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燃煤-秸稈壓塊層燃混燒試驗研究

字體: 放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-05-16  瀏覽次數(shù):727

1 概述

隨著人類對環(huán)境問題不斷的關(guān)注,生物質(zhì)能作為一種新興的可再生能源越來越受到各國學(xué)者的關(guān)注。生物質(zhì)能源具有以下特點:分布廣、資源量豐富、清潔可再生,并且其能源化利用過程中可以實現(xiàn)C02零排放。在我國,農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出量已經(jīng)超過7×108t,折合成標(biāo)準(zhǔn)煤3.5×108t,若全部利用可以減排8.5×108t的C02。因此,有效利用生物質(zhì)能源既可緩解溫室效應(yīng),又能實現(xiàn)廢棄物再利用,提高農(nóng)民的生活水平,增加農(nóng)民收入,具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益,符合我國現(xiàn)階段的國情。

現(xiàn)階段生物質(zhì)能利用方式主要包括生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)、生物質(zhì)制沼氣技術(shù)、生物質(zhì)固化成型技術(shù)、生物質(zhì)液體燃料技術(shù)、生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)等。文獻(xiàn)[1-3]介紹了鏈條爐排爐燃燒生物質(zhì)燃料的技術(shù)現(xiàn)狀,以及燃料變化后所引起的受熱面結(jié)渣現(xiàn)象。通過在秸稈壓塊成型過程中加入一定的添加劑,可以減少受熱面結(jié)渣現(xiàn)象,筆者在試驗過程中采取了此項解決方案。本文重點介紹燃煤一秸稈壓塊混燒的試驗結(jié)果。

2 試驗現(xiàn)場情況

混燒試驗在一臺額定壓力為1.3MPa、額定蒸發(fā)量為10t/h的鏈條爐排爐上進(jìn)行。鍋爐用戶的特殊生產(chǎn)工藝造成鍋爐熱負(fù)荷波動較大,蒸汽質(zhì)量流量一般為4~8t/h,壓力在0.8MPa左右。

對于純粹燃煤工況,鍋爐正平衡計算熱效率ηp的計算式為:

式中ηp——純粹燃煤工況下鍋爐正平衡計算熱效率

hs——飽和蒸汽的比焓,kJ/kg

hw——鍋爐給水的比焓,kJ/kg

ms——生產(chǎn)蒸汽量,kg

mf——消耗燃煤的質(zhì)量,kg

Qf——燃煤的低位發(fā)熱量,kJ/kg

采用純粹燃煤方法,通過測試得到:hs=2770kJ/kg,hw=84kJ/kg,Qf=22583kJ/kg,mf=180.31kg,ms=1000kg,將測試參數(shù)代入式(1),計算得出ηp=65.96%。

在混燒試驗進(jìn)行前,我們利用熱重-差熱同步分析儀對純粹燃煤情況下的灰渣含碳量、飛灰含碳量進(jìn)行了測試和分析。對于灰渣含碳量分析,在升溫過程中,110℃以下的質(zhì)量損失約22%,是灰渣樣本中的水分。400℃以上存在3個失重峰值,其中第一個峰值是揮發(fā)分的失重造成的,另外兩個則是固定碳在不同溫度下的反應(yīng)失重。分析結(jié)果顯示,灰渣中的可燃成分仍占總質(zhì)量的23.15%左右,這說明燃煤在爐排上的燃盡程度不高,固體不完全燃燒熱損失和氣體不完全熱損失均較大。

由于該爐燃煤顆粒的粒度較小,因此飛灰嚴(yán)重,煙道內(nèi)沉積的飛灰量很大。由飛灰含碳量分析可知,相對于灰渣,飛灰中水分含量較低,僅為6%。在400℃以上僅有兩個失重峰值,飛灰樣本在高溫的煙道內(nèi)已經(jīng)沉積了較長時間,因此其揮發(fā)分含量較小,但其中的固定碳含量卻高達(dá)30.64%。由此可見,飛灰損失較為嚴(yán)重。

3 混燒試驗過程及爐內(nèi)燃燒情況

與煤混燒的是花生秧秸稈壓塊,其形狀為長方體,尺寸為30mm×30mm×70mm,運輸過程造成少量壓塊破碎成小塊,但粉末狀顆粒所占比例可忽略。由于成型過程中添加劑的影響,秸稈壓塊中灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約15%,低位發(fā)熱量約14562kJ/kg。混燒過程中,秸稈壓塊與燃煤的摻混比例(質(zhì)量比)為20%~30%。采用人工摻混,煤斗內(nèi)的混合情況見圖1,兩者混合比較均勻。

