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流化床生物质燃烧机的操作经验
引言
    七十年代，由于石油和气体燃料的短缺，促进了利用丰富的煤炭资源的研究工作。流化床生物质燃烧机，作为当时一种最新开发技术，是流化床技术在多种化工过程中应用的拓展。这种技术在二十年代业已兴起。
    流化床燃烧作为对常规燃烧方式的替代方法受到了人们的关注并得到了稳步发展。近来，由于原先燃料短缺问题的暂时缓解，这方面的推动力有所削弱。这方面的研宛仍在继续，只是速度有所减慢。主攻方向是高硫煤的燃烧。目前，有了更多工业规模和试验性装置，一些大型装置或者已经运行或者即将建成。至少，在一份**报告中已写明了，流化床在能源技术领域中的潜在作用。
    在大量的刊物中可以找到有关流化床技术的详细资料。流化睐生物质燃烧机的一个主要特点是物料在流化床中强烈地混合，床内温度和物料浓度均匀。这一特点使得流化床生物质燃烧机能适合使用那些在普通生物质燃烧机中不能有效地燃烧或根本不能燃烧的**固体燃料。
    在美国，未来流化床燃烧技术的重点似乎是洁净煤的燃烧。然而，在流化床中使用煤，伴随有象床层结团和埋入传热器表面磨损、腐蚀等这样一些问题。如果流化床燃烧技术试图得到广泛的商业化应用，首先应搞清造成这些问题的原因，进而找到解决问题的办法。同样重要的问题是流化床中决定燃烧现象的基本过程并进而作放大模拟。为了达到这些目的，必须获得系统控制的实验数据。
    出于对这些问题的综合考虑，我们在宾夕法尼亚州立**设计并建造了一台两段实验用流化床生物质燃烧机。在此装置上进行研究的目标是模拟燃烧过程，弄清捕集硫的原理和脱硫剂的利用，并确定对不同燃料，特别是用宾夕法尼亚州煤，生物质燃烧机的最佳操作条件。
    本文着重报导设备昀原始特性，即流化情况和温度分布j对一些煤种的特性与生物质燃烧机的性能进行了关联，并描述了用几种煤为燃料，单段模式操作时所遇到的问题。实验装置
    为了此项研究，我们设计建造了一台两段常压流化床生物质燃烧机。装置的流程图见图1，燃烧器壳体的详细尺寸示予图2。壳体由astm280火室性能钢制成，其内无耐火衬里，以便使之能快速适应点火速率的变化及迅速加热和冷却的需要。本装置联同除去燃气中固体颗粒的旋风分离器，外部用5厘米匣的陶瓷纤维绝热材料保温。绝热材料的导热系数为3,35wlmz(k／cm)。
    本装置包括两段起不同作用的流化床。其下部，作为主要燃烧区是**段，横截面尺寸为20x 20cm。空气从**段底部的分布板引入。分布板由两层304不锈钢板压制而成，分布板开有直径为6毫米孔，孔中心距为12毫米，两板中间夹有20目的不锈钢网。
第二段位于主要燃烧区的上部，其主要目的是改善对硫化物的捕集和碳的完全燃烧。**段产生的燃气作为第二段的流化介质并在第二段膨胀。第二段横截面尺寸为40×40cm，使用了与**段相似的分布板（但是，没有不锈钢网）。上段床层使用了比底部床层细的吸收剂颗粒，以增加对硫化物的捕集。由于颗粒尺寸与流化速度相关，大横截面下速度较低，可使用较小的吸收剂颗粒。较小的吸收剂可使硫化物的收集效率和钙的利用率增加。这是因为硫化反应趋于堵塞吸收剂的微孔，阻碍硫化物进入，因而粗粒予吸收剂内部利用效率较低。
    每段流化床内灰的排出和床层膨胀高度的控制，是用排灰管来实现的。排灰管直径是3.8厘米，材料为304不锈钢。床中使用304不锈钢制成的水平管束作为每一段流化床的换热器。下段的换热器由56根管组成并埋入燃烧区内。上段换热器由76根管组成，位于石灰石床层的上方。
