660 MW超臨界鍋爐燃用生物酶預(yù)處理煤的試驗(yàn)研究

劉忠軒， 寧新宇， 張清福， 商顯耀

(中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司， 江蘇蘇州 215123)

火力發(fā)電廠污染物排放是我國(guó)大氣污染物的主要來(lái)源之一，截至2017年我國(guó)煤電裝機(jī)量為10.2億kW，占裝機(jī)總量58%，全年發(fā)電量為42 000億kW·h，占比更是高達(dá)67%。火力發(fā)電在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)我國(guó)電力生產(chǎn)的主體位置，減少火電廠污染物排放是節(jié)能減排的關(guān)鍵[1]。 NOx和SO2是火電廠排污中的主要酸性氣體[2]，近年來(lái)隨著我國(guó)大氣環(huán)境條件不斷惡化，GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于SO2和NOx的排放指標(biāo)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歐美國(guó)家[3]。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)和石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)是大型燃煤機(jī)組控制NOx和SO2排放的主要技術(shù)[4-6]，而通過生物酶對(duì)煤炭進(jìn)行預(yù)處理，從源頭上降低電廠煙氣中NOx和SO2的含量，以降低電廠SCR脫硝反應(yīng)器和脫硫島的運(yùn)行費(fèi)用的研究工作較少，尚無(wú)關(guān)于電廠大規(guī)模燃用生物酶預(yù)處理煤的報(bào)道。

目前針對(duì)煤炭的微生物處理研究方向主要是微生物溶煤[7-8]和微生物脫硫[9-10]。煤炭的微生物脫硫研究及應(yīng)用主要在脫除無(wú)機(jī)硫方面，脫除有機(jī)硫難度較大，尚未進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段[11]。筆者通過在某660 MW超臨界鍋爐上燃用生物酶預(yù)處理煤，研究了生物酶潔凈煤技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)化使用時(shí)對(duì)鍋爐效率、NOx及SO2生成量的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

該鍋爐為HG-1950/25.4-YM1型一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、П形布置，鍋爐島為露天布置。鍋爐燃用神府東勝煤、大同煤及混煤。32個(gè)低NOx軸向旋流燃燒器(LNASB)采用前后墻布置、對(duì)沖燃燒。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1(BMCR為鍋爐最大連續(xù)出力；TRL為鍋爐額定出力)，鍋爐設(shè)計(jì)煤和校核煤的煤質(zhì)指標(biāo)見表2。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鍋爐設(shè)計(jì)與校核煤種的主要指標(biāo)

1.2 生物酶潔凈煤技術(shù)

當(dāng)煤炭折算硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，生物酶和煤按質(zhì)量的添加比例為1∶10 000。將生物酶適當(dāng)稀釋后均勻噴灑在煤炭上，靜置72 h后可發(fā)揮效果，功效可持續(xù)6個(gè)月。

生物酶對(duì)煤炭的作用主要有：(1)重組碳鏈，大分子團(tuán)結(jié)構(gòu)小分子化，促進(jìn)煤炭均勻同步燃燒和完全燃燒，提升燃燒效率；(2)脫氫加氧，使煤炭具備富氧燃料特性，減少助燃空氣，降低排煙熱損失同時(shí)降低NOx生成量；(3)抑制煤炭中有害菌的滋生，降低煤炭堆存期間的熱值損失，有效預(yù)防煤堆自燃；(4)將煤炭中的可燃硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，減少SO2的生成量。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)依據(jù)

(1)ASME PTC 4.1 《鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》。

(2) GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

(3) 試驗(yàn)中鍋爐效率均是基于燃煤收到基低位發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算，所有煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)如無(wú)說(shuō)明，均為收到基分析值。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

測(cè)試不同工況下燃用生物酶預(yù)處理煤對(duì)鍋爐效率、SCR脫硝反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度、脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度等參數(shù)的影響。使用未添加生物酶煤的工況稱為對(duì)照組工況，使用生物酶預(yù)處理煤的工況稱為試驗(yàn)組工況，對(duì)不同工況進(jìn)行編號(hào)，具體見表3。

表3 工況編號(hào)

2.3 結(jié)果修正

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)煤噸數(shù)

根據(jù)生物酶的特性，噴灑過生物酶的煤放置數(shù)天后進(jìn)行煤質(zhì)工業(yè)分析，其發(fā)熱量比原煤有所提高，提高的百分比稱為生物酶促燃熱值化驗(yàn)差異，在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)煤噸數(shù)時(shí)應(yīng)折算回來(lái)，試驗(yàn)煤的標(biāo)準(zhǔn)煤折算公式為：

試驗(yàn)煤標(biāo)準(zhǔn)煤噸數(shù)=試驗(yàn)煤噸數(shù)×爐前煤低位發(fā)熱量×

(1)

2.3.2 煙氣量

每個(gè)工況煙氣量通過取樣的煤質(zhì)分析，并結(jié)合O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.3.3 煤的全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)

噴灑過生物酶的煤放置數(shù)天后進(jìn)行煤質(zhì)工業(yè)分析，其全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)比原煤有所降低，降低的百分比稱為生物酶固硫化驗(yàn)差異。為避免低估試驗(yàn)煤的原始全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，試驗(yàn)煤折算硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

試驗(yàn)煤折算硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)=爐前煤化驗(yàn)全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)×(1+生物酶固硫化驗(yàn)差異)×

