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      流化床生物質燃燒機的操作經驗

      作者:鄭州達冠節能環保設備有限公司 ?????來源:http://www.74q677.fun/news/779.html?????發布時間:2018-12-23 21:36
      導讀:流化床生物質燃燒機的操作經驗 引言 七十年代,由于石油和氣體燃料的短缺,促進了利用豐富的煤炭資源的研究工作。流化床生物質燃燒機,作為當時一種最新開發技術,是流化床技

      流化床生物質燃燒機的操作經驗
      引言
          七十年代,由于石油和氣體燃料的短缺,促進了利用豐富的煤炭資源的研究工作。流化床生物質燃燒機,作為當時一種最新開發技術,是流化床技術在多種化工過程中應用的拓展。這種技術在二十年代業已興起。
          流化床燃燒作為對常規燃燒方式的替代方法受到了人們的關注并得到了穩步發展。近來,由于原先燃料短缺問題的暫時緩解,這方面的推動力有所削弱。這方面的研宛仍在繼續,只是速度有所減慢。主攻方向是高硫煤的燃燒。目前,有了更多工業規模和試驗性裝置,一些大型裝置或者已經運行或者即將建成。至少,在一份政府報告中已寫明了,流化床在能源技術領域中的潛在作用。
          在大量的刊物中可以找到有關流化床技術的詳細資料。流化睞生物質燃燒機的一個主要特點是物料在流化床中強烈地混合,床內溫度和物料濃度均勻。這一特點使得流化床生物質燃燒機能適合使用那些在普通生物質燃燒機中不能有效地燃燒或根本不能燃燒的劣質固體燃料。
          在美國,未來流化床燃燒技術的重點似乎是潔凈煤的燃燒。然而,在流化床中使用煤,伴隨有象床層結團和埋入傳熱器表面磨損、腐蝕等這樣一些問題。如果流化床燃燒技術試圖得到廣泛的商業化應用,首先應搞清造成這些問題的原因,進而找到解決問題的辦法。同樣重要的問題是流化床中決定燃燒現象的基本過程并進而作放大模擬。為了達到這些目的,必須獲得系統控制的實驗數據。
          出于對這些問題的綜合考慮,我們在賓夕法尼亞州立大學設計并建造了一臺兩段實驗用流化床生物質燃燒機。在此裝置上進行研究的目標是模擬燃燒過程,弄清捕集硫的原理和脫硫劑的利用,并確定對不同燃料,特別是用賓夕法尼亞州煤,生物質燃燒機的最佳操作條件。
          本文著重報導設備昀原始特性,即流化情況和溫度分布j對一些煤種的特性與生物質燃燒機的性能進行了關聯,并描述了用幾種煤為燃料,單段模式操作時所遇到的問題。實驗裝置
          為了此項研究,我們設計建造了一臺兩段常壓流化床生物質燃燒機。裝置的流程圖見圖1,燃燒器殼體的詳細尺寸示予圖2。殼體由ASTM280火室性能鋼制成,其內無耐火襯里,以便使之能快速適應點火速率的變化及迅速加熱和冷卻的需要。本裝置聯同除去燃氣中固體顆粒的旋風分離器,外部用5厘米匣的陶瓷纖維絕熱材料保溫。絕熱材料的導熱系數為3,35Wlmz(k/cm)。
          本裝置包括兩段起不同作用的流化床。其下部,作為主要燃燒區是第一段,橫截面尺寸為20x 20cm。空氣從第一段底部的分布板引入。分布板由兩層304不銹鋼板壓制而成,分布板開有直徑為6毫米孔,孔中心距為12毫米,兩板中間夾有20目的不銹鋼網。
      第二段位于主要燃燒區的上部,其主要目的是改善對硫化物的捕集和碳的完全燃燒。第一段產生的燃氣作為第二段的流化介質并在第二段膨脹。第二段橫截面尺寸為40×40cm,使用了與第一段相似的分
      布板(但是,沒有不銹鋼網)。上段床層使用了比底部床層細的吸收劑顆粒,以增加對硫化物的捕集。由于顆粒尺寸與流化速度相關,大橫截面下速度較低,可使用較小的吸收劑顆粒。較小的吸收劑可
