陳 隆，譚 靜，王乃繼

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

0 引 言

生物質(zhì)是可再生的CO2中性能源，我國生物質(zhì)儲(chǔ)量約為10億t標(biāo)煤/a[1]。生物質(zhì)本身含有的N、S較低，但生物質(zhì)直燃卻是1種高污染的燃燒方式[2]，因而國家明確規(guī)定禁止在田間地頭焚燒秸稈等生物質(zhì)。燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)是1種常見的生物質(zhì)消納方式，既可減少燃煤鍋爐碳排放，又能減排鍋爐煙氣中的污染物，還能緩解純生物質(zhì)鍋爐受熱面堿金屬腐蝕的問題，因此受到國家政策的支持。

對(duì)生物質(zhì)和煤粉摻燒的研究較多，其中實(shí)驗(yàn)室研究主要圍繞生物質(zhì)和煤粉摻燒的動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算、NOx排放特點(diǎn)開展，摻燒時(shí)生物質(zhì)的比例(10%～100%)范圍較寬，如李美軍[3]通過熱重分析，計(jì)算出生物質(zhì)和神府煤粉在不同摻燒比例下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。Navirin[4]計(jì)算木屑和堅(jiān)果殼在摻燒比例大于80%時(shí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。Munir[5]在20 kW的下行爐上摻燒熱量比例15%以內(nèi)的生物質(zhì)，分析燃燒和污染物排放情況，發(fā)現(xiàn)摻燒有利于降低氮氧化物且提高燃燒效率。倪剛[6]在50 kW下行爐上研究生物質(zhì)和煤粉摻燒情況，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)從還原區(qū)送入時(shí)NO 排放下降幅度最大。燃煤電站鍋爐摻燒生物質(zhì)研究也較為豐富，劉家利[7]分析總結(jié)大型煤粉電站摻燒生物質(zhì)研究進(jìn)展，認(rèn)為采用生物質(zhì)和煤粉直接摻燒比例不大于15%時(shí)較為經(jīng)濟(jì)。王俊[8]利用Fluent軟件研究660 MW煤粉鍋爐摻燒16%的生物質(zhì)粉體，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)顆粒粒徑越小，NOx排放越低。高金鍇[9]介紹現(xiàn)階段燃煤與生物質(zhì)耦合發(fā)電工藝，指出生物質(zhì)摻燒的質(zhì)量比例不高于30%。陳拓[10]研究發(fā)現(xiàn)60 MW循環(huán)流化床摻燒生物質(zhì)后，鍋爐熱效率升高，NOx排放降低。

目前煤粉工業(yè)鍋爐摻燒生物質(zhì)的研究不多，劉洪龍[11]對(duì)比幾種工業(yè)鍋爐摻燒生物質(zhì)的特點(diǎn)，當(dāng)煤粉工業(yè)鍋爐摻燒生物質(zhì)時(shí)要求生物質(zhì)粒徑小于2 mm、含水率小于15%，但煙氣的污染物排放水平較高，需要重點(diǎn)關(guān)注。李美軍[12]利用數(shù)值模擬技術(shù)研究煤粉工業(yè)鍋爐燃用蘭炭和生物質(zhì)的摻燒情況。筆者以某臺(tái)容量為6 t/h、結(jié)構(gòu)型式為WNS的鍋殼式小容量煤粉工業(yè)鍋爐作為研究對(duì)象，開展了摻燒生物質(zhì)粉現(xiàn)場試驗(yàn)研究，主要研究WNS鍋爐燃用粉體燃料運(yùn)行穩(wěn)定性、生物質(zhì)摻燒比例以及空氣分級(jí)對(duì)鍋爐污染物和熱效率的影響。

