水泥分解爐煤/生物質耦合預熱特性試驗

李鵬鵬,任強強,呂清剛,王 超,張 馳,韓紹博

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院,北京 102206;2.中國科學院工程熱物理研究所,北京 100190;3.中國科學院大學,北京 100049;4.中國科學技術大學,安徽 合肥 230026)

0 引 言

水泥熟料生產過程中,石灰質的分解和煤等化石燃料的燃燒會導致大量CO2排放,在雙碳目標下,水泥行業面對巨大挑戰。生物質燃料作為可再生清潔能源,同時也是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源,約占世界能源消費的10%[1-2]。應用生物質燃料降低煤炭使用的技術在各行業均受到重視,水泥工業同樣如此,理論上應用生物質減少碳排放的潛力較大。使用生物質替代燃料能夠在熟料生產能耗基本不變的情況下節約一次能源的使用,所產生的二氧化碳享受無排放待遇[3]。

但在水泥生產的應用中發現純生物質替代燃料的應用目前存在以下問題:一是生物質燃料的季節性及運輸等成本因素;二是生物質燃料技術不夠完善,持續運行的周期也較短;個別生物質燃料還可能存在高硫或高氮成分。燃煤混合生物質燃料燃燒能在一定程度解決以上問題。近年來歐洲多國及日本[4-5]由于政策驅動,燃煤耦合生物質燃燒技術得到很好的推廣應用,且在完善政策法規和相關技術方面積累了寶貴經驗。但當前針對生物質低碳燃料應用于水泥生產研究主要集中于生物質對水泥熟料的影響[6-8],而對生物質在分解爐中的燃燒狀況的研究較少,且主要是應用計算機模擬研究[9-10],因此有必要進行試驗,從而更真實了解煤和生物質在分解爐中的耦合燃燒狀況。

近年來多個研究機構提出,煤經處理后的預熱燃料代替煤粉直接投入分解爐的方式對分解爐內燃燒性能的提高和有害氣體排放的減少,有良好的促進作用,同時預處理可增強分解爐對不同燃料的適應性。中國科學院力學研究所提出了水泥爐窯高溫三次風煤粉氣化低氮燃燒技術,基本原理是在分解爐燃料入口處外置煤粉預氣化爐,將原本直接進入分解爐的煤粉氣化,生成氣化煤氣后送入分解爐[11]。

類似地,中國科學院工程熱物理研究所于2007年提出了煤粉預熱后再燃燒的新方法[12],后續大量研究[13-16]和實際工程應用見證了循環流化床預熱工藝的發展與成熟。WU等[17-20]提出在煤粉進入水泥分解爐前首先經循環流化床預熱器預熱,試驗過程中的煤粉預熱燃燒被證明是一種可有效提高燃料燃燒效率的方法,可減少燃料用量,并減少碳排放和氮氧化物等污染物排放。寧夏某2 500 t/d示范工程采用五級懸浮預熱+窯外預分解工藝,以榆林煙煤為燃料,生產每噸熟料煤耗為140～150 kg。這種改進工藝應用循環流化床作為預熱器,而循環流化床的一大特點就是燃料適應性強,加之生物質應用于分解爐存在各種問題,因此對循環流化床對煤/耦合生物質的預熱特性進行研究可為煤/耦合生物質應用于分解爐提供幫助。

筆者旨在探明煤/生物質混合燃料進入分解爐前的預熱特性。研究對象包括預熱爐出口煤氣氣氛,出口固體樣本的活性變化,包括煤粉的粒徑變化和稻殼的碳化程度及固體預熱燃料的碳活性。為煤和生物質摻混而成的低碳燃料經循環流化床預熱后應用于水泥生產工況調節提供數據支撐和指導性意見。

