表 1
选用燃料的发热量
Table 1.
Heat quantity of selected fuels
引用本文:
吕建燚, 邓晓川, 陆义海, 付丽丽, 胡志光, 徐冰漪. 煤与生物质混烧灰荷电特性研究[J]. 燃料化学学报,
2016, 44(4): 401-407.
Citation: LÜ Jian-yi, DENG Xiao-chuan, LU Yi-hai, FU Li-li, HU Zhi-guang, XU Bing-yi. Charge performance for co-combustion ash of biomass and coal[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2016, 44(4): 401-407.
Citation: LÜ Jian-yi, DENG Xiao-chuan, LU Yi-hai, FU Li-li, HU Zhi-guang, XU Bing-yi. Charge performance for co-combustion ash of biomass and coal[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2016, 44(4): 401-407.
煤与生物质混烧灰荷电特性研究
English
Charge performance for co-combustion ash of biomass and coal
Abstract:
The charge performance of ash generated from co-combustion of different types of coals and biomass fuel (corn stalk) was studied using faraday-cup detector and electrical low pressure impactor (ELPI). The results show that the charge capacity of co-combustion ash rises a little with the increase of biomass in fuel mixture. The reason is that different types of co-combustion ash have different chemical compositions and structural features. This improves the relative dielectric constant, specific resistance and surface adsorptive ability, and thus promotes the charge performance of co-combustion ash. Although the addition of biomass in fuel mixture raises the charge capacity of co-combustion ash, particle size is still the main influence factor on its charge performance.
-
Key words:
- biomass
- / co-combustion ash
- / charge-mass ratio
- / charge performance
-
煤是重要的能源，人类在利用煤推动经济发展的同时，也面临着能源紧缺和环境污染的双重考验。优化能源结构，提高可再生能源利用比例，是中国能源发展的重要方向[1]。在能源利用中，将生物质部分代替煤是一种有效的方法[2]。生物质作为一种绿色可再生、充足、利用技术难度相对较小的新能源，具有远大的发展前景[3]。生物质与煤的混烧是可再生能源和化石能源的综合利用技术，是将生物质在传统的燃煤锅炉中与煤混合燃烧的技术。近年来，一些燃煤电厂开始在原有燃煤机组上掺烧生物质，其中,生物质与煤直接混合燃烧技术充分利用了现有燃煤发电厂的基础设施，在现阶段是一种低成本、低风险的可再生能源利用方式，它是将生物质燃料与煤在给煤机的上游混合，然后送入磨煤机，按混合燃烧要求的速率分配至煤粉燃烧器中燃烧的技术[4]。生物质与煤混烧技术的应用不但能够有效的弥补化石燃料的短缺，还减少了传统污染物(SO2、NOx等)和温室气体(CO2、CH4等)的排放[5-9]，也有利于燃料的燃烧，王金星等[10]曾利用热重分析仪分别对几种生物质与煤混燃特性进行了研究，发现生物质的加入有利于煤的着火并改善了煤的燃尽性能。尽管生物质与煤的混烧能够带来一些环境效益和经济效益，但生物质与煤混烧在煤粉炉的应用仍然会产生大量的飞灰，而这些飞灰正是造成雾霾等大气污染的因素。
目前，电除尘器是中国火力发电站的主要除尘设施。飞灰的荷电特性是影响静电除尘器除尘效率的重要因素，也是判断飞灰是否适合采用静电除尘器脱除的重要依据[11]。在静电除尘器运行时，携带电荷的飞灰在电场力的作用下驱向收尘极，并同时沿气流方向运动，飞灰所受电场力的大小直接影响飞灰最终能否被收尘极捕集[12]。而飞灰所受到的电场力又取决于其荷电能力，因此，为了考察和验证当前燃煤机组的电除尘设备能否高效的脱除生物质与煤混烧形成的飞灰，需要对混烧灰的荷电特性进行研究，为混烧灰脱除设备的选择及其改造提供理论参考依据。
1 实验部分
1.1 灰样制备
实验用煤选用了一种无烟煤和一种烟煤，生物质则选用玉米秸的加工成品燃料。将煤与生物质分别破碎至细小颗粒，并过80目标准筛。然后将生物质粉按照占总热量0、5%、10%、15%、20%、100%的比例分别与煤粉混合。因为生物质与煤的燃烧特性不同，为了模拟燃料在锅炉中的燃烧过程，分别采用两种方法对以上灰样进行制备。其中，纯煤灰和混烧灰样根据标灰样制备准方法缓慢灰化法进行制取，在马弗炉恒温区中缓慢升至500℃，并在此温度下保持30min，之后继续升温到815℃，并灼烧1h获得灰样[13]。纯生物质燃料在马弗炉内先在30min内均匀加热至250℃，保持1h，再在40min内加热到600℃并保持3h，之后取出作为灰样[14]。所有灰样，当检测到不完全燃烧时进行再次燃烧处理。灰样取出后放在耐热石棉板上，在空气中冷却后移入干燥器中冷却至室温，准备检测。
表 1
选用燃料的发热量
Table 1.