1 6 t/h供熱蒸汽鍋爐介紹

6 t/h蒸汽鍋爐工藝系統(tǒng)如圖1所示，鍋爐包含供料、燃燒、煙氣處理等系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)直接采用常溫空氣，燃燒器噴口火焰速度高，火焰射流較長，爐內(nèi)溫度分布均勻，爐膛容積熱負(fù)荷達(dá)到500 kW/m3，采用正壓燃燒形式則爐尾壓力可達(dá)3 000 Pa。采取空氣分級(jí)配風(fēng)方式，在爐膛前部設(shè)計(jì)兩根三次風(fēng)管，風(fēng)管最大設(shè)計(jì)速度60 m/s。煙氣處理采用臭氧+SNCR爐內(nèi)脫硝+半干法脫硫技術(shù)，該脫硫方式占地面積小，投資與運(yùn)行成本低，污染物最終排放達(dá)NOx<50 mg/m3，SO2<35 mg/m3。

圖1 供熱蒸氣鍋爐工藝系統(tǒng)流程Fig.1 Process flow diagram of heat supply steam boiler system

1.1 燃燒器設(shè)計(jì)思想

生物質(zhì)含水率高、熱值低，導(dǎo)致爐膛溫度低，所以摻燒生物質(zhì)要保證燃燒器內(nèi)燃料及時(shí)點(diǎn)火并穩(wěn)定燃燒，火焰形狀與爐膛適合，充滿度良好，避免火焰沖刷爐墻水冷壁面，同時(shí)具有優(yōu)良的NOx減排潛力。受制于改造成本和工藝復(fù)雜程度，普遍采用煤粉和生物質(zhì)直接摻燒的方式。粉體燃燒技術(shù)可以提高燃燒效率，結(jié)合生物質(zhì)特點(diǎn)，研究人員開發(fā)出的純生物質(zhì)燃燒器有2種[13-15]:①采用兩段式燃燒方式，將生物質(zhì)點(diǎn)火、燃燒和燃盡放置于預(yù)燃室內(nèi)，爐膛只用于給煙氣換熱，借鑒旋風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)，對(duì)燃燒器的內(nèi)壁進(jìn)行絕熱或部分絕熱，營造高溫環(huán)境，最高燃燒溫度可到1 200 ℃，燃燒效率可達(dá)99%；②將生物質(zhì)破碎至毫米級(jí)別，綜合破碎成本和燃燒效率，推薦最優(yōu)粒徑0.177 mm左右，此時(shí)可直接在煤粉燃燒器燃燒生物質(zhì)。此次實(shí)驗(yàn)中所用的燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示，燃燒器為強(qiáng)旋流、帶有預(yù)燃室，輸送燃料的一次風(fēng)來自高壓羅茨風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)管內(nèi)燃料固氣比達(dá)(3.0～4.0)kg/kg(燃料/空氣)，遠(yuǎn)高于普通電站燃燒器[16]，從而降低一次風(fēng)著火熱。一次風(fēng)攜帶燃料從噴口射向旋流葉片，形成與二次風(fēng)逆向的環(huán)一次風(fēng)管射流，營造出主動(dòng)回流區(qū)，因而燃燒器的穩(wěn)燃能力增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)采用煤和生物質(zhì)顆粒共磨的形式加工燃料，得到生物質(zhì)粒徑在0.5 mm～1.0 mm，煤粉中位粒徑120 μm左右，不改動(dòng)原煤粉燃燒器的結(jié)構(gòu)。

圖2 旋流預(yù)燃室式燃燒器Fig.2 Swril pre-chamber burner

1.2 WNS鍋殼式鍋爐爐膛三次風(fēng)設(shè)計(jì)

空氣分級(jí)低氮燃燒技術(shù)適合于富含揮發(fā)分的固體燃料以及氣體燃料，燃燒器頂置的煤粉工業(yè)鍋爐沿著煙氣流程在爐膛適當(dāng)位置布置三次風(fēng)，實(shí)現(xiàn)深度空氣分級(jí)燃燒[17]，三次風(fēng)距離燃燒器噴口位置需綜合考慮煤粉燃盡時(shí)間和爐膛尺寸，總結(jié)電站鍋爐三次風(fēng)位置與煤中揮發(fā)分的關(guān)系，詳見公式(1)[18]。式中,H為燃盡風(fēng)噴口距離上層燃燒器間距，m；Vdaf為煤粉中干燥無灰基含量，%。Sung[19]進(jìn)行摻燒煤和生物質(zhì)摻燒試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)三次風(fēng)布置在爐膛中部時(shí)具有較好低氮和燃燒效率。

