多流程循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐在園區(qū)集中供熱中的應(yīng)用

初雷哲，張衍國，嚴(yán)矯平

（1.北京熱華能源科技有限公司，北京100085；2.清華大學(xué)a 能源與動力工程系，b 清華大學(xué)-滑鐵盧大學(xué)微納米能源環(huán)境聯(lián)合研究中心，c 熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京100084）

0 引言

工業(yè)園區(qū)作為工業(yè)企業(yè)的聚集區(qū)，在各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中均擁有舉足輕重的地位。在加工業(yè)相對集中的工業(yè)園區(qū)中，很多企業(yè)的加工工藝都需要用到蒸汽或者熱水。在早期園區(qū)建設(shè)過程中，園區(qū)的供熱由各用熱企業(yè)自行建造的鍋爐供應(yīng)。由于各企業(yè)選用的鍋爐形式、燃料類型、污染控制措施不一致，無法統(tǒng)一管理，很難對供熱產(chǎn)生的污染物排放進(jìn)行有效控制。在國家大力提倡節(jié)能減排和環(huán)保監(jiān)控日趨嚴(yán)格的背景下，工業(yè)園區(qū)以集中供熱替代原來高污染的分散供熱是未來的發(fā)展趨勢［1］。

在我國現(xiàn)階段的資源結(jié)構(gòu)中，煤仍占主導(dǎo)地位，但是在環(huán)保要求較嚴(yán)的區(qū)域，燃煤鍋爐受到嚴(yán)格控制；天然氣鍋爐由于燃料成本高，只能適用于附加值較高的工業(yè)園區(qū)；在生物質(zhì)資源豐富的地區(qū)，可以采用生物質(zhì)作為園區(qū)供熱的燃料［2-4］。生物質(zhì)燃燒技術(shù)常用的是層燃技術(shù)和循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，其中循環(huán)流化床燃燒技術(shù)因燃燒效率高、污染物排放低等特點得到快速發(fā)展，但由于生物質(zhì)灰中的堿金屬含量高，鍋爐尾部受熱面容易積灰［5-9］。

興化城東脫水蔬菜工業(yè)園區(qū)集中供熱項目采用了多流程循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。該技術(shù)除了具有常規(guī)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的優(yōu)點，還采用了中溫分離技術(shù)，能有效減少生物質(zhì)燃燒過程中鍋爐尾部的積灰問題。本文以該項目為例，介紹了多流程循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐在園區(qū)集中供熱中的應(yīng)用。

1 園區(qū)供熱概況

江蘇省興化市是全國聞名的脫水蔬菜加工基地，脫水蔬菜重要的加工工序是蒸汽烘干。原來的蒸汽供應(yīng)是分散供汽，每家企業(yè)都有自建鍋爐，為容量2～4 t/h 的鏈條爐，燃料采用煤和稻殼。這些鍋爐的運行效率低且?guī)缀鯖]有任何煙氣污染物處理措施，對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染。為解決上述問題，園區(qū)決定采用清潔、高效的集中供熱技術(shù)替換分散的小鍋爐進(jìn)行供熱。

園區(qū)集中供熱技術(shù)的選擇要符合當(dāng)?shù)厝剂腺Y源狀況。糧食加工是興化市另一特色產(chǎn)業(yè)，主要是以大米加工為主，每年能產(chǎn)生大量的稻殼；同時當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，秸稈資源也很豐富。生物質(zhì)的硫含量低、反應(yīng)活性好，適于燃燒利用，且全生命周期的碳排放量約為零。采用多流程循環(huán)流化床生物質(zhì)燃燒技術(shù)可以充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，減少對環(huán)境的污染［10-13］。本項目的最大蒸汽需求量約為80 t/h，各企業(yè)的用汽參數(shù)為0.7～0.8 MPa 的飽和蒸汽，項目建設(shè)2臺45 t/h的多流程循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐。

2 多流程循環(huán)流化床生物質(zhì)燃燒技術(shù)

多流程循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是一種基于傳統(tǒng)循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)開發(fā)的新型循環(huán)流化床技術(shù)，它將傳統(tǒng)立式循環(huán)流化床的一級爐膛改為水平布置的三級爐膛，所以又可被稱為臥式循環(huán)流化床，爐膛內(nèi)的流動折返增加了一級物料循環(huán)，形成了兩級物料循環(huán)，其技術(shù)原理如圖1 所示。沿爐內(nèi)氣體流動方向，爐膛依次分為主燃室、副燃室和燃盡室:燃料由主燃室下部加入，與通過風(fēng)室進(jìn)入的空氣發(fā)生反應(yīng)，高溫?zé)煔鈹y帶主燃室內(nèi)的物料進(jìn)入副燃室，在副燃室與燃盡室的拐角處，煙氣中部分大顆粒物料由于慣性分離下來，通過一級返料裝置回送到主燃室，形成第1級物料循環(huán)；從副燃室出來的煙氣在燃盡室放熱、降溫后進(jìn)入出口旋風(fēng)分離器，對煙氣中的顆粒物進(jìn)行分離，分離下來的固體物料由二級返料裝置返回主燃室，形成第2 級物料循環(huán)［14-17］。

圖1 多流程循環(huán)流化床工作流程Fig.1 Working process of a multi-pass CFB

多流程循環(huán)流化床獨特的結(jié)構(gòu)形式使其特別適用于生物質(zhì)的燃燒:一方面生物質(zhì)的揮發(fā)分高、在爐內(nèi)停留時間短，容易導(dǎo)致中小型工業(yè)鍋爐燃燒不完全，而多流程循環(huán)流化床采用了三級爐膛，大大增加了反應(yīng)行程，使得燃燒更充分；另一方面，爐內(nèi)煙氣熱量經(jīng)過三級爐膛的吸收，在燃盡室出口溫度已經(jīng)降低到500 ℃左右，避開了生物質(zhì)灰的高溫黏結(jié)區(qū)間，可以有效防止鍋爐尾部受熱面積灰。

