替代燃料（精选九篇）
替代燃料 篇1
Subcoal是一种高质量、废物衍生的代用燃料,通过专利技术将几种不可回收垃圾转为高质代用燃料,已在欧洲各地不同的水泥窑上使用。Subcoal粒径为8mm,具有较强的疏水性能,即使在水中浸泡两周,其物化性能也无较大变化,因而可在露天储存。其容重较常用的不可回收的纸塑料衍生燃料重些,约450kg/m3,运输费用也相对较低。
1轮胎衍生燃料的替代选择
TDF(轮胎衍生燃料)是水泥工业使用最为普遍的代用燃料,随着市场价格上涨及其在水泥窑内燃烧时工艺性能问题的出现,生产取代轮胎的衍生燃料是有利的。
轮胎衍生燃料是高热值、高含硫、低氯的燃料。通常将其喂入窑系统的上升管道内,若喂入的废轮胎块太大,则在窑内形成不完全燃烧,易产生二氧化硫挥发,在窑尾和上升烟道形成结皮结圈堵塞及熟料大块问题。若废轮胎块太小,易随烟气后逸,在最低一级预热器内燃烧,形成操作问题。而Subcoal衍生代用燃料能在合适的位置快速燃烧,减缓轮胎衍生燃料所出现的问题。
通常,经切割入窑系统的轮胎碎片约40~50mm,在燃烧时易产生波动,所释放的能量不稳定,易使窑操作不稳定。而燃烧Subcoal衍生燃料,在最下一级预热器进行断面检测时,温度十分稳定。
轮胎内含有金属丝,碎片入窑后易形成球状,阻碍轮胎碎片入窑。生产表明,在24h内,连续稳定地将Subcoal衍生燃料喂入窑内,窑况十分稳定,燃料代用率达16%,上述情况经技术优化后还能有所改进。
Subcoal衍生燃料内所含的氯较TDF废轮胎碎片高,在窑内燃烧则产生氯结皮问题,在采用前需进行氯平衡计算。若氯含量超过设计要求,则应采取相应措施,如设置空气炮清除结皮。若氯含量过高影响熟料质量或生产,则需设置旁路放风,以减缓此类燃料燃烧产生的氯结皮、结圈问题。
2共同研磨概念
近年来,一些水泥企业使用代用燃料取代原料使用的煤和石油焦,然而许多公司在使用代用燃料时,却发现代用燃料的物化性能和煤、石油焦有所差别,因而取代初期有一定的难度,往往需要投资改造或增加装备来满足生产需求。Subcoal衍生燃料的优点是,先将衍生燃料与煤混合,然后在N+P公司设计的磨机内进行粉磨,也可在水泥厂现有的球磨和辊式煤磨内进行粉磨,粉磨时的煤混合量随生产所需加入,因而在使用Subcoal衍生燃料过程中,可逐步增加其用量,能减缓生产过程中所出现的问题。
3其他代用产品
N+P回收利用公司还生产Subcoal羽绒衍生代用燃料,产品一般<10mm,其容重较城市生活垃圾大些,>350g/m3,较疏松的垃圾便于运输。
4结语
替代燃料 篇2
09化工（2）班
摘要“十二五”期间，自主乘用车在企业平均燃料消耗量满足国家第三阶段油耗法规限值基础上，推出燃料消耗量再降8% 的产品，开发满足下一阶段油耗限值的关键技术。在传统节能技术方面，一汽将从“高效动力、减轻自重、降低阻力、智能控制”四个方面，打造传统节油技术优势。在新能源方面，“十二五”期间，一汽将投资98亿元，打造乘用车纯电动、混合动力、插电式混合动力和商用车纯电动、混合动力等8个新能源产品平台，共计开发21款新能源新车。
目前以甲醇燃料电池技术最为成熟。国外各大石油公司和汽车均在致力于燃料电池汽车的研发以抢占在未来汽车发展中的滩头。
关键词：可代替型新能源、节能、环保、、可再生能源。
一、新能源汽车的种类及其特点
1．１ 天然气汽车和液化石油气汽车
天然气汽车又被称为“蓝色动力”汽车，主要以压缩天然气（ＣＮＧ）、液化天然气（ＬＮＧ）、吸附天然气（ＡＮＧ）为燃料，常见的是压缩天然气汽车（ＣＮＧＶ）。液化石油气汽车（ＬＰＧＶ）是以液化石油气（ＬＰＧ）为燃料。ＣＮＧ和ＬＰＧ是理想的点燃式发动机燃料，燃气成分单
一、纯度高，与空气混合均匀，燃烧完全，ＣＯ和微粒的排放量较低，燃烧温度低因而ＮＯｘ排放较少，稀燃特性优越，低温起动及低温运转性能好。其缺点是储运性能比液体燃料差、发动机的容积效率较低、着火延迟期较长。这两类汽车多采用双燃料系统，即一个汽油或柴油燃料系统和一个压缩天然气或液化石油气系统，汽车可由其中任意一个系统驱动，并能容易地由一个系统过渡到另一个系统。
1．２醇类汽车
醇类汽车就是以甲醇、乙醇等醇类物质为燃料的汽车，使用比较广泛的是乙醇，乙醇来源广泛，制取技术成熟，最新的一种利用纤维素原料生产乙醇的技术其可利用的原料几乎包括了所有的农林废弃物、城市生活有机垃圾和工业有机废弃物。目前醇类汽车多使用乙醇与汽油或柴油以任意比例掺和的灵活燃料驱动，既不需要改造发动机，又起到良好的节能、降污效果，但这种掺和燃料要获得与汽油或柴油相当的功率，必须加大燃油喷射量，当掺醇率大于１５％—２０％时，应改变发动机的压缩比和点火提前角。乙醇燃料理论空燃比低，对发动机进气系统要求不高，有较高的抗爆性，挥发性好，混合气分布均匀，热效率较高，汽车尾气污染可减少３０％以上。
1．３氢燃料汽车
氢是清洁燃料，采用氢气作燃料，只需略加改动常规火花塞点火式发动机，其燃烧效率比汽油高，混合气可以较大程度地变稀，所需点火能量小，有利于节约燃料。氢气也可以加入其它燃料（如ＣＮＧ）中，用于提高效率和减少Ｎ０２排放。氢的质量能量密度是各种燃料中最高的一种，但体积能量密度最低，其最大的使用障碍是储存和安全问题。宝马公司一直致力于氢气发动机研制，开发了多款氢发动机汽车，其装有Ｖ１２氢发动机的７系列轿车是世界上首批量产的氢发动机，该发动机可使用氢气和汽油两种燃料。
1．４二甲醚汽车
二甲醚（ＤＭＥ）是一种无色无味的气体，具有优良的燃烧性能，清洁、十六烷值高、动力性能好、污染少，稍加压即为液体，非常适合作为压燃式发动机的代用能源，使用该燃料的车辆可达到超低排放标准。二甲醚汽车（ＤＭＥＶ）不会排放黑色气体污染环境，产生的ＮＯＸ比柴油少２０％。
1．５气动汽车
以压缩空气、液态空气、液氮等为介质，通过吸热膨胀做功供给驱动能量的汽车称为气动汽车，气动发动机不发生燃烧或其他化学反应，排放的是无污染物辐射的空气或氮气，真正实现了零污染。目前开发比较成功的是压缩空气动力汽车（ＡＰＶ），工作原理类似于传统内燃机汽车，只不过驱动活塞连杆机构的能量来源于高压空气。ＡＰＶ介质来源方便、清洁，社会基础设施建设费用不高，较容易建造。无燃料燃烧过程，对发动机材料要求低，结构简单，可借鉴现有内燃机技术因而研发周期短，设计和制造容易。但目前ＡＰＶ能量密度和能量转换率还不够高，续驶里程短。
1．６ 电动汽车
世界上第一辆电动车（ＥＶ）由美国人在19世纪90年代制造。ＥＶ大致分为蓄电池电动汽车（ＢＥＶ）、燃料电池电动汽车（ＦＣＥＶ）和混合动力电动汽车（ＨＥＶ）。电动汽车的一个共同特点是汽车完全或部分由电力通过电机驱动，能够实现低排放和零排放。
蓄电池电动汽车是最早出现的电动汽车。使用铅酸电池的汽车整车动力性、续驶里程与传统内燃机汽车有较大的差距，而使用高性能镍氢电池或者锂电池又会使成本大大增加。燃料电池具有近65％的能量利用率，能够实现零排放、低噪声，国外最新开发的高性能燃料电池已经能够实现几乎与传统内燃机汽车相当的动力性能，发展前景很好，但成本却是制约其产业化的瓶颈。
混合动力汽车融合了传统内燃机汽车和电动汽车的优点，同时克服了两者的缺点，近年来获得了飞速发展，并已经实现了产业化和商业化。目前我国自主品牌-比亚迪，在这领域占有一席之地。其代表作E6，F3DM就是采用电动的混合动力。
1．７ 以植物油为燃料的汽车
为了寻找可代替石油的新能源，科学家也将目光投向了植物油，正在研制以植物油如大豆油、玉米油及向日葵油为原料的内燃机油。科学家们还在研究生物柴油，这是一种以植物油为原料的燃料，将来可作为柴油的替代品大量用于卡车和轮船。生物柴油中不含硫，因此不会对环境造成酸雨威胁。为生产生物柴油，化学家们正在对植物油进行酯化加工，使之变成甲基酯化合物，燃烧起来更干净，发动机内残留物也较少。
二、使用天然气作汽车代用燃料的优点
天然气的主要成分是甲烷((950/o-98%)和少最的乙烷、丙烷等，天然气作为汽车燃料已有40多年的历史，天然气作为汽车的代用燃料，其主要优点是:
①辛烷值高(可达120以上)，抗爆性好，可通过提高发动机的压缩比的办法，提高发动机的热效率。
②天然气本身是气态，与空气混合均匀，燃烧完全，不结炭，可提高热效率10%以上。
③对环境污染小。汽车使用天然气与使用汽油相比，一氧化碳(CO)减少97%,碳氢化物(HC)减少72%,氮氧化物(NOx)减少39%，二氧化碳(COQ)减少24%，二氧化硫(SO=)减少90%，苯、铅等粉尘减少100%,噪声降低40%。
④天然气进入发动机气缸内时是气态，对润滑油无冲刷稀释作用，有利于延长机油的使用寿命和减少机油的消耗量，发动机磨损也相应减少。
⑤用天然气作发动机燃料，其嫌料费用是汽油车的2/3(天然气尽管其热值较汽油略低，但其价格便宜)，由于燃料燃烧完全，无结炭，无爆震，汽车使用寿命大大延长，维修费用仅为汽油车的70%。
⑥安全性好.天然气相对密度较空气小，为0.58,‘旦发生泄漏，会很快在空气中消失。但汽油不易扩散，一遇火星，易于着火。
天然气的热值较汽油低，使用天然气时，如不改变发动机的结构参数，发动姆的功率要下降10%–18%。但天然气的辛烷值高，可通过提高发动机的压缩比的方法来提高发动机的功率，从而弥补由于热值低带来的功率下降，天然气的着火极限较汽油宽，它可在a=0.58-1.8的范围内着火燃烧，这样有利于燃烧稀混合气，提高使用天然气汽车的燃料经济性。