    安装在装置出口处的不锈钢旋风分离器用来分离烟道气中的固体颗粒。灰、未燃烬的燃料和吸收剂颗粒由旋风分离器落入一密封容器，而后排出并分析。本装置可在不同位置进行固体和气体的连续取样。两段之间设有二次空气进口，经旋风分离器收集的物料也可经这些进口循环回床中。
    考虑到单段操作是两段操作的基础，本实验中没有进行颗粒循环，上段床也未加物料，只到烟筒中的o：co：，co，no。和s02的浓度进行连续检测。顺磁0：分析仪和非扩散co和c02分析仪是由贝克曼仪器有限公司生产的，而脉冲荧光so：分析仪和化学发光no。分析仪购于te公司。
    本装置开工，用燃烧天然气来起动加热。当温度达到(673-1173k)时，由天然气过渡到煤。煤的进料速度应足以维持燃烧。一般加热时间为1小时。
    床层温度用镍铬——镍铝热电偶探头测量。热电偶的位置在图2中给出，标以符号“×”，所标尺寸均由底部分布板算起。
方程计算中用的是平均颗粒直径。含有大量流化速度低的细粉的煤，其大部分细粉会在第二段中燃烧或逸出到旋风分离器中。应该提出的是，方程(1)适用于平均颗粒直径，计算出的只是一冷态最小流化速度的参考值。对于高温操作，通过床层的速度会较高，大颗粒也会流化。用方程(1)及石灰石的物性数据，可确定一与煤的最小流化速度相匹配的平均石灰石粒径。由于石灰石有较大密度，与煤的流化速度相对应，可得到一较小的石灰有平均直径。其值为1.84毫米。床层的膨胀
    床层的膨胀是用动态与静态床高的比值表示。膨胀后的床高h用作排灰管的高度。本文使用了文献中的计算步骤，确定对于不同气速的静床高度。图4表示一无量纲、半对数数据曲线，根据下式(2)计算所得经验曲线（实线）能很好地与实验数据吻合。
    用各种燃料进行了燃烧实验，其中包括两种高挥发分烟煤，两种a级次烟煤和一种石油焦。燃料的各种特性在表1中已给出。本实验主要是为了确定燃料特性对装置操作的影响。在达到固体燃料自身维持燃烧后，开始试验空气与燃料比例及流化速度对生物质燃烧机内稳定状态下温度分布的影响，同时试验长期运行的能力。
给出了3号a级次烟煤，在过剩空气系数分别为0.71、0.85和]．08t．生物质燃烧机内温度分布。过剩空气系数的定义黾，将所用燃料按一定比例所需空气量除以该燃料的按化学计量所需的空气量。对于此种煤，按化学计量计算的空气量与燃料量的比值是9.22。这些实验是在iiokg／hr这一恒定的空气质量流率下进行操作运行的。通过改变给煤量，来改变过剩空气系数。由于空气流率保持恒定，流化速度基本保持不变。锌次实验期间只是由于温度波动及空气密度波动，流化速度稍稍有些变化。此变化小于5%。因此可以说实验的流化条件是一样的。
    如图5所示，靠近分布板区域（大约5厘米内）床温均一。下段床内换热器区域，在大约50厘米的高度范围内，产生了大约300 0c的温度梯度。而后120厘米内，即直到膨胀区顶部，温度保持不变。最后，在上部流化床的120厘米内，又产生了大约200℃的温度降。在给料孔处上方，温度上升大约20℃。如图6所示，稀相区温度较低，约500℃，导致了高的co排放。目前正在使用不同的操作技术，以增稀相区的温度。其中包括完全切断**换热器的供水。这样，可望在生物质颗粒燃烧机内得到更均匀的温度分布，并使第二段流化床内获得较高的温度。．
