生物質(zhì)混燃對350 MW超臨界CFB煙氣污染物排放影響

李 鵬

（江蘇華美熱電有限公司，江蘇 徐州 221141）

0 引言

2016年10月，國家能源局出臺了《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，該規(guī)劃指出，到2020年用于生物質(zhì)發(fā)電新增投資約400億元，生物質(zhì)直燃發(fā)電裝機總量達700萬kW。生物質(zhì)發(fā)電具有很高的研究價值，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

盡管生物質(zhì)直燃電廠迅猛發(fā)展，但制約發(fā)展的瓶頸也較為顯著。生物質(zhì)鍋爐參數(shù)普遍較低，單純靠生物質(zhì)直燃技術很難將蒸汽參數(shù)提高。另外，生物質(zhì)鍋爐整體熱效率低[1]，發(fā)電成本高[2]，季節(jié)性影響較大、制造成本高，煙氣污染物排放高，NOx難于實現(xiàn)超低排放[3-4]?；谝陨系母鞣N困難，循環(huán)流化床生物質(zhì)混燃技術悄然興起，利用原有的循環(huán)流化床進行改造，實現(xiàn)生物質(zhì)燃料與煤炭的寬范圍內(nèi)摻燒[5]，這種技術可以彌補生物質(zhì)直燃鍋爐存在的短板，成為生物質(zhì)發(fā)電的首選。以350 MW超臨界CFB鍋爐為例，對生物質(zhì)混燃技術對煙氣污染物的排放影響進行分析，為摻燒生物質(zhì)的CFB鍋爐改造提供參考。

1 生物質(zhì)燃料成分分析

國內(nèi)某電力集團對常見的生物質(zhì)燃料進行元素分析，見表1，可以看出，N元素質(zhì)量分數(shù)為0.51%～0.93%，與350 MW超臨界循環(huán)流化床設計煤種接近（0.61%～0.81%）；S元素的質(zhì)量分數(shù)為 0.1%～0.2%，低于設計煤種（一般在0.5%～1.0%）；灰分較低，在10%以下。

表1 生物質(zhì)燃料成分分析

從表1數(shù)據(jù)可以得出，摻燒生物質(zhì)燃料，能夠降低流化床鍋爐SO2排放濃度，可以與高硫煤摻燒，維持在適當?shù)腟O2排放水平。國內(nèi)外生物質(zhì)鍋爐煙氣污染物測試發(fā)現(xiàn)，SO2排放濃度較低。丹麥對100 MW燃用秸稈（硫質(zhì)量分數(shù)約0.3%）的鍋爐進行48 h煙氣監(jiān)測[6-7]，某些時段 SO2最高排放濃度為 200 mg／m3；國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局對國內(nèi)某鍋爐廠生產(chǎn)的130 t／h 生物質(zhì)直燃 CFB 煙氣污染物進行檢測[8]，SO2排放僅為107.8 mg／m3，遠低于燃煤流化床鍋爐的排放水平（硫質(zhì)量分數(shù)0.5%，質(zhì)量濃度2 000 mg／m3）。

生物質(zhì)燃料的灰分較低，流化床燃用的煤種灰分一般在20%以上，目前350 MW超臨界CFB鍋爐普遍加裝了濕式電除塵，煙氣中粉塵質(zhì)量濃度可以控制在5 mg／m3以下，摻燒生物質(zhì)燃料對煙氣中的粉塵濃度影響不大[9]。

下面主要對煙氣中NOx以及二惡英的排放影響進行詳細論述。

2 生物質(zhì)燃料摻燒對NOx生成量的影響

國內(nèi)的研究表明，生物質(zhì)燃料燃燒后產(chǎn)生的焦炭，對NOx具有還原作用，使其部分還原為N2，從而降低了 NOx排放濃度[10]。

國內(nèi)某電廠進行了260 t／h循環(huán)流化床鍋爐秸稈的混燒試驗[11]，試驗結(jié)果見表 2，結(jié)果顯示，隨著秸稈混燒比例的增加，NOx的濃度變化略有降低。

350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐與常規(guī)流化床相比，具有更大的還原區(qū)，因為其采用了高位二次風技術，即加大上下二次風的距離，下二次風標高12.5 m，較常規(guī)流化床提高1.5 m，上下二次風高度差8 m，較常規(guī)流化床加高4 m，擴大了還原性氣氛區(qū)域范圍，獲得了較低且均勻的床溫分布，對于降低NOx生成量具有較大的促進作用。