Heat quantity of selected fuels
Heat quantity/(MJ·kg-1) 28.65 20.78 14.53 表 1 选用燃料的发热量
Table 1. Heat quantity of selected fuels1.2 实验系统及方法
1.2.1 总体荷质比测量
荷质比是带电粒子的电量与其质量之比，是基本粒子的重要参数之一。测定荷质比是研究颗粒荷电能力的重要方法。总体荷质比测量系统示意图见图 1，主要分为三部分：粉尘发生系统、粉尘荷电系统、荷电量测量系统。为了减小湿度对灰样荷电特性的影响，对进入粉尘发生器的空气进行了干燥处理。灰样在粉尘发生器里被气泵产生的气流吹出形成气溶胶，之后进入中和器，中和器消除了颗粒摩擦荷电对其测量的影响。在荷电系统的电晕区(见图 2)由+5kV的直流正高压产生电晕放电，粉尘在此区域被强制荷正电。为了使荷电粉尘能够顺利进入荷电量测量区域，电晕区负极接+400V直流电压，以借助于电荷的同极相斥作用，来减少荷电颗粒物的负极捕集量。荷电量测量系统采用法拉第杯法测量，荷电颗粒落入法拉第杯中，一段时间后当法拉第杯中积累了一定的电荷时，关闭粉尘发生系统及荷电系统，闭合K1，经静电检测仪测量法拉第杯中灰样的荷电量[15-17]。再将法拉第杯中收集的粉尘利用精度为0.001mg的电子天平(型号为sartorius MSA3.6P)称重，从而计算出粉尘总体荷质比。
图 1
粉尘总体荷质比测量系统原理示意图
Figure 1.
Schematic diagram of total ash charge-to-mass ratio measurement system
图 2
电晕放电器原理示意图
Figure 2.
Schematic diagram of charger
1.2.2 分级荷质比测量系统
灰样分级荷质比测量系统见图 3，与上述系统相似，粉尘发生系统增加了三通管和PM10旋风过滤器，荷电检测系统改为ELPI测量系统。ELPI内部有一个撞击器和一个多通道静电计。撞击器可以将粉尘分成粒径为0.03-10μm的12级，多通道静电计可以测得各级撞击器上带电颗粒连续积累产生的电流[18, 19]。
灰样在粉尘发生器里被气泵产生的气流吹出形成气溶胶，进入三通管，并在真空泵产生的负压的作用下进入PM10旋风过滤器，其中,空气动力学直径大于10μm的颗粒将被脱除。气溶胶在中和器内消除颗粒摩擦所荷电量后进入荷电系统，并在电晕区荷正电，然后进入ELPI测量系统。
图 3
粉尘分级荷质比测量系统原理示意图
Figure 3.