二、天然气作汽车代用燃料的使用方法
天然气作为汽车燃料使用有三种方法:储气包、压缩天然气和液化天气。①储气包(低压气)
储气包是将天然气装在储气包内(储气包用帆布两面涂橡胶制成)，充满天然气的气包放在汽车顶上。供气系统非常简单，只需在化油器中体与’卜体间装一进气阀座即可，这样既可用天然气，必要时又可以烧汽油。由于储气包可承受的压力低，因而装载的天然数量少，汽车的行驶距离短，加气次数多。此外，储气包装在汽车顶部，汽车的行驶阻力增大，从而限制了汽车的行驶速度。由于需带储气包，在货车上难以使用。尽管如此，因天然气价格便宜，如有来源，短途公
共汽车用储气包法装载使用天然气是可行的。
②压缩天然气(CNG)
压缩天然气是将天然气用压缩机加压到20MPa装入高压瓶中。高压瓶放在大梁与车箱之间，经减压后供发动机使用。当今世界上CNG汽车绝大多数是用原来的汽油汽车改装的。汽油车的改装从理论到实践基本成熟，而用柴油车改装CNG汽车正处在试验研究阶段。用汽油车改装的CNG汽车称为CNG、汽油两用燃料汽车，可用两种燃料中的任何一种，但二者不可混合使用。
高压气瓶中的CNG压力为20M Pa，经三级减压阀将压力由20MPa减压至-50–70pa。当用CNG作燃料时，将截止阀打开，CNG经三级减压阀、动力阀、混合器，与空气混合后进入发动机气缸.由于CNG经三级减压阀后是负压:所以只有当发动机转动后，依靠吸力才能将天然气吸入，这样就防止了当截止阀打开，而发动机未起动时，造成天然气经空气滤清器泄漏出而发生事故。这种CNG系统的混合器是开式的，动力阀是用来调节天然气气量的。
用汽油车改装的CNG汽车，天然气是以气态与空气混合经进气管进入汽缸。在发动机同一转速下产生的负压，将混合气经原进气歧管吸入气缸，由于进气歧管面积未变，因而进入的空气量约少10%(因天然气与空气的最佳混合比为1:10，一般要调整到这个比例)，所以发动机的功率与使用汽油相比要下降一些。储存CNG用的气瓶，其材料有铝合金、优质合金钢以及优质合金钢薄壁钢瓶外绕高强度人造纤维。为满足行驶距离的要求，需安装多个高压气瓶。高压气瓶的自重较大，这无疑会影响汽车的载重量和载物空间。高压气瓶若遇汽车着火，当气瓶温度升到l00℃时，储气瓶的安全阀易熔合金就会熔化，爆破片在26MPa压力下爆破而泄放天然气，不致引起高压气瓶爆炸.使用天然气作汽车代用燃料与使用液化石油气作汽车代用燃料，两者在燃料的使用方法上基本上相同。同样，使用天然气作为汽车代用燃料时，需要在使用区域建立相应的加气站。
参考文献
[l] 李胜茂（中投顾问新能源行业研究员）2010-2015年中国新能源汽车产业投资分析及前景预测报告(上中下卷)
[2] 陈斌:新能源汽车发展有两点急需注意访谈
[3] 来源：东风电动车辆股份有限公司
醇醚替代车用燃料符合中国国情 篇3
会议听取了厂方代表，上海内燃机研究所代表及用户代表关于赛孚牌高清洁车用M50甲醇汽油项目（产品）研发、检测和应用情况介绍。
与会专家和领导一致认为M50甲醇汽油研发成果变产品，产品商品化过程中“赛孚人”做了大量前瞻性的工作。
1．上海赛孚燃油发展有限公司研发生产的M50甲醇汽油是以50%的甲醇和50%的90号普通汽油按标准比例，添加少量助剂改性混合而成。该产品技术为国内领先水平，解决了大比例甲醇催化燃烧技术和尾气净化，互溶性与分层，低温起动，高温气阻，发动机零部件材料腐蚀性问题。其特点是：
适应性好。M50甲醇汽油分子量小，蒸发潜热大，有效提高了发动机热效率。辛烷值高，抗爆性好，动力性强，发动机噪音低；大压缩比车辆行车里程油耗与普通汽油相当，小压缩比车辆功率约降低5—10%。
环保性好。M50甲醇汽油通过添加剂改性，含氧量高，燃烧充分，其生成的有害气体比汽油低，尾气污染排放量少；排放指标达到了欧洲3号标准，接近欧洲4号标准。
腐蚀性小。M50甲醇汽油单车行驶17万公里，经上海内燃机研究所解体表观检查证明，腐蚀性与常规汽油类同，未发现塑料、橡胶、金属等零部件有腐蚀现象。
2．该项技术成果被认定为上海高新技术成果转化项目，产品有上海市产品质量监督局核发的产品质量企业标准，工厂有危险货物港口作业许可证，港口经营许可证和安全生产许可证。为对用户负责，该产品由中国太平洋财产保险股份有限公司上海分公司提供了2亿元人民币产品质量责任保险。一年多的销售和近20万辆车次的使用，用户反映良好，没有一例质量投诉。
3．赛孚牌M50甲醇汽油已与上海市外贸公司签订了出口东南亚的销售合同，首批为5000吨，用户要求全年按30—50万吨供货。
4．醇醚替代车用燃料符合中国国情和产业政策；醇醚燃料是替代石油燃料的发展方向，具有战略性的意义。
5．M50甲醇汽油替代化石燃料量比大，环保效果好，从量化和时空观点看，是替代车用清洁燃油的最佳选择。其意义：一是有利于国家2007年7月1日推行国标车用燃油3号标准的实施。二是从石油持续涨价和我国进口石油逐年递增因素考虑，M50甲醇汽油和甲醇柴油（正在研发中）的替代作用关系到国家进口、外汇和能源安全问题。三是从能源资源综合利用与合理利用来讲，甲醇车用燃料的推广可以拉动甲醇销售市场，带动甲醇产业的发展，促进甲醇原料的多元化、合理化与廉价劣质煤原料的增值和环保利用。
6．赛孚牌清洁车用M50甲醇汽油尚需从以下三个方面做好研究和开发工作。一是要进一步做好环保性和动力性能的测试工作。二是继续做好发动机及油品储运工艺设备的测试工作。三是继续做好不同比例甲醇汽油与改性甲醇汽油的品质稳定性和成本经济性的分析与对比。
参会专家认为赛孚牌清洁车用M50甲醇汽油的标准编制是市场准入的关键，国家标准的出台需要时间和过程。建议：从国家标准着眼，行业标准入手，试行企业标准。通过示范工程和区域应用积累和总结经验，逐步修订完善，每年组织1—2次标准试行交流研讨会，由国家能源标准委员会组织，企业、协会参加，把制定甲醇汽油标准列入专项课题，提供专项费用。加快国家标准的编制、修订与实施。
M50甲醇汽油的推广要有前瞻性，在做好技术经济专题研究攻关的同时，集中人、财、物力搞好全国推广实施规划的调研与编制，做到近期示范推广与中长期持续发展结合。通过资源和市场调研、评价，统筹布局、总体规划、分期实施、避免重复建设造成资源浪费与无序竞争。
赛孚牌清洁车用M50甲醇汽油的推广要有“只争朝夕”的精神，急国家所想，社会所需。把清洁车用甲醇汽油（柴油）的研发推广与实施国3号车用燃油标准对接，作为“节能减排”，能源替代和资源合理利用的大事来抓落实。当务之急是扩大示范，以点带面，对资源配置合理，市场需求量大，交通方便有条件的地区建立示范项目工程。充分发挥民营和国有大中企业的优势，鼓励利用国内外两种资源，两种资金，创造条件设立“节约示范工程”专项发展基金，促进甲醇生产、甲醇车用燃油调配与储运设施项目工程的建设。
替代燃料的燃料消耗量计算方法 篇4
节能和减排是目前国内外汽车产业发展的一个重要目标, 在这个指导思想下, 国内外出现了众多的替代燃料, 如CNG、LNG和LPG、燃料乙醇、生物柴油、煤质燃油以及醇醚类混合燃料等。随着替代燃料的发展和燃用替代燃料汽车保有量的增长, 如何准确测量替代燃料汽车的燃料消耗量对替代燃料的发展具有重要意义。
传统上使用流量计进行燃料消耗量的测量, 但对于替代燃料, 由于两相流的存在, 很难使用气体流量计或液体流量计进行准确的测量, 其他如称重法、压力法等测量方法也都存在着不同的局限。近几年随着碳平衡原理的广泛应用, 汽车行业开始使用碳平衡法进行替代燃料的燃料消耗量测量, ECE法规第101号第三版[1]引入了部分种类替代燃料的燃料消耗量测量方法, 国内在2012年发布了GB/T29125-2012《压缩天然气汽车燃料消耗量试验方法》, 但这些法规标准只规定了特定燃料的计算方法, 对于其他各种替代燃料, 试验人员不易得到其特定计算系数。
本文从碳平衡的原理入手, 分析了碳平衡的两个方面:燃烧前后的碳原子数不变和稀释前后的碳原子数不变, 进而由碳氢比、碳质量分数推导出了替代燃料的碳平衡计算公式。
2 碳平衡原理
碳平衡原理的基础是拉瓦锡在1789年出版的《化学纲要》中阐述的物质守恒定律[2], 即反应物的质量之和等于生成物的质量之和。化学反应的过程, 就是参加反应的各物质 (反应物) 的原子, 重新组合生成其他物质的过程。反应前后原子的种类没有改变, 数目没有增减, 原子的质量也没有改变。或者说, 任何变化都不能消除物质, 只是改变了物质的原有形态或结构, 所以该定律又称物质不灭定律。
在碳平衡理论中, 碳平衡主要指在两个过程中碳质量不变:一是燃料燃烧过程, 另一个是排气稀释过程。
2.1燃烧原子不灭与CO2理论浓度
当碳氢化合物在空气中燃烧时, 不管其分子结构如何复杂, 如果恰好完全燃烧, 那么燃料中的碳氢完全转化成二氧化碳和水。假定碳氢化合物燃料的分子式为, 根据原子数守恒, 该燃料完全燃烧时的化学方程式[3]为
由此可以看出, 利用燃料和燃烧产物中的碳质量相等, 通过测量燃烧产物中含碳成分的排放量, 即可计算出燃烧前含碳燃料的质量。
此时, 燃烧产物中CO2的体积浓度Fs[4]可以用CO2分子数与燃烧产物中分子总数的比值来表示:
2.2稀释物质不变与稀释倍数
