循環(huán)流化床鍋爐生物質(zhì)摻燒試驗(yàn)研究

陳 拓， 李德波， 曾庭華， 周杰聯(lián)， 馮永新， 廖宏楷， 張謂添

(廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司， 廣州 510080)

燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電是實(shí)現(xiàn)燃煤電廠向低碳轉(zhuǎn)型、更大幅度降低CO2排放的重要發(fā)展方向。國家能源局和生態(tài)環(huán)境部于2018年6月28日批準(zhǔn)全國84個(gè)燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電的試點(diǎn)項(xiàng)目，包括300 MW亞臨界燃煤電廠至1 000 MW超超臨界燃煤電廠，預(yù)示著我國燃煤電廠將開始在較大范圍內(nèi)進(jìn)行生物質(zhì)耦合發(fā)電改造工作。

國內(nèi)一些研究者開展了有關(guān)煤與生物質(zhì)摻燒的研究。王華山等[1]利用綜合熱分析儀，對煤和生物質(zhì)摻燒的燃燒過程及特性進(jìn)行了研究。王一坤等[2]對生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電提升燃煤機(jī)組靈活性進(jìn)行了研究，以某330 MW機(jī)組配合建設(shè)20 MW生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電機(jī)組為例，分析了生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電對燃煤機(jī)組鍋爐效率、受熱面安全、催化劑性能和煙氣脫硫系統(tǒng)的影響。張超等[3]對無煙煤摻燒生物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物排放特性進(jìn)行了研究，分析了爐膛溫度、混合比例等參數(shù)對燃燒產(chǎn)物排放的影響。陳海平等[4]選用稻草、木屑和谷殼為生物質(zhì)原料，分析計(jì)算了不同生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鍋爐性能的影響，結(jié)果表明燃煤機(jī)組摻燒生物質(zhì)容易造成鍋爐主燃燒區(qū)結(jié)渣、受熱面腐蝕、鍋爐效率降低，生物質(zhì)的摻混比例和燃料特性對鍋爐運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)性影響顯著。胡云鵬等[5]對生物質(zhì)與煤摻燒的灰熔融特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明生物質(zhì)的加入在一定程度上降低了煤的灰熔點(diǎn)，在低配比范圍內(nèi)隨著生物質(zhì)添加量的增多，摻混煤的灰熔點(diǎn)逐漸降低。潘升全等[6]對某300 MW燃煤機(jī)組摻燒生物質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，利用已有磨煤機(jī)對生物質(zhì)進(jìn)行粉碎并送入鍋爐燃燒，并研究了生物質(zhì)摻燒對煤粉爐燃燒特性的影響，結(jié)果表明采用輥式磨煤機(jī)的直吹式制粉系統(tǒng)可用于生物質(zhì)的破碎和輸送，生物質(zhì)燃燒器噴口火焰穩(wěn)定，NOx和SO2排放量降低，在試驗(yàn)摻燒量范圍內(nèi)，生物質(zhì)摻燒不會影響電廠飛灰在建筑行業(yè)的正常使用。徐金苗等[7]對生物質(zhì)混燃技術(shù)造成煤粉爐存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。李德波等[8-9]對燃煤電廠摻燒污泥現(xiàn)場優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)行了研究，尤其在鍋爐效率、環(huán)保方面開展了研究，評估了燃煤電廠污泥摻燒對鍋爐和環(huán)保系統(tǒng)影響。

筆者針對某電廠50 MW循環(huán)流化床鍋爐生物質(zhì)摻燒開展了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，主要研究了不同生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鍋爐效率及NOx、SO2和粉塵排放量的影響規(guī)律，并評估了燃煤電廠開展生物質(zhì)摻燒對鍋爐效率和環(huán)保影響。

1 鍋爐設(shè)備

表1為鍋爐設(shè)計(jì)燃料分析特性。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)燃料分析特性

