第21卷第3期熱能動工程Vol 21. No. 32006年5月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER文章編號:1001-206200603-027-04生物質燃料再燃研究進展段佳,羅永浩,陳祎(上海交通大學機械與動力工程學院,上海200240)摘要:生物質能是可再生能源,生物料可以實現(xiàn)CO2凈排放為零。此區(qū)域內(nèi)燃燒,過量空氣系數(shù)質燃桿具有O2凈排放為零的特性對利用生物質能符合實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)SR1>1,生成NOx等產(chǎn)物;在主它的利用可減少溫室氣體排放符合實展的要求,許多國家加大了生物燃區(qū)下游的再燃區(qū)內(nèi),再燃燃料現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求。生物質燃料再質能研究與開發(fā)力度,我國于被噴入爐膛,再燃燃料約占鍋爐燃方式包括直接再然、間接再燃和高級2006年實施《中華人民共和國可燃料的10%-20%,過量空氣系再燃等3種方式,都能有效減少NO排放。利用木柴直接再燃的研究較多再生能源法》,將生物質能等可再數(shù)SR2<1,形成具有很強還原性采用人工模擬生物質氣化氣是研究間生能源的科學技術研究和產(chǎn)業(yè)化的富燃料氣氛,在初級燃區(qū)內(nèi)生接再燃的有效途徑。生物質燃料種類發(fā)展列為國家科技發(fā)展與高技術成的部分NOx被還原為N2及其尺寸、組分,燃料攜帶氣,燃料噴入位產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先領域。它含氮分子,如HCN、NH3;燃盡置、燃盡風、再燃區(qū)過量空氣系數(shù)等多我國生物質資源量巨大,據(jù)風(OFA)在燃盡區(qū)被噴入,該區(qū)種因素影響再燃。對我國開展生物質預測到2010年我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的域過量空氣系數(shù)sR,>1,形成貧燃料再燃研究提出了建議。廢料約合12×105k,相當于燃料氣氛,氧化剩余可燃物,剩余關鍵詞:生物質燃料:直接再燃;4.09×104t標準煤“。盡管生物的含氮分子(NO、 HCN, NH3)被轉間接再燃;高級再燃質資源量非常大,但由于生物質化為NO或(和)N2中圖分類號:X511資源供應具有季節(jié)性,分散分布,文獻標識碼:A能量密度小,運輸、儲存成本較高,從而限制了生物質能在大型1前言電站的利用規(guī)模。在燃煤鍋爐上燃盡風生物質能,是指利用自然界采用生物質燃料再燃方式,一方再燃區(qū)二次燃料的植物、糞便以及城鄉(xiāng)有機廢物面能控制生物質能利用規(guī)模,另主燃料轉化成的能源。生物質能是一方面能降低燃煤鍋爐CO2種可再生能源,是植物通過光合S0x、NOx等污染物排放,是具作用將太陽能轉變?yōu)榛瘜W能而儲有優(yōu)勢的生物質能利用方式。圖1再燃過程存在生物質內(nèi)部的能量2。與煤相比較,生物質燃料具有C、N2再燃概念S、Cl含量低,O含量高,揮發(fā)份含再燃”概念最初由 John Zine3生物質燃料再燃C02、sOx、燃料型NOz低等特是在爐膛內(nèi)采用二次燃料(又稱1生物質燃料直接再燃性。燃燒生物質燃料所釋放的再燃燃料)作為還原劑,減少生物質直接再燃是指將未經(jīng)C可在植物進行光合作用時被NOz排放的技術6。再橫計程。熱化學處理(熱解氣化)的生物吸收如果適當利用生物質能則分3步,爐膛相應地被中國煤化工二次燃料的再燃方可以構成一個封閉的CO2循環(huán),區(qū)域(見圖1)。