煤與生物質耦合燃燒的協同效應

周 巍,王浩帆,熊晟熙,蔣思磊,何曉燕,馬曉春,婁 春,姚 斌

(1.江西贛能股份有限公司,江西 南昌 330096;2.華中科技大學 能源與動力工程學院,湖北 武漢 430074;3.新疆維吾爾自治區計量測試研究院,新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著雙碳目標提出,燃煤電廠利用可再生能源替代化石能源以降低碳排放的需求緊迫。而生物質能具有生命周期內零碳排放,可再生,來源廣泛,儲量豐富等優點,是替代化石燃料的重要能源[1]。目前,北歐國家憑借其豐富的森林資源,形成成熟高效的生物質發電技術。然而,最近研究表明[2],砍伐森林以提供用于替代化石燃料的木質生物質所造成的碳排放多于減少的碳排放,在有限長時間尺度上,林木生物質資源消耗超過森林再生速度。為避免林木生物質利用產生多余碳排放,農業副產品資源成為生物質發電的主要燃料來源。利用這些農業副產品資源實現碳中和目的,需要大量投資來改造現有純煤粉爐,目前我國燃煤電廠不具備大規模將燃煤鍋爐改造為純燃生物質鍋爐條件,生物質與煤耦合燃燒成為一種有明顯優勢的生物質資源利用方式[3]。已有研究結果證明了工業規模生物質與煤耦合燃燒可行性,目前已經在最高640 MW鍋爐上進行了試驗[4-5]。

煤與生物質耦合燃燒性能主要由生物質燃料堿金屬(K和Na)含量和揮發分、灰分決定[6]。耦合燃燒特性主要包括著火特性、燃燒火焰溫度、氣相堿金屬釋放特性與結渣傾向。由于煤和生物質耦合燃燒過程中存在協同效應[7],煤與生物質耦合燃燒與二者單獨燃燒的燃燒性能差異不能通過化學成分或相關性質的算術平均確定。

對于耦合燃燒著火特性的協同效應研究較廣泛,其產生原因主要是有機非催化效應與無機催化效應[8]。有機催化效應由揮發分釋放促進煤分解引起,而無機非催化效應由生物質中含有的堿金屬與堿土金屬元素降低反應活化能引起。由于生物質熱解產生更多焦油和輕氣體[9],生物質在脫揮發燃燒階段著火溫度比煤低。然而,對于著火特性過程研究手段主要為熱重分析法,較為單一。如CONG等[10]利用熱重分析法發現,煙草秸稈與低階煤共燃過程中,混合物著火溫度、燃盡溫度與活化能均隨摻混比增加而顯著降低。然而熱重分析法加熱速率低,與實際燃燒環境差距大。而平焰燃燒器中采用大粒徑顆粒摻混燃燒,大粒徑樣品揮發分燃燒時間長,協同作用更加明顯,可進行燃燒過程監測,利于協同效應分析。

另外,生物質中含有大量堿金屬與堿土金屬元素,在燃燒過程中,堿金屬元素(如K、Na等)在高溫下以氣相形式析出,在受熱面表面凝結,與煙氣反應生成主要成分為堿金屬硫酸鹽結渣內白層,使受熱面表面黏度增大,爐膛內熔融顆粒附著難度降低,促進受熱面結渣[11-12],影響熱傳導效率。因此,準確測量燃燒過程氣相堿金屬濃度對厘清結渣機理、緩解結渣危害意義重大。目前測量燃燒過程中氣相堿金屬元素的主要方法包括外加光信號主動式測量[13-14]與分析火焰自發射信號被動式測量。主動式測量技術需外加光源,設備成本高,裝置復雜;被動式測量技術直接收集火焰自發射信號,獲得燃燒過程氣相堿金屬信號[15]。HE等[16-17]采用被動式測量技術對生物質燃燒K釋放以及煤燃燒Na釋放進行原位測量,并應用于工業爐膛中。而目前爐膛結渣傾向判斷與預測的主要方法是基于灰成分的結渣指數法[18]。結渣指數法判別操作簡單易行,應用廣泛,但結渣指數僅代表燃料性質,無法反映燃料不同燃燒狀態對結渣的影響。結渣過程主要由煙氣中氣相堿金屬控制[19],而結渣指數計算僅考慮灰分中堿金屬含量,未考慮不同燃燒工況對堿金屬釋放的影響。另外,目前結渣指數法應用對象為煤,對于生物質燃料、生物質與煤耦合燃燒結渣判別與預測適應性不強。

