造纸污泥和煤混烧在工业循环流化床锅炉的应用.docx
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造纸污泥和煤混烧在工业循环流化床锅炉的应用
JIANGSUUNIVERSITY
本科毕业设计
外文资料翻译
学院名称:
能动学院
专业班级:
热能0901
学生姓名:
童振翔
指导教师姓名:
王爽
2013年6月
造纸污泥和煤混烧在工业循环流化床锅炉的应用
Meng-YuanTsaia,Keng-TungWub,Chin-ChengHuanga,Hom-TiLeeb,*
新屋厂,永丰余造纸有限公司制造配套有限公司,新屋,桃园县327,台湾,ROC
生物能源实验室,新能源研究部,能源与资源研究所,台湾工业技术研究院,新竹县竹东镇310号,POC
摘要
对煤和造纸污泥在103MWth的循环流化床锅炉中进行混烧研究分析污泥的给料速率对SOx,NOx和CO的排放量的效果。
初步结果表明随着污泥给料速率的增加含硫氧化物和氮氧化物的排放量逐渐减少,因为污泥中的大量水分导致燃烧温度的降低,所以CO显示了相反的趋势。
所有的排放均符合当地环保要求。
燃烧灰作为在水泥生产过程中的进料可以再循环。
1.介绍
使用循环流化床煤燃烧技术的显著优势在于多种燃料的适应性和低污染排放。
煤炭及其他固体废弃物如污泥、城市生活垃圾和生物质等的混烧,被认为是对环境无害的、经济的方法既处理了垃圾还生产了能源(艾克曼等人,1998)。
应用流化床是共烧过程中最重要的技术之一(艾克曼等人,1998年,Elanchezhian和安东尼奥,1993年,古泽等人,1978),然而,煤和造纸厂污泥的共烧未被广泛的研究。
在这项研究中,煤和造纸污泥在103MWth的循环流化床锅炉中进行共烧来调查污泥的进给速率对SOx,NOx和CO的排放量的效果。
循环流化床最初的设计仅仅是用来燃烧煤。
造纸污泥是位于台湾的新屋厂,永丰余纸业制造配套有限责任公司提供的。
2.实验
2.1循环流化床锅炉的配置
所有的测量在103MWth的福斯特惠勒(ACFB)增压循环流化床锅炉中进行的,包括燃烧炉风箱,旋风回收系统,供料系统,送风系统,烟气处理系统,尾部受热面系统(过热器,省煤器和预热器),和蒸汽产生系统等。
图1向我们展示了本次调查中使用的循环流化床锅炉的结构。
燃烧炉的高度为25米具有3.8*7.7的矩形横截面,并被修建成一个陶瓷纤维覆盖的膜壁以限制热量的损失。
图1.循环流化床(CFB)锅炉的处理结构
进料系统采用多床给料的燃料包括煤和污泥。
床温被控制在850和900摄氏度之间。
供给用于燃烧的空气中主要包括预加热的一次空气(60%)被用作通过位于风箱上方气体分离器的流化气体,和预加热的二次空气(40%)被注入在分离器上方的两个层面上(2.5和3米)。
炉出口处的总空气流速为5米/秒。
在堆栈出口处进行原位测量烟道气体的成分例如硫氧化物、氮氧化物和一氧化碳,在操作过程中烟道气体采用一个SICKGM31非色散的紫外线(NDUV)多组分气体分析仪和SICKGM901一氧化碳浓度测量装置分析。
2.2燃料与床料
印度尼西亚的次烟煤(10—15毫米)和造纸污泥(4—5毫米)被用作供给燃料。
给煤率在不增加污泥的基础上是450吨/每天。
每公吨添加进锅炉的污泥可以代替25千克的煤。
蒸汽产品的总量控制在125吨/每小时。
供给燃料的元素分析列于表1和表2中。
石英砂在这项研究中作为床料并且石英砂的平均直径在0.180毫米左右。
表1.印度尼西亚次烟煤的元素分析
工业分析(空气干燥)
元素分析(空气干燥)
水分
(重量%)
17.42
碳
(重量%)
61.92
挥发性
(重量%)
41.59
氢
(重量%)
3
固定碳
(重量%)
39.49
氧
(重量%)
15.08
灰分
(重量%)
1.5
氮
(重量%)
0.98
硫
(重量%)
0.1
总热值(千卡/千克)[MJ/千克]
5,908[24.72]
表2.污泥的元素分析
工业分析(干燥)
元素分析(干燥)
水分
(重量%)
65.2
碳
(重量%)
18.45
氢
(重量%)
2.1
挥发性
(重量%)
41.59
氧
(重量%)