高位二次風技術是低氮燃燒近零排放技術的核心。國內(nèi)某鍋爐廠在半工業(yè)3 MW熱態(tài)試驗臺上根據(jù)相似?；椒?，對多種燃料在不同二次風噴入位置條件下的NOx排放特性和燃燒特性進行試驗研究，具體模擬結(jié)果見圖1，獲得二次風位置對不同煤種抑制NOx生成的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)通過一定程度的拉抬上二次風口位置，可使下爐膛還原性氣氛覆蓋范圍更廣，能夠?qū)崿F(xiàn)進一步深度抑制NOx的生成，并可增加二次風穿透性，在抑制NOx生成的同時，兼顧燃料燃盡，從而起到通過高位二次風對氧量控制的目的。

圖1 高位二次風與常規(guī)二次風入射情況模擬

另外，高位二次風設計對氣固兩相流的擾動加強，提高了爐內(nèi)的燃燒均勻性，改善了后墻布置旋風分離器造成的物料貼壁效應，爐內(nèi)床溫均勻性提高，如圖2所示，常規(guī)二次風與高位二次風鍋爐爐內(nèi)溫度分布模擬，從分布圖可以看出，爐內(nèi)物料進入稀相區(qū)開始，溫度場趨于均勻，較大改變了基礎性工況時的溫度偏差。較低且均勻的床溫分布，有利于控制NOx的初始排放。

圖2 高位二次風鍋爐床溫分布模擬

表2 國內(nèi)某廠爐膛出口煙氣污染物排放

基于上述分析，生物質(zhì)燃料摻燒，對350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐NOx排放的影響不大，物料的入口位置需選擇給煤口附近，將燃燒反應區(qū)段控制在還原區(qū)內(nèi)，有利于進一步降低其NOx原始排放量。

3 生物質(zhì)燃料摻燒對二惡英生成量的影響

2014年我國開始實施GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》，新標準將二惡英類排放限值由 2001年的 1 ng／m3收緊至 0.1 ng／m3。生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時有必要考慮二惡英排放問題。

二惡英的生成的主要原因是燃燒不均勻，其生成三要素[12-13]（3T）是：燃燒溫度（Temperature）、停留時間（Time）和湍流度（Turbulence）。 350～500 ℃的溫度是產(chǎn)生二惡英的最佳溫度區(qū)間。另外，含氯有機物等二惡英類前體物生成的二惡英，在煙氣溫度高于800℃ 的爐膛內(nèi)停留時間達到 2 s以上時，99.9%的二惡英會被分解。

350MW超臨界循環(huán)流化床床溫較低，并且異常均勻，溫度偏差在20℃以內(nèi)，燃燒室平均溫度控制在850～880℃，采用超高爐膛設計，爐膛凈高超過50m，煙氣在爐膛中停留時間在5s以上，循環(huán)物料經(jīng)過高位二次風的整理作用，湍流度下降，因此循環(huán)流化床爐內(nèi)環(huán)境促進二惡英的完全分解，爐膛出口含量極低。

研究表明，當溫度在 250～450℃時，二惡英會進行再合成，在低溫（200℃以下）以固態(tài)的形式吸附在粉塵表面[14]，噴水降溫能大大減少煙氣中二惡英。

350 MW循環(huán)流化床鍋爐采用布袋除塵器＋濕式電除塵的超低排放除塵系統(tǒng)，出口煙氣粉塵質(zhì)量濃度低于5 mg／m3，可大大降低粉塵中的二惡英含量，特別是濕式電除塵這種水膜除塵裝置，脫除二惡英的效率在85%以上，大大降低煙氣中二惡英的濃度[15]。煙氣后處理設施采用濕法脫硫工藝，可將煙氣溫度迅速降低到40℃以下，可高效脫除煙氣中的二惡英[16]。

因此，相對于生物質(zhì)直燃循環(huán)流化床鍋爐，350 MW超臨界CFB鍋爐的爐內(nèi)燃燒環(huán)境更適合去除生物質(zhì)燃料中的二惡英，降低爐膛出口原始排放，加之超凈排放除塵設施對于煙塵的捕捉，以及濕法脫硫設施的降溫作用，進一步脫除后期合成的二惡英。

4 結(jié)語

350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的某些特性，比常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐得到較大提升，如高位二次風技術的應用，可以在不加裝SNCR及SCR的前提下實現(xiàn)NOx超低排放，把流化床鍋爐的低氮燃燒技術發(fā)展到極致；燃燒均勻、平均床溫低、溫差小等特點對NOx、二惡英的排放起到很好的抑制作用；煙塵、脫硫的超低排放設施，可以實現(xiàn)煙氣粉塵質(zhì)量濃度5 mg／m3以下、SO2質(zhì)量濃度在 35 mg／m3以下。這些特性為生物質(zhì)燃料摻燒創(chuàng)造了很好的條件，通過選擇合適的給入口，匹配摻燒比例，可以實現(xiàn)生物質(zhì)燃料發(fā)電的重大突破。350 MW超臨界循環(huán)流化床生物質(zhì)混燃技術是解決直燃鍋爐無法達到超低排放的有效途徑。