生物質(zhì)與煤直接耦合燃燒試驗研究

倪 剛，楊章寧，冉燊銘，李維成，莫春鴻，張秀昌

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引 言

生物質(zhì)是可再生能源的重要組成部分，具有資源豐富、可再生、低污染、分布廣泛等特點。為了應(yīng)對能源短缺、環(huán)境污染等問題，各國都在大力開發(fā)利用生物質(zhì)能，將生物質(zhì)作為潔凈能源替代部分傳統(tǒng)燃煤發(fā)電[1-3]，生物質(zhì)與煤直接耦合燃燒是生物質(zhì)利用的重點方向之一[4-5]。生物質(zhì)與煤耦合燃燒試驗及工程應(yīng)用研究[6-7]表明，加入生物質(zhì)能改變煤的著火性能，混合燃燒對煤的燃盡性能影響很小[8]。Savolainen等[9]在315 MW煤粉爐內(nèi)混燒生物質(zhì)，用火焰探測器實時監(jiān)測爐內(nèi)火焰情況，結(jié)果顯示生物質(zhì)混燃過程中未產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象；Foster Wheeler公司在TVA電站上進(jìn)行了木材的混燃試驗，結(jié)果表明混燃過程中火焰溫度降低，降幅約40 ℃[10]；董信光等[11]利用管式鍋爐和煙氣分析儀研究了生物質(zhì)混合燃燒料的NOx排放特性，結(jié)果表明生物質(zhì)的加入可明顯降低煤燃燒時的NOx排放量；Molcan等[12]在3 MW爐內(nèi)對煤粉和生物質(zhì)混燃進(jìn)行測試，結(jié)果表明生物質(zhì)摻燒后，SO2排放量降幅較大；生物質(zhì)燃料的可燃組分含量相對較低，發(fā)熱量低[13]；生物質(zhì)的燃燒特性明顯優(yōu)于煤，粒度越小，燃點和燃盡溫度更低，更有利于著火和燃盡[14]，生物質(zhì)粒徑小到一定值后，燃燒特性與粒徑無關(guān)，滿足充分燃燒。

我國生物質(zhì)資源主要包括作物秸稈(農(nóng)業(yè)廢棄物及農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)廢棄物)、林木(包括林產(chǎn)品加工業(yè)廢棄物)、畜禽糞便、城市垃圾和廢水等方面，其中，秸稈及農(nóng)業(yè)加工剩余物、畜禽糞便、薪柴和林木生物質(zhì)能共占生物質(zhì)理論可獲得量的97%(秸稈及農(nóng)業(yè)加工剩余物占38.9%，畜禽糞便占22.1%，薪柴和林木生物質(zhì)能占36.0%)[15]，畜禽糞便等收集運輸不便，所以本文以木頭、水稻、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈為研究對象。

本文主要研究不同生物質(zhì)與煤粉耦合燃燒后，鍋爐NO排放及煤粉的燃盡特性，為此搭建了50 kW生物質(zhì)與煤耦合燃燒下行爐試驗臺，并將生物質(zhì)放入磨煤機(jī)(雷蒙磨)中磨制，然后進(jìn)行激光粒徑測試，選取生物質(zhì)最佳燃燒粒徑0.3～0.5 mm進(jìn)行試驗，重點研究木頭、水稻、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈等生物質(zhì)不同摻燒位置、摻燒比例、一次風(fēng)溫、一次風(fēng)率以及不同煤種摻燒后對鍋爐NO排放以及飛灰可燃物的影響，以尋求生物質(zhì)最佳摻燒位置和摻燒比例，為工程設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗設(shè)備

生物質(zhì)耦合試驗在一維下行爐上進(jìn)行，試驗臺功率50 kW，爐膛內(nèi)徑0.25 m，爐膛高度6.5 m，停留時間3.2 s，爐膛容積0.32 m3，試驗臺系統(tǒng)示意如圖1所示。燃燒系統(tǒng)主要流程如下：主燃料從爐頂上方的煤粉燃燒器送入，一次風(fēng)經(jīng)過加熱器加熱至指定溫度后與煤粉混合后送入煤粉燃燒器；二次風(fēng)由加熱器加熱后一部分由燃燒器二次風(fēng)管道送入爐膛，一部分由燃盡風(fēng)管道送入爐膛；生物質(zhì)燃料磨制好后放入單獨的生物質(zhì)粉倉，一次風(fēng)經(jīng)加熱器加熱至指定溫度后與生物質(zhì)粉混合進(jìn)入生物質(zhì)燃燒器。

