50MW循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐一氧化碳減排研究

麥曉峰

摘 要：本文結(jié)合湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司50 MW生物質(zhì)鍋爐的運行情況，通過5個月的一氧化碳減排試驗，找到了影響一氧化碳排放的關(guān)鍵因素，解決了公司自投運以來燃燒不經(jīng)濟的問題，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。此外，提出了適用于生物質(zhì)鍋爐的一氧化碳低排放和穩(wěn)定燃燒的建議，對維持生物質(zhì)鍋爐的良好工況、延長機組運行周期具有重要作用，可為生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運行提供可借鑒的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)鍋爐;一氧化碳減排;運行周期

中圖分類號：S181文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0143-03

Abstract： Combined with the operation of 50 MW biomass boiler in Zhanjiang bio Power Generation Co.， Ltd.， through five months of carbon monoxide emission reduction test， find out the key factors affecting carbon monoxide emission， solve the problem of uneconomical combustion since the company put into operation， and create good economic benefits for the company. At the same time， the suggestion of low carbon monoxide emission and stable combustion for biomass boiler is put forward， which plays an important role in maintaining the good working condition of biomass boiler and prolonging the operation cycle of unit， and provides reference experience for stable operation of biomass boiler.

Keywords： biomass boiler;carbon monoxide emission reduction;operation cycle

生物質(zhì)燃料以樹皮和木質(zhì)燃料為主，隨地理位置的變化和區(qū)域的產(chǎn)業(yè)鏈的差異有所改變。生物質(zhì)燃料種類繁多且特性各異，存在燃料流動性多變、入爐燃料熱值和水分不穩(wěn)定的情況，引起燃燒不穩(wěn)定和不充分的問題[1]。燃燒不充分將大幅增加一氧化碳排放量，降低機組的經(jīng)濟性;燃燒不穩(wěn)定將導(dǎo)致機組參數(shù)波動，降低機組的安全性。因此，研究影響生物質(zhì)鍋爐一氧化碳排放量的因素，并改善燃燒方法，實現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐高效燃燒，對提高生物質(zhì)鍋爐的經(jīng)濟性和安全性具有重要意義。

為了研究工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)鍋爐在運行中影響一氧化碳排放量的因素，為工業(yè)生產(chǎn)提供切實依據(jù)，以50 MW生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐為平臺，進行了工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)鍋爐的一氧化碳減排研究。

1 研究背景

本文研究的50 MW生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐為華西能源工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的型號為HX220-9.8-IV1型的高溫、高壓、單汽包、汽水自然循環(huán)、平衡通風的循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐的額定蒸發(fā)量為220 t/h，額定蒸汽出口壓力為9.8 MPa，額定蒸汽出口溫度為540 ℃。設(shè)計燃料為桉樹的皮、葉、根、枝，木材邊角料，甘蔗渣和其他農(nóng)林廢棄物。鍋爐對燃料的顆粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm。

生物質(zhì)燃料種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，難以實現(xiàn)鍋爐平穩(wěn)給料。生物質(zhì)燃料普遍熱值偏低，一般為1 700～2 500 cal/g，易造成50 MW的生物質(zhì)鍋爐無法達到額定出力。湛江生物質(zhì)發(fā)電廠的機組于2011年投產(chǎn)，經(jīng)過探索后實現(xiàn)了滿負荷運行。長期以來，鍋爐穩(wěn)定運行時，爐膛氧量系數(shù)常保持在0.5%～1.0%。這是一種受到了投產(chǎn)初期技術(shù)不成熟的經(jīng)驗影響的運行方式，也是一種為帶滿負荷但犧牲了一定的燃燒經(jīng)濟性的運行方式。

生物質(zhì)發(fā)電廠的燃料成本是經(jīng)營成本的主要部分。通過探索減少生物質(zhì)鍋爐一氧化碳排放量的方法，實現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐燃料充分燃燒，可以有效降低生物質(zhì)鍋爐的不完全燃燒損失，提高機組經(jīng)濟性，減少生物質(zhì)燃料耗用率，對改善生物質(zhì)發(fā)電廠的經(jīng)濟效益具有顯著的積極作用[2]。所以，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠的一氧化碳減排研究勢在必行且意義重大。

2 研究方法

生物質(zhì)燃料的水分和熱值受雨水天氣影響較大。一般而言，秋冬季節(jié)是南方生物質(zhì)電廠發(fā)電的黃金時期。此季節(jié)雨水少，生物質(zhì)燃料水分低、熱值高，質(zhì)量較為穩(wěn)定[3]。南方4—9月多為雨季，故選取2020年10月至次年2月作為試驗周期。試驗的主要目的是尋找生物質(zhì)鍋爐最佳的氧量系數(shù)。由于二氧化硫和氮氧化物的測量值與氧量的關(guān)系較大，因此試驗必須在確保環(huán)保參數(shù)（二氧化硫和氮氧化物）不超過限值的前提下進行，以保障生物質(zhì)發(fā)電廠的環(huán)保安全。

