循環(huán)流化床純燒棕櫚空果串(EFB)試驗(yàn)研究

吳朝剛 林山虎 文斌 李維成 馬菊梅

(清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

0 引言

印尼和馬來西亞是世界兩大棕櫚油生產(chǎn)國，棕櫚空果串(EFB)是在棕櫚榨油初期過程中，從棕櫚串取出果實(shí)后剩余的莖料殘渣。2019年印尼和馬來西亞棕櫚油產(chǎn)量達(dá)到6000 萬噸，EFB 產(chǎn)量在千萬噸級，大量油棕EFB 的堆放，不僅占用場地、污染水體和土壤，直接焚燒會造成大氣污染。油棕EFB 是一種生物質(zhì)燃料，通過生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行處置利用可實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保，變廢為寶，獲得良好經(jīng)濟(jì)收益。燃燒油棕EFB 的生物質(zhì)鍋爐具有巨大的市場需求。

筆者在一熱功率為3MW 的循環(huán)流化床試驗(yàn)臺上進(jìn)行純燒EFB 試驗(yàn)研究，獲得了EFB 的理化分析、燃燒特性、污染物排放特性和沾污性，為爐型開發(fā)提供幫助。

1 試驗(yàn)臺簡介

3MW 循環(huán)流化床燃燒試驗(yàn)臺(圖1)是“清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”在四川省德陽市的一個熱態(tài)試驗(yàn)臺，其功能為開展各種循環(huán)流化床鍋爐燃料燃燒試驗(yàn)研究。試驗(yàn)臺主要由床下點(diǎn)火風(fēng)道、布風(fēng)裝置、主循環(huán)回路(爐膛、分離器、回料器和外置床)、尾部煙道、水冷系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、排渣裝置和鋼構(gòu)架組成。爐膛截面積為1.1×0.9m，高度為25m。

2 EFB理化分析

本次試驗(yàn)所用EFB 為國內(nèi)從馬來西亞進(jìn)口料，其經(jīng)過高溫蒸餾工藝處理，去除了水分和一些雜質(zhì)成分。理化分析結(jié)果見表1，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)EFB 成分與資料中馬來西亞EFB 存在較大差異，馬來西亞EFB 水分含量在50%以上，試驗(yàn)EFB 經(jīng)蒸餾工藝后水分僅為7.34%，根據(jù)加工工藝進(jìn)行反向水分配比，配比后的各成分與馬來西亞EFB 較為吻合。

根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果，EFB 燃料是典型的木質(zhì)生物質(zhì)，收到基水分高，熱值低，具有高揮發(fā)分，高氧低硫的基本特征。

圖1 3MW試驗(yàn)臺系統(tǒng)圖

孫大璽等[1]、孫進(jìn)等[2]對油棕EFB 成分和灰熔融性進(jìn)行了化驗(yàn)分析研究，結(jié)果顯示EFB 的變形溫度僅為約965℃，在循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐設(shè)計時應(yīng)充分考慮爐膛結(jié)焦問題。

表1 EFB成分分析及對比

試驗(yàn)EFB 堿金屬和氯元素含量均很高，氯元素含量為0.28%，燃料灰中含有22%的氧化鉀(K2O)，馬來西亞EFB 燃料灰中氧化鉀(K2O)含量則高達(dá)40%，試驗(yàn)EFB 堿金屬含量相對要低。

在燃煤火力發(fā)電應(yīng)用中，燃料中的堿金屬和堿土金屬是影響煙氣側(cè)管壁沉積形成的重要因素，大部分燃煤系統(tǒng)中，影響最大的堿金屬成分是鈉，而van Loo[3]通過研究指出，對于生物質(zhì)而言，鉀是需要著重考慮的堿金屬。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 SO2排放

由EFB 理化分析可知，其硫分含量極低，理論SO2排放值約200mg/Nm3。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在燃燒溫度890～975℃區(qū)間時，SO2原始排放在113～310mg/Nm3(折算6%氧量)，燃燒溫度較高或運(yùn)行氧量較低時SO2排放值較高。

純燒EFB 時原始SO2排放很低，在煙氣脫硫方面投入成本低。使用循環(huán)流化床鍋爐直燃EFB 時方案，推薦向爐內(nèi)投入少量石灰石即可控制SO2排放。EFB 灰分低，循環(huán)灰量不足，投入的石灰石不僅可以脫硫，同時作為循環(huán)物料補(bǔ)充，改善爐內(nèi)和爐外循環(huán)，強(qiáng)化優(yōu)化各級受熱面吸熱。