圖1 50 kW下行爐生物質(zhì)與煤耦合試驗裝置系統(tǒng)Fig.1 Systematic diagram of a 50 kWbiomass-coal coupling test device

生物質(zhì)燃燒器布置在爐膛側(cè)面的燃燒區(qū)域、還原風(fēng)區(qū)域及燃盡風(fēng)區(qū)域，自上而下布置5層，滿足煤與生物質(zhì)耦合燃燒的要求。

1.2 試驗燃料

選取2種典型煤作為試驗煤種：陜西煙煤和山西貧煤。每個工況在給粉機(jī)下部對煤粉進(jìn)行取樣，工業(yè)分析及元素分析見表1。試驗用生物質(zhì)包括木頭、水稻、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈，按生物質(zhì)化驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工業(yè)分析及元素分析，結(jié)果見表2?？芍?，與常規(guī)燃料煤相比，生物質(zhì)燃料碳含量較少、固定碳少、氫含量稍多、揮發(fā)分明顯較多、氧含量多、硫含量低、發(fā)熱量低。

表1 煤的元素分析和工業(yè)分析

表2 生物質(zhì)的元素分析和工業(yè)分析

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)摻入位置對NO排放的影響

為考察生物質(zhì)在不同摻燒位置下爐膛出口NO及飛灰可燃物的變化，選取木頭和煙煤進(jìn)行耦合燃燒，以木頭和貧煤進(jìn)行對比試驗。煙煤耦合試驗氧量3%、燃盡風(fēng)率40%、木頭摻入比例(熱值比，下同)6%；貧煤耦合試驗氧量4.4%、燃盡風(fēng)率38%、木頭摻入比例6%。在此基礎(chǔ)上改變摻燒位置(圖1中第1～5節(jié)分別對應(yīng)燃燒區(qū)域、還原區(qū)區(qū)域、一級燃盡風(fēng)區(qū)域、燃盡風(fēng)之間區(qū)域和二級燃盡風(fēng)區(qū)域)，進(jìn)行煙氣和飛灰可燃物的取樣及分析。

維持爐膛輸入熱負(fù)荷、燃盡風(fēng)率、爐膛出口氧量基本一致的情況下，在不同位置摻入相同比例生物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)無論從燃燒區(qū)域、還原區(qū)域還是燃盡風(fēng)區(qū)域送入，NO排放都有一定程度下降，生物質(zhì)不同位置NO降幅如圖2所示。

圖2 不同位置對NO下降幅度的影響Fig.2 Effect of different burning positions onreduction rate of NO emission

由圖2可知，燃燒器區(qū)域送入時，燃燒區(qū)域的最高溫度下降，產(chǎn)生的熱力型NO下降；生物質(zhì)從第2節(jié)即還原區(qū)位置送入后，NO降幅最大，煙煤降幅為23.47%，貧煤降幅為13.64%；從第3節(jié)送入時，NO降幅又急劇下降；從第4、5節(jié)送入后，NO降幅逐漸上升，貧煤和煙煤工況的NO降幅曲線一致。這是由于生物質(zhì)從還原區(qū)送入后，由于煙溫較高，且氧量較低，生物質(zhì)快速熱解產(chǎn)生大量揮發(fā)分，揮發(fā)分會加強(qiáng)對主燃料產(chǎn)生的NO的還原；另外生物質(zhì)從還原區(qū)送入，產(chǎn)生的還原性物質(zhì)與NO有足夠的時間進(jìn)行還原反應(yīng)。所以生物質(zhì)對NO的還原效果與生物質(zhì)送入爐膛時周圍的氧量及揮發(fā)分停留時間有關(guān)。