由于發電廠附近生物質供應不穩定,而不同類型生物質性質差異巨大,需進一步研究某特定類型生物質的耦合燃燒特性。中國在2019年已成為世界上最大板栗生產國,2022年板栗年產量達到195萬t[20],而板栗殼是板栗最重要的副產物。由于內富含木質素,板栗殼已被研究用于提高生物乙醇產量[21]。另一項研究調查板栗殼熱解行為[22],確定其作為固體生物燃料的潛力。

筆者摻混煤與生物質,制作顆粒樣品,在Hencken平焰燃燒器上燃燒,利用高速攝像機結合圖像處理技術計算著火延遲時間,利用光譜儀檢測耦合燃燒過程中火焰溫度、氣相K濃度,以此研究耦合燃燒過程中著火、燃燒與氣相堿金屬釋放特性的協同效應,并著重分析其原因。最后根據殘灰成分,計算結渣指數,通過結渣指數與氣相K釋放量相關性分析,建立了氣相K釋放與結渣傾向之間的關聯,證明氣相K濃度具有判別結渣特性的潛力。

1 試 驗

1.1 試驗樣品準備

試驗選取板栗殼作為生物質燃料,板栗殼木質素質量分數36.61%,纖維素質量分數21.51%[23],屬于典型低纖維素、高木質素生物質燃料,熱值高,可用于燃燒發電。試驗用煤選擇神府煙煤,揮發分在煙煤中較高,屬于低堿煤,以排除Na的影響。在試驗樣品準備階段,煙煤與生物質被粉碎、研磨,最后被篩分至200 μm以下,分析其特性并進行燃燒試驗。煤與生物質工業分析、元素分析與灰分分析見表1。隨后,將生物質分別以質量比30%、50%和70%與煙煤粉末均勻混合。使用液壓機在2 MPa壓力下,將混合后的粉末壓制為55 mg,直徑6 mm、厚度約2 mm的圓餅形顆粒,顆粒密度均勻,形狀規則。

表1 煤與生物質工業分析、元素分析與灰成分分析

為簡化樣品描述,使用“煙煤+生物質-30”表示煙煤質量分數70%、生物質質量分數30%摻混樣品顆粒。其他樣品以此類推。

1.2 試驗儀器與工況

試驗裝置如圖1所示。燃燒試驗在Hencken平焰燃燒器上進行,燃燒器出口截面50 mm×50 mm,出口界面均勻分布400根不銹鋼毛細管,每根毛細管內徑0.8 mm,外徑1.2 mm。毛細管中通入甲烷,流量0.8 L/min,空隙中通入空氣,流量30 L/min。其產生的均勻、穩定平面火焰可為圓餅形顆粒提供高熱量環境以啟動顆粒燃燒過程。圓餅形顆粒被放置在2根平行氧化鎂陶瓷棒上,陶瓷棒與Hencken平面燃燒器垂直距離10 mm,通過電動位移平臺送入平焰燃燒器正中心。高速攝像機(Photron FASTCAM SA4)以50 幀/s速度記錄顆粒燃燒過程火焰圖像,高速攝像機曝光時間設為1/60 s以確?；鹧鎴D像不飽和。試驗光譜檢測裝備包括準直透鏡、光纖與光譜儀。準直透鏡位于光纖前,保證采集的光譜信號在視線方向上,光纖距離Hencken燃燒器垂直距離為15 mm。光纖將收集到的光信號傳遞至光譜儀(AvaSpec-ULS3648-2-USB2)。光譜儀波長為648～864 nm,分辨率為0.14～0.18 nm,積分時間設置為10 ms,2次測量間隔設置為990 ms。Hencken平焰燃燒器火焰點燃后,通過控制電動位移平臺將顆粒移動到燃燒器中心,同步啟動高速攝像機和光譜儀開始測量。