3 鍋爐結(jié)構(gòu)及運行情況

3.1 鍋爐結(jié)構(gòu)

項目在充分考慮園區(qū)供熱條件的情況下，建設(shè)了2 臺45 t/h 的多流程循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐。鍋爐主體部分由主燃室、副燃室、燃盡室、旋風(fēng)分離器、省煤器、空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）組成，如圖2 所示。三級爐膛采用全膜式壁結(jié)構(gòu)，能有效減小散熱損失。本項目設(shè)計燃料為稻殼，稻殼灰中硅含量較高，會使得運作中爐內(nèi)磨損嚴(yán)重，所以在主燃室密相區(qū)、主燃室與副燃室結(jié)合部位敷設(shè)防磨內(nèi)襯。

給料系統(tǒng)設(shè)置在鍋爐前側(cè)，采用皮帶輸送將燃料運輸?shù)綘t前料倉，再由螺旋給料機(jī)從主燃室下部送入爐膛。生物質(zhì)燃料的灰分含量少，所以本項目在主燃室側(cè)面還設(shè)有床料給料裝置用于補(bǔ)充爐內(nèi)床料，保證床壓穩(wěn)定。

本項目采用兩級配風(fēng)，一次風(fēng)通過主燃室底部風(fēng)室通入，比例為60%左右，其余的風(fēng)量作為二次風(fēng)，從加料口上方通入爐膛。通過一、二次風(fēng)的比例調(diào)整，控制主燃室底部為欠氧氛圍，維持床溫在750～800 ℃之間，可有效控制NOx的原始產(chǎn)生量。未燃盡的燃料與二次風(fēng)繼續(xù)反應(yīng)，大顆粒物料在副燃室經(jīng)過一次分離回到爐膛形成第1 級物料循環(huán)；從燃盡室出來的煙氣中的固體物料進(jìn)一步被尾部旋風(fēng)分離器分離下來并通過二級返料裝置回到主燃室繼續(xù)反應(yīng)。兩級物料循環(huán)使未燃盡的物料在爐內(nèi)循環(huán)反應(yīng)，有效地提高了鍋爐的燃燒效率。從旋風(fēng)分離器出來的煙氣溫度為500 ℃左右，煙氣熱量被尾部煙道的省煤器和空氣預(yù)熱器吸收后，溫度降到150 ℃左右，然后經(jīng)除塵達(dá)標(biāo)后排入大氣。

圖2 該項目多流程循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)流程Fig.2 Process chart of a multi-pass CFB in the project

3.2 污染物處理措施

本項目鍋爐煙氣排放執(zhí)行GB 13271―2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，煙塵、SO2和NOx的質(zhì)量濃度不超過50.00，200.00，200.00 mg/m3。本項目采用多管除塵加布袋除塵的組合式煙塵處理工藝（如圖2 所示）:多管除塵成本低，可以將煙氣中大部分顆粒物脫除下來，但是無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)；后面采用的高效布袋除塵器可以進(jìn)一步地脫除顆粒物，保證出口的排放質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)；由于生物質(zhì)原料中硫含量很低，所以煙氣中SO2含量極低，本項目不需要增加脫硫設(shè)施；多流程循環(huán)流化床爐膛內(nèi)反應(yīng)溫度低，結(jié)合分級配風(fēng)，在主燃室密相區(qū)形成還原性氛圍，可以控制NOx的原始排放質(zhì)量濃度滿足本項目要求。

3.3 運行情況

項目投運后，經(jīng)第三方檢測CFB 效率達(dá)到89%，污染物排放煙塵、SO2和NOx質(zhì)量濃度分別為9.66，16.00，115.00 mg/m3，遠(yuǎn)低于設(shè)計要求和國標(biāo)中燃?xì)忮仩t的排放標(biāo)準(zhǔn)，即使在鍋爐最小負(fù)荷（約10 t/h）下，鍋爐仍能穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)運行。本項目安裝有煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)測數(shù)據(jù)顯示，鍋爐負(fù)荷變化時，污染物排放能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，其中NOx的排放受主爐膛溫度和煙氣氧含量變化的影響，運行過程中通過合理配風(fēng)，降低爐膛溫度和出口煙氣氧含量可以有效地控制NOx的排放。

本項目的設(shè)計燃料為稻殼，但是在運行過程中，由于稻殼的價格波動，實際使用燃料還包括木片、樹皮、樹枝等，將這些燃料破碎到10 cm 以下，可實現(xiàn)與稻殼的任意比例混燒，大大降低了項目的運行成本。

4 結(jié)束語

工業(yè)園區(qū)集中供熱改造可以提高園區(qū)的能源利用效率，有利于大氣污染物排放的監(jiān)控。根據(jù)園區(qū)燃料現(xiàn)狀，選用合適的燃燒技術(shù)是保證集中供熱改造成功的前提。多流程循環(huán)流化床技術(shù)在工業(yè)園區(qū)生物質(zhì)集中供熱項目上的應(yīng)用表明，該技術(shù)是一種清潔、高效的燃燒技術(shù)，并且對生物質(zhì)燃料具有很好的適應(yīng)性，特別適用于生物質(zhì)資源豐富、多種燃料的混合摻燒的場景，可以有效地控制項目運行成本，對集中供熱造成的負(fù)荷波動有很好的適應(yīng)性，能保證不同負(fù)荷下鍋爐的穩(wěn)定運行和污染物的穩(wěn)定控制。