循环流化床灰渣利用研究进展

　　　　　2003年1月

文章编号:1001-2060(2003)01-0005-04

循环流化床灰渣利用研究进展

李登新,吕俊复,郭庆杰,岳光溪

(清华大学热能系,北京　100084)

摘　要:在分析循环流化床灰渣特性的基础上,综述了国内外循环流化床灰渣的综合利用最新进展。一般由于底渣含炭量低,且具备一定的水硬活性,可以直接用作制造水泥或建筑材料的原料;而飞灰含炭量高,以及水硬活性不理想,继而开发了飞灰造粒回燃、飞灰直接返送和水化后返送脱硫,用作水泥的原料和土壤改良剂等。关键

词:循环流化床;飞灰;低

灰;加工利用

中图分类号:TQ053文献标识码:A

大型化及其在发电技术方面的迅速发展,流化床灰渣排放量将大幅度增加,利用消极堆存的方法,不仅占用大量的土地,还因煤灰的粒度较细和灰渣中含有污染物质而污染环境,如果对灰渣适当处理,不但消除公害,而且变废为宝。在能源危机和严格的环保法规形势下,各国十分重视灰渣的综合利用[3～4]。根据排出的灰渣的特性不同,可用不同的方法处理和利用。由于底渣含炭量低

(一般小于3%),且具备一定的水硬活性,可以直接用作制造水泥或建筑材料的原料;根据飞灰含炭量高,以及活性不理想的特性,已经相继开发了飞灰回燃以提高飞灰燃尽度、飞灰直接返送和水化后返送提高活性氧化钙的利用率和脱硫率,用作水泥的原料以利用其水硬活性和用作土壤改良剂以利用其显碱性的性质与生活垃圾共同造粒用于无污染焚烧垃圾等工艺

[1～12]

1　前　言

循环流化床锅炉作为煤的洁净燃烧技术越来越受到了广泛的关注,并得到了迅猛的发展。目前,各种型号的循环流化床锅炉

(包括改造锅炉)逐渐趋向大型化。由于循环流化床锅炉燃用原煤含灰量大,因而其排灰量相当可观。循环流化床灰渣包括低渣和飞灰,占总排渣量60%以上的飞灰排放量也很大。一台50MW循环流化床锅炉,燃煤含硫4.99%,含灰20%,Ca/S比为2,

料,飞灰炭含量普遍较高,有的高于20%,平均粒径达到53μm[5];如果以生物质为燃料,其灰渣的灰熔点低,易结渣,灰成分主要以铁、钙、铝、钾和钠为主,与以煤为原料灰的化学组成明显不同[11];如果用流化床焚烧城市垃圾,灰中大多含有一定量重金属离子,如铅汞等[12]。作为循环流化床灰渣的底渣和飞灰是两种类型的粉煤灰,由于在流化床内停留时间不同,因而它们的特性也不同,一种典型的流化床飞灰和底渣物理和化学特性见表1和表2[1,7]。2.1　底渣的特性

底渣平均粒度较粗,因而渗透性能好,密度为大约2500kg/m3,比表面积较小,氧化钙含量占的比重较大,有的已达50%以上,自由钙含量也较大,但水硬活性差,见表1和表2。2.2　飞灰的特性

。

循环流化床飞灰量大,有的飞灰比重占锅炉排灰量80%;飞灰含炭量一般在10%以上,有的高达20%;飞灰一般呈灰白色或深灰色,平均粒径细,密度低,比表面大,有一定量的自由氧化钙还未与二氧化硫反应,水硬活性较低渣高,见表1和表2。

2　循环流化床灰渣的特性

影响流化床灰渣特性的因素较多,其中燃料不同对灰渣特性的影响也不同。如以无烟煤为原

可年产灰渣9.22×105m3,其中煤灰占39%,脱硫剂占61%[1～2]。随着循环流化床锅炉

收稿日期:2002-03-20;修改日期:2002-08-18

基金项目:国家973项目循环流化床脱硫基金资助项目(G1999022204);中国博士后基金资助项目(2002-11)作者简介:李登新(1965-),男,山东邹城人,清华大学副教授1