2.2 生物質(zhì)摻入位置對燃盡的影響

生物質(zhì)不同摻燒位置的飛灰可燃物曲線如圖3所示(工況與2.1節(jié)一致)。

由圖3可知，隨著生物質(zhì)摻入位置從上至下變化，煙煤工況的飛灰含碳量逐漸上升，上升幅度較大，第1、2、3節(jié)送入時，飛灰可燃物含量在9.12%～9.74%；貧煤工況的飛灰含碳量逐漸下降，變化幅度不大，第1、2、3節(jié)送入時，飛灰可燃物含量為8.14%～8.96%。第4、5節(jié)送入時，貧煤和煙煤工況呈相反趨勢，主要因為生物質(zhì)揮發(fā)分能在較低溫度下析出和燃燒，使煤粉附近的煙氣溫度升高，提高煤粉的燃燒速度，對煤焦炭有較明顯的助燃作用，煙煤的焦炭燃燒主要在前期，所以后期加入對焦炭燃盡的促進(jìn)作用較弱；貧煤的焦炭燃燒主要在后期，后期加入對焦炭促進(jìn)作用較強(qiáng)，貧煤耦合燃燒生物質(zhì)宜從燃燒后期加入，更利于煤粉燃盡。

圖3 不同位置對飛灰可燃物的影響Fig.3 Effect of different burning positions onunburnt carbon in the fly ash

2.3 生物質(zhì)摻燒比例對NO排放的影響

為考察生物質(zhì)不同摻燒比例對爐膛出口NO的影響，選取木頭和煙煤進(jìn)行耦合燃燒，并以木頭和貧煤耦合燃燒進(jìn)行對比。煙煤耦合試驗選取氧量3%、燃盡風(fēng)率40%，木頭摻入位置為還原區(qū)；貧煤耦合試驗選取氧量4.3%、燃盡風(fēng)率37%，木頭摻入位置為還原區(qū)，生物質(zhì)摻燒比例分別為6%、12%和18%。生物質(zhì)不同比例、不同煤種下NO下降幅度如圖4所示。

圖4 生物質(zhì)摻燒比例對NO下降幅度的影響Fig.4 Effect of burning proportions of biomasson reduction rate of NO emission

木頭和煙煤耦合燃燒時，木頭摻燒比例從6%升至18%時，NO降幅逐漸增大，從23.31%增至39.5%；木頭和貧煤耦合摻燒時，隨生物質(zhì)摻燒比例增大，NO降幅從13.61%降至10%；從降幅看，生物質(zhì)與煙煤耦合時對NO還原的幅度大于貧煤，但從下降絕對值看，貧煤工況NO下降90～109 mg/Nm3，煙煤工況的NO下降47～77 mg/Nm3，貧煤耦合摻燒NO下降的絕對值比煙煤耦合摻燒大。分析原因是生物質(zhì)從還原區(qū)送入，對于煙煤，燃料N產(chǎn)生的NO在燃燒前期大部分已釋放出來，此時送入木頭，NO的還原會隨著送入生物質(zhì)比例增高而增大。對于貧煤，燃料N在燃燒后期也會釋放出來，燃燒前期送入木頭比例6%時，對NO的還原已達(dá)到最佳效果。送入木頭比例提高后，反而爐膛出口NO會升高，可能是因為木頭N含量比貧煤略高，木頭產(chǎn)生的燃料性NO使得最終NO排放略升高。

2.4 不同生物質(zhì)對NO排放的影響

為考察不同生物質(zhì)及摻燒比例對爐膛出口NO的影響，選取木頭、水稻、小麥秸稈、花生秸稈和玉米秸稈和煙煤進(jìn)行耦合燃燒，氧量3%，燃盡風(fēng)率40%，木頭摻入位置為還原區(qū)，生物質(zhì)摻燒比例(6%、12%和18%)對鍋爐NO排放影響如圖5所示。

圖5 不同生物質(zhì)對NO排放的影響Fig.5 Effect of different coupled combustion ofbiomass on reduction rate of NO emission

由圖5可知，生物質(zhì)摻燒比例為12%時，NO降幅排序為：小麥>木頭>水稻>花生>玉米。與表2各生物質(zhì)N含量(小麥<木頭<水稻<玉米<花生)基本一致。分析原因是5種生物質(zhì)的揮發(fā)分在60%以上，產(chǎn)生的還原性氣氛比例相近，但每種生物質(zhì)N含量差別較大，小麥N含量是0.54%，花生N含量是1.28%，燃料N含量越高，產(chǎn)生的燃料性NO越高。說明生物質(zhì)除了產(chǎn)生的揮發(fā)分能還原NO外，其本身燃燒也會產(chǎn)生燃料型NO，工程上摻燒生物質(zhì)時應(yīng)注意生物質(zhì)的N含量。