碳平衡理论中使用定容取样系统进行稀释排气总容积的测量。由于要使用背景空气 (稀释空气) 稀释整个试验过程中的发动机排气, 而发动机在不同工况下的排气量相差很大, 故稀释空气的流量随着发动机排气量的变化而变化[5]。
在化学领域, 发动机排气、稀释空气和稀释排气均可作为CO2、CO和HC的气态溶液, CO2、CO和HC这些需要测量的污染物为溶质, 不含污染物的空气为溶剂。使用稀释空气对发动机排气进行稀释形成稀释排气的过程可以认为是用稀溶液稀释浓溶液的过程。
根据稀释定律, 对一定物质的量浓度的溶液进行稀释和浓缩时, 溶质的物质的量始终不变。设浓溶液 (发动机排气) 的容积为A, 其溶质的浓度为a, 稀溶液 (稀释空气) 的容积为B, 其溶质的浓度为b, 两液混合后 (稀释排气) 溶质的浓度为c。
则可得
假设稀释空气中溶质的浓度为0, 稀释倍数为稀释前溶液浓度除以稀释后溶液浓度所得的商, 即稀释倍数DF为
则式 (3) 可以转化为
实际稀释空气中CO2、CO和HC的浓度不为0, 因此通过公式 (5) 可使用稀释空气中的溶质浓度对稀释排气进行近似校正, 则稀释排气中溶质的校正浓度[4]为
在试验中, 稀释排气浓度c和稀释空气浓度b可由排放分析仪分析得到, 因此稀释倍数[4]可由CO2的理论浓度Fs和稀释排气中含碳溶质的浓度计算得到, 即
3 替代燃料的碳质量分数与碳氢比
不同种类替代燃料的当量分子式不同, 碳氢氧在其中所占的质量比各不相同, 碳质量分数CWF即碳原子质量与燃料当量分子量之比为碳平衡理论中的一个重要参数。
对当量分子式为CcHhOo的燃料, 其碳质量分数为
对于当量分子式未知的混合燃料, 可按照组分燃料的密度ρ和所占比例v计算出该燃料中碳氢氧的质量, 即每升混合燃料中的碳质量CW为
每升混合燃料中的氢质量HW为
每升混合燃料中的氧质量OW为
可得到替代燃料中碳质量分数CWF为
每升混合燃料中碳氢氧的摩尔数分别为
令替代燃料当量分子式中碳原子数为1, 则碳氢氧的原子数分别为
4 替代燃料的燃料消耗量计算
假定汽车运行了S km, 汽车燃料消耗量为FC (L/km) , 燃油密度为SG (kg/L) , 燃料中的碳质量分数为CWF, 那么:
燃料中的碳质量=1 000×CWF×SG×FC×S (15)
按照汽车排放测试标准, 可测量出汽车运行S km后, 排气中CO2、CO和HC的排放量, 分别用CO2, CO和HC来表示, 单位为g/km。根据分子量, 燃烧产物CO2、CO中的碳质量分数分别为0.273、0.429, 未燃HC中碳质量分数等于燃料中的碳质量分数CWF, 所以
排气中的碳质量=
结合式 (15) 和式 (16) 式, 得到燃料消耗量计算公式[6]:
由式 (17) 可知, 对于不同的燃料, 只要得到该燃料的碳质量分数CWF和密度SG, 就可以计算出燃料消耗量FC。
对汽油 (C1H1.85O0) 和乙醇 (C2H6O1) 混合得到的E5乙醇汽油, 计算可得当量分子式为C1H1.887O0.016, 碳质量分数为0.848, 燃烧排气中CO2的理论浓度Fs为13.4%, 燃料消耗量计算公式为
对于汽油 (C1H1.85O0) 和乙醇 (C2H6O1) 混合得到的E85乙醇汽油, 计算可得当量分子式为C1H2.749O0.391, 碳质量分数为0.571, 燃烧排气中CO2的理论浓度Fs为12.5%, 燃料消耗量计算公式为
与ECE法规第101号第三版[1]中规定的E5乙醇汽油和E85乙醇汽油的燃料消耗量计算公式比较可知, 替代燃料的燃料消耗量相关推导过程是正确的, 可用于计算各种替代燃料 (包括混合燃料或单一燃料) 的燃料消耗量相关数据。
5 结论
(1) 碳平衡理论指燃料燃烧前后和排气稀释前后碳质量不变。
(2) 稀释倍数基于燃料完全燃烧和稀释空气中污染物浓度为零的假设, 用于稀释排气浓度的近似校正。
(3) 由组分燃料中的碳质量可计算得到混合燃料的碳质量分数和当量分子式。
(4) 利用燃料和燃烧产物中的碳质量相等, 可得到燃料消耗量计算公式和相关理论数据, 经比较验证, 推导过程正确, 可用于计算各种替代燃料的燃料消耗量。
参考文献
[1]United Nation Economic Commission for Europe.Regulation No.101 Rev.3:Uniform provisions concerning the approval of passenger cars powered by an internal combustion engine only, or powered by a hybrid electric power train with regard to the measurement of the emission ofcarbondioxideandfuelconsumptionand/orthemeasurement of electric energy consumption and electric range, and of categories M1 and N1 vehicles powered by an electric power train only with regard to the measurement of electric energy consumption and electric range”, 12 April 2013.
[2]白雅琴, 郭立新.浅谈质量守恒定律[J].阴山学刊 (自然科学版) , 1996, 12:76-77.
[3]周龙保.内然机学[M].机械工业出版社, 2010.
[4]United Nation Economic Commission for Europe.”Regulation No.83 Rev.4:Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the emission of pollutants according to engine fuel requirements”, 26 April 2011.
[5]石则强, 王伟等.全流定容取样对排气污染物测量精度的影响研究[J].汽车技术, 2011, 6:11-14.
国外水泥工业替代燃料的应用进展 篇5
水泥工业一般以化石燃料如煤、重油和天然气提供所需的热能。在20世纪50年代初,废轮胎作为二次能源在德国水泥行业首次使用。在20世纪80年代末和90年代初,全球经济不景气的背景下,许多水泥企业为了降低运营成本,开始采用替代燃料。美国和欧洲的水泥厂已开始采用一些危险废物燃料。水泥回转窑可以在高温下长时间停留物料,使得熟料具有固废能力,能吸收和固定污染物(如重金属和碱),像废油、废塑料、废旧轮胎和污水污泥等。肉骨粉(Meat and Bone Meal,简称MBM)是从屠宰场得到的一种潜在的替代燃料。除此之外,农作物、工业废物和废电解池(Spent Pot Lining,简称SPL),最近被确定为水泥行业的替代燃料。
2 替代燃料优缺点
替代燃料比化石燃料更便宜,可以为水泥企业降低生产成本。其显著优点是减少不可再生能源的利用,保护环境以及还原保护废物处理场所。有的替代燃料还可以补充水泥生产中的原材料需求。例如,废旧轮胎上的钢丝可用来替换原材料中所需的部分铁的含量。
从传统燃料向替代燃料的转换是一种挑战,因为它们具有不同的特性。替代燃料发热量低,分解炉运行不稳定,容易造成预热器旋风筒堵塞,高SO2、NOX和CO2的排放,窑灰也是一个需要解决的问题。一个潜在的替代燃料的实施约束是最终的熟料组成,因为燃烧的副产物最终被掺入到熟料中。如果这些化合物中有一种元素影响到水泥的质量,那么这种替代燃料就不能应用。采用替代燃料需要调整或更换燃烧器,替代燃料输送系统、新的燃料储存设施和燃料分配系统等也都需要增加投资成本。
3 替代燃料标准修订建议
到目前为止,水泥行业还没有替代燃料的选择标准。一种材料必须符合具体的标准,才能被视为燃料。通常水泥企业根据自己的标准设定替代燃料,下列是一些企业内部标准的例子[1],供有关部门制定标准时参考:物理状态(固体、液体、气体);循环元素含量(Na、K、Cl<0.2%、S<2.5%);毒性(有机物、重金属);组成及挥发物和灰分含量;热值>14MJ/kg;多氯联苯(PCBs)的含量<50ppm、重金属含量<2 500ppm[其中:汞(Hg)<10ppm,镉(Cd)+铊(Tl)+汞(Hg)<100ppm];物理性质(尺寸、密度、均匀性);粉磨性能;水分含量;配料技术;排放量;水泥质量及其与环境的相容性不降低;经济上是可行的;可用性。
4 替代燃料的使用情况
替代燃料在水泥生产中的应用不仅有助于减少排放,而且还保护不可再生资源,具有重要的生态效益。替代燃料的化石燃料替代率因国家而异,大多数欧洲国家使用替代燃料的比例都遥遥领先于世界其他国家。不同国家或地区的替代燃料的替代率见表1[2]。
世界领先的水泥生产企业都大量使用替代燃料,甚至使用量将持续增加到2020年。不同水泥集团的常规化石燃料替代率和不同替代燃料的使用率在其可持续发展报告中都可以看到。表2列出了2011年不同水泥集团采用不同类型的废物作替代燃料的百分比[3],这是目前几个世界领先的水泥集团使用替代燃料的情况。Cemex集团目前正在使用工业和生活垃圾作为其主要的替代燃料,海德堡(Heidelberg)、豪瑞(Holcim)和意大利水泥集团(Italcementi group)均使用多种替代燃料,但拉法基集团(Lafarge group)仅使用四种替代燃料,即废旧轮胎、废油、工业和生活垃圾以及农作物。