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・6・

热能动力工程　　　　　　　　　　　　　2003年

表1　飞灰的物理特性

虽有一定的水硬活性,但在水泥

灰渣特性底渣

飞灰

生产应用中却受到限制,目前只灰渣量/%

2080松堆积密度/kg・m-31460439有部分作为水泥添加剂,而大多压实堆积密度/kg・m-31610844作为一些较简单的利用,如制砖、水分/%

3250铺路和用作填土等。为此必须开颗粒平均尺寸/mm0.650.012密度/kg・m-325001900发活化工艺,如热水活化工艺和渗透度/cm・s-13.1×10-4

7.7×10-9

蒸汽活化工艺,以提高其水硬活比表面积/m2・g-11.0823.8性[7,11～12]。

抗压强度(×6.894kPa)1天,100%水养护41±6>63表2　飞灰和底渣的化学特性3天,100%水养护18±21028±556AshFlyashBedashBedash,

7天,100%水养护19±31962±326<1mm14天,100%水养护

14±31137±150

Na2O/%0.360.640.50风干

39±21356±24K2O/%<0.700.89<0.4528天100%养护

42±111695±90MgO/%0.500.660.64干湿交替54±201360±59CaO/%33.2647.6949.83Fe2O3/%13.353.663.913　循环流化床灰渣利用进展

Al2O3/%5.406.134.72SiO2/%11.6420.5818.92P2O5/%<0.16<0.16<0.093.1循环流化床底灰利用现

TiO2/%0.240.200.15状

[1,4,10]

SO3/%15.7317.2319.60由于循环流化床锅炉是属低

C/%15.431.750.18温燃烧,燃烧温度在1000℃以CO3/%1.300.700.53下,而且循环流化床锅炉的底渣S/%6.296.897.84在炉膛停留时间长SO,一般含炭量4/%18.1520.1823.44FreeCa/%

15.3325.1625.47均在3%以下,其灰渣以烧粘土在理论上每一百克

质混合材料为主,化学成分SiO灰中含有的氧化钙2、与水完全反应所需6.90

11.34

11.46

A12O3、Fe2O3、CaO和MgO等占要的水量/g90%以上,矿物组成主要为占原

　　注:SO3%=S%×2.5

煤中50%以上的高岭石在1000

FreeCaO=M2/M1

℃以下燃烧形成的具有活性的无M1—在底灰或飞灰中CaO含量;M2—在底灰或飞灰

定形偏高岭石。资料表明,煤中中能与水反应的CaO含量。

粘土矿物在500℃时开始脱水,312　循环流化床飞灰利用现状800℃左右大量的碳酸盐分解,3.2.1　作为燃料循环利用的回

在1000℃以下还伴有少量的燃技术[6,13～14]

CA、CF、C2F、C5A5等生成,因此具由于飞灰中有一定的炭含有一定的水硬活性。为此利用其量,因此国内外大多采用飞灰回含炭量低和水硬活性特点可以作燃技术,将收集到的飞灰与煤掺为水泥的原料。

混,送回锅炉,使飞灰燃尽,能降我国在灰渣的基础研究和新低煤的加入量。同时由于飞灰中的开发应用方面取得了不少进含有一定量的脱硫剂,还可以提展,粉煤灰硅酸盐水泥也已得到高流化床的脱硫率或降低脱硫剂了较为深入的研究,成为重要的的加入量。但是由于飞灰颗粒平水泥品种之一。我国的灰渣的综均直径小于53μm,其分离器的合利用不足30%,水硬活性略差捕作能力不足以使这样的颗粒参一点,因此循环流化床锅炉灰渣,

与循环,飞灰在流化床中停留时

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间不长,因而回燃效果和脱硫效

果不明显。如果在加压流化床中采用飞灰回燃技术,则飞灰在流化床中停留时间加长,燃尽度和脱硫能力加强[15]。

3.2.2　用作脱硫剂的技

术[8,16～21]

为了充分利用飞灰中氧化钙进一步脱硫,降低流化床脱硫钙硫比,研究了几种技术可提高飞灰的再循环脱硫能力。3.2.2.1　压片或造粒技术[20～21]

