燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)直燃技術(shù)

摘要：燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)直燃技術(shù)是一種將生物質(zhì)能源與傳統(tǒng)煤炭資源有機(jī)結(jié)合的新型能源利用技術(shù)，這一技術(shù)的重要性體現(xiàn)在諸多方面，包括環(huán)保、資源節(jié)約、經(jīng)濟(jì)效益等多個(gè)層面。為減少碳排放、提高可再生能源的利用效率，就燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)開(kāi)展研究，以期能在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)，有效減少對(duì)燃燒設(shè)備的腐蝕。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；生物質(zhì)；直燃技術(shù)；節(jié)能減排

中圖分類(lèi)號(hào)：TK6;TM621 " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " "文章編號(hào)：1674-1161（2024）01-0090-03

生物質(zhì)燃燒可實(shí)現(xiàn)零污染排放，因而目前已逐漸被應(yīng)用到能源生產(chǎn)中，例如常見(jiàn)的熱電聯(lián)產(chǎn)與大規(guī)模發(fā)電中就可看見(jiàn)它的身影。現(xiàn)階段，合理應(yīng)用生物質(zhì)資源、形成較大規(guī)模的生物質(zhì)資源市場(chǎng)，可助推區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并節(jié)省化石燃料、保護(hù)周遭環(huán)境，所以當(dāng)前逐漸使用生物質(zhì)來(lái)替代煤燃燒。但這兩種物質(zhì)的性質(zhì)差異很大，因此隨著生物質(zhì)的加入，鍋爐當(dāng)中的燃燒條件也要做出相應(yīng)改變，否則很容易導(dǎo)致高溫下腐蝕燃燒設(shè)備。對(duì)此，有必要加強(qiáng)針對(duì)生物質(zhì)摻燒問(wèn)題的研究。

1 生物質(zhì)資源與直燃耦合技術(shù)路線

1.1 生物質(zhì)資源的特點(diǎn)

生物質(zhì)燃料的理化性質(zhì)和煤炭不同，對(duì)比煤結(jié)構(gòu)，生物質(zhì)具有明顯的固體碳比、揮發(fā)性與低灰分等特點(diǎn)，且堿金屬含量很高。此外，生物質(zhì)當(dāng)中的氯含量與水分也較高[1]。這些差異的存在導(dǎo)致煤與生物質(zhì)在燃燒與熱解階段的性質(zhì)明顯不同。

1.2 生物質(zhì)直燃耦合技術(shù)路線

生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)包含氣化、直燃與蒸汽耦合3種。現(xiàn)階段，在歐洲的很多生物質(zhì)耦合項(xiàng)目中，大多選擇直燃耦合技術(shù)路線，這主要是因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)初期投資與維護(hù)成本較低，且技術(shù)非常成熟。結(jié)合生物質(zhì)和煤耦合位置的差異，該項(xiàng)技術(shù)可分成送粉管道耦合、磨煤機(jī)耦合與煤粉燃燒器耦合等[2]。

結(jié)合歐洲的過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，預(yù)磨生物質(zhì)可直接噴到送粉管道耦合中，因該項(xiàng)技術(shù)十分可靠，且方案改造簡(jiǎn)便、改造所需時(shí)間短、造價(jià)低，不會(huì)過(guò)度影響電廠設(shè)施的運(yùn)維維護(hù)，兼容性較好，所以少量生物質(zhì)耦合改造期間可使用送粉管道耦合技術(shù)。

在不同的直燃耦合方案中，采用的生物質(zhì)摻燒比例也不一樣，隨著摻燒比例的增加，燃煤機(jī)組運(yùn)行與改造的成本也會(huì)逐漸增加。此外，摻燒比例還會(huì)受生物質(zhì)燃料采集體系的影響。對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)單個(gè)生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目中生物質(zhì)燃料的采集能力進(jìn)行分析，估算國(guó)內(nèi)短期的大型燃煤機(jī)耦合生物質(zhì)發(fā)電占比約小于20%，以此為基礎(chǔ)，長(zhǎng)期項(xiàng)目的數(shù)據(jù)比例還會(huì)有所提升。

1.3 鍋爐摻燒的主要形式

通常來(lái)講，燃煤和生物質(zhì)混燒項(xiàng)目包含直燃、間接、并聯(lián)3種耦合燃燒形式[3]。其中，直接耦合燃燒方法最為經(jīng)濟(jì)、與煤燃燒技術(shù)最為接近，可用于生物質(zhì)耦合燃燒中，同時(shí)使用這種燃燒方法可有效減少實(shí)際運(yùn)維成本。