      使硫化物的收集效率和鈣的利用率增加。這是因為硫化反應趨于堵塞吸收劑的微孔,阻礙硫化物進入,因而粗粒予吸收劑內部利用效率較低。
          每段流化床內灰的排出和床層膨脹高度的控制,是用排灰管來實現的。排灰管直徑是3.8厘米,材料為304不銹鋼。床中使用304不銹鋼制成的水平管束作為每一段流化床的換熱器。下段的換熱器由56根管組成并埋入燃燒區內。上段換熱器由76根管組成,位于石灰石床層的上方。
          安裝在裝置出口處的不銹鋼旋風分離器用來分離煙道氣中的固體顆粒。灰、未燃燼的燃料和吸收劑顆粒由旋風分離器落入一密封容器,而后排出并分析。本裝置可在不同位置進行固體和氣體的連續取樣。兩段之間設有二次空氣進口,經旋風分離器收集的物料也可經這些進口循環回床中。
          考慮到單段操作是兩段操作的基礎,本實驗中沒有進行顆粒循環,上段床也未加物料,只到煙筒中的O:CO:,CO,NO。和S02的濃度進行連續檢測。順磁0:分析儀和非擴散CO和C02分析儀是貝克曼儀器有限公司生產的,而脈沖熒光SO:分析儀和化學發光NO。分析儀購于TE公司。
          本裝置開工,用燃燒天然氣來起動加熱。當溫度達到(673-1173k)時,由天然氣過渡到煤。煤的進料速度應足以維持燃燒。一般加熱時間為1小時。
          床層溫度用鎳鉻——鎳鋁熱電偶探頭測量。熱電偶的位置在圖2中給出,標以符號“×”,所標尺寸均由底部分布板算起。
      方程計算中用的是平均顆粒直徑。含有大量流化速度低的細粉的煤,其大部分細粉會在第二段中燃燒或逸出到旋風分離器中。應該提出的是,方程(1)適用于平均顆粒直徑,計算出的只是一冷態最小流化速度的參考值。對于高溫操作,通過床層的速度會較高,大顆粒也會流化。用方程(1)及石灰石的物性數據,可確定一與煤的最小流化速度相匹配的平均石灰石粒徑。由于石灰石有較大密度,與煤的流化速度相對應,可得到一較小的石灰有平均直徑。其值為1.84毫米。床層的膨脹
          床層的膨脹是用動態與靜態床高的比值表示。膨脹后的床高H用作排灰管的高度。本文使用了文獻中的計算步驟,確定對于不同氣速的靜床高度。圖4表示一無量綱、半對數數據曲線,根據下式(2)計算所得經驗曲線(實線)能很好地與實驗數據吻合。
          用各種燃料進行了燃燒實驗,其中包括兩種高揮發分煙煤,兩種A級次煙煤和一種石油焦。燃料的各種特性在表1中已給出。本實驗主要是為了確定燃料特性對裝置操作的影響。在達到固體燃料自身維持燃燒后,開始試驗空氣與燃料比例及流化速度對生物質燃燒機內穩定狀態下溫度分布的影響,同時試驗長期運行的能力。
      給出了3號A級次煙煤,在過剩空氣系數分別為0.71、0.85和].08T.生物質燃燒機內溫度分布。過剩空氣系數的定義黽,將所用燃料按一定比例所需空氣量除以該燃料的按化學計量所需的空氣量。對于此種煤,按化學計量計算的空氣量與燃料量的比值是9.22。這些實驗是在iiokg/hr這一恒定的空氣質量流率下進行操作運行的。通過改變給煤量,來改變過剩空氣系數。由于空氣流率保持恒定,流化速度基本保持不變。鋅次實驗期間只是由于溫度波動及空氣密度波動,流化速度稍稍有些變化。此變化小于5%。因此可以說實驗的流化條件是一樣的。
          如圖5所示,靠近分布板區域(大約5厘米內)床溫均一。下段床內換熱器區域,在大約50厘米的高度范圍內,產生了大約300 0C的溫度梯度。而后120厘米內,即直到膨脹區頂部,溫度保持不變。最后,在上部流化床的120厘米內,又產生了大約200℃的溫度降。在給料孔處上方,溫度上升大約20℃。如圖6所示,稀相區溫度較低,約500℃,導致了高的CO排放。目前正在使用不同的操作技術,以增稀相區的溫度。其中包括完全切斷第一換熱器的供水。這樣,可望在生物質顆粒燃燒機內得到更均勻的溫度分布,并使第二段流化床內獲得較高的溫度。.
