PDF《生物质成型燃料三次配风锅炉的设计及低 NOx 排放效果》

第28 卷第14 期农业工程学报Vol.

28 No.14

42 2012 年7月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul.

2012 生物质成型燃料三次配风锅炉的设计及低 NOx 排放效果 郭飞强

1 ,董玉平

1 ,董磊2,景元琢

2 ,闫永秀

2 (1. 山东大学机械工程学院,高效洁净机械制造教育部重点实验室,济南 250061;

2. 山东百川同创能源有限公司,济南 250101) 摘要:根据生物质原料的燃烧特性,采用三次配风锅炉,研究污染性气体及热损失随三次配风比例与进给量的变化特 征.结果表明:调节三次配风的比例,可以有效改变 NOx 的质量浓度,当一次风、二次风和三次风进给比例为 7:1:2,NOx 的排放浓度达到最低,为83.45 mg/m3 .随着过剩空气系数(α py)的增大,SO

2、NOx 的排放浓度逐渐减小,烟尘排放浓 度逐渐增大,锅炉总热损失呈现先减小后增大的趋势.当αpy 值为 1.75 时,锅炉的热损失最小,为13.8%,此时,SO

2、 NOx 和烟尘排放质量浓度分别为 29.

29、83.03 和74.90 mg/m3 ,为生物质成型燃料清洁低 NOx 排放燃烧锅炉的设计和运行 提供了依据. 关键词:生物质,锅炉,热损失,三次配风,过剩空气系数,NOx 排放 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.14.007 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2012)-14-0042-05 郭飞强,董玉平,董磊,等. 生物质成型燃料三次配风锅炉的设计及低 NOx 排放效果[J]. 农业工程学报,2012,28(14): 42-46. Guo Feiqiang, Dong Yuping, Dong Lei, et al. Design and low NOx emission effect of biomass briquette boiler with third air distribution type[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 42-46. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质能源属于清洁可再生能源,其组成元素主要 为碳、氢、氧、氮、硫等,能源化利用过程中释放的碳 量与其生长过程中固定的碳量相等,即可以实现二氧化 碳的零排放,受到了世界各国的普遍关注[1-3] .直燃利用 是生物质能源化转化最直接、最有效的利用方式之一, 但生物质燃烧过程中会产生烟尘、NOx、SO2 等污染性气 体,不利于生物质能源的清洁开发[4-6] . 生物质中硫的质量分数一般为 0.1%左右,远低于煤 炭等化石燃料中的硫含量,但秸秆类生物质氮元素质量 分数一般较高,如玉米秸秆可以达到 0.7%左右,与煤中 的氮含量相当,因而,控制 NOx 排放是生物质清洁燃烧 的重点[7-9] .氮氧化物和硫氧化物的形成主要在挥发份的 析出、焦炭燃烧和挥发份燃烧过程,改变炉膛内的燃烧 形式,可有效减少污染物的产生[10-12] . 本文采用了三次配风的锅炉结构形式,通过控制各 级配风供给量,在炉膛内形成还原性燃烧涡旋,促进污 染性气体的还原转化,并研究不同配风比例和过剩空气 系数下污染性气体的质量浓度及锅炉的热损失,为生物 质成型燃料清洁低 NOx 排放燃烧锅炉的设计和运行提供 依据. 收稿日期:2011-09-13 修订日期:2012-05-10 基金项目:科技部技术创新基金(10C26213700415) ;

山东大学自主创新基 金(2009JC014) ;

山东大学研究生自主创新基金(31360071613057) 作者简介:郭飞强(1985-) ,男,山东菏泽人,博士生,主要从事生物质 清洁转化技术研究. 济南 山东大学机械工程学院, 高效洁净机械制造教育 部重点实验室,250061.Email:shandaguofeiqiang@163.com

1 三次配风锅炉结构原理 生物质原料中挥发份在 70%以上,层燃过程中挥发 份逐渐析出,未燃烧完全的挥发份在炉膛内随着烟气流 动,为提高燃料的燃烧效率,促进挥发份的充分燃烧, 本文锅炉设计了层燃燃烧区和气化燃烧区,采取三次配 风方式,炉膛主要结构原理如图

1 所示,一次风由炉排 底部供入,主要实现燃料的层燃燃烧;

