粒,顆粒密度均勻,形狀規(guī)則。

表1 煤與生物質(zhì)工業(yè)分析、元素分析與灰成分分析

為簡化樣品描述,使用“煙煤+生物質(zhì)-30”表示煙煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%、生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%摻混樣品顆粒。其他樣品以此類推。

1.2 試驗儀器與工況

試驗裝置如圖1所示。燃燒試驗在Hencken平焰燃燒器上進(jìn)行,燃燒器出口截面50 mm×50 mm,出口界面均勻分布400根不銹鋼毛細(xì)管,每根毛細(xì)管內(nèi)徑0.8 mm,外徑1.2 mm。毛細(xì)管中通入甲烷,流量0.8 L/min,空隙中通入空氣,流量30 L/min。其產(chǎn)生的均勻、穩(wěn)定平面火焰可為圓餅形顆粒提供高熱量環(huán)境以啟動顆粒燃燒過程。圓餅形顆粒被放置在2根平行氧化鎂陶瓷棒上,陶瓷棒與Hencken平面燃燒器垂直距離10 mm,通過電動位移平臺送入平焰燃燒器正中心。高速攝像機(jī)(Photron FASTCAM SA4)以50 幀/s速度記錄顆粒燃燒過程火焰圖像,高速攝像機(jī)曝光時間設(shè)為1/60 s以確保火焰圖像不飽和。試驗光譜檢測裝備包括準(zhǔn)直透鏡、光纖與光譜儀。準(zhǔn)直透鏡位于光纖前,保證采集的光譜信號在視線方向上,光纖距離Hencken燃燒器垂直距離為15 mm。光纖將收集到的光信號傳遞至光譜儀(AvaSpec-ULS3648-2-USB2)。光譜儀波長為648～864 nm,分辨率為0.14～0.18 nm,積分時間設(shè)置為10 ms,2次測量間隔設(shè)置為990 ms。Hencken平焰燃燒器火焰點燃后,通過控制電動位移平臺將顆粒移動到燃燒器中心,同步啟動高速攝像機(jī)和光譜儀開始測量。

圖1 試驗裝置

2 測量原理

2.1 著火延遲時間定義

通過火焰圖像處理確定著火延遲時間。首先裁剪火焰圖像,剔除火焰中明亮噪點的干擾,統(tǒng)計圖像各像素點的RGB值,火焰圖像紅、綠、藍(lán)值(RGB)表示可見光強(qiáng)度。然后使用線性加權(quán)計算將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像,每個像素最大灰度值為255。最后利用灰度圖像中各像素灰度值確定顆粒著火時刻,定義灰度圖像中其中一個像素點達(dá)到點火閾值時的時刻為著火時刻。點火閾值被設(shè)置為灰度最大強(qiáng)度的10%[24](即灰度值25),則著火延遲時間為

td=t1-t0,

(1)

式中,td為著火延遲時間,s;t1為著火時刻,s;t0為顆粒進(jìn)入Hencken燃燒器中心時刻,s。

2.2 火焰溫度、氣相K濃度與熱輻射計算

物體溫度在800～2 000 K,普朗克定律可簡化為維恩輻射定律[25]:

(2)

式中,I(λ,T)為在一定溫度、某一波長下黑體光譜輻射強(qiáng)度,W/(m3·sr);ε(λ)為該波長下物體發(fā)射率;λ為波長,m;T為物體溫度,K;C1為普朗克第一常數(shù),3.741 9×10-16W·m2;C2為普朗克第二常數(shù),1.438 8×10-2m·K。

根據(jù)火焰發(fā)射光譜,釋放到火焰中的氣相K在高溫下被激發(fā),釋放出特征譜線下的輻射,堿金屬K特征譜線對應(yīng)波長位置為K1(766.490 nm)與K2(769.896 nm)。在火焰中,通過光譜儀測量到的光譜強(qiáng)度Im由2部分組成:

Im=IK+IC,

(3)

式中,IK為氣相K的特征譜線輻射強(qiáng)度,W/(m3·sr);IC火焰連續(xù)熱輻射強(qiáng)度,W/(m3·sr)。

基于灰性假設(shè),在間隔較小的波長之間,火焰發(fā)射率近似相等的火焰可以視為灰體。因此,通過結(jié)合式(2),顆粒燃燒火焰溫度可以通過多波長法獲得[17]:

(4)

式中,M為用于計算的波長數(shù)量,本研究M=50;λi為用于計算火焰溫度的波長,m;Δλ為波長增加量,m;IC(λi)與IC(λi+Δλ)分別為在λi與λi+Δλ下火焰連續(xù)熱輻射,W/(m3·sr)。

在顆粒燃燒過程中,計算測量波長范圍內(nèi)輻射能量用來表示顆粒燃燒過程中熱輻射,計算公式為

(5)