          圖7給出了在不同的過剩空氣系數下,生物質顆粒燃燒機不同位置的溫度分布。當過剩空氣系數由1.6減小到0.6時,各點溫度穩定上升。即使過剩空氣系數降低到1以下,溫度仍繼續上升。這是以含有大量細粉(小于1毫米的煤占27%)的煤為燃料,流化燃燒時的特性。由于細粉的最小流化速度很低,未燃燒就被帶到旋風分離器中。從分析得知,在旋風分離器捕集的未燃燒物料中含有大約50%的碳。因此,如果可燃顆粒最小尺寸是1毫米,實際上過荊空氣系數0.73與床內燃料的燃燒化學計量要求相符。燃料的影響
          實驗中使用了四種煤,即HVB及HVC煙煤和兩種A級次煙煤。此外,我們還使用了延遲焦化的石油焦。本實驗中,煙煤以自由膨脹指數5.5的HVB和有極弱團聚性的露天煤HVC為代表。所用一種A級次煙煤(4號煤),灰中含Na和上,卻挾熱器選擇它以研究這些元素對床層結塊的影響。石油焦的揮發分相當低(11.O%wt),由熱重法分析知其對空氣的反應性也較差。HVB煙煤(1號煤)
          起初,在燒這種煙煤時遇到了困難。由于流動性差和膨脹性高,在給煤口周圍形成了焦塊。這種煤的熱塑性使得流化粒子粘附在螺旋給料器的螺桿上,常常引起供料不正常。在一次試燒中,造成1.3厘米直徑的驅動軸被扭斷。
          根據新近賓州大學的研究,把煤暴露在空氣中能減小或破壞其熱塑性。由于暴露在空氣中,氧交聯鍵增加,從而降低了結焦性。由于氧的反應速度對溫度很敏感,這一方法的作用取決于暴露時間和溫度。為了降低結焦性,我們把煤在2000C的循環空氣中暴露2小時。這一反應條件,仍不能交聯足夠多的氧鍵以消除熱墅性,但確實消除了結焦的影響。這可能是送入流化床的供煤有較大的顆粒尺寸所致。
          我們先后幾次改造了可調速的螺旋給料器。新的變螺距螺旋桿,在煤倉內螺距是12.5毫米,在生物質顆粒燃燒機入口處的螺距是25毫米。這種設計原理是為丁適應煤接近給料口的體積膨脹。此外,在螺旋給料器外殼加裝了水夾套,以盡量減小煤顆粒的膨脹趨勢。這樣大大減少了由于形成焦塊而使入料口堵塞的現象,達到了不再引起停機的程度。HVC煙煤(2號煤)
      .  ’這種煤對該裝置是一種理想燃料,它是一種露天煤。由于是從接近地面的煤層中開采出來的,因此煤已被自然風化或預氧化。使其膨脹指數較低(0.1)和氧含量較高(10.2%wt,干基)。對于這種煤,燃燒試驗中未發現問題。最長運行達5小時,未發生進料和爐內結焦。初步證實本裝置可以長期穩定運行。A級次煙煤(3號煤)
          這種煤的操作性能非常好,無故障運行達3小時。在每次試驗結束對,觀察到有很小的結塊,最壞的情況下曾發現有兩個結塊復蓋了大約10%的分布板面積。只要操作溫度控制在800℃以下,床內不會形成明顯的結塊。由于這種煤無熱塑性,供煤也無問題。A級次煙煤(4號煤)
          正如所料,由于此煤的自由膨脹指數為零,沒有發生給煤故障。但是,這種煤的灰熔點低(11490C),使床內普遍結塊。這是一個很嚴重的問題,有時造成大部分床層失去流化。一次檢查,發現有一整塊融塊復蓋了分布板面積的70%以上。石油焦
          以石油焦為燃料,單獨啟動和雛持燃燒都有困難。這是由于其揮發分含量低(ll%wt,干基),且氧化反應固有活性差。要求予熱至700℃,以達點燃溫度。在改換為石油焦燃燒前,爐子需用天然氣預熱2.5/J、時。
      討論