主燃區(qū)CNMHG生初庾燃料再燃能降低因此從長遠來看,燃用生物質燃部,約80%~90%的鍋爐燃料在收稿日期:2005-06-09;修訂日期:2006-01-16作者簡介:段佳(1974-),男,湖南長沙人,上海交通大學博土研究生228熱能動力工程2006年NOx排放。生物質細煤粉、水生物質燃料再燃的一個限制,嘴都設計在爐內(nèi)同一面墻上所形煤漿、碳化廢物衍生燃料(CRDF)值得進一步加以研究。成的混合效果比在相對的兩面墻和瀝青乳液等再燃實驗表明多種生物質燃料都可用于再上的混合效果差;再燃噴嘴在旋這些再燃燃料都能有效減少燃,其中采用木柴作為再燃燃料風燃燒器上方約24m處時,至NOx排放,其中高揮發(fā)份、高堿的研究較多。木柴中氮含量低,少能減少NOx排放40%。利用金屬、低氮的生物質燃料和不含硫木片向爐膛內(nèi)噴射時具煙氣代替空氣作為木柴顆粒攜帶CRDF再燃能減少NOx排放有彈道特性,可與煙氣較好混合。氣富燃料氣氛更強,再燃效果更50%。在較短的停留時間內(nèi),天 Harding等人的研究表明,木柴顆好但混合不好將形成局部貧燃然氣再燃效果較好因為天然氣粒尺寸對再燃效果幾乎沒有影料氣氖,降低再燃效果。OFA高無須再析出揮發(fā)份,但停留時間響,實驗對比了3種再燃燃料速噴入能改善混合,但高速射流超過0.56后,所有燃料再燃效攜帶氣對再燃的影響,3種攜帶將產(chǎn)生較高壓降。果相同。氣分別是空氣、氮氣和模擬煙氣生物質燃料,尤其是農(nóng)業(yè)廢在小型滴管爐進行的再燃還(含3%029%N)。當SR2<棄物及木柴中鈉鉀等堿金屬含原模擬煙氣中NO的熱態(tài)實驗表09時,3種攜帶氣的實驗結果量高,容易導致灰熔點降低。采明叫,采用木屑橘皮和稻殼等3幾乎相同;SR2>0.9時攜帶氣用生物質燃料直接再燃將導致種再燃燃料可減少NO排放50%為空氣時減少NOx排放效果最受熱面積灰、沾污等問題,尤其是~70%,由于3種生物質燃料中好。還對發(fā)電功率為265MW旋安裝了高溫過熱器的鍋爐內(nèi)受熱木屑中揮發(fā)份含量最高,其還原風爐采用木柴顆粒再燃進行了全面積灰沾污十分嚴重。此外,生NO的效果最好。尺度數(shù)值模擬,研究了影響再燃物質灰和煤灰的摻混不可避免,無煙煤、秸稈、象草、木柴、天過程混合的多種因素,認為再燃導致飛灰很難再加以利用,降低然氣再燃實驗表明,無煙煤再燃料噴嘴要盡量接近旋風燃燒了鍋爐運行經(jīng)濟性。采取將生物燃最低NOx排放濃度為500mg器,才能獲得充分的混合及燃燒質氣化再燃的方式則可將生物質m(6%02),生物質燃料再燃最低時間;采用木柴顆粒與主燃區(qū)煙灰和煤灰分離從而可以解決直NOx排放濃度在250-300mgm3氣逆向噴入方式,可以獲得二者接再燃給燃煤鍋爐運行造成的飛(6%Q2)以內(nèi),天然氣再燃最低較好的混合;OFA高速噴入能產(chǎn)灰難以再利用受熱面積灰沾污NOx排放濃度為260mg/m3(6%生更好的混合,從而降低CO,在和腐蝕等問題。過熱器管屏入口處形成均勻的過生物質燃料間接再燃02)。 Rudiger等人指出影響最低量空氣系數(shù)分布。對比空氣和煙生物質燃料間接再燃是采用NOx排放量的最重要因素是燃氣作為攜帶氣的再燃效果表明,生物質熱解油和氣化氣作為二次料揮發(fā)份含量其次是氮含量以。采用空氣作為再燃燃料攜帶氣時燃料的再燃方式。由于將生物質高揮發(fā)份可有效降低NOx排放;可減少Nox排放45%-48%熱解油作為化工原料利用具有更再燃過程中,生物質燃料氮以用煙氣時為5%。另外,高的經(jīng)濟性,因此研究集中于采NH1的形式大量釋放,將NOx直在0.8~0.93范圍內(nèi)每降低0.0用氣化氣再燃。Beg等人分析接還原為N。實驗表明,各種燃可減少Nox排放5%,這可通過了模擬過熱器管在不同再燃條件料再燃方式都存在與之對應的增加再燃燃料木柴量實現(xiàn)。