式中,E為測量波長范圍內(nèi)輻射能量,W/m2;λ1、λ2分別為測量的起始波長與終止波長,分別取650與800 nm。

由于堿金屬K在K1(766.490 nm)輻射強(qiáng)度比K2(769.896 nm)高,現(xiàn)象更明顯,故選擇K1作為標(biāo)定。相同氣相K濃度下,隨火焰溫度升高,氣相K特征譜線輻射強(qiáng)度升高,經(jīng)過類似文獻(xiàn)[26]標(biāo)定試驗過程,獲得氣相K特征譜線輻射強(qiáng)度與氣相K濃度、火焰溫度定量關(guān)系。

2.3 結(jié)渣指數(shù)計算

通過計算堿酸比(B/A)與硅比(G),探討耦合燃燒中結(jié)渣傾向,計算公式[27]為

(6)

其中,各氧化物均使用灰分中當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算。灰成分可分為2類:堿性氧化物與酸性氧化物。堿性氧化物以Na2O與K2O為代表,主要包括堿金屬與堿土金屬氧化物,導(dǎo)致灰黏度增大,熔融溫度降低,加重受熱面結(jié)渣;酸性氧化物效果與之相反[18]。由此,對于某種確定燃料,其B/A越大、G越小,結(jié)渣傾向越高。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 著火特性

高速攝像機(jī)記錄的煙煤、生物質(zhì)與煙煤和生物質(zhì)耦合燃燒火焰如圖2所示。每組子圖第1幅圖像按第2.1節(jié)方法判斷出著火時刻火焰圖像,最后1幅圖像是燃燒過程中最后一次達(dá)到著火閾值以上的火焰圖像。火焰圖像下方標(biāo)注出時刻。由圖2可知,煙煤顆粒著火時刻為5.50 s,煙煤顆粒上方出現(xiàn)明顯霧狀亮光,這是煙煤中揮發(fā)分受熱著火,隨后在5.50～6.50 s,煙煤火焰迅速發(fā)展,亮度迅速提高,在顆粒上方形成明顯錐形火焰,顆粒進(jìn)入揮發(fā)分燃燒階段。隨后火焰持續(xù)發(fā)展,在15.50 s左右燃燒火焰高度最大,隨后火焰高度逐漸降低,直到22.86 s,煙煤顆粒上方火焰幾乎全部熄滅,而煙煤顆粒在高溫條件下被加熱,發(fā)出明顯的光亮,揮發(fā)分燃燒階段結(jié)束。生物質(zhì)在3.92 s達(dá)到閾值,其燃燒圖像特征與煙煤相似。因為生物質(zhì)中揮發(fā)分含量遠(yuǎn)高于煙煤,著火延遲時間比煙煤短。

圖2 煙煤、生物質(zhì)與煙煤和生物質(zhì)耦合燃燒火焰

煙煤、生物質(zhì)及耦合燃燒顆粒的著火延遲時間如圖3所示,不存在協(xié)同點火效應(yīng)時,耦合燃燒著火延遲時間隨生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化呈線性[24]。圖3中虛線表示煙煤與生物質(zhì)著火延遲時間的線性加權(quán)平均值。不同摻混比例下耦合燃燒顆粒的著火延遲時間均小于煙煤與生物質(zhì)顆粒,計算與試驗獲得的著火延遲時間之間存在可觀察到的差值,表明耦合燃燒著火協(xié)同效應(yīng)存在,定義差值為tdiff,在圖3中使用紅色箭頭標(biāo)記。tdiff為正,說明協(xié)同效應(yīng)促進(jìn)著火,這與文獻(xiàn)[24]結(jié)果一致。根據(jù)纖維素?zé)峤馓匦?纖維素率先熱解破壞糖苷鍵,氫供體加速可燃?xì)怏w釋放,促進(jìn)著火。此外,堿金屬受熱釋放顯著降低了生物質(zhì)脫揮發(fā)分表觀活化能,是導(dǎo)致協(xié)同促進(jìn)的另一個因素。生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、50%與70%的3種耦合燃燒顆粒tdiff分別為1.27、1.91與0.55 s,生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%摻混顆粒相對差值最大,說明著火協(xié)同效應(yīng)最高。而生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%耦合燃燒顆粒差值僅0.55 s,主要因為生物質(zhì)中含較多木質(zhì)素,會對著火產(chǎn)生抑制作用[28]。

圖3 煙煤、生物質(zhì)與煙煤和生物質(zhì)耦合燃燒的著火延遲時間

3.2 火焰溫度與氣相K釋放特性

各顆粒燃燒過程中火焰溫度與熱輻射隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 煙煤、生物質(zhì)與煙煤和生物質(zhì)耦合燃燒火焰溫度與熱輻射

根據(jù)火焰溫度與熱輻射變化,可清楚識別出顆粒燃燒脫揮發(fā)分、焦炭燃燒和灰分3個典型階段[17]。所有顆粒在這3個階段火焰溫度和熱輻射變化相似。各顆粒著火時刻與火焰溫度、熱輻射突增時刻匹配[29],如圖4中第1條紅色虛線;揮發(fā)分燃燒結(jié)束時刻與溫度、熱輻射突降時刻匹配,如圖4中第2條紅色虛線。由于煤熱值高,煤顆粒燃燒釋放出的熱輻射量高于生物質(zhì)。由于生物質(zhì)固定碳僅15.35%,其焦炭燃燒階段短暫。焦炭燃燒階段結(jié)束后,光譜儀接收到其光譜信息均為環(huán)境噪聲,不能計算溫度,顆粒燃盡進(jìn)入灰分階段。各顆粒燃燒過程中釋放氣相K濃度隨時間變化如圖5所示。各顆粒氣相K釋放主要在揮發(fā)分燃燒階段,此階段,由于顆粒溫度急劇上升,使K元素活化,顆粒迅速脫水,顆粒中無機(jī)K脫水釋放并與有機(jī)組分反應(yīng),形成配合物,氣相K大量釋放,很快達(dá)到峰值,隨后伴隨溫度迅速下降。