1 工藝流程及試驗系統

試驗裝置及工藝流程如圖1所示。該裝置主要由1個循環流化床預熱器構成。循環流化床預熱器的提升管內徑為78 mm,高度為1 500 mm,在提升管軸線位置距離布風板100、500、1 450 mm處布置3個(Ni-Cr/Ni-Si)熱電偶,返料腿和旋風分離器出口也分別布置了1個相同的熱電偶,用于測量提升管底部、中部、頂部、返料器和旋風分離器出口的溫度,分別對應圖1中T1～T5。爐膛中和旋風分離器出口分別布置了一個壓力感應器,結合壓力變化和溫度變化兩方面因素監測爐體運行狀態。提升管周圍布置硅碳棒,用于提升管的升溫點火或維持溫度,外層包裹不可燃的保溫棉,在試驗中避免熱量損失。

圖1 試驗臺簡圖Fig.1 Schematic diagram of the test bench

試驗燃料由給料機通過螺旋給料器送入距提升管底部200 mm處的給料口。為使循環流化床穩定運行,試驗前應在爐膛中鋪設高度約200 mm的石英砂(380 μm(40目))作為床料。將3股空氣通入爐體:一次風、返料風和播煤風。其中一次風風量最大,主要流化提升管內的床料和燃料,并提供氧氣發生氣化反應和燃燒反應;返料風由下料管底部通入,作用是將旋風分離器分離下來的大顆粒吹回提升管;播煤風在給料系統的下料管通入,用于運載燃料通過下料管,從給料口送入爐膛。這3處風分別由3個質量流量計控制。

其中各熱電偶溫度、各處壓力數據均通過PLC控制器采集顯示在計算機操作界面上,給料機的電機頻率、質量流量計流量、電加熱開度也由計算機操作,通過PLC發出指令并反饋數據。

在旋風分離器出口處開1個取樣口,用于煤氣成分的測量和固體焦炭的取樣。大部分尾氣通入尾氣處理裝置,凈化后排放。

試驗啟動過程如下:首先逐步開啟電加熱,并穩定升溫,爐體底部和中部溫度達到500 ℃時,將煤送入爐膛點燃煤粉,少量、間斷地送入燃料以使爐體更快升溫,爐體底部達到600 ℃時開始連續送料,逐漸增大給料量和一次風量直到設計值,保持爐內燃料完全燃燒狀態,使提升管溫度持續穩步上升,此時預熱燃燒器啟動完畢。完成啟動后,調節燃料量、風量及電加熱裝置至工況設計值,觀察各處溫度,達到穩定狀態后即為進入試驗工況。

還原爐工況分為2組:第1組是工況1～5,通過改變一次風量,探究不同氧碳比對預熱燃料的影響,其中氧碳比是穩定運行時單位時間內通入O2與C的摩爾質量比;第2組是工況1及工況6～9,即在低氧碳比的條件下,盡可能保持爐膛其他條件不變,通過不同功率的電爐輔熱,使循環流化床處于不同溫度下,探究溫度變化對燃料氣化特性影響。

各工況設計見表1,對每組工況進行還原爐氣體(煤氣成分)分析和固體取樣。

表1 各工況循環流化床運行條件

在試驗中撥煤風量和返料風量為固定值,分別為15、25 L/min。試驗前給爐膛中加入粒度為0.1～0.5 mm的石英砂床料2.5 kg。試驗燃料之一選用神木煤,粒度為0～0.5 mm,粒徑分布如圖2所示,其中d50和d90分別指顆粒50%和90%質量切割粒徑,其值分別為167.833和459.138 μm。試驗所用燃料由神木煤和生物質(稻殼)按質量比6∶4摻混而成。各燃料的工業分析、元素分析及熱值見表2。

表2 燃料的性質

圖2 煤的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of coal

2 結果與分析

2.1 氧碳比對預熱燃料性質的影響

2.1.1 氧碳比對循環流化床運行的影響

根據第2節試驗流程進行表1中5個試驗工況,每個工況在切換預熱空氣量后30 min內進入穩定狀態,運行是否穩定由爐膛溫度決定,并且每個工況穩定時間約1 h。圖3為每個工況穩定后預熱爐溫度分布。