3.2 NOx排放

試驗(yàn)EFB 中N 元素含量為0.43%。在燃燒溫度890～975℃區(qū)間時，NOx排放值在37～302mg/Nm3(折算6%氧量)。

并且通過試驗(yàn)得出：在燃燒溫度在890～975℃區(qū)間時，溫度對EFB 燃料NOx的生成幾乎沒有影響，NOx生成量與運(yùn)行氧量成正比關(guān)系。

根據(jù)圖2 所示的線性關(guān)系，當(dāng)運(yùn)行氧量在6%以下時，NOx排放值在150mg/Nm3(折算6%氧量)以內(nèi)。

圖2 NOx生成量與運(yùn)行氧量關(guān)系

純燒EFB 生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行中，控制鍋爐燃燒穩(wěn)定，合適的運(yùn)行氧量可以將原始NOx控制在較低水平。但當(dāng)進(jìn)料不穩(wěn)定，使得爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性變差，氧量變化大時，NOx變化范圍較大。所以在進(jìn)行鍋爐設(shè)計時，要充分考慮原料預(yù)處理，進(jìn)料口高度，進(jìn)料機(jī)型式和輸出穩(wěn)定性，爐膛布風(fēng)裝置和密相區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性，便于控制NOx生成量。

3.3 燃燒效率

EFB 灰分極低，燃燒后灰均以飛灰形式離開爐膛，飛灰比例為100%。純燒EFB 時飛灰含碳量約5%，燃燒效率在99%以上。使用循環(huán)流化床鍋爐純燒EFB 時，其鍋爐低位燃料效率可達(dá)到91%，高位燃料效率約71%。

3.4 沾污試驗(yàn)

生物質(zhì)燃料中的堿金屬和氯在燃燒中會進(jìn)入氣相，通常以HCL 和KCL 蒸氣等氣態(tài)形式釋放，氯的存在促進(jìn)堿金屬氯化物的釋放，因生物質(zhì)灰堿金屬含量高，灰熔點(diǎn)低，攜帶氣相堿金屬的煙氣在流經(jīng)過熱器時在管道表面形成沉積。Baxter 等[4]研究了生物質(zhì)燃燒沉積情況，實(shí)驗(yàn)得到的沉積可分成3 層：均勻的細(xì)密結(jié)構(gòu)白色沉積，多孔的中間層沉積，燒結(jié)的燃料灰顆粒的頂層沉積。

為了驗(yàn)證燃用EFB 對受熱面的沾污情況，試驗(yàn)開始前在尾部高溫?zé)煹婪胖昧苏次墼囼?yàn)管，管中通入壓縮空氣冷卻，以模擬真實(shí)受熱面壁溫。試驗(yàn)結(jié)果顯示：經(jīng)過134h 的運(yùn)行，沾污管上存在明顯沾污現(xiàn)象，具體為：

沾污分為迎風(fēng)面外層、迎風(fēng)面內(nèi)層和背風(fēng)面層；迎風(fēng)面外層為浮灰，輕微抖動或吹掃即掉落；迎風(fēng)面內(nèi)層為白色殼狀沾污層，厚度約0.5mm，易剝離；背風(fēng)面層為黃色，厚度<0.5mm。圖3、圖4 顯示沾污管試驗(yàn)前、后的變化情況。

圖3 沾污管-試驗(yàn)前

圖4 沾污管-試驗(yàn)后

對沉積樣品進(jìn)行化驗(yàn)分析，結(jié)果顯示：迎風(fēng)面外層浮灰成分與飛灰成分接近。內(nèi)層灰成分與飛灰成分存在較大差異，其K2O 含量為11.44%，是外層的兩倍。沉積試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)相對應(yīng)，工程設(shè)計應(yīng)著重考慮高溫級受熱面沉積腐蝕問題，如管間距設(shè)置，空煙道設(shè)置，預(yù)留沾污管，吹灰器型式和布置位置等。

4 結(jié)語

通過EFB 純燒試驗(yàn)研究，獲得了以EFB 為燃料的循環(huán)流化床試驗(yàn)臺污染物排放范圍，燃燒灰樣結(jié)果，觀察到過熱管壁沉積。這為開發(fā)設(shè)計純燒EFB 燃料循環(huán)流化床鍋爐的熱力計算、排放預(yù)測、受熱面防腐和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考數(shù)據(jù)和依據(jù)。