由于飞灰粒度细,停留时间短,还未充分燃烧就以飞灰的形式离开锅炉,为此可以利用造粒技术或压片技术,将细小颗粒压成片状或用造粒法将飞灰制成颗粒状,然后送回流化床参加脱硫和燃烧。造粒技术就是利用圆盘造粒机将用水活化的飞灰制成一定粒径的颗粒;压片技术就是利用一定的压力,将飞灰压成一定大小的压片。飞灰经过压片或造粒,单位体积重量提高,飞灰在流化床中的停留时间增加了,燃尽率和脱硫率也大大提高。缺点是生产压片或造粒需要另外增加设备和动力,很难和锅炉一体化,也不能连续生产,因而再利用费用高。

3.2.2.2　水活化再循环利用技

术[16～19]

虽然飞灰中氧化钙含量高,但是活性氧化钙的量不高。这是由于飞灰中含有新生成的硫酸钙外壳,将未反应的氧钙覆盖,而且氧化钙与二氧化硫反应后生成的硫酸钙摩尔体积大,将氧化钙的孔堵塞,大大降低了飞灰中氧化钙的比表面积。为此用水和飞灰在一定的温度下反应,氧化钙活化为氢氧化钙,不但其孔结构和比表面积大大改善,而且大部分未参与脱硫的氧化钙因活化反应

第1期　　　　　　　　　　　李登新,等:循环流化床灰渣利用研究进展・7・

脱离硫酸钙的覆盖而暴露出来,经过脱水、氧化等预分解过程,从

增加了与二氧化硫接触的机会,炉膛飞出的未燃尽飞灰,经由烟活化后的飞灰再循环使用,大大气分离器与除尘器分离下来,而提高脱硫能力。

后送入煅烧床,在1200℃以上研究表明,飞灰活化程度除温度煅烧后,使得原矿物成份分了与飞灰的化学组成有关外,与解重结晶,生成C3S、C2S、C3A、水化条件关系密切。一般水化时C4AF等水硬活性矿物成分,再由间越长,水活化温度越高,飞灰的分离器将飞灰分离下来,通过分活化程度越大,飞灰再脱硫的能选器,选出合格灰,而高温烟气重力越强。但是如果用水蒸气活化新送回到炉膛。本解决方案的特飞灰,活化速率不如用热水活化点是将循环流化床锅炉与水泥锻快。

烧连成一体,这不仅提供了循环当然水活化方法没有从根本流化床锅炉飞灰综合利用的一种上改变飞灰的粒度分布结构,因方法,同时,也为循环流化床锅炉而活化后的飞灰在流化床内停留飞灰直接生产高标号水泥提供了时间增加的不多,活化后飞灰脱可能,此技术将大大节省投资。硫率的增加有一定的限制。另外如果煅烧的飞灰不符合水泥飞灰活化时间如果太长,水化工质量要求,可以在煅烧前加入适艺与锅炉系统的连续性就难掌量的湿石灰石或湿石灰烟气脱硫握。

(FGD)残渣,特别是加入含非石3.2.3　用作水泥生料或熟料的

膏FGD残渣,能够大大提高飞灰技术[4,22～25]

的水硬活性[22]。

由于飞灰中炭含量高,且飞另外,如果飞灰炭含量低,可灰在低温下生成,与构成水泥活以直接通过水化改进飞灰活性,性的主要水硬活性矿物成份从而提高飞灰水泥的标号。水化C3S、C2S、C3A、C4AF等相比,水硬

方法见3.2.2.2。

活性略差,因此为了提高飞灰品3.2.4　飞灰处理用于土壤改

质及活性,可采取再煅烧的措施,良[26]

再煅烧工艺流程见图1。

城市垃圾脱水后与飞灰混合,堆积一定时间,当反应处理到混合物土壤成分达到60%左右,土壤改良剂就制成了。该技术利用飞煤灰的碱性物质提高飞灰混和物的pH值至12,达到杀死病原体而又能保持细菌分解有机物质的目的。这种土壤改良剂在国外己经达到年产百万吨的水平,且由于其含有大量的土壤需要的微量元素,市场前景十分看好。如果经过改良,能用作沙漠改良图1　飞灰的再煅烧活化剂,应用前景更广。该技术简单,原煤与石灰石通过循环流化且容易操作,在我国推广十分方床锅炉的燃烧,其矿物组成部分

便。3.2.5　飞灰的自身净化和二恶

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英的脱除[9,27]