生物質(zhì)與煤的直燃耦合包含4種方法，詳見(jiàn)表1。

1） 制粉耦合中煤與生物質(zhì)需使用一臺(tái)磨煤機(jī)：操作期間，可先在煤場(chǎng)中將生物質(zhì)與煤進(jìn)行混合，之后將其轉(zhuǎn)運(yùn)到磨煤機(jī)內(nèi)并研磨成粉。通常來(lái)講，若未經(jīng)過(guò)特殊處理，生物質(zhì)摻混量應(yīng)最大控制到10%。因煤與生物質(zhì)顆粒的密度不同，所以磨煤機(jī)中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)生物質(zhì)顆粒漂浮的情況，長(zhǎng)此以往，容易引發(fā)安全隱患。再者，因物理性質(zhì)不同，兩種物質(zhì)的可磨性也不同，磨煤機(jī)難以將二者碾成大小相同的粒徑，所以耦合制粉期間很可能會(huì)影響到系統(tǒng)的輸出功率。2）給料耦合法可利用專(zhuān)門(mén)的錘磨機(jī)來(lái)粉碎生物質(zhì)燃料，接著將煤粉送入輸煤管道，最后將二者置于燃燒器中燃燒。這種燃燒方式的弊端是燃料顆粒很容易堵塞輸煤管道。3）燃燒器內(nèi)耦合，即利用錘磨機(jī)來(lái)粉碎生物質(zhì)燃料，然后將其噴入燃燒器中，接著將其同煤粉進(jìn)行混合燃燒。這種方法不易堵塞管道，還可增加生物質(zhì)摻混占比，但應(yīng)提前保留足夠空間以便安裝生物輸送管道，此外也要對(duì)煤粉燃燒器進(jìn)行合理改造。4）爐內(nèi)耦合燃燒方案的特點(diǎn)是分別利用磨煤機(jī)與燃燒器來(lái)盛裝生物質(zhì)燃料，待其破碎后，利用專(zhuān)業(yè)管道來(lái)將其放置到燃燒器中燃燒。該方案能夠全面提升生物質(zhì)摻混比例，但改造范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，需要增加部分設(shè)備。

不同方案的利弊不同，和前兩種方案相比，后兩種方案的成本更高、需要改造的設(shè)備較多，但可摻混的生物質(zhì)燃料占比也較多。

2 燃燒階段及污染物排放

2.1 灰沉積和鍋爐腐蝕

能否大量應(yīng)用燃煤摻混生物質(zhì)直燃項(xiàng)目應(yīng)優(yōu)先看灰沉積和腐蝕情況。因生物質(zhì)中含有較多的K、Na元素，所以混燃階段的燃料灰熔點(diǎn)會(huì)逐漸降低，而后出現(xiàn)灰沉積情況。隨著灰沉積于鍋爐受熱面和管道中，會(huì)很容易導(dǎo)致管道變形腐蝕。根據(jù)相關(guān)人員定性分析發(fā)現(xiàn)，煤摻混生物質(zhì)更容易導(dǎo)致灰沉積中出現(xiàn)復(fù)合硫酸鹽，而該環(huán)境下產(chǎn)生的灰沉積含量是普通煤燃燒的兩倍，與此同時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，腐蝕效果會(huì)更加嚴(yán)重?，F(xiàn)階段，燃煤電廠使用的減緩灰沉積的方法大多包含以下幾種：吹灰方式、調(diào)節(jié)燃燒溫度、摻混添加劑。因生物質(zhì)堿金屬會(huì)引起受熱面腐蝕，再結(jié)合鍋爐燃燒安全與效率問(wèn)題，可人為添加高溫防腐合成涂料。利用生物質(zhì)預(yù)處理來(lái)減少生物質(zhì)中的堿金屬含量，并以此為基礎(chǔ)來(lái)降低灰沉積。此外，一些生物質(zhì)中的氯元素含量很高，燃燒之后Cl元素就會(huì)變成HCl，而該物質(zhì)會(huì)對(duì)鍋爐受熱面進(jìn)行嚴(yán)重腐蝕。生物質(zhì)摻燒期間，常見(jiàn)的腐蝕因素主要為HCl與Cl2 。為減少鍋爐受熱面的腐蝕，應(yīng)做好高氯生物質(zhì)燃燒比例的控制。

2.2 燃燒階段

生物質(zhì)燃燒主要分為3階段：燃料水分溢出、揮發(fā)分析出、固定碳燃燒[4]。若生物質(zhì)中的水分過(guò)高，燃燒期間勢(shì)必會(huì)對(duì)燃燒熱值產(chǎn)生影響。待溫度上升至150 ℃時(shí)，水分會(huì)完全蒸發(fā)；待溫度升高至250 ℃時(shí)，木質(zhì)素、半纖維素等會(huì)陸續(xù)析出，且半纖維素的熱解最快；待溫度升高到250～500 ℃后會(huì)產(chǎn)生熱解，終期的熱解產(chǎn)物包含殘?zhí)?、揮發(fā)分等物質(zhì)；最后階段為固定碳燃燒，該階段燃燒后會(huì)得到最終產(chǎn)物—灰分。煤燃燒的核心為固定碳燃燒，其與煤燃料的特性相符。

