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钙基废弃物对生物质燃烧脱氯的影响

发布时间:2017-07-31 08:31内容来源:网络整理 点击:

李诗杰1,韩奎华1,郝力勇2,路春美1

(1.山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061;2.齐鲁师范学院,山东济南250061)

  摘要:目前电厂多用石灰石等钙基吸收剂作为脱氯剂,但这些常用钙基吸收剂的脱氯性能并不理想,且会消耗较多的钙资源。本文以玉米秆、棉秆和稻秆为研究对象,实验气氛为空气,在管式炉中模拟燃烧条件,通过实验探究了赤泥、白泥和电石渣对玉米秆、棉秆和稻秆3种不同生物质燃烧脱氯的影响,得出3种添加剂在400~900℃条件下对生物质燃烧脱氯效率的影响,实验结果显示为在400~800℃的条件下脱氯效率随着温度的升高逐渐升高,其中白泥在800℃时对稻秆的脱氯效率达到42.5%,对棉秆的脱氯效率达到37.6%,赤泥对玉米秆的脱氯效率达到30.8%。但是超过800℃以后随着温度的继续升高,脱氯效率反而降低。另外,不同钙基废弃物对不同生物质的脱氯效果不同,在对不同的生物质能源进行燃烧利用时,应选择相应合适的添加剂。

  在传统能源告急、能源结构逐步转型的当今社会,生物质以其储量大、成本低、环境友好、可再生等优势逐渐引起越来越多人的关注。然而由于生物质燃烧技术还不成熟,生物质燃烧还存在着诸多问题。生物质燃烧过程中,生物质内的氯大多以氯化氢气体形式释放出[1]

  HCl与SO2、NOx并称为三大酸性污染源,既能形成酸雨污染环境,严重威胁人类健康,又会对锅炉设备产生腐蚀,对电站安全性和经济性都有很大的影响。一般生物质燃料中的氯元素含量都比较高,但是目前对生物质中的氯元素在燃烧过程中的析出机理和行为特性的研究报道却很少。陈安合等[2]认为,当燃烧温度在850K以下时,可以最有效地减少木屑、废木、秸秆、树皮以及橄榄渣5种生物质在燃烧过程中生成和挥发含Cl及碱金属K、Na等元素的量;当燃烧温度高于900K时,则会大量生成含有氯元素以及K、Na等碱金属的气态物质。李小龙[3]研究了生物质燃烧过程中氯化物的析出特性,其研究表明:在所有影响生物质燃烧氯化物析出的因素中,燃烧温度对氯化物的析出影响最大,其次是生物质的燃烧时间,过量空气系数对氯化物的析出影响较小,并且实验表明,生物质燃烧过程中在低于600℃时,氯的析出速度较慢,氯的析出速度在600~800℃时加快,在800℃以后放缓。

  胥广福[4]研究了生物质燃烧过程中氟元素和氯元素的迁徙规律,生物质中氟元素和氯元素的迁徙都分为快速挥发段和慢速挥发段,在温度低于600℃时,氟元素就已经基本释放完全,在400℃时,氯元素已释放大部分;在低温段时,氟元素和氯元素主要是以HF、HCl气体形式释放,在高温段时,主要是以氟化盐和氯化盐的气体形式释放。氟、氯元素大部分存在于挥发分中,木屑的氟析出率大于麦壳,麦壳的氟析出率大于稻壳,氯元素则刚好相反。

  在关于CaO的脱氯效果研究中,刘金生等[5]认为,CaO脱氯的最佳燃烧温度为550~650℃。考虑到燃烧生物质的经济性,钙和氯的质量比不宜太大,当反应气氛为空气时,钙氯质量比为4:1时脱氯效果最佳。吴丽萍等[6]运用正交实验法分析固硫率、固氯率,实验结果表明:CaO的添加量对固硫率和固氯率的影响最为明显;MnO2的添加量对固氯率的影响仅次于CaO,但是对固硫率没有影响。

  在关于电石渣脱氯的研究中,谢辛等[7]研究表明电石渣的最高氯转化率温度为700℃;当燃烧温度高于650℃时,电石渣的氯转化率一直高于石灰石,因此电石渣在高温下脱氯更具有优势;但是当煅烧温度高于900℃后,不利于电石渣对HCl的脱除。郭小汾等[8]采用热重法在空气气氛下研究了Ca(OH)2脱除HCl的效果,结果发现,在600~700℃范围内钙化物脱氯效果最佳。蒋旭光等[9]通过实验证明,钙基吸收剂的脱氯效率比镁基吸收剂的脱氯效率更高。CaO在500~700℃范围内且停留时间为5~20min时脱氯效率最佳。

  目前电厂多用石灰石等钙基吸收剂作为脱氯剂,但这些常用钙基吸收剂的脱氯性能并不理想,且会消耗较多的钙资源。郭小汾等[10]实验研究了几种钙化物的脱氯机理以及脱氯效率,实验表明:在CaO、CaCO3和Ca(OH)2这3种钙化物中,Ca(OH)2的脱氯效果最好。吴立等[11]通过实验对影响脱除垃圾焚烧炉烟气中HCl气体的主要因素和规律进行了研究,发现电石渣比纯Ca(OH)2更有利于吸收HCl气体。一吨电石和水反应可以生产出三百多千克的乙炔气体,同时生成大约十吨含固量12%左右的工业废液,俗称电石渣浆。根据估算可得一座氯碱厂年均排放约9×105~1.14×106t电石渣[12]。因此研究电石渣对生物质燃烧烟气脱氯的影响,对改善脱氯效率从而降低生物质燃烧过程中氯的排放,保护生态环境有着非常重要的现实意义,本文还研究了与电石渣成分相似的赤泥和白泥对生物质燃烧脱氯的影响。

  本文作者在前期研究的基础上,以玉米秆、棉秆和稻秆为研究对象,实验气氛为空气,在管式炉中模拟燃烧条件,研究了3种常见钙基废弃物赤泥、白泥和电石渣对生物质燃烧脱氯的影响,为生物质的清洁燃烧提供理论基础和技术借鉴。

  1材料与方法

  1.1实验原料

  实验所用玉米秆、棉秆和稻秆的元素分析如表1所示。实验时将所用玉米秆、棉秆和稻秆粉碎、筛分,得到粒径小于180μm物料,再用干燥箱在105℃下烘干20h,将其存放于自封袋中作为样品备用。

  本实验将实验用的赤泥、白泥和电石渣煅烧后粉碎,研磨,用120目的振动筛进行筛分,得到粒径小于125μm的添加剂后放入自封袋备用,3种钙基废弃物的成分如表2所示。

  1.2实验方法

  整个实验过程包括燃烧阶段和氯含量的滴定阶段,其中整个燃烧阶段都在管式炉中进行,本实验采用了杭州卓驰仪器有限公司生产的SK3-3-12-8型号管式电阻炉,用空气压缩机供气,空气流量2L/min。首先准确称取稻秆2g(精确到0.0004g)共4份,其中1份不添加任何物质,另外3份分别添加电石渣、赤泥和白泥100mg,混合均匀后放入管式炉,炉温恒定在400℃、30min后将燃烧后的剩余物取出并冷却至室温,然后分别放入内盛3g(准确到0.1g)艾氏卡混合剂的坩锅中,仔细混匀,再用2g艾氏卡试剂将混合物均匀覆盖,将坩锅送入管式炉中,管式炉由室温逐渐升高至(680±20)℃,并在该温度下持续加热3h,加热完毕后将灼烧物取出,自然冷却至室温,用艾氏卡混合剂熔样-硫氰酸钾滴定法测定灼烧物中氯含量。

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