下的灰沉積樣本2,指出生物質SR2范圍,如天然氣再燃時為Ads等采用數(shù)值模擬研化氣再燃方式所生成的灰與不065~0.9,生物質燃料再燃時為究了旋風爐木柴再燃過程,其采用再燃方式所生成的灰沒有顯075~0.859。實驗還研究了再中木柴顆粒的反應包括3個過著差別,有利于飛灰的利用。燃時生物質燃料顆粒尺寸對燃盡程,即水分蒸發(fā)析出揮華生物質氣化氣的主要可燃成的影響,表明增大象草顆粒尺寸氣體和木炭燃燒。得到中國煤化工2及CH等烴類。后,燃燒燃盡率降低,雖然木柴顆[10]一致的結論,并進CNMHGH2再燃時,隨著再粒尺寸更小,但其燃燒燃盡率比了再燃燃料噴嘴布置、再燃燃料燃燃料溫度升高,NOzx排放濃度象草顆粒低,這可能與燃料結構攜帶氣的作用和OFA噴入的影下降,減少NOx排放可達到不同有關因此燃盡率是對固體響。文獻[1]指出將再燃燃料噴20%~30%。生物質氣化氣第3期段佳,等:生物質燃料再燃研究進展229中烴類組分也具有還原NOx的主要步驟有1600K時NO轉化達40%;在由作用H。HCCO+ NO++hCn+CO呋喃/NO/O2/Ar構成的氧化環(huán)境在再燃研究中,通常采用人HCCO+ NO++HCNO +CO掃,溫度達到1300K以上,NO濃工模擬生物質氣化氣代替真實生HCNO+h+hCN+OH度迅速降低,到1600K可降低物質氣化氣。范志林等人采用由HCN+0及HCN,NCO,NHNO濃度80%。目前有關焦油或COH2CH/CHCH構成的人CN +0,++NCO+0焦油組成成份還原NOx機理研工模擬生物質氣化氣,實驗研NCo+H+NH+cO究的公開報道較少究了生物質氣化氣組成成份、再NH+NO4→N2O+H3.3生物質燃料高級再燃燃溫度、停留時間、煙氣初始NON,0+H++N2+ Oh生物質燃料高級再燃是在生濃度等條件對NO還原效果的影范志林等人建立了充分攪拌物質燃料基本再燃基礎上,采用響,指出生物質氣的成份,尤其是反應器和柱塞流反應器串聯(lián)模向爐內(nèi)高溫煙氣中噴入氨或尿素CH對NO還原效果有顯著的影型以,模擬生物質氣化氣還原NO的方式,可減少NOx排放90%。響,煙氣中較髙的NOx初始濃度的過程。模型假設在再燃燃料噴Berge等人研究了采用摻混以及水分和SO2的存在不利于嘴出口局部有x份額的氣體在充了含氮雜質的內(nèi)烷(CH)為初級NO還原,并且含量越高不利程度分攪拌反應器中還原NO,另外(1燃料時的3種再燃形式,即僅越大。 Rudiger等人對比了人工-x)份額的氣體未經(jīng)混合從該局噴入低熱值生物質氣化氣、噴入模擬生物質氣化氣與天然氣的再部區(qū)域繞過后與充分攪拌反應器低熱值生物質氣化氣與氨的混合燃效果。人工模擬生物質氣化出口氣體混合一起進入柱塞流反物、氨在生物質氣化氣下游且在氣各組分(COC2H2/CH應器,進行還原NO的反應。模擬OFA上游噴入。在僅噴入低熱值C2Hx)體積百分數(shù)分別為26.5采用了CHNO、S五元素、45生物質氣化氣實驗中,當SR2為5.350.755317.3及41.5037.種組分106個基元反應的機理。0.,7時,NO濃度從再燃區(qū)進口50.8710.2,分別代表生物質燃模擬曲線與實驗曲線在總體走勢8∞omgm(6%)降低到再燃區(qū)料中溫和高溫氣化產(chǎn)生的燃氣。上基本一致,模擬表明在不同條出口20mgm(6%0);噴人低熱兩種人工模擬生物質氣化氣再燃件下反應過程中控制NO脫除的值生物質氣化氣與氨的混合物實減少NOx排放的效果與天然氣基元反應并不相同。再燃的差別很小,相差最大不到生物質燃料氣化過程中將產(chǎn)驗中,0.92>R2>0.77時,再燃10%。 Glarborg等人研究了烴類焦油,通常采用的“焦油”定義區(qū)出口NO濃度低于200mgm3在生物質氣化氣再燃中的作是氣化氣中所有芳香烴及多環(huán)芳6%0);氨在生物質氣化氣下游用。