圖5 顆粒燃燒過程中氣相K濃度隨時間變化

為量化氣相K釋放量,將燃燒過程中氣相K濃度對時間進(jìn)行積分,獲得各顆粒在燃燒階段氣相K釋放量,結(jié)果如圖6所示。由煙煤與生物質(zhì)氣相K釋放量根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)線性加權(quán)計算獲得氣相K釋放量。隨耦合燃燒生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,K釋放量增加。但耦合燃燒工況下試驗氣相K釋放量始終低于計算值,證明耦合燃燒氣相堿金屬釋放協(xié)同效應(yīng)存在,且協(xié)同效應(yīng)抑制氣相堿金屬釋放。研究證明,由揮發(fā)分-焦炭相互作用產(chǎn)生的自由基分子為堿金屬汽化和化學(xué)鍵斷裂提供能量,使燃燒溫度迅速升高,促進(jìn)氣相堿金屬釋放[30]。此外,共燃過程中無機(jī)反應(yīng)對氣堿釋放也有抑制作用[31],無機(jī)反應(yīng)主要由于煙煤中含大量Si與Al元素,燃燒過程中,無機(jī)反應(yīng)不斷在氧化反應(yīng)邊界上進(jìn)行,K與SiO2、Al2O3反應(yīng)形成不溶性K鹽。揮發(fā)分-焦炭相互作用與無機(jī)反應(yīng)共同影響氣相堿金屬釋放協(xié)同效應(yīng),無機(jī)反應(yīng)主導(dǎo)。

圖6 煙煤、生物質(zhì)與煙煤和生物質(zhì)耦合燃燒氣相K釋放濃度

3.3 結(jié)渣特性

各個顆粒的堿酸比(B/A)與硅比(G)計算結(jié)果見表2。煙煤堿酸比低的主要原因是煤種鈣、鐵含量高,分別達(dá)27.65%與19.13%。生物質(zhì)中不含鋁元素,且K2O與CaO質(zhì)量占比達(dá)77.8%,故堿酸比達(dá)18.339。煙煤B/A最小,G最大,由結(jié)渣指數(shù)判斷的結(jié)渣傾向小;而生物質(zhì)堿酸比最大,G最小,其結(jié)渣傾向相對較大。

表2 結(jié)渣指數(shù)計算與判斷結(jié)果

各顆粒的堿酸比B/A、硅比G與氣相K釋放量結(jié)渣指數(shù)與氣相K釋放濃度相關(guān)性分析如圖7所示。堿酸比與硅比R2值均大于0.95,說明氣相K釋放量與B/A、G高度相關(guān)。隨著氣相K釋放量增大,B/A增大,G降低,結(jié)渣傾向判斷升高。另一方面,煤中B/A和G的應(yīng)用被廣泛認(rèn)可,用于預(yù)測受熱面結(jié)渣傾向。說明在線監(jiān)測獲得的氣相K釋放濃度具有判別結(jié)渣特性的潛力,能反映實際燃燒過程結(jié)渣傾向變化。

圖7 B/A、G與氣相K釋放濃度相關(guān)性分析

4 結(jié) 論

1)煙煤與生物質(zhì)耦合燃燒著火延遲時間比理論值低,證明耦合燃燒存在著火協(xié)同效應(yīng),表現(xiàn)為促進(jìn)著火,這是纖維素?zé)峤鈱?dǎo)致能量快速釋放與生物質(zhì)堿金屬元素催化共同作用的結(jié)果,著火延遲時間與理論值的差值在生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時達(dá)到最大值1.91 s,此時協(xié)同效應(yīng)影響最大。

2)隨耦合燃燒生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,K釋放量增加。而耦合燃燒釋放的堿金屬比理論值低,證明耦合燃燒存在氣相堿金屬釋放協(xié)同效應(yīng),且協(xié)同效應(yīng)抑制氣相堿金屬釋放,該協(xié)同作用由揮發(fā)分-焦炭相互作用與無機(jī)反應(yīng)共同控制,無機(jī)反應(yīng)中Si、Al元素與K的反應(yīng)占主導(dǎo)。

3)隨氣相K釋放量增大,堿酸比與硅比數(shù)值增大,結(jié)渣傾向升高,結(jié)渣指數(shù)與氣相K釋放量間相關(guān)性系數(shù)均大于95%,說明結(jié)渣指數(shù)與氣相K釋放量相關(guān)性較高,在線監(jiān)測獲得的氣相K釋放濃度具有判別結(jié)渣特性潛力。