鍋爐容量僅為6 t/h，全膜式壁爐膛內(nèi)徑(D)為1 400 mm。鍋爐系統(tǒng)燃盡風(fēng)布置如圖3所示。主射流火炬與爐膛水平軸線夾角(a)為10°，燃燒器軸線中心高度(h)與爐膛內(nèi)直徑(D)之間的關(guān)系為:h/D=2/3。燃盡風(fēng)布置在爐膛前端，位于燃燒器噴口下方，管道直徑100 mm，射流剛性強(qiáng)，穿透性好，能在煙氣中產(chǎn)生充分的擾動(dòng)，提高燃盡率。主射流和燃盡風(fēng)交匯位置影響燃料的燃燒和低氮效果，借鑒公式(1)和文獻(xiàn)[19]的研究成果，將交匯位置設(shè)置在爐膛中間位置，此時(shí)L≈3 500 mm。

圖3 6 t/h鍋爐結(jié)構(gòu)示意及系統(tǒng)燃盡風(fēng)布置Fig.3 Schematic diagram of boiler structure and arrangement of exhaust air

1.3 WNS鍋殼式鍋爐對(duì)粉體燃料適應(yīng)性分析

WNS鍋爐是1種常見的燃油或燃?xì)忮仩t爐型，鍋爐容量一般不高于20 t/h，制造完成后可整體出廠、運(yùn)輸并在項(xiàng)目現(xiàn)場整體安裝，方便快捷。由于其爐膛內(nèi)無爐膛落灰斗，當(dāng)燃用粉體燃料時(shí)爐內(nèi)易積灰和結(jié)焦。常規(guī)旋流煤粉燃燒器速度較低，當(dāng)燃用神府煤粉等易燃煤粉時(shí)，低速區(qū)域易產(chǎn)生高溫結(jié)焦。預(yù)燃室高速燃燒器產(chǎn)生的高速火焰射入爐膛，煙氣與爐膛水冷壁的相對(duì)速度較高，帶動(dòng)飛灰快速流動(dòng)，減少爐膛積灰結(jié)焦發(fā)生。該鍋爐從2020年1月28日開始運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)至2020年3月31日的鍋爐負(fù)荷、燃料與鍋爐積灰結(jié)焦情況，詳見表1，其中二三次風(fēng)比例為0.8∶1.2∶2.0。由表1可知，爐膛積灰和結(jié)焦與三次風(fēng)比例、爐膛尾部溫度、燃料種類有關(guān)。當(dāng)生物質(zhì)摻燒比例提高時(shí)爐膛溫度降低，有利于防止?fàn)t膛結(jié)焦；當(dāng)鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行、爐膛尾部溫度超過720 ℃，爐內(nèi)易積灰結(jié)焦；當(dāng)三次風(fēng)例比例從0提高到55%，爐內(nèi)積灰結(jié)焦的概率加大，是由于隨著三次風(fēng)比例提高，由二次風(fēng)形成的主火炬逐漸呈現(xiàn)還原性氣氛而導(dǎo)致灰熔融溫度降低。但此情況隨著生物質(zhì)摻混比例的提高而得到改善，直到燃用純生物質(zhì)時(shí)爐膛不再結(jié)焦，是因純生物質(zhì)燃料含灰量少、火焰長，燃燒生成的煙氣中水蒸氣增多，煙氣熱容量變大，爐內(nèi)溫度分布更加均勻。

表1 鍋爐爐膛積灰及結(jié)焦情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of fouling and coking in boiler furnace