生物質(zhì)燃料不同于煤的物化性質(zhì)，與煤相比，其具有以下特點(diǎn)：堿金屬多、灰分含量少、揮發(fā)分/固定碳比例高、水分比例高。基于上述差異，導(dǎo)致生物質(zhì)與煤在燃燒時(shí)存在明顯差異。1）與燃煤相比，生物質(zhì)的易燃性較強(qiáng)，且著火點(diǎn)與熱解情況均會(huì)明顯提前，所以生物質(zhì)的熱解與著火溫度偏低，含有的揮發(fā)分更高，一般情況下，數(shù)值可達(dá)70%，且燃燒期間揮發(fā)分會(huì)產(chǎn)生很多熱量，火焰與燃燒器也更近；2）燃煤中的灰分含量相比生物質(zhì)更高一些，但后者的堿土金屬含量更多，比如柳枝稷當(dāng)中含有0.2%的Ca與0.4%的K，這些成分會(huì)導(dǎo)致鍋爐結(jié)渣和腐蝕；3）生物質(zhì)中H與C的含量較低，O元素含量相對(duì)較高，所以會(huì)使火焰燃燒完的溫度逐漸降低，此外因?yàn)樯镔|(zhì)粒徑過(guò)大，所以燃燒后大多會(huì)有一定的殘?zhí)剂慨a(chǎn)生。

煤粉的著火溫度相對(duì)較高，在燃燒情況統(tǒng)一的條件下，生物質(zhì)與煤粉燃燒的特性不同，與此同時(shí)，生成的灰分量和構(gòu)成也有一定差異，摻混燃燒期間大多會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不利影響。所以，對(duì)生物質(zhì)與煤的不同特性進(jìn)行深入分析，可為減少煤與生物質(zhì)在燃燒階段產(chǎn)生的大氣污染、減少設(shè)備損壞、防止灰塵結(jié)渣等提供參考。

2.3 污染物排放

2.3.1 氮氧化合物排放 常見(jiàn)的氮氧化合物包含熱力型、燃料型、快速型氮氧化合物3種。將生物質(zhì)與煤一同燃燒能有效減少氮氧化合物的排量，分析其原因主要為：生物質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)顯著，且含有的氮元素含量較低，僅占總元素的0.2%，含量遠(yuǎn)小于燃煤。燃燒期間，生物質(zhì)與燃煤燃燒生成的產(chǎn)物依次為NH3與HCN，而且NH3難以轉(zhuǎn)變成NO；此外，生物質(zhì)的熱值很低，但水分含量較高，所以會(huì)在一定程度上降低爐膛內(nèi)的溫度，而低溫狀況下不利于氮氧化合物的產(chǎn)生；同時(shí)，應(yīng)用SCR的電廠在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的灰中會(huì)有無(wú)機(jī)揮發(fā)物生成，這些物質(zhì)覆蓋在催化劑表面上，會(huì)影響催化劑的活性，最終導(dǎo)致催化劑中毒。解決這一問(wèn)題的方法是應(yīng)用堿土金屬生物質(zhì)、調(diào)節(jié)最佳燃燒比，并于低粉塵區(qū)域安置SCR系統(tǒng)，同時(shí)做好催化劑吹掃處理。

2.3.2 SO2排放 燃料當(dāng)中硫元素多以有機(jī)和無(wú)機(jī)物的形式存在，這里的無(wú)機(jī)物主要指硫化物與硫酸鹽等物質(zhì)，有機(jī)物主要指芳香化合物硫與脂肪族硫。一般情況下，固定碳燃燒與揮發(fā)分析出階段均有SO2生成，其中，揮發(fā)分析出后多會(huì)出現(xiàn)有機(jī)硫氧化，與此同時(shí)，會(huì)有SO2產(chǎn)生，而固定碳燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的SO2多源自硫酸鹽分解。脂肪族硫的熱解包含兩個(gè)階段，當(dāng)外界溫度在400 ℃時(shí)，脂肪族硫會(huì)熱解生成H2S，之后和空氣反應(yīng)生成SO2。芳香族化合物硫因苯環(huán)結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，當(dāng)外界溫度不斷上升時(shí)才會(huì)發(fā)生熱解。一般來(lái)講，由無(wú)機(jī)硫轉(zhuǎn)變成SO2 的過(guò)程十分復(fù)雜，主要分為兩步，當(dāng)溫度升高到500 ℃左右時(shí)，燃料中的 FeS2 會(huì)熱解成 FeS，隨后熱解產(chǎn)物會(huì)和氧氣發(fā)生反應(yīng)，最后生成SO2。通過(guò)研究生物質(zhì)燃燒階段硫的遷移路徑可以了解到，當(dāng)溫度小于550 ℃時(shí)，有機(jī)硫會(huì)在生物質(zhì)內(nèi)析出，無(wú)機(jī)硫則會(huì)留在固相當(dāng)中。通常來(lái)講，溫度與灰分都會(huì)影響無(wú)機(jī)硫的析出。