    图7给出了在不同的过剩空气系数下，生物质颗粒燃烧机不同位置的温度分布。当过剩空气系数由1.6减小到0.6时，各点温度稳定上升。即使过剩空气系数降低到1以下，温度仍继续上升。这是以含有大量细粉（小于1毫米的煤占27%）的煤为燃料，流化燃烧时的特性。由于细粉的最小流化速度很低，未燃烧就被带到旋风分离器中。从分析得知，在旋风分离器捕集的未燃烧物料中含有大约50%的碳。因此，如果可燃颗粒最小尺寸是1毫米，实际上过荆空气系数0.73与床内燃料的燃烧化学计量要求相符。燃料的影响
    实验中使用了四种煤，即hvb及hvc烟煤和两种a级次烟煤。此外，我们还使用了延迟焦化的石油焦。本实验中，烟煤以自由膨胀指数5.5的hvb和有极弱团聚性的露天煤hvc为代表。所用一种a级次烟煤（4号煤），灰中含na和上，却挟热器选择它以研究这些元素对床层结块的影响。石油焦的挥发分相当低(11．o%wt)，由热重法分析知其对空气的反应性也较差。hvb烟煤（1号煤）
    起初，在烧这种烟煤时遇到了困难。由于流动性差和膨胀性高，在给煤口周围形成了焦块。这种煤的热塑性使得流化粒子粘附在螺旋给料器的螺杆上，常常引起供料不正常。在一次试烧中，造成1.3厘米直径的驱动轴被扭断。
    根据新近宾州**的研究，把煤暴露在空气中能减小或破坏其热塑性。由于暴露在空气中，氧交联键增加，从而降低了结焦性。由于氧的反应速度对温度很敏感，这一方法的作用取决于暴露时间和温度。为了降低结焦性，我们把煤在2000c的循环空气中暴露2小时。这一反应条件，仍不能交联足够多的氧键以消除热墅性，但确实消除了结焦的影响。这可能是送入流化床的供煤有较大的颗粒尺寸所致。
    我们先后几次改造了可调速的螺旋给料器。新的变螺距螺旋杆，在煤仓内螺距是12.5毫米，在生物质颗粒燃烧机入口处的螺距是25毫米。这种设计原理是为丁适应煤接近给料口的体积膨胀。此外，在螺旋给料器外壳加装了水夹套，以尽量减小煤颗粒的膨胀趋势。这样大大减少了由于形成焦块而使入料口堵塞的现象，达到了不再引起停机的程度。hvc烟煤（2号煤）
．  ’这种煤对该装置是一种理想燃料，它是一种露天煤。由于是从接近地面的煤层中开采出来的，因此煤已被自然风化或预氧化。使其膨胀指数较低(0.1)和氧含量较高(10.2%wt，干基)。对于这种煤，燃烧试验中未发现问题。最长运行达5小时，未发生进料和炉内结焦。初步证实本装置可以长期稳定运行。a级次烟煤（3号煤）
    这种煤的操作性能非常好，无故障运行达3小时。在每次试验结束对，观察到有很小的结块，最坏的情况下曾发现有两个结块复盖了大约10%的分布板面积。只要操作温度控制在800℃以下，床内不会形成明显的结块。由于这种煤无热塑性，供煤也无问题。a级次烟煤(4号煤)
    正如所料，由于此煤的自由膨胀指数为零，没有发生给煤故障。但是，这种煤的灰熔点低(11490c)，使床内普遍结块。这是一个很严重的问题，有时造成大部分床层失去流化。一次检查，发现有一整块融块复盖了分布板面积的70%以上。石油焦
    以石油焦为燃料，单独启动和雏持燃烧都有困难。这是由于其挥发分含量低(ll%wt，干基)，且氧化反应固有活性差。要求予热至700℃，以达点燃温度。在改换为石油焦燃烧前，炉子需用天然气预热2.5/j、时。
讨论