由于循环流化床在焚烧垃圾时,燃烧温度不高或燃烧不完全等原因,产生二恶英,它是由苯环与氧、氯等组成的芳香族化合物,毒性最强的是2、3、7、8四氯联苯(2、3、7、8TCDD),分子式为:

二恶英被认为是能使人类致癌、畸形、皮肤感染和影响人类生殖的微量污染物,1983年日本的爱媛大学川凉教授发现了在垃圾处理焚烧厂的飞灰中存在毒性很强的二恶英,因此如何处理飞灰中的污染环境和人类的二恶英显得十分重要。另外在流化床飞灰中还存在对环境有害的重金属离子(如铅)等,也需要净化处理才能再利用。

图2　飞灰中二恶英的

分解装置示意图图2给出了一种典型的垃圾焚烧飞灰脱除二恶英和铅等有害物质的装置图。该方法称为飞灰团聚再燃烧处理法。首先将垃圾焚烧飞灰与磷酸盐添加剂和熟水泥混合并造粒,然后将造粒混合

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热能动力工程　　　　　　　　　　　　　2003年

物在图1所示的装置上焙烧。焙炉,1999,57(1):52-53.

烧炉为流化床,焙烧温度为800[5]　于光辉,路霁令鸟,郭庆杰,等.循环流

～1100K,焙烧结果显示:99%以化床锅炉飞灰残炭生成机理[J].煤炭上的二恶英分解转化,2000,23(3):19-25.

,75%以上的铅[6]　刘德昌.流化床燃烧工业技术应用

固定下来,变成无污染的物质,可[M].北京:中国电力出版社,1998.以进一步加工利用。[7]　ROBERTBR.Hydrationofpartiallysul2

3.2.6　飞灰的其它利用

fatedlimewithwater[A].15thInterna2流化床飞灰还有一些常规的tionalConferenceonFluidizationCombus2用途,如飞灰最常用的方法是做tion[C].ASME,1999.620-640.[8]　HEINSCHELKL.Improvinglimestoneu2

空心砖等墙体材料,还可以做地tilizationincirculationfluidizationbed面砖,分离细颗粒碳做活性炭等combustionsthroughthereactivationand材料[1]。当然由于飞灰的组成不recycleofpartiallyutilizationintheash同,利用方式和用途不同,限于篇[A].13thInternationalConferenceon幅,不再赘述。

FluidizationCombustion[C].ASME,1995.831-840.

[9]　DONALDW,GEILINGPE.Reburning

4　结束语

ofpelletizedflyashinfluidizedbedincin2eratorfordioxlindecompositionsandash随着循环流化床技术在我国

disposal[A].16thInternationalConfer2的逐步推广,循环流化床飞灰—enceonFluidizationCombustion[C].ASME,2001.1020-1035.

特别是高炭飞灰的循环及利用也[10]　韩怀强,蒋挺大.粉煤灰的利用技术

显得十分重要。根据我国流化床[M].北京:化学工业出版社,2001.飞灰含炭量较高的特点,适时开[11]　HAMEHAYAS,TOMOSAWAF.Effects

发流化床新的飞灰水化回燃技ofwater/powderratio,mixingratiooffly术,以提高热效率降低能耗和氧ash,andcuringtemperatureonpozzolanic化钙高的利用率reactionofflyashincementpaste[J].,同时该技术能CementandConcreteResearch,2001,够和循环流化床整个系统的运行31(2):31-39.

配套。[12]　PAYAJ.Enhancedconductivitymea2

surementtechniquesforevaluationoffly参考文献:

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(何静芳　编辑)

第18卷(总第103期)　　　　　热能动力工程　　　　　2003年1月

微型燃气轮机技术=MicroGasTurbineTechnology[刊,汉]/YANGCe,LIUHong2wei,LIXiao,etal(InstituteofVehicleandTransportationEngineeringundertheBeijingUniversityofScience&Technology,Beijing,China,PostCode:100081)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2003,18(1).-1～4