5 替代燃料的分类及介绍
5.1 替代燃料的分类
根据替代燃料的物理状态大致可以分为三大类:固体废物燃料、废液燃料和气态废物燃料。表3为水泥工业可供选择的替代燃料[2]。值得说明的是,这些废物燃料均已成功地在水泥窑试烧或已经使用。下面介绍几种典型的替代燃料。
5.2 废旧轮胎
将废旧轮胎丢弃在垃圾填埋场或库房中是汽车工业的一种浪费,填埋或堆放轮胎具有潜在的环境、安全和健康危害。在上世纪80年代中期,水泥行业利用废旧轮胎作为替代燃料变得非常流行,以降低日益增加的化石燃料成本。高碳含量、高热值(35.6MJ/kg)和低水分含量使得轮胎衍生燃料(Tyre Derived Fuel,简称TDF)成为世界水泥工业最常用的一种替代燃料,TDF成本明显低于天然气,其单位成本甚至比煤还低。一些国家或组织给予一定的财政补贴,用于收集废旧轮胎。当整个轮胎被用作替代燃料时,其还可以作为一种含铁的替代原材料。有资料表明,采用TDF与化石燃料相比,熟料化学成分无显著差异。表4为轮胎与原煤的热值和重量百分比分析[3]。从表4可以看出,轮胎的热值比原煤高。
虽然废旧轮胎在水泥窑中的使用减少了化石燃料的消耗,但存在SO2和NOX排放污染问题。有研究表明,1t废旧轮胎在水泥窑煅烧后产生的废气中含1kg灰、100kg CO、7kg NOX和140kg SO2。至于二英和呋喃的排放,说法不一,可能与替代率有关。
5.3 城市固体废弃物(MSW)
城市固体废弃物(垃圾)是一种结构复杂和成分多变的燃料,其物理和化学性质不稳定,但仍然是水泥生产较理想的替代燃料。表5为2005年不同国家的城市生活垃圾产出率[2]。垃圾衍生燃料(RDF)是城市固体废弃物中同质的部分,其分类主要是参照美国ASTM(American Society for Testing and Materials)对RDF所做的分类定义。由于其热值高、水分含量低,是首选的替代燃料。
水泥窑是焚烧城市生活垃圾的最佳选择,在垃圾焚烧过程中产生的焚烧灰和重金属可以部分转移到熟料中。在水泥窑中使用城市生活垃圾的主要问题在于其非匀质性、不同的热值和含水量。目前城市生活垃圾在水泥生产中作为替代燃料的替代率可以达到30%。一般城市生活垃圾中含有多种成分,包括塑料、纸张、橡胶、木材和纺织品等。表6为典型的城市生活垃圾的组成[4]及不同的材料重量百分比和体积百分比。
城市固体废弃物经初步筛选除去可回收部分如金属,惰性组分(如玻璃),分离出细湿分解的部分(如食品、园林废弃物),然后经过干燥及挤压成型成RDF。RDF的制造流程见图1。城市固体废弃物通常有一定的热值(8~16MJ/kg),而RDF的热值为16~22MJ/kg,两者的典型化学成分见表7[5]。RDF喂料系统如图2所示[5]。
有文献报道,由于城市生活垃圾中的氮和硫的含量低于煤,而且由于部分替代了煤的燃烧,因而排放的烟气中CO2、NOX和SO2的相对排放量减少,但是焚烧含有氯的垃圾会导致二英和呋喃排放,重金属和汞的排放量也会有所增加。
5.4 废电解池(SPL)
废电解池(SPL)是从电解铝过程中产生的一种固体废弃物。在电解铝时,氧化铝溶解在含碳内衬钢壳的电解槽内。一个电解槽通常由超过100个单一的电解槽串联排列,形成一列。电解槽的内衬是由碳棒组成的,用作电解过程的阴极。一个阴极的使用寿命通常为3~10年,报废了的阴极材料被称为SPL。
1988年两台水泥窑使用SPL作为替代燃料之前的排放测试表明,被分解的氰化物和氟很少。由于SPL比煤要坚硬得多,1988年SPL被列为有害物质,终结了使用SPL作为替代燃料。但相关的研究工作仍在开展[6]:2009年澳大利亚7 449t SPL被大部分用于水泥生产的替代燃料;2010年美国产生的SPL79%被水泥窑利用;2010年加拿大三家冶炼厂一共产生17 400t的SPL,其中90%被回收,主要作为水泥和炼钢替代燃料。SPL的热值为8~25.2MJ/kg,是理想的分解炉以及水泥窑的替代燃料。SPL含有少量的氰化物、钠、氟和一些重金属(主要是铅和铬),但很少有关于SPL作为水泥窑燃料对环境造成影响的报道。试验研究表明,SPL作为水泥窑替代燃料时几乎99.9%的含氰化合物被分解,NOX和CO2排放也比化石燃料少。SPL燃烧后的灰分中也含有熟料组分的氧化物,如Si O2、Al2O3和Fe2O3。
5.5 肉骨粉(MBM)
1994年欧盟禁止使用肉骨粉(MBM)作为牛饲料和填埋处理,因为其可能携带疯牛病病原体。这一禁令使得水泥工业用肉骨粉作为替代燃料成为可能,现在一部分水泥集团已经开始使用肉骨粉(见表2)。肉骨粉在水泥窑的有效利用率要高于大多数其他替代燃料,其利用率因国而异[7]。在法国每年大约45%肉骨粉供给水泥厂,在西班牙限制水泥窑使用≯15%的替代能源,在瑞士没有相关限制。
MBM的热值较低,平均为14.47MJ/kg,几乎仅为煤的一半。肉骨粉中钙的含量较高,能够减少SO2的排放。在水泥窑中燃烧时,过量的钙可能会产生f Ca O,影响熟料质量。使用肉骨粉在水泥工业中作为燃料的另一个潜在的影响就是,其含有约70%的水分,所以必须对其进行预处理。
肉骨粉一般用在窑主燃烧器中,如果用于分解炉喷煤管,则需要5%~10%额外的空气。与煤相比,肉骨粉具有较低的固定碳和较高的氯含量。氯含量较高容易导致预热器结皮和堵塞。肉骨粉的氮含量约为煤炭的7~8倍,容易导致NOX排放增加。有文献[2]发现肉骨粉掺入到重油中一起燃烧时氮氧化物的排放量增加。Abad等[8]报道,肉骨粉的焚烧对二英和呋喃的排放量没有影响。
5.6 塑料废弃物
塑料废弃物作为城市生活垃圾和工业废物,在水泥行业替代燃料中,被认为是最容易获得的高热值(29~40MJ/kg)的替代燃料。使用它的唯一问题是聚氯乙烯中富含氯。数学模型显示,使用1t的聚乙烯和聚苯乙烯塑料作为替代燃料可以减少约1t的CO2的排放[9]。如果塑料废物的氯含量>0.7%,那么它可能会影响熟料的质量。在特定的条件下,氯的存在会导致HCl、二英和呋喃的排放增加。燃烧塑料废物时氮氧化物的排放,可能取决于塑料中的氮含量和一些其他的因素,如火焰温度和空气量。挥发性重金属汞和铊的排放有可能增加,但是在使用电除尘器收集粉尘时可以捕获一部分。
5.7 污水污泥
污水处理过程中会产生大量的污泥,常规的处理方法主要是采取填埋或者作为农业用有机肥料和土壤改良剂,这都是不环保、不友好的处理方式。污泥处置的最佳方法是用来煅烧水泥熟料。在2006年,瑞士水泥工业使用了54 964t的干污泥,这相当于22%的替代燃料。2006年,德国大约200 000t的脱水污泥和约40 000t城市下水污泥作为替代燃料[10]。Werther和Ogada[11]建议最大污泥掺入量不应超过熟料生产能力的5%。湿污泥混合成浆料,用湿法窑更好。在干法生产中,污泥必须干燥至水分含量<1%[2]。污泥中不同元素的含量和热值取决于污泥的来源和处理过程。表8中列出了两种不同类型污泥的工业分析和元素分析[12]。不同类型的干污泥热值见表9[12]。
2008年美国环境保护署的一项研究表明,使用污水污泥与化石燃料相比,氮氧化物的排放量减少;Cartmell等[13]认为使用污泥后,二氧化硫和重金属排放量会增加;污水处理厂的污泥中汞(Hg)的含量较高,在水泥行业使用,建议最大的汞含量为0.5mg/kg。
5.8 废溶剂和废油
废油是一种来源于汽车、铁路、船舶、农业和工业的危险废物。废溶剂和废油具有较高的热值(29~36MJ/kg),加工成本也较低,一般不需要预处理,可直接用于水泥窑或分解炉作为替代燃料。未混掺的废油也可用于主燃烧器的点火过程。
欧盟国家每年有大约107万吨的废油被用作水泥窑的替代燃料使用。澳大利亚每年购买5亿升油,有些油可以加工成新产品,但有一部分不能重复使用。不可用的部分通常含有铅、镉、砷、二英、微量的苯和多环芳烃,这些都是对人类和动植物高度有毒的物质。燃烧不可回收利用的废油是一种有效的处理手段,由于窑的温度足够高,能够把所有有机材料和剩余的非有机化合物固定在熟料中。废溶剂和废油化学成分见表10[14]。废油中含有重金属、硫、磷和卤素,长期储存和使用可能会造成环境污染。
溶剂和废油与石油焦和煤相比含有较少的矿物。研究表明,使用废溶剂比用化石燃料能够减少氮氧化物和二氧化碳的排放;Mlakar等[15]认为能够减少汞的排放;Seyler等[16]认为当废溶剂与化石燃料混合使用时能够减少重金属的排放量。
5.9 农作物
农作物作为替代燃料在水泥生产中的应用并不常见。马来西亚、泰国和印度等发展中国家的农村,使用农作物进行热能发电。稻壳、玉米秸秆、榛子壳、椰子壳、咖啡豆、棕榈坚果壳等都有用于水泥窑的[17]。农作物的热值为14~21MJ/kg,水分含量6%~12%。由于农作物的热值较废油低,就得调整燃烧器的设计和风量。比如使用高密度燃料转为低密度农作物燃料,就得用高压高温操作。大量的文献研究不同农作物的化学成分和燃烧特性表明,水泥窑20%的替代率是合理的。