          床內結塊是流化床生物質顆粒燃燒機的主要問題。特別是用灰熔點低的燃料,這一問題顯得更為嚴重。我們認為,結塊是由于灰在足夠高的溫度下,即達到所謂的初始變形溫度時變得發粘。管用于這項研究工作的各種煤,其灰的初始變形溫度均比床層的平均操作溫度高幾百度,但高溫仍可能在床內局部區域存在。例如,單一的給煤位置,在進煤口處會產生很高的溫度,引起結塊。在每次實驗后進行檢查,有對發現結塊在接近進煤口的生物質顆粒燃燒機壁與排灰管之間形成垂直貫穿于床層中心的拱橋。由此可見,如使用幾個進料口,可能會大大減少結團問題。一些研究者曾報導床中煤粒溫度比床層溫度會高幾百度。此時,盡管用熱電偶測得的溫度很低,但實際已達到了灰的初始變形溫度。
          燃燒灰熔點低的A級次煙煤,溫度的這種影響更明顯。當在低的過剩空氣系數下操作,溫度升高的結果,使床層在很短的幾分鐘內就失去流化。而在較低的溫度下,本裝置能平穩地運行很長時間。用高的過剩空氣系數以降底床溫,可解決結塊問題,但是這種方法降低了燃燒效率。此外,對于每種燃料,如果低于某一溫度(大約700℃),燃燒就不能進行。
          許多研究者已經研究了床內結塊的賦因。所用煤種灰的結團傾向與其組或有關。用于本項研究的兩種煙煤,有五種組分變化明顯,即鐵、鎂、鈣、鈉和硫。一般認為,煙煤鐵含量對降低灰的軟化溫度起怍用,常導致生物質顆粒燃燒機內結塊和堵塞。本試驗結果支持了這種看法。1號HVB煙煤的含鐵量最高(占灰的2626wt),也最易形成團塊。
          對于次煙煤,一般認為鈉的含雖對灰軟化起熔劑作用,本實驗也支持此結論,A級次煙煤(4號煤)含鈉量最高,也最易引起大量的床內結塊。
          我們曾用石英砂作床內起動物料,做了幾次實驗,用混有石灰石的HVB煙煤(1號煤)為燃料,石灰石作床內脫硫劑,以減少硫化物排放。在幾分鐘內就發現宋內結塊,接著床層失去流化。產生團塊的時間(大約15分鐘),比用石灰石作起動物料產生結團的時間短得多。用石灰石作起動物料,沒有產生嚴重問題,運行時間達1.5小時。文獻中曾提出,石英和鈣反應生成的硅酸鹽降低了灰熔點,而脫硫劑中含有大量石英雜質。可見,為脫流而添加的石英和白云石可以加重結團問題。
          流化床內,床層結團問題應引起極大關注。燃燒高硫煤,在有合適的脫硫劑的床層內,降低氧化硫排出的能力,是使用流化床燃燒器的目的。許多高硫煤屬于結焦或粘性煤,非常容易造成床內結團。
      結  論
          1)我們設計建立了一臺兩段流化床燃燒器,可以單段模式穩定運行。
          2)在環境條件下測定了流化特性。所測得的最低流化速度與文獻經驗式計算結果的誤差在4%內。為了確定生物質顆粒燃燒機內顆粒平均停留時間,推出一用于床層膨脹的新的經驗式。
          3)對一給定煤種、平均粒徑、空氣流率和床高,測定了不同過剩空氣系數及穩定狀恣下的溫度分布。溫度達950℃。試驗表明,由于逸出到旋風分離器的大量細粉,在0.5-0.8的過剩主氣下產生最高溫度,而不是象在通常所希望拘1.O的過剩空氣系數下產生。
          4)測定了四種煤和一種石油焦在流化床內的燃燒特性。觀察到以下現象:
          (1)非粘性煤,包括一個含氧量高的露天煙煤,無給料阻塞,可無故障地長時間操作。
          (2)鐵含量高的煙煤和鈉含量高的次煙煤特別容易形成使床內粘粒失去流化:的結塊。盡管所測得的床內最高溫度總是低于灰的軟化點,結團是由于給料口附近的灰粒達到了足以部分融熔的溫度。
          (3)石油焦的反應性低,揮發分低。需要長時間預熱(2.5小時)和8000C高溫,以便不增添輔助燃料,就可著火并維持穩定燃燒。

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