29 308/爐前煤低位發(fā)熱量

(2)

測(cè)試期間入爐煤的全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，因此對(duì)比SO2質(zhì)量濃度時(shí)，須將對(duì)照組入爐煤及試驗(yàn)組入爐煤的折算硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)修正一致后，再進(jìn)行SO2質(zhì)量濃度對(duì)比，按照經(jīng)驗(yàn)，煤中的全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1%，SO2質(zhì)量濃度升高約2 000 mg/m3。因此，對(duì)照期與測(cè)試期的試驗(yàn)煤基全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)每變化0.1%，對(duì)SO2質(zhì)量濃度按照200 mg/m3進(jìn)行修正。

2.3.4 煤的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

NOx生成主要分為快速型、熱力型、燃料型，只有燃料型與煤的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，煤的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與NOx生成量關(guān)系較煤的全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與SO2生成量關(guān)系小很多，因此收到基氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化在±0.3%，暫不考慮對(duì)NOx生成量的修正。由于NOx排放受運(yùn)行控制影響因素較大，在燃燒測(cè)試期應(yīng)盡可能維持相同的運(yùn)行方式，在額定負(fù)荷穩(wěn)定后，將鍋爐的配風(fēng)控制(所有二次風(fēng)門開度)切換成手動(dòng)模式，在相同運(yùn)行工況下對(duì)比NOx質(zhì)量濃度。

2.3.5 鍋爐效率

對(duì)照期及測(cè)試期鍋爐效率對(duì)比時(shí)，應(yīng)在磨煤機(jī)入口前的煤樣化驗(yàn)指標(biāo)對(duì)測(cè)試期及對(duì)照期的入爐煤含水指標(biāo)進(jìn)行修正，避免因雨天等環(huán)境因素影響測(cè)試結(jié)果。

鍋爐效率設(shè)計(jì)的修正按ASME PTC 4.1進(jìn)行修正。設(shè)計(jì)燃料、環(huán)境條件、空氣基準(zhǔn)溫度和排煙溫度，均根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。

3 結(jié)果及分析

3.1 煤、灰、渣化驗(yàn)結(jié)果

各工況下煤、灰、渣化驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 各工況下煤、灰、渣化驗(yàn)結(jié)果

3.2 鍋爐效率

經(jīng)過煤質(zhì)分析、環(huán)境條件、排煙溫度等項(xiàng)修正后，各工況下的鍋爐效率見圖1。

圖1 試驗(yàn)組與對(duì)照組修正后鍋爐效率對(duì)比

僅有TT01、TT02工況修正后鍋爐效率比對(duì)照組稍高，其他4個(gè)工況下試驗(yàn)組鍋爐效率均低于對(duì)照組。所有工況下試驗(yàn)組平均鍋爐效率為92.21%，比對(duì)照組修正后平均鍋爐效率(92.78%)低了0.61%，未體現(xiàn)出生物酶重組碳鏈提升燃燒效率的效果。

3.3 NOx質(zhì)量濃度

以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為6%計(jì)算時(shí)，各工況下NOx質(zhì)量濃度見表5。

表5 各工況NOx質(zhì)量濃度

從表5可以看出：試驗(yàn)組只有TT06工況NOx質(zhì)量濃度高于對(duì)照組，其他工況下試驗(yàn)組NOx質(zhì)量濃度均低于對(duì)照組。所有工況下試驗(yàn)組NOx質(zhì)量濃度平均值比對(duì)照組NOx質(zhì)量濃度平均值低了4.76%，可以認(rèn)為生物酶潔凈煤技術(shù)對(duì)于降低NOx排放具有一定效果。

3.4 SO2質(zhì)量濃度

以生物酶固硫化驗(yàn)差異為5%、O2體積分?jǐn)?shù)為6%計(jì)算時(shí)，各工況下SO2質(zhì)量濃度見表6，試驗(yàn)組的結(jié)果為折算后SO2質(zhì)量濃度。

表6 各工況SO2質(zhì)量濃度

從表6可以看出：各個(gè)工況下試驗(yàn)組SO2質(zhì)量濃度均低于對(duì)照組SO2質(zhì)量濃度。所有工況下試驗(yàn)組SO2質(zhì)量濃度平均值比低對(duì)照組低了20.40%，生物酶潔凈煤技術(shù)在降低SO2生成量方面效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 采用生物酶潔凈煤技術(shù)對(duì)鍋爐效率沒有提升效果，所有工況下試驗(yàn)組修正后平均鍋爐效率比對(duì)照組低了0.61%。

(2) 采用生物酶潔凈煤技術(shù)對(duì)于降低NOx生成量有一定效果，所有工況下試驗(yàn)組NOx質(zhì)量濃度平均值比對(duì)照組低了4.76%；采用生物酶潔凈煤技術(shù)對(duì)于降低SO2生成量效果明顯，所有工況下試驗(yàn)組SO2質(zhì)量濃度平均值比對(duì)照組低了20.40%。

(3) 目前大規(guī)模工業(yè)化使用生物酶潔凈煤技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)仍然不足，對(duì)于采用生物酶潔凈煤技術(shù)后仍沿用以往的運(yùn)行方式是否合理、是否需要有針對(duì)性對(duì)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整以找出采用生物酶潔凈煤技術(shù)的最佳運(yùn)行方式，是下一步需要解決的問題。