煤斗內(nèi)的混合燃料靠自重下落,經(jīng)煤閘板后落在爐排前部。由于秸稈壓塊的密度僅為700kg/m3,遠(yuǎn)小于燃煤的密度,因此在煤斗內(nèi)下落過程中,燃煤顆粒與秸稈壓塊之間存在速度滑移,從而形成燃料分層。在爐排上,沿燃料層高度方向,大部分秸稈壓塊分布在燃料層表層,少部分分布在燃料層內(nèi)。

多數(shù)的秸稈壓塊分布在混合燃料層表層,秸稈揮發(fā)分含量高以及揮發(fā)分著火溫度低等特點,決定了混合燃料的著火時間要短于燃煤的著火時間。進(jìn)入爐膛的秸稈壓塊迅速著火,揮發(fā)分火焰通過導(dǎo)熱和熱輻射方式,將新鮮的燃煤快速預(yù)熱,使其揮發(fā)分析出速度有所加快。因此,混燒可有效改善燃煤的著火性能。一旦燃煤揮發(fā)分開始燃燒后,就會將燃煤內(nèi)的固定碳溫度提高,并使之具備了著火、燃燒的條件。燃料層著火情況見圖2。對比燃煤情況下的著火區(qū)域可以發(fā)現(xiàn),混燒可有效縮短爐排上的燃料預(yù)熱區(qū)長度,一般縮短10cm左右,在爐排總長度一定的情況下,相當(dāng)于延長了燃料主燃區(qū)長度,從而使燃料燃盡程度和燃燒效率有所提高。

燃料層表層秸稈壓塊的快速著火形成比較長的揮發(fā)分火焰。

由于生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高,因此預(yù)熱區(qū)送風(fēng)量要適當(dāng)增加,以保證揮發(fā)分的燃盡。一般情況下,揮發(fā)分空間擴散燃燒過程需要補充二次風(fēng)來強化,但由于該爐沒有設(shè)計二次風(fēng)系統(tǒng),因此只能通過適當(dāng)開大一次風(fēng)箱的風(fēng)門來補充一次風(fēng)。盡管這種送風(fēng)方法可在一定程度上確保揮發(fā)分的燃盡,但一次風(fēng)量提高且事先無預(yù)熱,導(dǎo)致大量冷空氣進(jìn)入爐膛,易造成爐膛溫度降低。利用紅外熱像儀對爐膛溫度的檢測結(jié)果證實了這一理論推測,混燒情況下,爐膛溫度一般為1000~1030℃,比純粹燃煤情況下低70~100℃。

混燒不僅改善了燃煤的著火性能,還改善了主燃區(qū)燃料層內(nèi)空氣與燃料的混合。秸稈壓塊在冷態(tài)情況下是致密的塊狀結(jié)構(gòu),受熱時揮發(fā)分析出,自身將成為疏松的孔狀結(jié)構(gòu),且膨脹、體積增大。由圖3可以觀察到燃料層表層的體積膨脹后的秸稈壓塊。燃盡后的秸稈壓塊見圖4,其結(jié)構(gòu)是疏松多孔狀的。

同樣,在燃料層內(nèi)部,秸稈壓塊同樣會發(fā)生膨脹,使燃料層厚度有所增加,秸稈壓塊附近的煤層將出現(xiàn)孔隙。這樣一來,燃料層通風(fēng)阻力將有所減小,從爐排底部送入的空氣將更容易滲透到燃料層上部,從而使燃料層還原區(qū)厚度有所減小,C0等不完全燃燒產(chǎn)物生成量有所減少。

對于混燒工況,鍋爐正平衡計算熱效率ηm的計算式為:

式中ηm——混燒工況下鍋爐正平衡計算熱效率

mf,1——秸稈壓塊的質(zhì)量,kg

Qf,1——秸稈壓塊的低位發(fā)熱量,kJ/kg

當(dāng)秸稈壓塊的摻混質(zhì)量比為23%時,通過測試得到:hs=2770kJ/kg,hw=84kJ/kg。消耗燃料的總質(zhì)量為189.76kg,其中mf=146.11kg,mf,1=43.65kg。Qf=22583kJ/kg,Qf,1=14555kJ/kg。將測試數(shù)據(jù)代入式(2),計算得出ηm=68.49%,比純粹燃煤提高了2.53%。

4 結(jié)論

① 混燒后經(jīng)過正平衡計算,鍋爐熱效率提高到68.49%,比純粹燃煤情況下提高了2.53%,并降低了燃料成本。

② 秸稈壓塊與燃煤在一定的摻混比例下混燒,可有效改善燃煤的著火性能,使?fàn)t排主燃區(qū)長度增加,燃煤燃盡程度提高。

③ 秸稈壓塊燃盡后的疏松結(jié)構(gòu),有效降低了燃料層的通風(fēng)阻力,空氣與燃料的混合加強,從而提高了燃燒效率,并且該疏松結(jié)構(gòu)可以束縛內(nèi)部灰粒,抑制熔融性飛灰造成的受熱面結(jié)渣。


 
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