循环流化床纯烧棕榈空果串(EFB)试验研究
2020-05-25吴朝刚林山虎文斌李维成马菊梅
吴朝刚 林山虎 文斌 李维成 马菊梅
(清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731)
0 引言
印尼和马来西亚是世界两大棕榈油生产国，棕榈空果串(EFB)是在棕榈榨油初期过程中，从棕榈串取出果实后剩余的茎料残渣。2019年印尼和马来西亚棕榈油产量达到6000 万吨，EFB 产量在千万吨级，大量油棕EFB 的堆放，不仅占用场地、污染水体和土壤，直接焚烧会造成大气污染。油棕EFB 是一种生物质燃料，通过生物质锅炉进行处置利用可实现低碳环保，变废为宝，获得良好经济收益。燃烧油棕EFB 的生物质锅炉具有巨大的市场需求。
笔者在一热功率为3MW 的循环流化床试验台上进行纯烧EFB 试验研究，获得了EFB 的理化分析、燃烧特性、污染物排放特性和沾污性，为炉型开发提供帮助。
1 试验台简介
3MW 循环流化床燃烧试验台(图1)是“清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室”在四川省德阳市的一个热态试验台，其功能为开展各种循环流化床锅炉燃料燃烧试验研究。试验台主要由床下点火风道、布风装置、主循环回路(炉膛、分离器、回料器和外置床)、尾部烟道、水冷系统、烟风系统、给料系统、排渣装置和钢构架组成。炉膛截面积为1.1×0.9m，高度为25m。
2 EFB理化分析
本次试验所用EFB 为国内从马来西亚进口料，其经过高温蒸馏工艺处理，去除了水分和一些杂质成分。理化分析结果见表1，发现试验EFB 成分与资料中马来西亚EFB 存在较大差异，马来西亚EFB 水分含量在50%以上，试验EFB 经蒸馏工艺后水分仅为7.34%，根据加工工艺进行反向水分配比，配比后的各成分与马来西亚EFB 较为吻合。
根据化验结果，EFB 燃料是典型的木质生物质，收到基水分高，热值低，具有高挥发分，高氧低硫的基本特征。
图1 3MW试验台系统图
孙大玺等[1]、孙进等[2]对油棕EFB 成分和灰熔融性进行了化验分析研究，结果显示EFB 的变形温度仅为约965℃，在循环流化床生物质锅炉设计时应充分考虑炉膛结焦问题。
表1 EFB成分分析及对比
试验EFB 碱金属和氯元素含量均很高，氯元素含量为0.28%，燃料灰中含有22%的氧化钾(K2O)，马来西亚EFB 燃料灰中氧化钾(K2O)含量则高达40%，试验EFB 碱金属含量相对要低。
在燃煤火力发电应用中，燃料中的碱金属和碱土金属是影响烟气侧管壁沉积形成的重要因素，大部分燃煤系统中，影响最大的碱金属成分是钠，而van Loo[3]通过研究指出，对于生物质而言，钾是需要着重考虑的碱金属。
3 试验结果
3.1 SO2排放
由EFB 理化分析可知，其硫分含量极低，理论SO2排放值约200mg/Nm3。试验结果显示，在燃烧温度890～975℃区间时，SO2原始排放在113～310mg/Nm3(折算6%氧量)，燃烧温度较高或运行氧量较低时SO2排放值较高。
纯烧EFB 时原始SO2排放很低，在烟气脱硫方面投入成本低。使用循环流化床锅炉直燃EFB 时方案，推荐向炉内投入少量石灰石即可控制SO2排放。EFB 灰分低，循环灰量不足，投入的石灰石不仅可以脱硫，同时作为循环物料补充，改善炉内和炉外循环，强化优化各级受热面吸热。
3.2 NOx排放
试验EFB 中N 元素含量为0.43%。在燃烧温度890～975℃区间时，NOx排放值在37～302mg/Nm3(折算6%氧量)。
并且通过试验得出：在燃烧温度在890～975℃区间时，温度对EFB 燃料NOx的生成几乎没有影响，NOx生成量与运行氧量成正比关系。
根据图2 所示的线性关系，当运行氧量在6%以下时，NOx排放值在150mg/Nm3(折算6%氧量)以内。
图2 NOx生成量与运行氧量关系
纯烧EFB 生物质锅炉运行中，控制锅炉燃烧稳定，合适的运行氧量可以将原始NOx控制在较低水平。但当进料不稳定，使得炉内燃烧稳定性变差，氧量变化大时，NOx变化范围较大。所以在进行锅炉设计时，要充分考虑原料预处理，进料口高度，进料机型式和输出稳定性，炉膛布风装置和密相区结构设计，提高锅炉运行稳定性，便于控制NOx生成量。
3.3 燃烧效率
EFB 灰分极低，燃烧后灰均以飞灰形式离开炉膛，飞灰比例为100%。纯烧EFB 时飞灰含碳量约5%，燃烧效率在99%以上。使用循环流化床锅炉纯烧EFB 时，其锅炉低位燃料效率可达到91%，高位燃料效率约71%。
3.4 沾污试验
生物质燃料中的碱金属和氯在燃烧中会进入气相，通常以HCL 和KCL 蒸气等气态形式释放，氯的存在促进碱金属氯化物的释放，因生物质灰碱金属含量高，灰熔点低，携带气相碱金属的烟气在流经过热器时在管道表面形成沉积。Baxter 等[4]研究了生物质燃烧沉积情况，实验得到的沉积可分成3 层：均匀的细密结构白色沉积，多孔的中间层沉积，烧结的燃料灰颗粒的顶层沉积。
为了验证燃用EFB 对受热面的沾污情况，试验开始前在尾部高温烟道放置了沾污试验管，管中通入压缩空气冷却，以模拟真实受热面壁温。试验结果显示：经过134h 的运行，沾污管上存在明显沾污现象，具体为：
沾污分为迎风面外层、迎风面内层和背风面层；迎风面外层为浮灰，轻微抖动或吹扫即掉落；迎风面内层为白色壳状沾污层，厚度约0.5mm，易剥离；背风面层为黄色，厚度<0.5mm。图3、图4 显示沾污管试验前、后的变化情况。
图3 沾污管-试验前
图4 沾污管-试验后
对沉积样品进行化验分析，结果显示：迎风面外层浮灰成分与飞灰成分接近。内层灰成分与飞灰成分存在较大差异，其K2O 含量为11.44%，是外层的两倍。沉积试验结果与文献相对应，工程设计应着重考虑高温级受热面沉积腐蚀问题，如管间距设置，空烟道设置，预留沾污管，吹灰器型式和布置位置等。
4 结语
通过EFB 纯烧试验研究，获得了以EFB 为燃料的循环流化床试验台污染物排放范围，燃烧灰样结果，观察到过热管壁沉积。这为开发设计纯烧EFB 燃料循环流化床锅炉的热力计算、排放预测、受热面防腐和结构设计提供了参考数据和依据。