圖3 預熱爐溫度分布Fig.3 Temperature distribution of preheating furnace

隨氧碳比增大,循環流化床各處的溫度均明顯上升,這是因為氧碳比越大,燃料在爐內燃燒的份額越大,釋放總熱量越多。且隨氧碳比增加,T1～T4相互間溫度差值也越來越小,這是由于在相同給料量下,氧碳比越大,流化速度越大,整個循環流化床循環量的提升導致預熱爐溫度更加均勻。

在5個工況下,提升管底部溫度均大于提升管中部和上部,這是由于稻殼易燃,在分解爐底部完成了大部分燃燒和氣化,并放出熱量,在工況5時提升管底部與中部溫度最低,在空氣量增大的情況下,流化風速大,稻殼燃燒和氣化釋放的熱量并非在底部完成,而是在中下部完成。

2.1.2 氧碳比對預熱焦炭性質的影響

分解爐中燃料粒徑對燃燒狀態有重要影響。循環流化床出口預熱焦炭粒徑越小,其在分解爐中更易與二次風中的氧氣接觸并發生反應。粒徑隨氧碳比變化如圖4所示。隨氧碳比增大,預熱燃料的粒徑逐步減小。說明隨一次風增加,預熱爐內反應更劇烈,同時由于流化風速增大,爐內顆粒碰撞更劇烈,導致預熱燃料的粒徑隨氧碳比的增大而減小。 固相預熱燃料的工業分析和元素分析見表3。

表3 不同氧碳比產生預熱燃料的性質

圖4 粒徑隨氧碳比變化Fig.4 Particle size changes with O2/C ratio

隨氧碳比增加,固定碳含量減少,灰分增加,說明在預熱過程中,給入空氣越多,燃料的燃燒份額越大,相應的,熱量釋放增多也導致預熱器溫度上升。根據元素分析結果,預熱燃料中N、C、H、S含量均減少,這與工業分析中灰分增大的結果一致。

假定預熱前后燃料的灰分不參與反應且質量不變,根據預熱過程的灰平衡計算公式(1)計算預熱過程中燃料各組分(X組分)的釋放率:

(1)

其中,CX為燃料組分X的釋放率;A1和X1分別為預熱前耦合燃料的灰分和組分X的總質量分數。計算方法由式(2)和(3)給出,A2和X2分別為高溫預熱焦炭中灰分和組分X的質量分數。

A1=aARH+(1-a)AC,

(2)

X1=aXRH+(1-a)XC。

(3)

其中,ARH和XRH分別為稻殼的灰分和組分X的質量分數;AC和XC分別為神木煙煤的灰分和組分X的總質量分數;a為稻殼占耦合燃料的質量分數,本試驗a為常數0.4,即各組試驗所用燃料稻殼質量占比均為40%。

燃料在5種工況下的各組分轉化率見表4。

表4 不同氧碳比下各組分轉化率

由表4可知,在各組試驗中,揮發分的轉化率均保持在95%左右,各工況間差異不大,這是由于即使在氧碳比最小、溫度最低情況下,提升管中部溫度也達近800 ℃,經完全反應后的耦合燃料中揮發分幾乎完全釋放。除揮發分外,其他各組分的轉化率均隨氧碳比的增加明顯增加,說明燃燒份額的增加導致耦合燃料中碳鏈斷裂,更多碳元素被釋放到氣相中去。

在預熱過程中著重關注預熱燃料C和N元素的遷移過程,因為這2個元素的遷移決定了燃料能量利用率和污染物排放:水泥分解爐燃料預熱過程中,使碳盡量轉化為有助于其在分解爐中燃燒的活性碳位點或氣態碳,可促進分解爐中化學能向熱能有效轉化;而對于氮元素的遷移過程,水泥生產過程的特殊性導致氮氧化物排放難以控制,了解預熱過程中氮元素的轉化過程,有助于控制分解爐中氮氧化物的生成。N和C轉化率隨氧碳比變化如圖5所示。