13.27
固定碳
(重量%)
23.16
氮
(重量%)
0.82
灰分
(重量%)
57
硫
(重量%)
0.16
氯
(微克/克)
190
总热值(千卡/千克)[MJ/千克]
1,311[5.49]
灰分分析(重量%)
Na2O
0
SiO2
22.7
K2O
0.1
P2O5
0.3
CaO
33.7
TiO2
0.2
MgO
3
SO3
0.7
Al2O3
17.9
Cl
0
Fe2O3
0.6
CO2
20.5
3结果与讨论
3.1硫氧化物的排放量
图2示出含硫氧化物的排放浓度随着污泥进给速率的增加线性减小。
这归因于大量的涂层填料石灰石(碳酸钙),它是在纸的制造过程中加进纸浆罐中的并被留在了造纸污泥中。
由于污泥灰中包含33.7%的氧化钙(表2),含硫氧化物可以在燃烧期间参与反应。
图2污泥进料速率对硫氧化物排放量的影响。
在典型的燃煤流化床锅炉中,石灰石和煤是用来作为硫的吸收剂。
在这项研究中,在污泥中的钙含量高到足以捕获煤和污泥中所含的硫,因此,不需要额外的石灰石。
钙和硫的摩尔比大约为3。
在图2中可以看出在加入80吨每天的污泥后硫氧化物的浓度从183减少至51ppm。
固硫的改善是相当明显的,尽管硫氧化物的排放量在共烧污泥之前满足台湾的环境要求(小于500ppm)。
3.2氮氧化物的排放量
在这项研究中,在燃料(煤和污泥)中加入80吨每天的污泥纯煤进料相比增加了大约百分之15的氮含量。
这可以推断出氮氧化物的排放量应该增加。
与此相反,图3显示了氮氧化物的排放浓度随着污泥进料速率的增加呈线性下降。
主要原因是污泥中大约百分之65的高水分含量导致了燃烧室中的温度降低。
氮氧化物排放的浓度随着燃烧床层温度的降低而减少(图3)。
然而,许多研究[例如:
Jenkins等。
(1998)]发现,一氧化氮的排放量并没有非常依赖于燃料中的氮含量。
图3污泥进料速率对氮氧化物排放量的影响。
此外,氮氧化物的排放量在共烧污泥之前也达到了台湾的环境要求(小于500ppm)。
3.3一氧化碳的排放量
尽管较低的床层温度可以降低一氧化氮的排放量,在图4中可以发现一氧化碳的排放量随着温度的降低而增加。
另一个原因可能是一氧化碳在烧焦的表面作为催化剂来减少氮氧化物(古泽等人,1978)。
然而,二氧化碳排放量的增加是轻微的(约10ppm)。
仍然满足环境要求(小于2000ppm),燃烧效率也并没有收到影响。
图4污泥进料速率对一氧化碳排放量的影响。
3.4灰属性
在NIEA(台湾)的标准环境分析方法下,用美国EPA毒性特性溶出程序(TCLP)对飞灰和底灰进行了分析。
表3中的结果显示了全部溶解的重金属含量符合台湾目前的环境要求。
因此,处置是安全的。
然而,在水泥生产过程中燃烧灰可以作为原料进行再循环。
表3TCLP对飞灰和底灰的测试结果
飞灰
底灰
最大的限制
总铬(Cr)
(毫克/升)
0.16
ND(<0.038)
5
铅(Pb)
(毫克/升)
0.25
ND(<0.18)
5
锌(Zn)
(毫克/升)
ND(<0.043)
0.121
25
镉(Cd)
(毫克/升)
ND(<0.019)
ND(<0.019)
1
铜(Cu)
(毫克/升)
ND(<0.027)
0.033
15
铬(Cr+6)
(毫克/升)
ND(<0.007)
ND(<0.007)
2.5
水银(Hg)
(毫克/升)
ND(<0.0006)
ND(<0.0006)
0.2
砷(As)
(毫克/升)
ND(<0.01)
ND(<0.01)
5
有害事业废弃物的认定标准(ROCEPA,2001年)。
图4显示了通过XRF分析以氧化物计算的化学组分的燃烧灰。
可以看出,二氧化硅的含量在飞灰中为38.5%,在底灰中为87.06%。
属性是一些类似水泥的原料。
飞灰具有低含量的二氧化硅,可以用来代替粘土;底灰具有高含量的二氧化硅,可以用来代替水泥生产过程中的砂。
表4通过XRF分析和以氧化物计算的总的化学组分的灰
飞灰
底灰
点火
(重量%)
1.75
0.85
灰
(重量%)
98.25
99.15
SiO2
(重量%)
38.5
87.06
Al2O3
(重量%)
20.5
3.6
CaO
(重量%)
25.4