二次风布置在炉 膛喉口处,主要实现对于挥发份的扰动;

三次风位于气 化燃烧室区实现残余挥发份的彻底燃烧. 注:A1为一次风入口;

A2为二次风入口;

A3为三次风入口;

Z1为热解气化 区;

Z2为层燃燃烧区;

Z3为气化燃烧区. 图1生物质锅炉炉膛配风结构原理图 Fig.1 Schematic diagram of air distribution in biomass boiler 物料进给到炉膛后,首先进入热解气化区,热解 气化区没有直接的空气供给,生物质在缺氧条件下热 解,生成半焦类固体可燃物和还原性烟气(H

2、CO 等).半焦类固体随链条炉排进入到层燃燃烧区,充 分燃烧释放出热能,同时也会产生氮氧化物(NOx) 等污染性气体.还原性烟气从热解气化区流出后,在第14 期 郭飞强等:生物质成型燃料三次配风锅炉的设计及低 NOx 排放效果

43 进入气化燃烧室的过程中,会受到二次风的扰动而在 炉膛喉口处形成强烈的燃烧漩涡,与层燃燃烧区产生 的NOx 发生还原性反应[13-15] .烟气中未完全燃烧的挥 发份,在引风的作用下进入气化燃烧室,在三次风的 作用下充分燃烧.

2 试验材料与方法 2.1 试验材料 本试验所采用的材料是玉米秸秆成型燃料,其元素 分析和工业分析如表

1 所示. 表1玉米秸秆化学成分表 Table

1 Chemical composition of corn stalk 元素分析/% 工业分析/% 名称 Cd Hd Od Nd Sd Mar Aar Var FCar 堆积体积质 量/(g・ cm-3 ) 低位热值/ (kJ・ kg-1 ) 玉米秸秆 45.54 6.02 47.41 0.77 0.13 5.12 5.76 71.64 17.48 1.05 16473.1 注:Cd、Hd、Od、Nd、Sd分别代表干燥基原料中C、H、O、N、S元素的质量分数;

Mar、Aar、Var、FCar分别代表收到基原料中水分、灰分、挥发分和固定碳 的质量分数;

玉米秸秆低位发热量计算参考GB476-1979. 2.2 试验方法 本实验锅炉成型原料的进给量为

200 kg/h.首先,调节三次风进风比例,利用美国IMR 公司生产的IMR-1400C 燃烧效率测定仪(SO2 和NOx 的测量范围分 别为0~2 000*10-6 和0~4 000*10-6 , 测量精度均为5%) 对排烟处烟气进行取样分析,验证三次配风对于 NOx 生 成浓度的影响. 其次,通过改变进气风机频率调整锅炉空气进给量, 得出排烟处过剩空气系数(α py,为1kg 原料燃烧实际空 气量与

1 kg 原料燃烧理论空气量之比)与生成 SO

2、NOx 及烟尘排放浓度之间的关系,并参照 GB/T 10180-2003 《工业锅炉热工性能试验规程》计算不同过剩空气系数下 锅炉的热损失.

3 结果与分析 3.1 配风比例对 NOx 浓度的影响 本文首先验证三次配风体积比例对 NOx 的生成影响, 根据成型燃料充分燃烧的要求,层燃区要有足够的空气 供应,因而一次风占总配风量的取值为 60%以上;

二次 风主要实现对挥发份的扰动,进风速度快但量较小,取 值小于 30%;

三次风主要实现残余挥发份气体的充分燃 烧,取值为 10%~30%[16-18] .在不同配风比例下燃气中 NOx 的排放浓度如表

2 所示,过剩空气系数设定为 1.75 时,空气的总进给量约为

1 240 m3 /h. 表2配风比例调整参数 Table

2 Ratio changes of air distribution 序号一次风体积 百分比/% 二次风体积 百分比/% 三次风体积 百分比/% NOx 排放浓 度/(mg・ m-3 ) R1

60 0

40 244.91 R2

60 10

30 148.76 R3

60 20

20 224.96 R4

60 30

10 299.34 R5

70 0

30 163.27 R6

70 10

20 83.45 R7

70 20

10 210.44 R8

80 0

20 259.42 R9

80 10 1........