圖5 N和C轉化率隨氧碳比變化Fig.5 Changes of N and C conversions with O2/C ratio

在預熱過程中隨氧碳比提高,碳釋放率由58%增至81%,釋放的碳元素一部分轉化為可燃碳基氣體,剩余部分與一次風中的氧氣發生燃燒反應,放出熱量維持循環流化床的溫度。可燃碳基氣體和剩余的焦炭會在分解爐中與二次風中的氧氣發生燃燒反應,提供生料分解所需熱量。同時在預熱過程中耦合燃料的氮元素釋放率由42%升至74%,表明這部分燃料氮隨含氮雜環的斷裂由固相釋放到氣相中,剩余燃料氮將在分解爐中完成釋放。預熱過程和燃燒過程的燃料氮轉化路徑對于整個分解爐中的NOx轉化和生成及最終NOx排放十分重要,一般而言,氮元素在進入分解爐前的提前釋放可使以HCN、NH4為主要形式存在的游離N元素在強還原氣氛中被還原為穩定的氮氣[21-22],從而降低煙道中NOx排放,說明煤粉預熱過程均具有很大的氮還原潛力。

對比圖5中C、N元素的變化趨勢,可以看出N轉化率和C轉化率的變化趨勢較一致,在氧碳比較低的情況下C和N轉化率隨氧碳比上升變化較弱,氧碳比大于0.5時,C、N元素轉化率隨氧碳比的提高明顯提高。更高的碳氮轉化率可使水泥窯分解爐中的燃料燃燒更加充分,氮氧化物的排放得到更有效控制,但更高的碳氧比可能導致熱量提前釋放,可能增加系統熱損失。

2.2 爐膛溫度對預熱燃料性質的影響

2.2.1 溫度對循環流化床運行的影響

根據5個試驗工況,每個工況在切換預熱空氣量后30 min內進入穩定狀態,運行是否穩定由爐膛溫度決定,并且使每個工況穩定時間約1 h。通過電加熱控制循環流化床中的溫度,以T2為代表溫度,每提高約25 ℃為1個工況,每個工況在固定的電輔熱功率下均可長時間穩定運行。整個試驗過程溫度變化如圖6所示。循環流化床在完成升溫并穩定后控制電加熱功率,溫度達到目標溫度并且穩定后進行取樣和氣體測量。

圖6 不同電加熱功率下爐體各處溫度分布Fig.6 Temperature of furnace under diflerent heating powers

由圖6可知,通過電輔熱提升循環流化床溫度可使溫度分布更均勻,由于電加熱主要分布在提升管處,相比于通過提升氧碳比提升溫度,增加加熱功率對循環流化床各處溫度的提升不均勻,循環流化床出口的溫度提升相比提升管處溫度變化較小。

2.2.2 溫度對預熱煤氣成分及熱值的影響

在每個工況穩定后進行氣體取樣測量,不同提升管溫度下循環流化床出口的氣體成分如圖7所示。

圖7 氣體成分及低位熱值隨預熱溫度變化曲線Fig. 7 Gas composition and low calorific values changes with different temperature

由圖7可知,通過外熱源對循環流化床進行電加熱可以明顯提升CO、CH4、H2等預熱煤氣有效燃燒組分的生成,這表現在煤氣熱值提升,提升管中部溫度由793 ℃升至903 ℃后,預熱煤氣熱值由1.53 MJ/m3升至2.50 MJ/m3,說明溫度可明顯增強氣化作用,即隨溫度上升,稻殼和煤粉中更多的固定碳與CO2和水蒸氣反應,由于各工況下供入空氣量不變,且循環流化床出口氧氣體積分數一直保持在0,更多氣化反應的發生會占據床層里發生的燃燒反應所占份額,避免預熱爐煤氣中有效成分損失,保證后端水泥窯分解爐中熱量的釋放。