圖1 試驗裝置

2 測量原理

2.1 著火延遲時間定義

通過火焰圖像處理確定著火延遲時間。首先裁剪火焰圖像,剔除火焰中明亮噪點的干擾,統計圖像各像素點的RGB值,火焰圖像紅、綠、藍值(RGB)表示可見光強度。然后使用線性加權計算將RGB彩色圖像轉換為灰度圖像,每個像素最大灰度值為255。最后利用灰度圖像中各像素灰度值確定顆粒著火時刻,定義灰度圖像中其中一個像素點達到點火閾值時的時刻為著火時刻。點火閾值被設置為灰度最大強度的10%[24](即灰度值25),則著火延遲時間為

td=t1-t0,

(1)

式中,td為著火延遲時間,s;t1為著火時刻,s;t0為顆粒進入Hencken燃燒器中心時刻,s。

2.2 火焰溫度、氣相K濃度與熱輻射計算

物體溫度在800～2 000 K,普朗克定律可簡化為維恩輻射定律[25]:

(2)

式中,I(λ,T)為在一定溫度、某一波長下黑體光譜輻射強度,W/(m3·sr);ε(λ)為該波長下物體發射率;λ為波長,m;T為物體溫度,K;C1為普朗克第一常數,3.741 9×10-16W·m2;C2為普朗克第二常數,1.438 8×10-2m·K。

根據火焰發射光譜,釋放到火焰中的氣相K在高溫下被激發,釋放出特征譜線下的輻射,堿金屬K特征譜線對應波長位置為K1(766.490 nm)與K2(769.896 nm)。在火焰中,通過光譜儀測量到的光譜強度Im由2部分組成:

Im=IK+IC,

(3)

式中,IK為氣相K的特征譜線輻射強度,W/(m3·sr);IC火焰連續熱輻射強度,W/(m3·sr)。

基于灰性假設,在間隔較小的波長之間,火焰發射率近似相等的火焰可以視為灰體。因此,通過結合式(2),顆粒燃燒火焰溫度可以通過多波長法獲得[17]:

(4)

式中,M為用于計算的波長數量,本研究M=50;λi為用于計算火焰溫度的波長,m;Δλ為波長增加量,m;IC(λi)與IC(λi+Δλ)分別為在λi與λi+Δλ下火焰連續熱輻射,W/(m3·sr)。

在顆粒燃燒過程中,計算測量波長范圍內輻射能量用來表示顆粒燃燒過程中熱輻射,計算公式為

(5)

式中,E為測量波長范圍內輻射能量,W/m2;λ1、λ2分別為測量的起始波長與終止波長,分別取650與800 nm。

由于堿金屬K在K1(766.490 nm)輻射強度比K2(769.896 nm)高,現象更明顯,故選擇K1作為標定。相同氣相K濃度下,隨火焰溫度升高,氣相K特征譜線輻射強度升高,經過類似文獻[26]標定試驗過程,獲得氣相K特征譜線輻射強度與氣相K濃度、火焰溫度定量關系。

2.3 結渣指數計算

通過計算堿酸比(B/A)與硅比(G),探討耦合燃燒中結渣傾向,計算公式[27]為

(6)

其中,各氧化物均使用灰分中當量質量分數計算?；页煞挚煞譃?類:堿性氧化物與酸性氧化物。堿性氧化物以Na2O與K2O為代表,主要包括堿金屬與堿土金屬氧化物,導致灰黏度增大,熔融溫度降低,加重受熱面結渣;酸性氧化物效果與之相反[18]。由此,對于某種確定燃料,其B/A越大、G越小,結渣傾向越高。

