PDF《生物质燃料在流化床内结渣特性判别指标研究》

生物质燃料在流化床内结渣特性判别指标研究 沈国章,钟振成,吴占松 清华大学热能工程系,北京

100084 [摘要] 采用流化床燃烧生物质过程中床料团聚结渣对系统的正常运行会造成严重影响.

阐述了生物质流化床床料团 聚结渣的流体力学原因和热化学机理;

基于13种生物质成分分析和流化床试验结果,着重分析和验证了3种生物质结 渣判别指标的可靠性.利用碱性氧化物指数(AI)、铁/碱金属比(BAI)和碱土金属/碱金属比(I),能够准确判 别生物质燃烧的结渣倾向. 由于生物质灰中富含碱金属,燃烧生物质的流化床锅炉在运行中存在腐蚀、结垢、结渣等问题.此外,生物质流化 床的床料团聚结渣会导致流化失效,造成非正常停炉.因此,研究生物质燃烧结渣机理,提出判别生物质结渣特性的 指标,对于指导生物质燃烧设备运行具有重要意义. 1生物质灰的组成 表1列出了13种生物质燃料的高位发热量、灰分组成及结渣特性.与煤相比,生物质的灰含量较低,固定碳含量低 ,挥发分含量高, 更容易点燃且燃烧速率快,热值约为 标准煤的一半.生物质灰的主要成分有SiO

2、Al2O

3、Fe2O

3、CaO、MgO、TiO

2、Na2O、K2O、Cl、SO

3、P2O5 等,与结渣相关的成分为碱金属(Na2O、K2 O)、碱土金属(CaO、MgO)、SiO2 和Cl等.生物质中的碱金属活性高,能和SiO2 结合成低熔点的碱金属共晶体硅酸盐,导致床料团聚结渣.碱金属含量越高,生物质灰熔点越低,越容易结渣.碱土 金属的存在能够提高共晶体硅酸盐的熔点,它们的含量越高,结渣的倾向性越小.Cl能够促进碱金属的挥发,再与Si O2反应生成碱金属硅酸盐,促进结渣的产生. 生物质燃料大致可以分为3类:(1)木材及林业加工剩余物.这类生物质燃料热值较高,灰分含量低,灰分中碱金 属和SiO2 的含量低,碱土金属的含量高或较高,灰熔点高,不易结渣.实测木材和树皮的结渣温度分别是905℃和985℃,在流 化床运行温度下不会产生结渣 .(2)草本植物热值较低,灰分含量较高,碱金属和SiO2 的含量高或较高,碱土金属的含量低或较低,灰熔点比较低,容易结渣.(3)农产品加工剩余物,如甘蔗渣、橄榄 壳、松子核等 ,热值高或较高,灰分含量 中等,灰分中碱金属的含量高或较高,大部分生物质灰 页面

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6 中SiO2高或很高,碱土金属的含量也较高,生物质灰的熔点较低,容易结渣. 2生物质流化床结渣机理 流化床床料团聚结渣机理的研究从两个方面进行:(1)从流体力学的角度,考察床料结渣乃至流化失败时的床层 流化状态变化及其流体力学方面的原因;

(2)从热化学的角度,考察渣块的典型元素和化合物组分以及这些化合物 的形成路径等. 2.1流体力学原因 试验发现,当床温超过一定值,即 初始烧结温度 时,最小流化速度将不再遵循Ergun方程,而是远远高于方程 计算出来的值.这是由于床料颗粒变粘并团聚成大颗粒,这一过程破坏了流化状态,最终引起流化失败.通过测量流 化床结渣前后的床料粒径分布发现床料颗粒变大的趋势非常明显.进一步通过扫描式电子显微镜(SEM)观察床料颗 粒发现,在所有的试验中几乎所有的小床料颗粒都结合成较大的颗粒. 运行经验表明,当床料结渣进行到一定程度时,流化床上下床层之间的压差将有一个突然的下降,这是由于出现更 大的空隙让空气通过.另外,由于混合搅拌的强度变弱,上下床层之间的温差将有一个突然的增大.显然,在实验室 或生物质电厂中,可以使用床层的温差和压差作为表征流化失败的指标. 2.2热化学机理 用SEM观察渣块的形貌发现,每个渣块包含许多床料颗粒,这些床料颗粒或者被大量的熔融物(熔化后冷却形成) 所包裹,熔融物表面光滑,为玻璃状物质;