2.2.3 溫度對預熱焦炭性質的影響

為研究預熱過程對于煤粉和稻殼當中各種組分的影響,收集不同爐膛溫度下通過循環流化床預熱產生的固相預熱燃料,進行工業分析和元素分析,結果見表5。

表5 預熱溫度影響固相成分變化

由表5可以看出,隨溫度上升,固定碳及C、H元素占比顯著下降,說明更高的溫度促進了這些成分由固相向氣相轉化,導致預熱燃料中殘留灰分占比增多,表中灰分占比隨溫度上升也證實了這一結果。

耦合燃料經過不同溫度的循環流化床處理后各組分轉化率計算結果見表6,N元素和C元素轉化率隨溫度變化如圖8所示。

表6 不同預熱溫度下各組分轉化率

圖8 N轉化率和C轉化率隨氧碳比變化Fig.8 Changes of N and C conversions with changes of different temperature

提升溫度對耦合預熱燃料除水分和揮發分外各組分的轉化率均有不同程度提升,其對N、C元素轉化率提升尤其明顯:提升管溫度由793 ℃升至903 ℃,N轉化率由0.43升至0.61,C轉化率由0.58升至0.71。而揮發分未明顯提升的原因與前文相似,即使在工況1時溫度最低的情況下,提升管中部溫度也達800 ℃,完全反應后耦合燃料中的揮發分幾乎完全釋放。

將通過電加熱提升溫度的各工況與之前通過增加氧碳比提升溫度的工況綜合對比,可知相似溫度下增加氧碳比導致固相預熱燃料中灰分增加,C含量減少,這在各組分轉化率的對比上也有體現。結合煤氣成分綜合比較,得出結論:只通過外熱源加熱升溫相較通過增加空氣量加熱升溫能更有效提升預熱燃料質量,其氣相成分熱值更高,還原性更強,固相成分也由于相對燃燒份額的降低而保留了更多C,可提供的熱值也更多。

2.3 預熱處理對煤粉和稻殼顆粒微觀性狀的影響

為進一步了解煤/稻殼耦合預熱產生的預熱燃料對分解爐中狀況的影響,應用SEM觀察各工況下預熱焦炭,發現在試驗參數不同的工況下,均可發現呈塊狀但出現孔洞和碎裂的煤制焦炭,但由于每個工況下均能發現不同孔隙大小的焦炭,無法通過電鏡觀察進行工況區分,可通過氮吸附等方法進行煤焦孔徑定量分析。

原煤和焦炭間對比明顯(圖9(a)和圖9(b)),原煤表面光整,無氣孔,表明存在小顆粒附著物。預熱處理后焦炭表面變得粗糙,出現較多孔洞,孔隙率大幅增加,從而使比表面積增加。

圖9 SEM掃描圖Fig.9 SEM figures

除塊狀半焦外,可在電鏡觀察中發現具有明顯纖維特征的半焦,其孔洞明顯大于其他塊狀半焦,如圖9(c)所示,這是預熱燃料中的稻殼制半焦,相比之下,圖9(b)中半焦孔隙發育不完全,孔隙結構不均勻,大孔和微孔交替出現。

3 結 論

1)氧碳比的增加會使煤和稻殼耦合預熱產生的焦炭灰分增加,其他組分減少。除揮發分外的其他各組分的轉化率均隨氧碳比的增加而明顯增加。且隨一次風增加,預熱爐內反應和顆粒碰撞更劇烈,導致預熱燃料粒徑減小。

2)外熱源升溫可以明顯提升CO、CH4、H2等煤氣有效燃燒組分的生成,表現在煤氣熱值的提升。而焦碳顆粒中有效燃燒組分減少,說明更高的溫度促進了循環流化床預熱器中這些組分由固相向氣相轉化。

3)在正常循環流化床運行下,難以通過電子顯微鏡區分溫度在800～900 ℃、氧碳比在0.30～0.45的煤制焦炭孔隙。但稻殼制半焦具有明顯的纖維特征,其孔洞明顯大于其他塊狀半焦,與煤制半焦的性狀差距較明顯。