1.79
MgO
(重量%)
2.95
0.68
Fe2O3
(重量%)
7
3.36
P2O5
(重量%)
0.82
0.32
MnO
(重量%)
0.1
0.16
K2O
(重量%)
0.63
0.69
Na2O
(重量%)
0.23
0.88
ZnO
(重量%)
0.12
0.12
SO3
(重量%)
1.5
0.23
TiO2
(重量%)
0.84
0.65
3.5二恶英的排放量
燃烧过程中排出较高含量的二恶英主要是由于燃料中氯的含量很高,气体较长时间停留在300摄氏度。
在这项研究中,污泥中的氯含量是非常低的。
此外,在循环流化床锅炉中的燃烧气体可以快速地通过300°C的区域,然后被冷却至145℃。
近日,Chun等人(1998)发现二氧化硫可以抑制氯的催化反应形成二恶英,所以,煤中的硫在污泥燃烧过程中可能限制二恶英的形成。
此外。
污泥中大量的石灰石在一定程度上也可以吸收氯(HCl)。
因此,这是很明确的,该循环流化床锅炉中排出的二恶英的含量应该足够低,但是,在一个完整理解机制出来之前需要做更多的工作。
4结论
在103MWth煤-污泥共烧循环流化床锅炉中进行了污泥进料速率对硫氧化物、氮氧化物和一氧化碳排放量的研究。
结果表明硫氧化物和氮氧化物的排放量随着污泥进料速率的增加而减少,但一氧化碳显示了相反的趋势由于污泥中的大量水分导致燃烧温度下降。
然而,二氧化碳排放量的增加是轻微的。
所有的排放量都符合台湾当前的幻境要求。
燃烧灰可以作为水泥的原料进行再循环。
还得出结论,该循环流化床锅炉的二恶英排放量应该足够低,以满足最严格的法规。
参考文献
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【2】Ekmann,J.M.,Winslow,J.C.,Smouse,S.M.,Ramezan,M.,1998.Internationalsurveyofcofiringcoalwithbiomassandotherwastes.FuelProcessingTechnol.54(1–3),171–188.
【3】Elanchezian,C.,Antonio,F.,1993.SuccessfulfiringofpapermillsludgesinahlstrompyroflowCFBboilers.In:
Rubow,L.N.(Ed.),Proc.12thInt.Conf.OnFluidizedBedCombustion,Vol.1.ASME,NewYork,pp.231–238.
【4】Furusawa,T.,Honda,T.,Takano,J.,Kunii,D.,1978.Abatementofnitricoxideemissioninfluidizedbedcombustionofcoal.J.Chem.Eng.Japan11(3),377–383.
【5】Jenkins,B.M.,Baxter,L.L.,Milesjr,T.R.,Miles,T.R.,1998.Combustion
propertiesofbiomass.Fuel.Proc.Technol.54(1–3),17–46.
【6】Latva-Somppi,J.,Kauppinen,E.I.,Valmari,T.,Petri,A.,Gurav,A.S.,Kodas,T.T.,1998.Theashformationduringco-combustionofwoodandsludgeinindustrialfluidizedbedboilers.FuelProcessingTechnol.54(1–3),79–94.
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【8】ROCEPA,2001.Theidentificationcriteriaforhazardousindustrialwastes.EnvironmentalProtectionAdministration,Taiwan,ROC.
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