某電廠安裝 2 臺N60-8.83/535型凝汽式汽輪機(jī)和2臺QF-60-2-10.5型空冷發(fā)電機(jī)，配2臺DG-260/9.81-3型循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐為單汽包、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、半露天布置，燃用貧煤。

該電廠生物質(zhì)燃料來源主要有：(1)農(nóng)作剩余物，如稻桿、谷殼、花生梗、花生殼、煙梗、桑梗、玉米、甘蔗渣、藥渣；(2)林業(yè)剩余物，如竹片、竹糠、樹頭尾(柴火)、樹枝、樹皮、木糠、雜灌；(3)城市剩余物，如建筑模板、家具料、城市綠化料。生物質(zhì)燃料成分分析見表2(試樣化驗(yàn)指標(biāo))，表2中平均值為質(zhì)量加權(quán)平均值。

表2 生物質(zhì)燃料成分分析

生物質(zhì)燃料在入爐前必須破碎，破碎后要求顆粒直徑≤10 mm。水分含量必須滿足鍋爐燃燒要求，以使鍋爐高效運(yùn)行。該鍋爐按設(shè)計(jì)燃料水分含量進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，如果生物質(zhì)燃料的水分含量等參數(shù)偏離設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，則鍋爐的性能將受影響，鍋爐效率會降低。為確保鍋爐經(jīng)濟(jì)、安全地運(yùn)行，生物質(zhì)燃料的w(Mar)宜控制在0%～25%，燃料中不能含有燃燒時(shí)對鍋爐產(chǎn)生腐蝕及影響排放指標(biāo)的任何工業(yè)異物。

破碎合格后的生物質(zhì)燃料，通過輸料皮帶運(yùn)至爐前料倉。每臺鍋爐設(shè)1個(gè)料倉，每個(gè)料倉的有效容積為69 m3。每個(gè)料倉內(nèi)配活化撥料器，設(shè)有2臺螺旋取料機(jī)。生物質(zhì)燃料通過活化撥料器松散后落到料倉螺旋取料機(jī)上，經(jīng)軸向輸送后落入帶式輸送機(jī)經(jīng)過輸送后，通過落料管進(jìn)入爐前無軸螺旋給料機(jī)，接著通過落煤管進(jìn)入爐膛燃燒，料倉螺旋取料機(jī)采用變頻電動機(jī)驅(qū)動。

2 結(jié)果與分析

現(xiàn)場試驗(yàn)采用GB 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》中的方法開展現(xiàn)場試驗(yàn)。在機(jī)組負(fù)荷分別為60 MW、50 MW時(shí)，對生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(生物質(zhì)質(zhì)量占總?cè)剂腺|(zhì)量的比)為0%、15%、30%、45%的條件下開展摻燒，對鍋爐效率和環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行測量。

2.1 生物質(zhì)摻燒燃料特性

2.1.1 燃料特性分析

表3為不同生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下燃料成分變化的規(guī)律。

表3 不同生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下煤質(zhì)成分變化規(guī)律

由表3可得：隨著生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，燃料的低位發(fā)熱量逐漸降低，w(Car)逐漸增加，w(Aar)逐漸減少，w(Nar)逐漸增加，主要原因是生物質(zhì)的w(Aar)很低，只有3.36%，w(Car)為47.76%，高于煤矸石，但是水分含量高使低位發(fā)熱量低，w(Nar)為0.92%，w(Sar)比較低(0.18%)。摻燒生物質(zhì)可以有效降低燃料的硫分含量和灰分含量。

2.1.2 煤矸石顆粒度分析

試驗(yàn)期間對煤矸石顆粒度進(jìn)行多次取樣分析，試驗(yàn)分析結(jié)果見表4。

表4 煤矸石顆粒度分析結(jié)果

2.2 生物質(zhì)摻燒的影響

筆者所考察的NOx、SO2及粉塵的質(zhì)量濃度均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下、O2體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)的修正值。采用網(wǎng)格法，共設(shè)置4個(gè)測孔，每個(gè)測孔沿深度方向每隔60 cm有1個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測孔有3個(gè)測點(diǎn)。將煙囪入口煙道的NOx、SO2及粉塵的質(zhì)量濃度作為NOx、SO2及粉塵的排放質(zhì)量濃度。