农作物是一种二氧化碳排放为中性的燃料,因为它在生长过程中消耗二氧化碳,与其燃烧过程中释放的二氧化碳量几乎是相同的[18]。农作物燃料与煤混烧时可以降低NOX和SOX的排放[17,18]。Royo J等[19]认为,使用农作物燃料可以降低SO2、二英、呋喃以及重金属排放量。农作物作为燃料的主要问题是热值波动大及数量不固定。表11[20]是目前水泥行业使用的作为替代燃料的农作物工业分析和元素分析。
5.1 0 其他
除了上述废物外,还有其他可供选择的替代燃料,如废旧地毯、纺织废料、汽车粉碎残渣、废木屑、液化天然气、绒毛、纸渣、包装盒、畜禽粪便以及油浸泡过的抹布等,遗憾的是,没有太多关于它们在水泥生产中的用途和影响的信息。
6 讨论和建议
6.1 可利用率
一般的替代燃料的可利用率较高,水泥企业乐于采用当地可用的替代燃料降低生产成本。一些替代燃料利用率低不是因为其产量低,而是其他合适的处置方法可提供回收和再利用。在可用性方面,轮胎和城市生活垃圾是水泥行业的最佳选择,因为它们的产量在不断增加。SPL和废塑料也有很高的产出率,但用在水泥行业作替代燃料的不多。在替代燃料的研究中,只有农作物的产量不能保证持续的供应,因为特定的作物不是常年种植。MBM是一种新兴的替代燃料,由于它们在其他领域(如饲料)的使用,从而限制了其在水泥行业的应用。
6.2 替代率
大量的研究表明,不同的替代燃料混合使用完全可以满足水泥生产所需要的热量。事实上,大部分水泥生产企业为了降低生产成本都在使用不同比例的替代燃料(见表2)。英国Cemex水泥厂采用100%替代燃料,该替代燃料是一种混合工业废液(废油漆和废溶剂等)和商业垃圾(家庭和商业废物残渣)的混合物[20]。据报道,在水泥窑上,肉骨粉可替代40%的化石燃料,而废轮胎和城市生活垃圾替代率可以达到30%。根据经验法则,研究者建议用其他的替代燃料,替代率可以达到20%。在现实情况下,SPL和污泥的替代率更低,这是由于其氯含量偏高使其受到了限制。很少有文献报道在水泥窑系统不同替代燃料混合采用某个固定的最佳配比,这是由于替代燃料来源复杂造成的。
6.3 排放因素
使用替代燃料人们最为关注的问题是对环境的影响,大量的研究都是针对NOX、CO2、SO2和重金属的排放。表12为替代燃料的选择标准[2]。从表12可以看出,几乎所有的替代燃料都可以降低CO2的排放。De Vos S等[21]报道,使用1t废油和废溶剂可以减少2.02t CO2;使用1kg RDF可以减少约1.16kg CO2排放;使用废塑料、MBM和废轮胎可分别减少CO2排放15%、12%和10%。NOX的排放也有类似的效果。使用轮胎、城市生活垃圾和污水污泥作为替代燃料时,可能会增加SO2的排放。对于重金属的排放,除了城市生活垃圾和废塑料会增加外,其他替代燃料影响不大。
6.4 储存和安装
根据调查发现,除了城市生活垃圾和污水污泥为替代燃料时的安装和使用成本较高外,其余的替代燃料使用成本均较低。城市生活垃圾的非匀质性和污水污泥的高含水量使得均化和干燥成本增加。SPL、垃圾和污水污泥的存储要求相比其他替代燃料要高,SPL可能有爆炸的危险,垃圾和污水污泥有异味,废油和废溶剂也有可能发生火灾和爆炸,需要采取措施来进行安全储存。
6.5 比较
调查发现,由于废旧轮胎和农作物运营成本低和替代率高,被水泥企业广泛使用。由于废溶剂和废油在替代燃料中具有最高的热值,可在燃烧区中引入而无需处理。而城市生活垃圾、肉骨粉和污泥则需要处理,以满足水泥窑的要求。TDF广泛应用于水泥行业已经有很长一段时间。据文献报道,TDF用量>30%时可能会改变水泥硬化过程,对水泥性能产生不利影响。从排放角度来看,农作物可能是最好的选择,但因其产出量不稳定,使用受到限制。SPL由于氟含量高而受到限制。SPL是水泥行业相对较新的替代燃料,对其相关的研究和报道不多见。城市生活垃圾和肉骨粉的可用性高,对环境的影响相对较低,但是城市生活垃圾的高水分含量和肉骨粉的产量问题,使得两者的使用成本较高。在所有的替代燃料中,污水污泥的热值最低,但污泥灰分可以替代原料。
7 结语
汽油替代燃料化学反应机理研究现状 篇6
一、异辛烷化学反应机理研究现状
表1 是国际上主流的异辛烷反应机理。
1.详细机理
Glaude等人[11]详细地分析了异辛烷的氧化过程, 提出了353 种组分, 1481 个反应的化学动力学模型, 构造了一个详实的反应机理。2002年, 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Curran等人[12]采用激波管, 快速压缩机, 流动反应器等试验装置, 分析了异辛烷的氧化过程, 提出了857 种组分, 3606 个反应的化学动力学模型, 该机理是至今为止被人们认可的应用最为广泛的反应机理, 该机理包括了到目前为止, 异辛烷在氧化过程所有已知的高低温反应, 通过很多实验的验证, 证实了该机理均具有较好的性能, 常作为汽油的替代机理。
2.骨架机理
众所周知, Shell模型[2]作为经典的经验性的通用模型, 由于简单、通用等特点, 至今仍得到广泛的应用。Hu和Keck, [4]Cox和Cole, [3]他们根据Shell模型的相关理论基础, 通过加入高碳烃燃料氧化过程中的一些反应动力学信息, 获得了相关的理论成果。Tanaka等人[5]根据Hu和Keck模型, 在此基础上通过加入CO和HO2等小分子以及H2和CO等高温氧化的反应, 来描述HCCI发动机整个燃烧放热过程。Zheng等人[6]与Tanaka等人类似, 他们把Hu和Keck的低温反应产物裂解为包含C1~C3 的小分子, 同时加入了31 个C1~C3 的高温反应。这让该机理在计算HCCI发动机的放热率、温度、压力等方面具备较好的性能。
除此之外, 大连理工大学的刘耀东等[14]提出了一个改进的异辛烷氧化化学动力学骨架模型, 他主要关注的是反应中关键组分的演变过程和预测层流火焰速递, 构建了一个包括32 种组分和111 个反应的异辛烷化学动力学骨架模型。
贾明等[13]构造了一个异辛烷氧化的骨架机理, 包括40 种组分和69个反应, 该机理由于可以较准确计算HC、CO和NO2的排放、着火点、燃烧速率, 所以比较适合HCCI发动机的多维模型的计算。研究表明, 该骨架机理在不同当量比、温度和压力下具有相当好的性能。
3.简化机理
Callanhan及Held[9]和Golovichev[10]分别在1996 年和2001年分别构建了150 种组分, 3000 个反应和84 种组分, 412 个反应的异辛烷氧化的简化机理, 并用多种试验方法进行验证, 均显示出很好的性能。1997 年, 意大利米兰理工大学的Ranzi等人[8]以详细机理的反应动力学数据为基础, 通过大量的简化, 构造了一个集总形式的机理。1998年, Law和Davis[7]提出了一个异辛烷氧化的简化机理, 包括69 种组分和406 个反应, 并在压力0.1MPa, 当量比为0.7~1.7 条件下, 使用线性火焰进行验证, 显示出很好的性能。
二、PRF化学反应机理研究现状
目前国际上主流的基础燃料如表2 所示。
1.详细机理
1998 年Curran等人[28]提出了详细的PRF机理, 该PRF机理包括990 种组分和4060 个反应, 是迄今为止公认的最详细的基础燃料反应机理。Curran机理, 其反应系统的“内核” (Core) 是描述H2和CO的氧化反应, 接着加入大分子C1~C8 的反应机理。
2.骨架机理
另外, 2008 年, 上海交通大学的黄晨等人[29]提出了一个适用于HCCI燃烧过程研究, 并能考虑HC、CO和NOx重要排放物的基础燃料化学动力学机理, 该机理包含42 种组分, 62 个反应。该模型的预测与HCCI发动机、激波管、速压机等设备验证吻合的很好。
2011 年, 一个包含42 种物质和71 个反应, 适用于HCCI发动机燃烧过程研究的基础燃料骨架机理模型被重庆大学的张庆峰[30]提出。该骨架机理通过对PRF0、PRF60、PRF80、PRF90 和PRF100 不同基础燃料在温度为667~1350K下进行了着火延迟期的预测计算, 发现与试验结果比较相符。同时通过敏感性分析, 对于PRF91.8 和PRF70 燃料, HCCI工况下的燃烧情况表明, 正庚烷与羟基的氧化反应和异辛烷与氧气的脱氢反应, 2 者对缸内着火的影响比较大, 发现CH2O、CH3是很重要的中间自由基。
2012 年, Voglsam和Winter[31]在Zheng[20]等人的总包反应模型基础上做了改进, 包括18 个组分和19 个反应, 来预测反应过程中CO2、H2O、CO和H2的历程。但是, 该模型只是在趋势上符合上述关键组分的变化, 数值上仍有待提高, 是否能在耦合CFD的计算中达到理想的效果, 还需要进一步验证。同一年, 刘耀东[32]还提出了一个包含40 种组分和65 个反应, 适用于HCCI燃烧的PRF化学反应动力学骨架机理。
3.简化机理
1995 年前后, Ranzi等人[8]采用层级扩展方法, 构建了异辛烷和正庚烷的半详细机理, 他们的结构是详细的C1~C4 机理耦合简化的大分子机理。
2001 年, Golovitchev和Ogink[24]采用层级扩展法, 构建了一个包括101 种组分和479 个反应, 适用于HCCI发动机CFD耦合计算的机理。该机理是在H2和CO氧化反应的基础上, 逐步加入异辛烷和正庚烷、甲烷、丙烷、乙炔的反应子机理。