2.3.3 顆粒物排放 生物質(zhì)中的灰分含量過(guò)高，但同煤混燃期間能減少顆粒物排放，但由于高揮發(fā)分與堿金屬含量多會(huì)導(dǎo)致尾部煙氣中產(chǎn)生亞微米懸浮顆粒。此外，為充分處理?yè)交烊紵A段生成的煙氣，選擇除塵器時(shí)應(yīng)充分考慮煙氣流量大小。具體而言，可參考世界先進(jìn)電廠經(jīng)驗(yàn)，若生物質(zhì)混合比小于20%，則不會(huì)對(duì)除塵器的運(yùn)行效果產(chǎn)生較大影響，此時(shí)可控制煙氣排放量低于 20 mg/m3。

3 生物質(zhì)顆粒燃料的應(yīng)用建議

3.1 政策方面

國(guó)內(nèi)燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)的目標(biāo)與碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)相符，因此，國(guó)家在政策方面也給予了一定支持，可以說(shuō)，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景十分廣闊。煤與生物質(zhì)的摻混燃燒可在現(xiàn)有的電廠設(shè)備上改造后直接運(yùn)行，既可有效降低投資成本，還能全面減少污染物排放。當(dāng)前，國(guó)外生物質(zhì)電廠使用的原料質(zhì)量較好，也陸續(xù)創(chuàng)建了專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸與儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施，目前已形成了標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)?；陌l(fā)電流程。國(guó)內(nèi)地域廣闊，生物質(zhì)資源相對(duì)分散，運(yùn)輸收儲(chǔ)過(guò)程較為困難，加上來(lái)源不穩(wěn)與價(jià)格存在波動(dòng)等原因，容易限制大型生物質(zhì)電廠的發(fā)展。因此，針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)應(yīng)及時(shí)優(yōu)化相關(guān)政策，例如加強(qiáng)發(fā)電廠四周木質(zhì)與草本能源作物技術(shù)的經(jīng)濟(jì)分析、增加技術(shù)改進(jìn)投入、加大對(duì)企業(yè)的支持力度等，以便持續(xù)推進(jìn)生物質(zhì)燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

3.2 技術(shù)方面

1） 生物質(zhì)顆粒燃料存在著火點(diǎn)相對(duì)較低、結(jié)構(gòu)燃燒速度快、持續(xù)燃燒性低、灰沉積量很重等問(wèn)題。為此，應(yīng)先調(diào)整設(shè)備結(jié)構(gòu)，讓燃料與結(jié)構(gòu)相互適應(yīng)，以此來(lái)提升生物質(zhì)燃煤的直燃技術(shù)水平，確保燃燒過(guò)程可持續(xù)；燃燒期間應(yīng)提前做好排渣處理并加強(qiáng)設(shè)備防腐處理，以此來(lái)確保設(shè)備可持續(xù)運(yùn)行。2）生物質(zhì)顆粒在燃燒期間產(chǎn)生的氮氧化合物和 SO2 較煤燃燒的排量少很多，但仍要對(duì)這些物質(zhì)的排放規(guī)律進(jìn)行深入研究，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建污染物排放與燃燒規(guī)律模型及組織試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而確保其與實(shí)際結(jié)果相符?；谶@些研究，制定進(jìn)一步減少污染物排放的方案，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與節(jié)約成本的雙重效益。

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Coal-fired Boiler Coupled with Biomass Direct Combustion Technology

MA Bohai，LIU Zhiyu

（Liaoning Agricultural Development Service Center， Shenyang 110034， China）

Abstract：Coal-fired boiler coupled with biomass direct combustion technology is a new energy utilization technology that organically combines biomass energy with traditional coal resources. The importance of this technology is reflected in many aspects， including environmental protection， resource saving， economic benefits and other aspects. In order to reduce carbon emissions and improve the utilization efficiency of renewable energy， research has been carried out on the technology of coal-fired boiler coupled with biomass power generation， so as to achieve energy saving and emission reduction， and at the same time effectively reduce the corrosion of combustion equipment.

Key words： "coal-fired boiler; biomass; direct combustion technology; energy saving and emission reduction