2.2.1 對NOx排放的影響

在煙囪入口煙道測量NOx質(zhì)量濃度，對表盤測點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。由表5可知：測試期間實(shí)測NOx平均質(zhì)量濃度為152.3 mg/m3。表盤NOx平均質(zhì)量濃度為151.7 mg/m3， 兩者相差0.6 mg/m3，因此表盤NOx質(zhì)量濃度可以代表實(shí)測NOx質(zhì)量濃度。

表5 NOx排放質(zhì)量濃度的測量值 mg/m3

該電廠執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為NOx排放質(zhì)量濃度小于200 mg/m3，由于循環(huán)流化床鍋爐能有效抑制燃燒過程中NOx的生成滿足現(xiàn)執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)，因此沒有加裝脫硝裝置。各生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和機(jī)組負(fù)荷條件下，NOx排放質(zhì)量濃度見表6。

表6 不同條件下NOx排放質(zhì)量濃度

由表6可知：隨著生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，NOx排放質(zhì)量濃度有明顯下降的趨勢，在60 MW時(shí)，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%相比于不摻燒生物質(zhì)，NOx排放質(zhì)量濃度下降65.1 mg/m3。

2.2.2 對SO2排放的影響

在煙囪入口煙道測量SO2質(zhì)量濃度，對表盤測點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 SO2排放質(zhì)量濃度的測量值 mg/m3

由表7可知：測試期間實(shí)測SO2平均質(zhì)量濃度為61.1 mg/m3。表盤SO2平均質(zhì)量濃度為62.8 mg/m3，兩者相差1.7 mg/m3，因此表盤SO2質(zhì)量濃度可以代表實(shí)測SO2質(zhì)量濃度。

該電廠執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為SO2排放質(zhì)量濃度小于200 mg/m3，鍋爐采用爐內(nèi)脫硫技術(shù)，投放石灰石。各生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和機(jī)組負(fù)荷條件下，SO2排放質(zhì)量濃度見表8。

表8 不同條件下SO2排放質(zhì)量濃度

由表8可知：摻燒生物質(zhì)后，SO2排放質(zhì)量濃度有明顯下降趨勢，60 MW時(shí)摻燒生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%比不摻燒生物質(zhì)時(shí)，SO2排放質(zhì)量濃度下降31.5 mg/m3，脫硫劑的耗量也隨著摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降。摻燒生物質(zhì)可以在滿足SO2排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)減少脫硫劑耗量。

表8中摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和30%時(shí)，SO2

排放質(zhì)量濃度差別大，主要原因是電廠石灰石給料機(jī)不穩(wěn)定，同時(shí)受電網(wǎng)負(fù)荷波動的影響，導(dǎo)致試驗(yàn)期間SO2排放質(zhì)量濃度有較大的波動，一方面，石灰石送入爐膛的量是波動的，屬于設(shè)備本身的問題；另一方面，負(fù)荷波動使SO2排放質(zhì)量濃度有較大的波動。其他工況未出現(xiàn)負(fù)荷波動和石灰石給料的波動。

2.2.3 對粉塵排放的影響

在煙囪入口煙道測量粉塵排放質(zhì)量濃度，對表盤測點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)測粉塵質(zhì)量濃度為13.27 mg/m3。表盤粉塵平均質(zhì)量濃度為11.83 mg/m3，兩者相差1.44 mg/m3，因此表盤粉塵質(zhì)量濃度可以代表實(shí)測粉塵質(zhì)量濃度。該電廠執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為粉塵排放質(zhì)量濃度小于20 mg/m3。各生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和機(jī)組負(fù)荷條件下，粉塵排放質(zhì)量濃度見表9。由表9可知：摻燒生物質(zhì)對粉塵排放質(zhì)量濃度影響不大，各摻燒工況下，粉塵排放質(zhì)量濃度都在10 mg/m3左右。綜上所述，摻燒生物質(zhì)可以滿足粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表9 不同條件下粉塵排放質(zhì)量濃度