Schematic diagram of classified ash charge-to-mass ratio measurement system
检测前在ELPI的撞击器中放入涂有CCl4的铝箔，用来收集不同粒径的灰样，放置前需要将铝箔烘干使其质量恒定，并利用上述高精度电子天平分别称重，计为m1i。使粉尘以适当的流速进入电晕区，以确保粉尘能够饱和荷电。经过多次实验确定给粉时间t≈3min(使铝箔上收集的粉尘量达合适范围0.02-0.8mg，以减小质量测量引起的误差)，t时间后停止给粉，取出撞击器上的各铝箔称重计为m2i，从而得到每一级收集的粉尘质量mi。检测时通过计算机记录每一级撞击器上的电流，记录结果见图 4。利用ELPI生产商提供的Excel计算程序计算出各级电流对测量时间的积分，可以得到每一级所收集粉尘的总荷电量Qi。从而得到各级粉尘的荷质比Qi/mi。
图 4
玉米秸灰荷电特性曲线ELPI记录图
Figure 4.
ELPI registrogram of corn stalk ash charge characterization
2 结果与讨论
采用上述两种实验系统对不同掺混比例的玉米秸与无烟煤混烧灰、玉米秸与烟煤混烧灰，在+5kV直流高压电晕荷电情况下的荷质比进行测量，结果见图 5-7。图 5-7中横坐标是混烧燃料中掺入的生物质所占总热量的比例，纵坐标是灰样的荷质比，单位为C/g。由实验结果可知，两种混烧灰的总体荷质比与分级荷质比，都随着生物质掺入比例的增加而出现增大的趋势。分析认为，这种现象与混烧灰的成分、粒径、比电阻、形貌特征等因素有关。
图 5
玉米秸混烧灰总体荷质比与混烧比例关系
Figure 5.
Relationship between biomass mixture ratio and charge-to-mass ratio of ash from corn stalk co-combustion
图 6
不同粒级玉米秸与无烟煤混烧灰荷质比
Figure 6.
Charge-to-mass ratio of ash from co-combustion of corn stalk and anthracite
图 7
不同粒级玉米秸与烟煤混烧灰荷质比
Figure 7.
Charge-to-mass ratio of ash from corn stalk and bituminous coal co-combustion
2.1 比电阻对混烧灰荷质比的影响
比电阻是衡量粉尘导电性能的重要指标，也是影响电除尘器效率的重要因素之一，比电阻过大或过小都会对除尘效率产生不利影响。有研究表明，最适合用电除尘器脱除的粉尘为中比电阻粉尘，其在1×104-5×1010Ω·cm，若在此范围外，则需采取一定的技术措施才能确保电除尘器的除尘效率[20]。为了探究生物质与煤混烧灰的比电阻对其荷电能力的影响，利用DR-Ⅱ型高压粉尘比电阻试验台对玉米秸与烟煤混烧灰在常温下的比电阻进行了测定。实验结果见图 8，随着玉米秸掺入比例的增加，混烧灰的比电阻逐渐减小。与图 8对比分析可知，随着玉米秸掺入比例的增加，混烧灰的比电阻呈现减小趋势，而混烧灰的荷质比呈现增大趋势。分析认为，这是由于飞灰的比电阻越大，电荷转移的能力越差，在电晕荷电区域，比电阻较高的飞灰颗粒不容易荷电，荷电之后也不容易放电，使得其荷质比变小。并且实验表明，在玉米秸与烟煤混烧灰中，玉米秸混烧比例低于10%的混烧灰的比电阻均大于5×1010Ω·cm，属于高比电阻粉尘；玉米秸混烧比例大于10%的混烧灰的比电阻值在1×108-5×1010Ω·cm,属于中比电阻粉尘，且荷电能力也越来越强，因此，玉米秸混烧比例大于10%的混烧灰是适合电除尘器脱除的。
图 8
常温下玉米秸与烟煤混烧灰比电阻与混烧比例关系
Figure 8.