3 試驗結果與分析

3.1 著火特性

高速攝像機記錄的煙煤、生物質與煙煤和生物質耦合燃燒火焰如圖2所示。每組子圖第1幅圖像按第2.1節方法判斷出著火時刻火焰圖像,最后1幅圖像是燃燒過程中最后一次達到著火閾值以上的火焰圖像?；鹧鎴D像下方標注出時刻。由圖2可知,煙煤顆粒著火時刻為5.50 s,煙煤顆粒上方出現明顯霧狀亮光,這是煙煤中揮發分受熱著火,隨后在5.50～6.50 s,煙煤火焰迅速發展,亮度迅速提高,在顆粒上方形成明顯錐形火焰,顆粒進入揮發分燃燒階段。隨后火焰持續發展,在15.50 s左右燃燒火焰高度最大,隨后火焰高度逐漸降低,直到22.86 s,煙煤顆粒上方火焰幾乎全部熄滅,而煙煤顆粒在高溫條件下被加熱,發出明顯的光亮,揮發分燃燒階段結束。生物質在3.92 s達到閾值,其燃燒圖像特征與煙煤相似。因為生物質中揮發分含量遠高于煙煤,著火延遲時間比煙煤短。

圖2 煙煤、生物質與煙煤和生物質耦合燃燒火焰

煙煤、生物質及耦合燃燒顆粒的著火延遲時間如圖3所示,不存在協同點火效應時,耦合燃燒著火延遲時間隨生物質質量分數變化呈線性[24]。圖3中虛線表示煙煤與生物質著火延遲時間的線性加權平均值。不同摻混比例下耦合燃燒顆粒的著火延遲時間均小于煙煤與生物質顆粒,計算與試驗獲得的著火延遲時間之間存在可觀察到的差值,表明耦合燃燒著火協同效應存在,定義差值為tdiff,在圖3中使用紅色箭頭標記。tdiff為正,說明協同效應促進著火,這與文獻[24]結果一致。根據纖維素熱解特性,纖維素率先熱解破壞糖苷鍵,氫供體加速可燃氣體釋放,促進著火。此外,堿金屬受熱釋放顯著降低了生物質脫揮發分表觀活化能,是導致協同促進的另一個因素。生物質質量分數為30%、50%與70%的3種耦合燃燒顆粒tdiff分別為1.27、1.91與0.55 s,生物質質量分數50%摻混顆粒相對差值最大,說明著火協同效應最高。而生物質質量分數70%耦合燃燒顆粒差值僅0.55 s,主要因為生物質中含較多木質素,會對著火產生抑制作用[28]。

圖3 煙煤、生物質與煙煤和生物質耦合燃燒的著火延遲時間

3.2 火焰溫度與氣相K釋放特性

各顆粒燃燒過程中火焰溫度與熱輻射隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 煙煤、生物質與煙煤和生物質耦合燃燒火焰溫度與熱輻射

根據火焰溫度與熱輻射變化,可清楚識別出顆粒燃燒脫揮發分、焦炭燃燒和灰分3個典型階段[17]。所有顆粒在這3個階段火焰溫度和熱輻射變化相似。各顆粒著火時刻與火焰溫度、熱輻射突增時刻匹配[29],如圖4中第1條紅色虛線;揮發分燃燒結束時刻與溫度、熱輻射突降時刻匹配,如圖4中第2條紅色虛線。由于煤熱值高,煤顆粒燃燒釋放出的熱輻射量高于生物質。由于生物質固定碳僅15.35%,其焦炭燃燒階段短暫。焦炭燃燒階段結束后,光譜儀接收到其光譜信息均為環境噪聲,不能計算溫度,顆粒燃盡進入灰分階段。各顆粒燃燒過程中釋放氣相K濃度隨時間變化如圖5所示。各顆粒氣相K釋放主要在揮發分燃燒階段,此階段,由于顆粒溫度急劇上升,使K元素活化,顆粒迅速脫水,顆粒中無機K脫水釋放并與有機組分反應,形成配合物,氣相K大量釋放,很快達到峰值,隨后伴隨溫度迅速下降。