根據(jù)原有的氧量系數(shù)，逐步增大生物質(zhì)鍋爐的氧量系數(shù)，并對一氧化碳排放量進行統(tǒng)計分析。同時，為了確保試驗的準確性，對機組運行有以下要求：①機組工況良好，各輔機工況良好，能滿足試驗的參數(shù)調(diào)整需要;②保持機組在滿負荷50 MW附近運行;③各種生物質(zhì)燃料的配比相同，且各種生物質(zhì)燃料混合均勻;④由具備良好的燃燒調(diào)整水平的運行人員調(diào)整。

3 研究結(jié)果及測算

為了確保一氧化碳減排試驗的準確性，通過分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）收集數(shù)據(jù)后，剔除機組的停運時間，并將每個月的一氧化碳排放總量按照30天進行折算，結(jié)果如表1所示，其中氧量和飛灰含碳量為日均值。

3.1 一氧化碳排放總量

從表1數(shù)據(jù)可知，當鍋爐氧量系數(shù)達到2%以上時，一氧化碳的減排效果十分明顯（變化趨勢可參考圖1的一氧化碳-氧量變化趨勢圖）。對比2020年10月和2021年1月的數(shù)據(jù)可知，鍋爐的氧量增加了1.09%，但一氧化碳排放總量減少了288.77 t，相當于減排了36.48%的一氧化碳。如果以入爐生物質(zhì)燃料平均熱值為2 500 cal/g進行折算，一個月減排的一氧化碳相當于279 t生物質(zhì)燃料。換算為全年，則一臺50 MW的生物質(zhì)鍋爐通過調(diào)整氧量可以少使用3 348 t生物質(zhì)燃料，預(yù)估一臺50 MW的生物質(zhì)鍋爐全年減少燃料成本超過100萬元。

減排的一氧化碳完全燃燒的熱量為（288.77×1 000×22.4÷28×3 018）kcal，即697 206 288 kcal，折算為生物質(zhì)燃料的總量為（697 206 288÷2 500÷1 000）t，即279 t。

其中：一氧化碳熱值為3 018 kcal/Nm3;22.4÷28是一氧化碳的質(zhì)量和體積的換算系數(shù)。

3.2 飛灰含碳量

從表1數(shù)據(jù)可見，當鍋爐氧量系數(shù)達到2%以上時，飛灰含碳量明顯下降，下降數(shù)值為4%～6%，下降幅度約50%。這意味著鍋爐的不完全燃燒損失減少，鍋爐熱效率明顯提高。同時，從圖2的飛灰可燃物-氧量變化趨勢圖可看出，氧量系數(shù)達到2%后，即使再提升氧量系數(shù)，減少飛灰含碳量的效果已不再明顯。

3.3 一氧化碳減排試驗的結(jié)果

通過一氧化碳的減排試驗，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠發(fā)現(xiàn)以往維持鍋爐氧量系數(shù)為0.5%～1.0%的運行方式經(jīng)濟效益較差，因此要求運行人員維持鍋爐氧量系數(shù)在2%～3%運行。經(jīng)過5個月的試驗探索，只要通過合理的上配料將入爐熱值和水分控制在合適范圍內(nèi)，就可以實現(xiàn)鍋爐滿負荷穩(wěn)定運行。初步測算，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠的兩臺機組將于2021年減少200萬元以上的燃料成本，有效提高了公司的經(jīng)濟效益。

4 生物質(zhì)鍋爐運行建議

4.1 維持鍋爐氧量系數(shù)在2%～3%

試驗結(jié)果表明，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠的鍋爐維持在2%～3%的氧量系數(shù)最合適，既能保持良好的燃燒經(jīng)濟性，又能防止鍋爐出現(xiàn)其他問題。當鍋爐的氧量系數(shù)低于2%時，鍋爐的一氧化碳排放量和飛灰含碳量快速上升，燃燒的經(jīng)濟性明顯降低。此外，未燃盡的飛灰和一氧化碳會使鍋爐的燃燒整體后移，容易出現(xiàn)低溫過熱器區(qū)域超溫，進而引起低溫過熱器堵灰，導(dǎo)致機組被迫停運。所以，生物質(zhì)鍋爐的氧量系數(shù)不宜低于2%。

理論上，氧量系數(shù)進一步提高，鍋爐內(nèi)的燃料將燃燒得更加充分[4]。但實際運行中，由于煙氣中氮氧化物和二氧化硫的測量數(shù)值與煙氣中的氧量直接相關(guān)，當氧量系數(shù)高于3%時，煙氣中氮氧化物的折算值濃度將大幅提升，十分接近國家的排放標準（200 mg/m3）。生物質(zhì)鍋爐常在給料環(huán)節(jié)出現(xiàn)卡料和堵料問題，將進一步增大鍋爐的氧量系數(shù)，使氮氧化物超限的問題更為突出。此外，根據(jù)日常對一氧化碳參數(shù)的監(jiān)視情況，進一步增加氧量至3%以上時，鍋爐一氧化碳減排的效果將不再明顯。所以，在實際運行中，生物質(zhì)鍋爐的氧量系數(shù)不建議超過3%。