2003 年, Slavinskaya[33]用层级扩展法构造了一个PRF反应机理, 该机理包括134 种组分和1006 个反应。该机理的基本反应由描述H2和C1~C4 的氧化机理组成, 他还表明, 该机理经过简单的拓展, 可以研究碳烟生成前驱物和其他污染物的排放。
2007 年, Chaos[34]用层级扩展法, 构造了一个机理, 用来描述PRF的高温氧化过程。机理的基本反应仍然是H2和C1~C4 的氧化机理, 包括107 种组分和723 个反应。然而, 该机理却无法模拟PRF燃料的低温阶段氧化。
三、TRF化学反应机理研究现状
国际上主流的甲苯参比燃料化学反应机理动力学机理如表3 所示。
1.详细机理
Chaos等人[43]将LLNL基础燃料详细机理进行了简化, 构成基础燃料机理部分, 以Klotz等人的机理为基础, 对甲苯机理进行修正与优化, 构建TRF机理, 共包含469 种组分和1221 个反应。
Sakai等人[45]针对甲苯低温区反应机理研究的欠缺, 提出了一个详细的TRF化学反应动力学机理, 包括烷烃、烯烃与甲苯之间的作用。研究发现, 稀烃与甲苯之间的作用对支链烷烃和甲苯混合物的滞燃期有着重要的影响。
美国劳伦斯国家实验室的Mehl等人[42]提出了一个在发动机工况下, 适用于汽油表征燃料的普适机理。该机理包含1550 种组分和6000 个反应, 在宽广的温度、压力和当量比范围内与实验结果很好的吻合。这是迄今为止最详细的描述汽油表征燃料化学反应动力学的机理。
2.骨架机理
法国的Machrafi等人[37], 构建了一个由异辛烷, 正庚烷, 甲苯3 种物质组成的, 含有49 种组分和83 个基元反应的机理, 用来对均质混合压燃条件下排放和自燃特性进行研究。值得指出的是, 由于该机理具有较少的组分与反应, 需要得到更多实验方面的验证。
3.简化机理
RCM-减速机ST-激波管JSR-激波搅拌反应器FR-流动反应器LFS-层流火焰速度HCCI-均质压燃发动机
Andrae等人[41]将正庚烷和异辛烷骨架机理加入甲苯详细机理中, 来构成了包含137 种组分和633 个反应的甲苯掺比燃料机理。研究认为, 过氧化苯的生成与消失反应对甲苯激波管实验的模拟是非常重要的。通过对高温化学反应的修正, 模型对于苯与甲苯层流燃烧速率的预测也有了很大提高。
Chaos等人[43]提出了一个适用于汽油表征燃料的TRF机理。通过一些模拟和实验, 结果显示, 甲苯分子与烷烃的直接作用较小, 其主要是通过基团和裂解后的小分子之间的作用来体现。
Gauthier等人[47]对正庚烷、汽油RD87 和TRF在高压 (15 ~60atm) 中高温 (850~1280K) 不同当量比和EGR率设置的激波管着火延迟时间进行了实验测量, 实验结果显示了正庚烷具有的明显的NTC现象, 优化组分的混合比例对替代混合物具有重要的影响。
Machrafi等人[37]使用了体积分数为正庚烷11%、异辛烷59%、甲苯30%的TRF和PRF95 两种汽油替代混合物, 研究了汽油燃料及替代混合物在HCCI发动机上的着火特点。实验结果显示, 都观察到燃料典型的冷焰和主要放热阶段, 有别于基础燃料的两阶段着火, 汽油燃料和甲苯掺比燃烧在两个阶段之间还有微弱的热量释放, 显示了三阶段着火特性。
Knop[48]在Pera的基础上进一步通过可控自燃着火 (CAI) 发动机实验, 对汽油和甲苯掺比燃料在全工况范围进行综合的着火特性对比。实验结果表明, 汽油和甲苯掺比燃烧 (13.7%正庚烷、42.8%异辛烷、43.5%甲苯) 都有很好的吻合。
四、多组分化学反应机理研究现状
目前, 国内外学者研究多组分燃料化学反应机理时, 多数学者是将各组分的详细机理“叠加”起来, 然后采用内燃机台架试验、激波管等方法, 来验证新机理的有效性[49]。另有少数学者利用着火延迟曲线的敏感性分析对基元反应的化学反应速率常数进行修正。
清华大学的帅石金等人[50], 将汽油替代物质、甲醇、碳氧化物3 者的详细机理“叠加”起来, 而且还加入了与CH等重要组分相关的基元反应, 构造了一个适用于较宽温度范围的甲醇汽油机理, 该机理包含113 种组分、699 个反应。
Andrae等人[51]提出了一个5 组分汽油燃料替代物详细的化学动力学机理模型, 包括正庚烷、异辛烷、甲苯、二异丁烯和乙醇, 共包含1121种组分和4961 个反应。通过激波管大范围压力温度工况条件下模型对着火滞燃期预测表明, 模型对工况的变化是非常敏感的。
Viljoen等人[52]构造了包括异辛烷、正庚烷、甲苯、乙醇、己烯、正丁烷等代表性组分的汽油代替混合物, 并利用不同方法模拟了汽油燃料自燃着火特性。
内河LNG船用替代燃料和排放控制 篇7
船舶动力装置在运行过程中会排放大量的氮氧化物、碳氧化物等有害气体。随着IMO NOx TierⅢ排放标准、排放控制区的陆续实施和建立加快了研究尾气处理技术和新能源船型的步伐。LNG作为船用代替燃料成为可行之路。
目前,超大型集装箱船在使用LNG为船用动力方面已不存在技术和安全障碍。而中小型船舶在使用和改造为LNG动力方面也取得了很大进展。
2 LNG作为船用燃料的优势
LNG是一种天然存在的烃类混合物,其主要成分为甲烷(70%~90%)。其液化后的体积为等量气体体积的1/600,所以通常采用低温绝热储存技术。LNG和柴油、汽油的物性参数对比参见表1。
使用LNG的优势有以下几个方面。
(1)储量大。全球天然气储量丰富,已探明储量可供使用超过100余年。专家预测,由于对天然气需求的不断增长,天然气会在21世纪中叶成为第一大能源品种。根据我国“十二五”规划所要实现的目标,我国的天然气消费比重要从初期的3.9%上升到8.3%,可见LNG作为船用代替燃料有着广阔的前景。
(2)经济效益好,成本回收快,污染小。目前柴油价格较天然气高25%左右,在等量燃料燃烧下所输出的功率相近。以安徽省首艘LNG燃料动力试点船舶“红日166”轮为例,使用双燃料较全柴油模式燃料成本降低20%以上,改装成本58万余元,预计2.76年能收回成本。同时,天然气燃烧产生的污染物排放量很小,微粒和硫氧化物减排接近100%,氮氧化物和二氧化碳的排放也有很大减小。
(3)安全性能好。从表1可以看出天然气拥有很高的辛烷值,抗爆性能好,可以提高发动机的压缩比,同时与空气混合后有很宽的发火界限,燃烧平和,对机件的磨损很轻。天然气的自燃温度和爆炸极限都比汽油、柴油高,同时密度小,若发生泄露也能迅速扩散,所以拥有很好的安全性能。其气化的冷能也可以应用于船舶的制冷和冷却等方面[3]。
3 LNG双燃料动力装置
目前LNG作为船用燃料的主流方式即采用双燃料发动机组。其工作原理与传统意义上的低速柴油机几乎完全相同,结构相似,易于改装。液态天然气储存在仅需添加一套LNG燃料的供应处理系统和安全监测报警系统,通过喷入的柴油压缩自然引燃天然气,实现功率输出。通过供应处理系统可以在很大宽度内调节天然气与柴油的使用比例,使柴油机能在纯柴油和双燃料模式下进行切换,满足不同运行模式的要求。
双燃料发动机在国外已完成多代产品的更迭,主要的厂商包括MAN、瓦锡兰、三菱等,目前技术已非常成熟并在船上得到很成功的应用。例如由大宇造船、BV以及达飞集团联合打造的1.4万标箱的集装箱船,搭载了MAN的ME-GI型二冲程双燃料发动机,航速达到24节,能以重柴油和双燃料实现高效运行。虽然LNG储罐和相应的配套机组占据约438个标箱的空间,但其较低的运营成本和低排放量可以抵消这方面和初投资的成本。而在双燃料机组改造方面技术也有很大进展,以挪威为例。截止2012年4月,已有27艘正在运营的LNG燃料船,同时21艘在建,主要包括集装箱船、滚装船、渡轮以及游船等各类船舶,取得了良好运营状态,并制定成熟的改造运营安全标准[4]。
4 我国内河LNG船用替代燃料发展概述
4.1 内河LNG双燃料船舶技术标准和法规规范日渐成熟
中国船级社早在2007年10月就发布了《双燃料发动机系统设计与安装指南》,对双燃料动力装置的控制系统和安全系统的构建和装配提出了指导性的意见,在2011年出台了《气体燃料动力船舶检验指南(2011)》。中国海事局于2012年也发布了《LNG燃料动力试点船舶技术要求》和《LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求》。形成了对于LNG双燃料动力船舶较为成熟的技术标准和法规规范体系,为相关研究和应用提供了规范基础和指导依据。同时随着“气化长江”、“长江绿色物流创新工程”等内河船舶“油改气”项目的实施,和交通部《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》的发布,使得内河LNG船用替代燃料的发展得到有力推进。
4.2 相关配套设备研发制造和技术研究
虽然相较国外而言,我国对双燃料动力装置的研究刚刚起步。但已受到各部门科研院和企业的广泛关注和投入。目前,我国内河已经实现了多艘各类船舶的成功改造,“苏宿货1260号”干货船、“长讯三号”散货船以及“红日166”轮改装双燃料动力船舶都取得了良好的动力性、安全性和经济性。同时在相关设备研制方面,我国已有多个厂家具备制造不同规格LNG储罐的能力并得到中国船级社的认可。在双燃料发动机制造方面,已成功研制出功率较小的船用双燃料发动机,2011年中石油启动了双燃料船用发动机动力模块项目,投资10亿元用于相关动力设备的研制。燃料供应处理检测系统在应对LNG低温特性和泄漏方面也得到很好解决,已具备LNG低温系统设计能力。在试点船只和陆用等多方面得到良好的安全验证。