Relationship between biomass mixture ratio and resistivity of ash from corn stalk and bituminous coal co-combustion
2.2 粒径对混烧灰荷质比的影响
经典荷电理论表明，当颗粒粒径小于0.2μm时，颗粒以扩散荷电为主；当颗粒粒径大于0.5μm时，颗粒以电场荷电为主；粒径为0.2-0.5μm的颗粒两者都会发生。由图 4可知，在正电晕荷电情况下，粒径在0.03-0.27μm的颗粒在通过静电计时被检测为负电流，说明荷了负电，证明其为扩散荷电，与所施加电场无关；粒径在0.27-9.99μm的颗粒荷正电，为电场荷电。这与上述荷电理论是吻合的。由图 6、图 7可知，两种类型灰样的荷质比基本都随着粒径的增大而明显减小，并且都在1×10-6-1×10-4C/g，可见粒径是决定颗粒荷质比的主要因素。由原场强模型计算公式可知[21]，密度为ρ、相对介电常数为εr、等效半径为R的颗粒在场强为E的电场中的饱和荷电量Q为：
荷质比可表示为：
式中，εo为真空介电常数。根据上式可以推测荷质比随着粒径的增大而减小，这正印证了实验的结果。
2.3 混烧比例对混烧灰荷质比的影响
对混烧灰的成分分析结果表明，随着生物质混烧比例的增加，同一粒径范围的混烧灰荷质比有上升的趋势，但不是很明显。这是由于不同掺混比例混烧灰的成分组成的差别造成的，不同的成分组成会影响粉尘的介电常数。表 2为玉米秸烟煤混烧灰样成分含量比例。由表 2可知，随着玉米秸在混烧燃料中的增加，K2O、 Na2O、 Fe2O3、 CaO、 MgO的总量逐渐增加，这些氧化物与灰样的介电性是正相关的[22]。因此，随着玉米秸在混烧燃料中的增加，这些氧化物随之增加，其混烧灰的介电常数会有所增大。根据式(6)可知，介电常数越大，其荷质比越大。因此，同一粒径范围混烧灰的荷质比，随着生物质在混烧燃料中的增加而逐渐增大。生物质的掺入使得混烧灰的荷电能力得以增强。
表 2
玉米秸烟煤混烧灰样成分含量
Table 2.
Component content of combustion ash from corn stalk and bituminous coal
Sample Content w/% K2O Na2O Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SiO2 TiO2 K+Na+Fe+Ca+Mg 5%biomass 1.36 0.59 26.05 7.82 3.01 0.66 56.28 1.20 13.44 10% biomass 1.74 1.09 26.73 7.55 3.21 0.81 55.79 1.21 14.40 15% biomass 1.93 1.07 25.85 7.27 3.36 1.12 56.14 1.09 14.75 20% biomass 2.13 0.88 25.60 7.00 3.71 1.35 56.50 0.99 15.07 100% biomass 4.40 1.29 6.20 2.80 7.59 8.45 48.99 0.22 24.53 表 2 玉米秸烟煤混烧灰样成分含量
Table 2. Component content of combustion ash from corn stalk and bituminous coal2.4 微观形貌对混烧灰荷质比的影响
为了考察粉尘的形貌特征对混烧灰荷质比的影响，采用扫描电镜分别对纯烟煤灰、玉米秸灰、玉米秸与烟煤不同混烧比例的灰样进行了形貌分析，结果见图 9-图 12。由SEM照片可知，煤灰多为不规则的块状物并且夹杂着一些细小颗粒；玉米秸灰多为絮状物并大多团聚在一起；对于玉米秸与烟煤的混烧灰，随着玉米秸在混烧中掺入比例的增加，絮状物、团聚物和细小颗粒有增加的趋势。分析认为，这些絮状物和团聚物表面吸附作用大，易于吸附电荷粒子，从而使其带电量增加，荷电能力增强。这也解释了为什么随着玉米秸在混烧中掺入比例的增加，混烧灰的荷电能力会增强。
图 9
纯煤灰微观形貌照片
Figure 9.
SEM morphology images of bituminous coal ash
图 10
玉米秸占10%混烧灰微观形貌照片
Figure 10.
SEM morphology images of ash from combustion of bituminous coal blends with 10% corn stalk
图 11
玉米秸占20%混烧灰微观形貌照片
Figure 11.