    床内结块是流化床生物质颗粒燃烧机的主要问题。特别是用灰熔点低的燃料，这一问题显得更为严重。我们认为，结块是由于灰在足够高的温度下，即达到所谓的初始变形温度时变得发粘。管用于这项研究工作的各种煤，其灰的初始变形温度均比床层的平均操作温度高几百度，但高温仍可能在床内局部区域存在。例如，单一的给煤位置，在进煤口处会产生很高的温度，引起结块。在每次实验后进行检查，有对发现结块在接近进煤口的生物质颗粒燃烧机壁与排灰管之间形成垂直贯穿于床层中心的拱桥。由此可见，如使用几个进料口，可能会大大减少结团问题。一些研究者曾报导床中煤粒温度比床层温度会高几百度。此时，尽管用热电偶测得的温度很低，但实际已达到了灰的初始变形温度。
    燃烧灰熔点低的a级次烟煤，温度的这种影响更明显。当在低的过剩空气系数下操作，温度升高的结果，使床层在很短的几分钟内就失去流化。而在较低的温度下，本装置能平稳地运行很长时间。用高的过剩空气系数以降底床温，可解决结块问题，但是这种方法降低了燃烧效率。此外，对于每种燃料，如果低于某一温度（大约700℃），燃烧就不能进行。
    许多研究者已经研究了床内结块的赋因。所用煤种灰的结团倾向与其组或有关。用于本项研究的两种烟煤，有五种组分变化明显，即铁、镁、钙、钠和硫。一般认为，烟煤铁含量对降低灰的软化温度起怍用，常导致生物质颗粒燃烧机内结块和堵塞。本试验结果支持了这种看法。1号hvb烟煤的含铁量最高（占灰的2626wt），也最易形成团块。
    对于次烟煤，一般认为钠的含虽对灰软化起熔剂作用，本实验也支持此结论，a级次烟煤(4号煤)含钠量最高，也最易引起大量的床内结块。
    我们曾用石英砂作床内起动物料，做了几次实验，用混有石灰石的hvb烟煤（1号煤）为燃料，石灰石作床内脱硫剂，以减少硫化物排放。在几分钟内就发现宋内结块，接着床层失去流化。产生团块的时间（大约15分钟），比用石灰石作起动物料产生结团的时间短得多。用石灰石作起动物料，没有产生严重问题，运行时间达1.5小时。文献中曾提出，石英和钙反应生成的硅酸盐降低了灰熔点，而脱硫剂中含有大量石英杂质。可见，为脱流而添加的石英和白云石可以加重结团问题。
    流化床内，床层结团问题应引起极大关注。燃烧高硫煤，在有合适的脱硫剂的床层内，降低氧化硫排出的能力，是使用流化床燃烧器的目的。许多高硫煤属于结焦或粘性煤，非常容易造成床内结团。
结  论
    1)我们设计建立了一台两段流化床燃烧器，可以单段模式稳定运行。
    2)在环境条件下测定了流化特性。所测得的最低流化速度与文献经验式计算结果的误差在4%内。为了确定生物质颗粒燃烧机内颗粒平均停留时间，推出一用于床层膨胀的新的经验式。
    3)对一给定煤种、平均粒径、空气流率和床高，测定了不同过剩空气系数及稳定状恣下的温度分布。温度达950℃。试验表明，由于逸出到旋风分离器的大量细粉，在0.5-0.8的过剩主气下产生最高温度，而不是象在通常所希望拘1．o的过剩空气系数下产生。
    4)测定了四种煤和一种石油焦在流化床内的燃烧特性。观察到以下现象：
    (1)非粘性煤，包括一个含氧量高的露天烟煤，无给料阻塞，可无故障地长时间操作。
    (2)铁含量高的烟煤和钠含量高的次烟煤特别容易形成使床内粘粒失去流化：的结块。尽管所测得的床内最高温度总是低于灰的软化点，结团是由于给料口附近的灰粒达到了足以部分融熔的温度。
    (3)石油焦的反应性低，挥发分低。需要长时间预热(2.5小时)和8000c高温，以便不增添辅助燃料，就可着火并维持稳定燃烧。
生物质燃烧机，
生物质气化站，
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