High2efficiencymicrogas2turbinepowergeneratingsetsareusedinavarietyofengineeringsectors,suchasaeronauticsandastronautics,distributedelectricpowergeneration,auxiliarypowerplantsformilitaryvehicles,andhybridpoweru2nitsforautomobiles,etc.Inviewofthis,thestudyofthistypeofpowerplantsisofmajorpracticalsignificance.Thede2velopmenthistoryofthemicrogasturbinesisfirstpresented,brieflydescribingthechangesinstructureexperiencedbysuchturbinesoverthepastfourdecades.Thisisfollowedbytheenumerationofsomeproblemsdemandingcloseattentionduringthedesignofthemicrogasturbinekeycomponents.Inconclusion,theauthorsreviewedtheresearchworkcon2ductedbysomeChineseinstitutionsengagedinthisrealmofstudy.Keywords:microgasturbine,auxiliarypowerunit,hybridpowerunit

循环流化床灰渣利用研究进展=RecentAdvancesinaStudyontheUtilizationofCirculatingFluidizedBed(CFB)AshResidue[刊,汉]/LIDeng2xin,LUJun2fu,GUOQing2jie,etal(ThermalEnergyDepartment,TsinghuaUniversity,Beijing,China,PostCode:100084)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2003,18(1).-5～8

Onthebasisofanalyzingthecharacteristicsofcirculatingfluidizedbed(CFB)ashresidueabroadoverviewisgivenoftherecentadvancesbothathomeandabroadinthecomprehensiveutilizationofCFBflyash.OwingtoitslowcarboncontentandthepresenceofacertainhydraulicactivitytheCFBashresiduecanbeuseddirectlyforthefabricationofce2mentorbuildingmaterials.However,thehighcarboncontentandpoorhydraulicactivityoftheflyashmakeitnecessarytodevelopsomerelevanttechnologiespriortousingit.Thelatterincludethepelletingofflyashforitsreturnburning,thedirectsendingbackofflyash,anditssendingbackfordesulfurizationfollowingitshydration,itsuseasarawmateri2alforthemanufactureofcementandalsoassoilameliorativeagents,etc.Keywords:circulatingfluidizedbed,flyash,low2carbonash,processingandutilization

用PIV法研究燃气轮机冷却叶片的冷却空气流场=AStudyoftheCoolingAirFlowFieldofGasTurbineCooledBladesthroughtheUseofaPIV(ParticleImageVelocimetry)Method[刊,汉]/LIANGChen,LIWei2shun,SUNShu2lan(HarbinNo.703ResearchInstitute,Harbin,China,PostCode:150036)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2003,18(1).-9～12

APIV(particleimagevelocimetry)methodisemployedtomeasurethevelocitydistributioninacomplicatedinternalcoolingchannelofthefirst2stagerotatingbladesofagasturbine.Thetestrig,testmethodandresultsaredescribedalongwithananalysisofthecooling2airflowconditionsanditsdistributionmodes.Keywords:gasturbine,cooledblades,particleimagevelocimetrysystem,tests

汽轮机组回热系统故障诊断知识的模糊处理及诊断研究=AnInvestigationontheFaultDiagnostic2knowledgeFuzzyTreatmentandtheDiagnosisoftheRegenerativeHeatingSystemofaSteamTurbineUnit[刊,汉]/LUXu2xiang,LILu2ping(PowerEngineeringDepartment,ChangshaUniversityofElectricPower,Changsha,China,PostCode:410077),HUNian2su(PowerandMechanicalCollegeundertheWuhanUniversity,Wuhan,China,PostCode:430072)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2003,18(1).-13～16

Aknowledgedatabaseoftypicalfault2samplemodesandreal2timefaultmodesfortheregenerativeheatingsystemofasteamturbinehasbeensetupbasedontherecognitionofcommonfaultsandsymptomsspecifictotheregenerativeheatingsystemofathermalpowerplant.Thiswasaccomplishedthroughtheuseoffuzzymathematicsknowledgeandrelatedtheo2rieswithregardtothevariouschangedirectionsanddegreesofthefaultsymptomparametersoftheregenerativeheatingsystem,usingdifferentvariationgradesandthresholds.Meanwhile,byutilizingaradialbase2functionnetworkbasedonaMATLABenvironmentestablishedwasafaultdiagnosticmodelfortheregenerativeheatingsystem.Moreover,aneuralnetworkmodelhasbeenverifiedthroughthesimulationoftypicalfaultsbyapowerplantsimulator.Practiceindicatesthat

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