4.3 内河配套设施供应
目前,我国所拥有的LNG固定加气站达200多座,分布如图1[5]。由于相关政策(如油改气项目、LNG接收站布局方案)和LNG消费潜力的推动,使得各地加气站的建设和规划得到落实。我国并不允许建设内河堤坝内的储配站,内河以往也存在着由于内河水位存在落差,LNG管道不易延展和伸缩所造成的岸上加气设备与船舶难连接的加气难问题。试点船舶主要加气方法还是采用加气泵船和槽罐车进行加注。武汉交发船舶设计公司研发了移动式的小型储气船只已经投入使用。而其他能源公司也在加快水上加气码头等加气设施的建设,加气难的问题得到有效解决。基础设施的逐步完善为双燃料动力装置的推广打下坚实基础。
5 实现有效排放控制的有效途径
LNG双燃料发动机的主要排放碳烟和氮氧化物两种。碳烟的生成多少主要与燃烧室的氧化环境、碳烟生成速率与其氧化速率的快慢所决定。而氮氧化物则主要与最高燃烧温度和参与燃烧反应的氮氧在高温中的滞留时间长短相关。由此得到控制排放的指导思想如以下几方面。
5.1 增大空燃比
增大空燃比例,稀薄燃烧。这样避免了燃烧前期的高温缺氧,使碳烟的生成得到抑制。同时为燃烧反应提供了良好的氧化环境。减缓碳烟生成的同时加速其氧化,使碳烟的生成量得到减少。整体热效率得到提升,缸内平均压力增大,挤流作用增强。而氮氧化物的排放由表2[6]可以看出氮氧化物的生成量先随空燃比的增大而增大,在空燃比为1左右达到最大值,随后稳步降低,在空燃比2.1时即达到稀薄燃烧时其生成值已大幅减少。在燃油天然气供应系统中添加比如气体旁通装置等设备,通过运行参数使用中央控制单元调节合理的空燃比,实现良好运行控制(图2)。
5.2 适当增大进气压力
进气冲量增加,加强了混合气体扰流强度,使燃烧工质吸热时的传热损失增大,造成燃烧温度降低,使燃烧反应的平均温度下降。虽然油雾效果明显,氧气的增加进一步提升燃烧反应,促进碳烟的氧化,但此时碳烟的生成速率相对提升较多,造成碳烟排放有所增加。不过由于双燃料所含成分的碳氢比不高,所以碳烟的生成增加量不是很多。而在挤流作用下氮氧的滞留时间减少使氮氧化物的排放有明显下降。所以在控制碳烟排放在合理范围下,提高进气压力可以有效降低氮氧化物的排放。
5.3 适当减小进气温度
进气温度的升高,工质的热运动加强,使整个循环的温度提升,最高燃烧温度也相应提升。温度的提升会导致气体膨胀使充气量减少,氧气量相应减少,加快了燃烧初期碳烟的生成速率,弱化的燃烧反应使燃烧反应的放热率降低,低放热率致使缸内的压力减少,使碳氧在高温反应下滞留时间增长,增大了碳烟和氮氧化物的排放。由于天然气在通常大气状态下都是呈气态,因此具有良好的冷启动性能,所以低温燃烧可以降低污染物的排放。
6 结语
LNG作为船用替代燃料有着良好的经济和环保效应,发展内河LNG双燃料动力装置符合《中国的应对气候变化的国家方案》。目前需要解决的是市场拓展、改造试点船推广和加气站全面覆盖。最重要的是LNG低温特性和爆燃特性的有效安全预防。在各种有利政策的助推和各方面全面参与下努力,相信LNG作为船用替代燃料有着广阔的发展前景。同时通过有效的运行管理,可以将废气排放控制在更小的范围之内。
摘要：介绍了LNG作为船用替代燃料的优点,以及LNG-柴油双燃料发动机的工作原理。论述了国外和我国内河LNG船用替代燃料的发展现状,并探讨了控制碳烟和氮氧化物的排放技术。
关键词：LNG,双燃料发动机,排气控制
参考文献
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替代燃料 篇8
藻类生物燃料已经是第三代生物燃料了,在它之前,有以生物柴油、生物乙醇为代表的第一代生物燃料,还有以纤维素生物燃料为代表的第二代生物燃料。早在1978年,美国能源部就启动了一个“水生物种计划”来探索利用海藻生产能源的技术。起初该计划的重点放在利用海藻生产氢气上,从1982年起,该计划转而研究如何生产藻类生物燃料(主要是生物柴油)。虽然因为资金原因,该计划在1996年中止,但它十几年的探索为藻类生物燃料的研究积累了宝贵的经验。
目前用于生产藻类生物燃料的方法主要有光合反应器法(是用一些透明管道装满工厂排出的废水和废气,管道内的藻类吸收废气中所含的二氧化碳,用于光合作用。同时,藻类排出氧气,生成用于提炼燃料的物质)和封闭环路系统法(是在闭合的人造水渠中进行,含有藻类的液体在其中循环,循环过程中将藻类进行新陈代谢所需要的二氧化碳和养分引入到水渠的液体中)。
开放池塘法是在池塘、湖面等封闭水域养殖藻类,因为没有对水体和温度的调节,所以效果不是很好。这三种方法要么是近似纯粹的自然放养(开放池塘法),要么是由人工控制某些因素的封闭式培养(光合反应器法和封闭环路法),三者各有利弊。
2009年年初,桑佛·伯恩斯坦(Sanford Bernstein)咨询公司的分析师就说“美孚今年会有大动作”,因为当时的国际原油价格已经跌到了每桶40美元,正是对石油行业进行重新整合的好时机。美孚是世界上最大的石油公司,而且当时它手里还握着400亿美元的现金。现在回过头看,美孚的大动作不是并购一家同行而是把目标转向新能源。它涉足生物燃料也是有预兆的,在2008年第三季度的一次电话会议中,公司管理层就透露信息,说“公司对生物燃料有点儿兴趣”。
继陶氏化学(Dow Chemical)宣布进军藻类生物燃料之后,7月14日美国基因科学家克雷格·文特尔(Craig Venter)宣布,他的合成基因公司(Syntbetic Gtnomics Incorporated, SGI)将与石油巨头埃克森美孚,公司进行一项6亿美元的项目,合作开发下一代藻类生物燃料。
按照SGI和美孚公司的计划,它们将首先在加州的圣地亚哥(San Diego)建造一个测试场所,以挑选出最优的生产方法。要想让海藻生产人们所需的物质,只需要为它们提供四个条件:太阳光、二氧化碳、合适的温度和少量养分。温度可以控制,阳光和二氧化碳随手可得,养分的来源也很广泛,淡水、海水甚至是生活污水中所包含的养分就可以,支持藻类的生长。
藻类还可以最大限度地利用空间。由于一般都选择微藻类——也就是肉眼看不到的藻类一来进行藻类生物燃料的生产,所以无论多大面积的水体都可以被充分利用。比如受到污染或人迹罕至的海洋、夏季囤积雨水的池塘,当然还有更多的河流和沟渠。
藻类不仅生长迅速,它的全部体积几乎都可以用来进行光合作用,与以往用粮食制造酒精相比,对原料的浪费非常少。一家生物燃料公司曾经宣称,两个车库大小面积的海藻和一块足球场大小面积的大豆产生的燃料相当。以往制约藻类生物燃料大规模推广的一个重要因素就是它的成本太高,因为旧的方法需要从藻类本体中把油料提取出来,而这个过程所消耗的能源和金钱比节约的还要多。
而文特尔用自己在基因工程方面的优势,找到了一种可以把油料分泌出体外的海藻。分泌出来的油料成分会漂浮在培养液表面,只要把它们收集起来,就能直接进行下一步的转换,而转换它们所用的设备正是目前提炼化石燃料所用的设备。提炼成本的降低,使藻类生物燃料的产业化成为了可能。
文特尔花了数年时间,在海洋里用拖网捕捞各种浮游生物,以寻找在某种方式上可降低全球碳排放量的环保型微生物。他的发现包括那些可以把二氧化碳变成甲烷的生物体,这种生物体可以将电站排放的燃料废气制成燃料;以及另外一种能将煤变成天然气的生物体,这有助于加快某种自然进程,同时减少提取矿物燃料所需的能源以及燃烧时所造成的污染。
曾参与人类基因排序的文特尔表示,这次以埃克森美孚的新合作是从藻类生产生物燃料的一次最大的单项投资。但他同时也表示,要开发可行的下一代生物燃料,所面临的挑战在于是否能够大量生产。“如果石油业不介入参与的话,这就不可能实现”,他说,“对于我们任何一方来说,这绝不是微小的挑战,但通过我们双方合作,整合双方团队的优势科学及工程人才、相信这将带来最佳的成功机会。”
英国碳基金(Carbon Trust)公司在2008年就启动了号称世界最大的藻类生物燃料公共资助项目。根据他们的预计,到2030年,藻类生物燃料可能将取代全球每年用于道路交通和航运的约700亿升化石燃料,相当于全球每年喷气飞机燃料消耗量的12%。
一个特大的喜讯,美国大陆航空的一架波音737-824型客机于2009年1月7日从休斯敦乔治·布什国际机场起飞。这架没有装载乘客的飞机在1小时22分钟后返航降落。此次飞行是北美洲首次商业飞机生物燃料试验飞行,也是全球首次利用海藻为商务客机提供燃料进行飞行。它的成功让能源公司看到了藻类生物燃料取代石油的新希望。
替代燃料 篇9
1 褐煤质量及电厂对干燥煤的要求
一般褐煤全水分35%,灰分15%～20%,发热量13.38～14.21 MJ/kg。发电厂要求干燥褐煤水分降到15%以下,发热量提高4.18 MJ/kg,达到17.97 MJ/kg以上。
2 干燥技术
目前,以褐煤干燥去水为主要目的的设备主要有两种:回转式滚筒干燥机和神州公司的专利产品——SZ振动混流干燥设备。
2.1 回转式滚筒干燥机