2.3 鍋爐熱效率的測量

鍋爐效率的測量結(jié)果見表10，外來輸入熱量只考慮進(jìn)入系統(tǒng)空氣帶入熱量，鍋爐效率的計(jì)算統(tǒng)一折算到O2體積分?jǐn)?shù)為6%條件下。

表10 鍋爐效率測試結(jié)果

由表10可得：生物質(zhì)摻燒對飛灰和爐渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不大，但是由于摻燒后入爐燃料的灰分含量大幅下降，因此計(jì)算的固體不完全燃燒損失率隨著摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而大幅下降。60 MW下，相比于不摻燒生物質(zhì)，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時(shí)，固體不完全燃燒損失率下降5.51百分點(diǎn)。50 MW工況與60 MW工況呈現(xiàn)相似的規(guī)律，摻燒生物質(zhì)后鍋爐效率大幅提高，由于燃料的改變，排煙熱損失率明顯增加，但是固體不完全燃燒損失率大幅下降。排煙熱損失是造成熱損失增加的主要原因，由于摻燒生物質(zhì)造成入爐燃料水分含量增加。60 MW下，相比于不摻燒生物質(zhì)，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時(shí)，排煙熱損失率增加1.54百分點(diǎn)。摻燒生物質(zhì)對鍋爐的綜合影響主要體現(xiàn)在鍋爐效率上。60 MW下，相比于不摻燒生物質(zhì)，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時(shí)，鍋爐效率提升4.75百分點(diǎn)，摻燒生物質(zhì)可以大幅提高鍋爐效率。

3 結(jié)語

筆者針對某電廠50 MW燃煤電廠生物質(zhì)摻燒開展了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，主要研究了不同生物質(zhì)摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鍋爐效率及NOx、SO2和粉塵排放質(zhì)量濃度的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1) 摻燒生物質(zhì)，可以有效降低燃料的硫分含量，減少燃料的灰分含量。

(2)摻燒生物質(zhì)可以有效減少NOx的生成，完全能夠滿足現(xiàn)執(zhí)行的排放要求。60 MW下，不摻燒生物質(zhì)工況的NOx排放質(zhì)量濃度為187.2 mg/m3，最大摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(45%)條件下NOx排放質(zhì)量濃度只有122.1 mg/m3。

(3) 摻燒生物質(zhì)可以在滿足SO2排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)減少脫硫劑使用量。60 MW下，不摻燒生

物質(zhì)工況的SO2排放質(zhì)量濃度為189.8 mg/m3，最大摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(45%)條件下SO2排放質(zhì)量濃度為158.3 mg/m3。

(4) 摻燒生物質(zhì)可以滿足粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)。60 MW時(shí)，不摻燒生物質(zhì)工況的粉塵排放質(zhì)量濃度為10.7 mg/m3，摻燒生物質(zhì)對粉塵排放質(zhì)量濃度影響不大，各摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，粉塵排放質(zhì)量濃度都在10 mg/m3左右。

(5) 摻燒生物質(zhì)后，鍋爐效率大幅提高，由于燃料的改變，排煙熱損失率明顯增加，但是固體不完全燃燒損失率大幅下降。60 MW下，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、15%、30%、45%時(shí)，鍋爐效率分別為79.27%、77.43%、81.49%、84.02%；50 MW下，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、15%、30%、45%時(shí)，鍋爐效率分別為79.80%、81.59%、82.82%、84.33%。