圖5 顆粒燃燒過程中氣相K濃度隨時間變化

為量化氣相K釋放量,將燃燒過程中氣相K濃度對時間進行積分,獲得各顆粒在燃燒階段氣相K釋放量,結果如圖6所示。由煙煤與生物質氣相K釋放量根據質量分數線性加權計算獲得氣相K釋放量。隨耦合燃燒生物質質量分數增加,K釋放量增加。但耦合燃燒工況下試驗氣相K釋放量始終低于計算值,證明耦合燃燒氣相堿金屬釋放協同效應存在,且協同效應抑制氣相堿金屬釋放。研究證明,由揮發分-焦炭相互作用產生的自由基分子為堿金屬汽化和化學鍵斷裂提供能量,使燃燒溫度迅速升高,促進氣相堿金屬釋放[30]。此外,共燃過程中無機反應對氣堿釋放也有抑制作用[31],無機反應主要由于煙煤中含大量Si與Al元素,燃燒過程中,無機反應不斷在氧化反應邊界上進行,K與SiO2、Al2O3反應形成不溶性K鹽。揮發分-焦炭相互作用與無機反應共同影響氣相堿金屬釋放協同效應,無機反應主導。

圖6 煙煤、生物質與煙煤和生物質耦合燃燒氣相K釋放濃度

3.3 結渣特性

各個顆粒的堿酸比(B/A)與硅比(G)計算結果見表2。煙煤堿酸比低的主要原因是煤種鈣、鐵含量高,分別達27.65%與19.13%。生物質中不含鋁元素,且K2O與CaO質量占比達77.8%,故堿酸比達18.339。煙煤B/A最小,G最大,由結渣指數判斷的結渣傾向小;而生物質堿酸比最大,G最小,其結渣傾向相對較大。

表2 結渣指數計算與判斷結果

各顆粒的堿酸比B/A、硅比G與氣相K釋放量結渣指數與氣相K釋放濃度相關性分析如圖7所示。堿酸比與硅比R2值均大于0.95,說明氣相K釋放量與B/A、G高度相關。隨著氣相K釋放量增大,B/A增大,G降低,結渣傾向判斷升高。另一方面,煤中B/A和G的應用被廣泛認可,用于預測受熱面結渣傾向。說明在線監測獲得的氣相K釋放濃度具有判別結渣特性的潛力,能反映實際燃燒過程結渣傾向變化。

圖7 B/A、G與氣相K釋放濃度相關性分析

4 結 論

1)煙煤與生物質耦合燃燒著火延遲時間比理論值低,證明耦合燃燒存在著火協同效應,表現為促進著火,這是纖維素熱解導致能量快速釋放與生物質堿金屬元素催化共同作用的結果,著火延遲時間與理論值的差值在生物質質量分數50%時達到最大值1.91 s,此時協同效應影響最大。

2)隨耦合燃燒生物質質量分數增加,K釋放量增加。而耦合燃燒釋放的堿金屬比理論值低,證明耦合燃燒存在氣相堿金屬釋放協同效應,且協同效應抑制氣相堿金屬釋放,該協同作用由揮發分-焦炭相互作用與無機反應共同控制,無機反應中Si、Al元素與K的反應占主導。

3)隨氣相K釋放量增大,堿酸比與硅比數值增大,結渣傾向升高,結渣指數與氣相K釋放量間相關性系數均大于95%,說明結渣指數與氣相K釋放量相關性較高,在線監測獲得的氣相K釋放濃度具有判別結渣特性潛力。