4.2 燃料規(guī)格合適并混合均勻

生物質(zhì)鍋爐對燃料的顆粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm，但在實際運行中由于生物質(zhì)燃料種類繁多和破碎機的破碎效果不佳，實際入爐燃料的規(guī)格在40～500 mm不等。生物質(zhì)燃料規(guī)格越大，生物質(zhì)燃料的流動性越差，越難實現(xiàn)鍋爐連續(xù)給料，對運行人員的要求越高，也越難維持鍋爐的氧量系數(shù)在2%～3%。

建議生物質(zhì)電廠從燃料進廠環(huán)節(jié)開始控制燃料質(zhì)量和規(guī)格，及時排除燃料中的雜質(zhì)，并要求燃料規(guī)格在150 mm以內(nèi)。此外，及時維護破碎機和給料機，使其在良好的工況下運行。在上配料環(huán)節(jié)，可以根據(jù)不同燃料品種的特性進行混合，實現(xiàn)取長補短的效果，最終使燃料具有良好的流動性，更有利于運行人員調(diào)控鍋爐的氧量系數(shù)。

4.3 控制入爐燃料的水分含量

生物質(zhì)燃料的水分受品種和雨水天氣影響較大。一般樹皮類燃料的水分范圍在30%～50%;樹頭、木邊皮和木尾水分較穩(wěn)定，約35%;建筑廢料和木材加工副產(chǎn)品的水分約18%。在4—9月的雨季，所有品種的生物質(zhì)燃料的水分均增加，其中樹皮類燃料的水分增加最為明顯。在干燥的秋冬季節(jié)，所有生物質(zhì)燃料的水分均比其他季節(jié)低。

生物質(zhì)燃料的水分對生物質(zhì)鍋爐的氧量系數(shù)和燃燒的穩(wěn)定性具有重要影響。當入爐燃料水分高時，濕燃料將快速吸收爐內(nèi)氧氣，但未能馬上燃燒，爐內(nèi)燃料就在富氧和缺氧之間反復(fù)波動，導(dǎo)致一氧化碳和所有環(huán)保參數(shù)均顯著升高。所以，在配料環(huán)節(jié)控制好入爐燃料的水分十分關(guān)鍵。一般控制入爐燃料的水分在35%、熱值在2 500 cal/g，較適合50 MW的生物質(zhì)鍋爐，既能實現(xiàn)機組帶滿負荷運行，又能減少參數(shù)波動，實現(xiàn)機組的安全穩(wěn)定運行。

4.4 維持鍋爐良好的流化狀態(tài)

循環(huán)流化床鍋爐的穩(wěn)定運行必須建立在良好的流化狀態(tài)下，其中生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐也不例外。實踐中，一氧化碳的生成量與鍋爐的一次風量和床層壓力沒有明顯的關(guān)聯(lián)。只要鍋爐的流化狀態(tài)良好，控制好鍋爐的氧量系數(shù)，一氧化碳的排放量就會降低。但是，如果鍋爐的流化狀態(tài)較差，會使燃燒產(chǎn)生劇烈的波動。此時，一氧化碳排放量和環(huán)保參數(shù)異常升高。

實際運行中，運行人員可以通過觀察流化床的床層壓力波動情況和床溫分布情況對鍋爐的流化狀態(tài)進行判斷。如果床溫分布偏差較大，表示爐內(nèi)流化正在惡化;如果床層壓力波動幅度較大，表示爐內(nèi)流化狀態(tài)已經(jīng)較差。遇到以上情況，可以通過增大一次風量進行改善，并根據(jù)床層壓力適當增加排渣量。此外，還能通過置換床料的辦法改善鍋爐的流化狀態(tài)[5]。經(jīng)過長周期試驗，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠發(fā)現(xiàn)每天在鍋爐中添加一定量的床料或經(jīng)過篩分的爐渣，對維持鍋爐良好的流化狀態(tài)有顯著作用。

5 結(jié)語

立足于湛江生物質(zhì)發(fā)電公司50 MW的循環(huán)流化床鍋爐，通過5個月的一氧化碳減排試驗，得出了維持生物質(zhì)鍋爐氧量系數(shù)在2%～3%運行的結(jié)論，并將其應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，解決了湛江生物質(zhì)發(fā)電公司自投產(chǎn)以來燃燒不經(jīng)濟的問題，有效降低了一氧化碳的年度排放總量。同時，提出了減少生物質(zhì)鍋爐一氧化碳排放量的建議，為生物質(zhì)發(fā)電廠提供有效、可借鑒的經(jīng)驗。

參考文獻：

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