在相同位置摻入不同比例生物質(zhì)，研究其對NO的影響，結(jié)果顯示除水稻外，木頭、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈等生物質(zhì)都是摻入比例越大，NO降幅越大；水稻、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈摻入比例高于12%后，NO降幅未明顯上升。分析原因是因為試驗中所有生物質(zhì)都從一級燃燒器送入，生物質(zhì)比例提高后，爐膛內(nèi)一部分還原性物質(zhì)未與氧化物發(fā)生還原反應(yīng)即被氧化，猜測將生物質(zhì)分級送入會提升生物質(zhì)對NO的還原效果。

2.5 不同生物質(zhì)對燃盡特性的影響

不同生物質(zhì)與煤耦合燃燒對鍋爐飛灰可燃物含量的試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同生物質(zhì)對飛灰可燃物含量的影響Fig.6 Effect of different coupled combustion ofbiomass on combustible content of fly ash

由圖6可知，在相同輸入熱負(fù)荷及過量空氣系數(shù)下，與純燒煤工況相比，摻入木頭、水稻、花生秸稈及玉米秸稈等生物質(zhì)后飛灰可燃物均出現(xiàn)不同程度降低，說明生物質(zhì)與煤直接耦合燃燒能提高主燃料煤的燃盡率，這是因為生物質(zhì)揮發(fā)分基本在60%以上，揮發(fā)分極易燃燒，能有效提高煤粉周圍煙溫，提高反應(yīng)速率；另外生物質(zhì)摻燒比例提高至12%后，木頭、花生秸稈及玉米秸稈飛灰可燃物規(guī)律不同且變化幅度較小，分析原因可能是因為生物質(zhì)比例提高，還原區(qū)域氧量較低，不能及時完全燃燒，煤粉周圍煙氣溫度不會隨生物質(zhì)同比例提高，所以生物質(zhì)對主燃料燃盡的提高程度有限。

2.6 不同生物質(zhì)一次風(fēng)率對NO及燃盡的影響

改變生物質(zhì)燃燒器的配風(fēng)量，考察爐膛出口NO及飛灰可燃物的變化。氧量4.25%，生物質(zhì)燃燒器一次風(fēng)率為33%、50%和66%，考察生物質(zhì)一次風(fēng)率對煙煤的燃盡、NO排放等的影響，試驗期間進(jìn)行了煙氣及飛灰可燃物的取樣及分析。不同生物質(zhì)一次風(fēng)率對NO及燃盡影響如圖7所示。

圖7 一次風(fēng)率對燃燒的影響Fig.7 Effect of primary air rate of biomass on combustion

由圖7可知，生物質(zhì)一次風(fēng)率從33%升到66%后，各工況CO較低，都在40×10-6以下；隨著配風(fēng)量增加，NO從235.4 mg/Nm3升至246.9 mg/Nm3，增幅較??；飛灰可燃物變化不明顯，分析認(rèn)為生物質(zhì)一次風(fēng)率提高后會增加還原區(qū)域的氧濃度，同時會降低還原區(qū)溫度，推測爐膛內(nèi)煤粉的反應(yīng)速率未出現(xiàn)明顯變化,生物質(zhì)揮發(fā)分的反應(yīng)速率略有提升，對爐膛內(nèi)NO還原效果削弱。整體上生物質(zhì)一次風(fēng)率對鍋爐燃燒特性影響不大。

2.7 不同生物質(zhì)一次風(fēng)溫對NO及燃盡的影響

改變生物質(zhì)一次風(fēng)溫度，考察爐膛出口NO和CO排放特性及飛灰可燃物的變化。選取氧量2.8%，并維持風(fēng)量不變，一次風(fēng)溫為30、50和70 ℃時，NO及燃盡效果如圖8所示。

圖8 一次風(fēng)溫對燃燒的影響Fig.8 Effect of primary air temperature of biomass on combustion