传统的滚筒干燥机是采用600～700 ℃的高温烟气与物料直接接触进行热交换,用于煤泥或洗精煤干燥,随着褐煤大规模开发利用和市场对高热值煤的需求,褐煤干燥逐步受到关注。一些厂家将滚筒干燥机用于褐煤干燥,但由于褐煤挥发分析出温度低,大颗粒煤与粉煤干燥路径一致、时间相同,粉煤在干燥器内易着火发生燃爆,因此采用传统的高温热风干燥方法应用于低变质的褐煤,即使在顺流条件下也会导致干燥后的煤炭损失部分挥发分,还存在易自燃、产品不稳定、产品粉碎度高、粉尘大等问题。目前该法正处于探索阶段,大规模推广应用还没有成功的实例。
2.2 SZ振动混流干燥技术
针对低阶烟煤和褐煤挥发分高、燃点低的特性,神州公司创造性地提出煤炭低温大风量干燥技术路线,自主研发了SZ洒落式振动混流干燥系统设备。该设备是利用低变质煤燃点以下的低温热介质与高水分煤接触,去除煤中水分,干燥过程安全可靠。干燥器采用多层振动床按“Z”形布置的立式结构,占地面积小、产能可实现大型化,可提高褐煤发热量2.09～6.27 MJ/kg。经试验场工业性生产和西乌旗科达褐煤提质公司等用户工业化应用,设备性能指标达到了装备整体设计要求,通过了中国煤炭工业协会组织的技术鉴定。鉴定指出,该技术在褐煤、低阶烟煤、油母页岩的干燥提质方面具有广阔的应用前景,达到了同类技术的国际领先水平。
2.2.1 SZ干燥器的工作原理
SZ型振动混流干燥设备采用连续操作方式。如图1所示,湿物料通过干燥器顶部的回转布料器均匀进入干燥器,在干燥器内部的多层振动干燥床上分散形成“Z”形物料长龙,一部分粒度小于床孔的细物料穿过床孔垂直下落,大部分粗颗粒物料形成疏松料层沿干燥床床面移动,移至床体端部洒落到下一层干燥床上。热烟气由送风机给入干燥机底部,热气流在干燥器内由下至上与各层干燥床上的湿物料充分混合,将物料干燥。在气流上升过程中,由于多层振动床的存在,会产生横向气流,这样在干燥器内既有物料与热气流水平方向的逆流,又有两者之间垂直方向的逆流,因而形成了特有的混流干燥,干燥效果十分明显。粗细物料与热风在混流过程中经过多次混合—分离—再混合—再分离的过程被均匀干燥,大部分物料从干燥器的底部输出,极小部分细物料随气流进入除尘器,除尘器分离出的物料作为产品回收。
2.2.2 主要特点
(1)采用低温大风量干燥,安全性高。振动混流干燥器采用240 ℃以下的低温热介质,工作温度低于褐煤的挥发分析出点,达不到有机物质的释放条件。干燥器内待干燥物料在运动状态下微负压运行;粗细原煤干燥后水分均匀,煤粉水分约10%,不会发生过干燥现象;干燥器和除尘系统中含有大量载湿介质;干燥器内含氧量低于16%,诸多因素决定了在干燥器内不具备煤粉爆炸的条件,设备运行安全性高。
(2)根据煤质状况及用户所要求的脱水量,可以对物料粒度、干燥时间和干燥介质温度等参数进行设置。
(3)物料与热介质在干燥器内直接接触,既有水平方向的逆流,又有垂直方向的逆流,形成了特有的混流干燥作用,煤与介质接触充分,干燥效率高。
(4)干燥器为立式组合结构,占地面积小。
(5)设备大型化,单台设备最大处理能力达240 t/h。
(6)尾气中不含有机物或有害气体,不会造成环境污染。实践中多次检测结果表明,干燥过程所排放的气体主要是含有一定量水蒸气的热空气,并无煤热裂解或热分解的有机产物或其它有害气体污染物,因此,直接排入大气不会造成环境污染。
(7)干燥产品颗粒形状好,粉碎率低。由于独特的干燥方式,物料在干燥器振动床上运行平稳,上下层间落差小,再加上上升气流对物料的缓冲作用,颗粒破碎率很低,保存完整,避免了转筒式、洒落式干燥的缺点,减少了粉尘含量,便于物料储存和运输。
(8)采用逆流式干燥,煤粉产率低,除尘系统负担小。
2.2.3 干燥系统主要组成设备和作用
振动混流干燥系统由热源部分、干燥器部分、排放气体除尘部分、配电控制部分组成,见图2。
1—热风炉;2—沉降室;3—烟囱;4—调节挡板; 5—进风道;6—热风机;7—干燥器;8—给煤机; 9—出煤机;10—干燥器出风道;11—布袋除尘器; 12—反吹装置;13—除尘器出煤机;14—除尘器出风道; 15—调节挡板;16—排风机;17—排风口
(1)热源系统包括热风炉、沉降室、配风装置和热风机,作用是为干燥器提供风压、风量、风温,满足物料干燥要求的洁净热源;
(2)干燥系统包括进料给煤机、布料器、振动床、保温隔热箱体、锁气卸料器、顶部降尘罩、底部物料收集箱体、钢结构框架、平台和检修间,作用是完成物料的脱水干燥和进出料;
(3)除尘系统包括袋式除尘器、引风机和管路,作用是滤除排气中的煤粉,一方面使排气达到排放标准,另一方面回收排气中的粉煤;
(4)配电控制系统包括供配电、干燥参数(热源、干燥气流和物料)的检测和系统设备控制,设备控制可以根据用户的需要设计成手动操作、PLC编程控制、自动控制等多种形式。
2.2.4 SZ型振动混流干燥设备的应用现状
SZ型振动混流干燥设备是一种新型的大宗物料干燥设备,由于产量高、运行稳定、适用范围广,已成功为国内外多家煤矿进行了设计安装,截止目前,投产和在建的项目如表1所示。
3 褐煤振动混流干燥项目实例
西乌旗科达褐煤提质有限公司位于内蒙古锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗白音华工业园区,设计处理原煤60 t/h,采用SZ型低温振动混流干燥成套设备和复合式干法选煤联合生产工艺对白音华煤田的低质褐煤进行提质加工。根据该地区褐煤灰分低、水分大的特性,2010年2月对煤炭生产系统进行了改造,取消了干选系统,增设了深度干燥脱水系统。根据用户对产品的要求,干燥生产系统可以脱水15～25百分点,使产品发热量提高3.34～6.27 MJ/kg,将15.46 MJ/kg的原煤热值提高到18.81～20.91 MJ/kg,产品售价从100元/t提高到210～330元/t,产品价格比原煤增加1～2倍,为白音华煤田低质褐煤的开发利用,探索了一条新途径。
白音华煤矿现有生产系统包括原煤准备系统、干燥系统、产品储装系统和煤粉处理系统4部分。露天矿原煤经过刮板运输机给入分级筛,筛分出大于400 mm粒级特大块煤直接销售,小于400 mm粒级原煤经过两级破碎机破碎到30 mm以下,破碎物用胶带输送机给入SZ型振动混流干燥器。由11 MW沸腾炉产生的热烟气经过沉降室后与空气混合成220～240 ℃的热风给入干燥器,与湿煤进行热交换。干燥后的产品煤进入产品仓,干燥系统除尘器回收的煤粉经热压成型系统压制成型煤后掺入产品中。
4 干燥系统设计方案
4.1 建设规模和技术要求
(1)建设规模。
对于600 MW的发电机组,每小时耗煤量为400 t,如果掺烧50%褐煤,则褐煤干燥系统处理能力为200 t/h,年处理能力为150万t/a。
(2)干燥系统对煤炭的质量要求。
褐煤全水分35%,发热量13.38～14.21 MJ/kg,干燥后水分要降至15%,发热量提高4.18 MJ/Kg。
(3)主要设备选型。
选用两套SZ-100-20型振动混流干燥器,即可满足处理量200 t/h的要求。
4.2 干燥系统方案
(1)单套干燥系统处理湿煤能力100
t/h,根据上述脱水要求,脱水量约23 500 kg。
(2)干燥器热源。
振动混流干燥器采用240 ℃的低温热烟气直接干燥,可以根据当地低质燃料的实际情况,采用沸腾热风炉、循环流化床炉或煤粉炉等多种炉型。考虑电厂有余热,可以利用交换器获得低温热风与热风炉产生的高温烟气混合,以减少热风炉的规模、投资,降低燃料成本。
(3)干燥器的设计。
① 干燥器主体。考虑脱水率的要求,在入料粒度30 mm时,通过设计振动床角度、床面孔径尺寸、振动频率等参数,保证物料在干燥器内停留15 min以上。② 供风方式。在干燥器的底部和中部进风,提高上部风温,保证干燥效率。
(4)除尘系统。
根据用户对环保指标的要求,综合考虑到干法除尘系统简单、生产管理方便,回收的煤粉价值较高等情况,确定采用袋式除尘器进行干法除尘,除尘器滤袋选用耐温、防结露滤料。
4.3 150万t/a干燥生产系统投资(见表3)
注:投资估算供参考,干燥设备在确定技术协议后适当调整,辅助配套设备、土建工程以初步设计为准。
5 150万t/a褐煤干燥系统经济指标
5.1生产成本(见表4)
5.2经济效益分析
干燥前褐煤全水分35%,发热量Qnet.ar为13.38 MJ/kg,价格260元/t,干燥成本为25.56元/t;干燥后产品全水分15%,发热量Qnet.ar为17.56 MJ/kg,产率76.74%;同等热值烟煤价格520元/t,则每干燥1 t原煤差价为:520元/t×75.5%-(260+25.56)元/t=112.24元/t,全年干燥150万t原煤的总差价为:112.24元/t×150万t=16 836万元。
6结束语
随着振动混流干燥技术的日臻完善,大量的褐煤提质后可以转化为优质煤炭资源,提高产品附加值,增强褐煤在市场的竞争力。褐煤干燥提质不仅能为企业带来很好的经济效益,而且为用户解决了生产使用上的若干技术难题。褐煤干燥后替代烟煤燃烧,在技术、经济、节能降耗、环保要求等方面都较为理想。
摘要：介绍了SZ型振动混流低温干燥系统的技术特点、工作原理和设备构成情况,以600 MW机组电厂掺烧50%褐煤需要的干燥生产系统为例,分析了干燥提质工程投资、加工成本及经济效益,该技术的成功应用,拓展了褐煤使用空间。