SEM morphology images of ash from combustion of bituminous coal blends with 20% corn stalk
图 12
纯玉米秸灰微观形貌照片
Figure 12.
SEM morphology images of corn stalk ash
3 结 论
ELPI能够测量颗粒的分级荷质比，排除了粒径对荷质比的影响，从而能够直观地测量出混烧灰荷质比与生物质掺混率之间的关系。实验结果表明，混烧灰颗粒的粒径是影响生物质与煤混烧灰荷电特性的主要因素，在电场荷电作用下颗粒的荷质比随着粒径的增大而逐渐减小。这符合粒子荷电特性的一般规律。
随着生物质混烧比例的增加，混烧灰的成分组成发生变化，与介电性呈正相关的物质(K2O、 Na2O、 Fe2O3、 CaO、 MgO)的总量有所增加，使得其介电常数变大，从而使得同一粒径范围的混烧灰的荷质比有微弱的上升趋势；并且由于灰样中的絮状物、团聚物及细小颗粒的逐渐增多，使混烧灰表面吸附电荷粒子的能力增强，因此，生物质的掺入使得混烧灰的荷电能力得以增强。
在玉米秸与烟煤混烧灰中，随着玉米秸混烧比例的增加其比电阻逐渐减小，并成为中比电阻粉尘，并且其荷电能力也越来越强，因此，玉米秸与煤混烧，使得所产生飞灰的性质与纯煤灰相比得到改良，更适合采用电除尘器脱除。
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图 1 粉尘总体荷质比测量系统原理示意图
Figure 1 Schematic diagram of total ash charge-to-mass ratio measurement system
图 2 电晕放电器原理示意图
Figure 2 Schematic diagram of charger
1: from charger BNC connector to charger needle; 2: from trap BNC connector to trap ring; 3: from charger frame to ground ring
图 3 粉尘分级荷质比测量系统原理示意图
Figure 3 Schematic diagram of classified ash charge-to-mass ratio measurement system
图 4 玉米秸灰荷电特性曲线ELPI记录图
Figure 4 ELPI registrogram of corn stalk ash charge characterization
图 5 玉米秸混烧灰总体荷质比与混烧比例关系
Figure 5 Relationship between biomass mixture ratio and charge-to-mass ratio of ash from corn stalk co-combustion
图 6 不同粒级玉米秸与无烟煤混烧灰荷质比
Figure 6 Charge-to-mass ratio of ash from co-combustion of corn stalk and anthracite
图 7 不同粒级玉米秸与烟煤混烧灰荷质比
Figure 7 Charge-to-mass ratio of ash from corn stalk and bituminous coal co-combustion
图 8 常温下玉米秸与烟煤混烧灰比电阻与混烧比例关系
Figure 8 Relationship between biomass mixture ratio and resistivity of ash from corn stalk and bituminous coal co-combustion
图 10 玉米秸占10%混烧灰微观形貌照片
Figure 10 SEM morphology images of ash from combustion of bituminous coal blends with 10% corn stalk
图 11 玉米秸占20%混烧灰微观形貌照片
Figure 11 SEM morphology images of ash from combustion of bituminous coal blends with 20% corn stalk
表 1 选用燃料的发热量
Table 1. Heat quantity of selected fuels
Heat quantity/(MJ·kg-1) 28.65 20.78 14.53 
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表 2 玉米秸烟煤混烧灰样成分含量
Table 2. Component content of combustion ash from corn stalk and bituminous coal
Sample Content w/% K2O Na2O Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SiO2 TiO2 K+Na+Fe+Ca+Mg 5%biomass 1.36 0.59 26.05 7.82 3.01 0.66 56.28 1.20 13.44 10% biomass 1.74 1.09 26.73 7.55 3.21 0.81 55.79 1.21 14.40 15% biomass 1.93 1.07 25.85 7.27 3.36 1.12 56.14 1.09 14.75 20% biomass 2.13 0.88 25.60 7.00 3.71 1.35 56.50 0.99 15.07 100% biomass 4.40 1.29 6.20 2.80 7.59 8.45 48.99 0.22 24.53
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