由圖8可知，隨著生物質(zhì)一次風(fēng)溫從30 ℃升高70 ℃后，CO含量較低，在180×10-6以下；隨著生物質(zhì)一次風(fēng)溫升高，NO變化不明顯，均在500 mg/Nm3左右，但風(fēng)溫升高后飛灰可燃物含量降低較明顯，從13.88%降至7.62%。一次風(fēng)風(fēng)溫升高至70 ℃對生物質(zhì)的熱解影響較小，產(chǎn)生的揮發(fā)分變化較小，所以對NO影響不大。升高風(fēng)溫能提高生物質(zhì)燃燒區(qū)域的爐膛溫度，顯著提升生物質(zhì)及煤焦的化學(xué)反應(yīng)速度，另外由于生物質(zhì)從還原區(qū)送入，此區(qū)域爐膛溫度較高，煤焦在此高溫區(qū)燃燒速率提高，更有利于燃盡，能有效提高燃燒效率。分析認(rèn)為在不影響安全的情況下，生物質(zhì)燃燒器應(yīng)盡量提高一次風(fēng)溫度。

2.8 生物質(zhì)摻入對煙氣溫度的影響

在維持輸入熱負(fù)荷、氧量、燃盡風(fēng)率不變的情況下，不摻燒生物質(zhì)及改變生物質(zhì)不同摻燒位置后，爐膛燃燒區(qū)域煙溫與爐膛出口煙溫如圖9所示。

圖9 不同位置對煙氣溫度的影響Fig.9 Effect of burning positions on flue gas temperature

由圖9可知，相比純燒煤工況，貧煤和煙煤的爐膛燃燒區(qū)域以及爐膛出口的溫度都有不同幅度上升，原因主要是在較低溫度下生物質(zhì)揮發(fā)分即可析出和燃燒，提高了煤粉周圍的煙氣溫度，加速了煤粉的燃燒，提高了煤的燃盡性。由圖6可知，生物質(zhì)摻燒后飛灰可燃物均出現(xiàn)不同程度降低；隨著生物質(zhì)送入位置向下移動，燃燒區(qū)域及爐膛出口溫度上升幅度越大，這是由于貧煤的焦炭燃燒主要在后期，生物質(zhì)后期加入，提高了焦炭周圍煙氣溫度，對焦炭的促進(jìn)作用較強(qiáng)，由圖3可知，對于貧煤，生物質(zhì)在后期加入，飛灰含碳量最低。

由圖2、5可知，不同生物質(zhì)、位置及比例摻燒后，爐膛NO排放不同程度降低，這可能是由于生物質(zhì)摻燒后，爐膛燃燒區(qū)域煙氣溫度升高，如圖9所示，煙煤工況下燃燒區(qū)域的煙氣溫度上升18～26 ℃，貧煤工況下燃燒區(qū)域溫度上升0～32 ℃，促進(jìn)煤粉燃燒的同時，也有利于燃料N產(chǎn)生的NO在燃燒器區(qū)域提前釋放，在還原區(qū)有效被還原，最終爐膛出口NO排放降低。

3 結(jié) 論

1)從NO排放情況看，生物質(zhì)與燃煤鍋爐耦合燃燒最佳送入位置為還原區(qū)，此工況NO排放降幅最大，煙煤降幅23.47%，貧煤降幅為13.64%。從燃盡角度看，對于煙煤，生物質(zhì)宜從燃燒前期加入；對于貧煤，生物質(zhì)宜從燃燒后期加入。

2)生物質(zhì)摻燒比例從6%提高至12%后，與煙煤耦合燃燒時，NO排放降幅從23.31%增至39.5%；與貧煤耦合燃燒時，NO排放降幅變化不明顯，從13.61%下降至10%左右。

3)摻燒不同生物質(zhì)對NO降幅不同，NO降幅與生物質(zhì)中氮含量相關(guān)，氮含量越低，NO降幅越大。

4)提高生物質(zhì)的一次風(fēng)溫，飛灰可燃物降低明顯，從30 ℃升至70 ℃時，飛灰可燃物含量從13.88%降至7.62%，建議在不影響制粉系統(tǒng)安全的情況下，生物質(zhì)燃燒器宜盡量提高一次風(fēng)溫度。