所采用的人工模擬生物香烴,包括了從單環(huán)到5環(huán)及且在OFA上游噴入實驗中NO濃質氣化氣中CO和H的體積百以上的多種芳香烴、雜環(huán)芳香烴,度由再燃區(qū)進口800mgm3(6%分數(shù)相同,混人CH作為人工模如甲苯、酚萘、茚呋喃等。生物0)降低到再燃區(qū)出口120-140質氣化氣中焦油含量量級可高達mgm(6%O),氨噴嘴離再燃燃料擬生物質氣化氣中的烴類,研究表明生物質氣化氣再燃效果與再100g/m3。100g/m3。實驗表明,生物質噴嘴越近降低NO排放越多。SR2氣中焦油有助于減少NOx排<0.90時,低熱值生物質氣化氣燃氣體烴濃度有關,但烴的作用效果隨反應條件變化當SR2為啟.x)。Gume等人采用試驗與氨的混合噴入的再燃效果最和數(shù)值方法研究了呋喃在激波管佳;SR2>0.90時,氨在再燃燃料09時,生物質氣化氣中烴濃度越高,減少NOx排放效果越顯內(nèi)還原NO的作用。描述呋喃下游0.25-0.5m位置噴入能有/NO系統(tǒng)的化學反應模型整合了效降低NO排放。著;當SR2為07時,采用烴濃度呋哺熱解模型和烴/N氧化模型低的生物質氣化氣減少NOx排其中吹哺通過裂解生成中國煤化工燃料()細煤放效果更顯著。類烴類通過氧化發(fā)生CNMHG再燃燃料,尿素作Dagaut等人總結了人工模擬烴基)。研究表明,在由呋喃/為還原劑進行了高級再燃實驗。生物質氣化氣( CO/H2/CH/CH/No/Ar構成的熱解環(huán)境中,溫度再燃燃料熱量占爐膛輸入熱量C2H)再燃還原NOx的機理,達到1300K,NO才開始轉化,在10%,尿素噴入溫度在12001230熱能動力工程2006年560K范圍內(nèi)。噴入溫度為探索再燃過程中生物質燃料熱a rebuming fuel; a specialized cofiring ap-1200K尿素溶液時,天然氣再燃解、氣化產(chǎn)物各組成成份還原plication [J]. Biomass and Bioenergy能減少NOx排放81%;噴人溫度NOx的機理、各組成成份影響其 ADAM B R. HARDING NS.Bmip為1300K尿素溶液時,CRDF和它組成成份還原NOx的機理,為ing biomss for NO controd [] Fud Pn超細煤粉能減少NOx排放83%;控制生物質燃料熱解、氣化和燃cessing Tedmology, 1998, 54: 29-263噴入溫度為136ω0K尿素溶液時,燒,優(yōu)化再燃提供依據(jù)。[121 BERGE N, OSKARSSON J, RRDUING L,et生物質燃料再燃能減少NOx排(3)增加生物質再燃燃料種al. flame with an LCV- pas combined with放9%。生物質燃料灰具有鈉鉀類,尤其要關注秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄SNCR [A]. Rebuming of a P FOeanRechnology for Solid Fuels( 1996-1998含量高的特性。在高級再燃過程物及能源作物的再燃研究C). Bruxelles: European Comission, 1999中,堿金屬通過生成自由基強化(4)開展生物質燃料處理NH2-NO的相互作用,其中最具再燃集成系統(tǒng)研究,評估鍋爐系13 GLARBORG P, KRISTENSEN P G, DAM活性的堿基助催化劑是鈉。高溫統(tǒng)采用生物質燃料再燃技術的效JOHANSEN K. 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