2 空氣分級(jí)試驗(yàn)研究

試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種工況以分別對(duì)應(yīng)生物質(zhì)摻混比例0、30%、70%及100%，每種工況下燃料性質(zhì)見表2。

表2 鍋爐燃料性質(zhì)分析Table 2 Fuel quality analysis of the boiler

2.1 空氣分級(jí)對(duì)NOx排放影響

工況a燃用神木郭家灣煤粉，鍋爐額定負(fù)荷運(yùn)行，爐尾溫度為690 ℃～720 ℃，爐尾壓力維持在1 500 Pa～2 000 Pa。當(dāng)三次風(fēng)量提高，爐尾溫度降低，此為由于常溫冷風(fēng)(供暖季，溫度低于0 ℃)大量進(jìn)入爐膛后部而導(dǎo)致爐膛煙氣溫度降低、燃燒滯后之故。當(dāng)二三次風(fēng)比例從2.0降至0.8，NOx折算值從800 mg/m3降至450 mg/m3，SO2排放維持在約250 mg/m3。CO濃度隨著二三次風(fēng)比例降低而升高，從最低值10 mg/m3升至約30 mg/m3。此時(shí)固定碳轉(zhuǎn)化率從98.78%降至96.57%。文獻(xiàn)研究認(rèn)為，深度空氣分級(jí)有利于降低NOx排放，但會(huì)導(dǎo)致煤粉燃燒不完全、灰渣中碳含量和煙氣中CO增多的問題[20]；淺層空氣分級(jí)雖可獲得較高的煤粉燃燒效率，但對(duì)降低NOx排放幫助有限。工況a試驗(yàn)也驗(yàn)證了空氣分級(jí)與燃燒效率相互影響。

工況b摻燒生物質(zhì)比例為30%，此時(shí)二三次風(fēng)比例從2.0降低到0.8時(shí)，NOx排放從600 mg/m3左右降低至210 mg/m3，SO2排放維持在560 mg/m3左右，變化不大。取深度空氣分級(jí)時(shí)的飛灰進(jìn)行化驗(yàn)，燃料的固定碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到95.75%。

工況c摻燒生物質(zhì)比例為70%，NOx排放根據(jù)二三次風(fēng)比例調(diào)整，比例從600 mg/m3降低至200 mg/m3左右，固定碳轉(zhuǎn)化率為97.66%，工況b和工況c配風(fēng)調(diào)整時(shí)煙氣中CO濃度變化不大，說明生物質(zhì)比例提高有利于在低氮的同時(shí)保持較高的燃燒效率。

工況d作為對(duì)照組，采用純生物質(zhì)粉進(jìn)行燃燒。生物質(zhì)使用木屑顆粒磨制，磨制后的生物質(zhì)粒徑為0.5 mm～1.00 mm，其堆密度可達(dá)300 mg/m3，采用煤粉罐車進(jìn)行配送，單次實(shí)驗(yàn)用量10 t。當(dāng)二三次風(fēng)調(diào)整時(shí)，鍋爐煙氣中NOx排放從600 mg/m3左右降低到200 mg/m3，同時(shí)其飛灰熱值為 0 ，即測試時(shí)無法測得飛灰的熱值，此時(shí)鍋爐煙氣中的CO含量從10 mg/m3左右增加到50 mg/m3。

空氣分級(jí)對(duì)燃燒影響如圖4所示。

圖4 空氣分級(jí)對(duì)鍋爐燃燒影響Fig.4 Effect on the fuel boiler of air staged combustion

2.2 空氣分級(jí)對(duì)SO2排放影響

一般而言，SO2排放與溫度、氣氛及燃料中S元素含量相關(guān)[21]，在氧化性的環(huán)境中促進(jìn)S被氧化為SO2，而在還原性的環(huán)境中S轉(zhuǎn)化率降低。從圖4可看出，空氣分級(jí)對(duì)SO2排放的影響很小，究其原因是由于鍋爐正壓運(yùn)行時(shí)預(yù)燃室內(nèi)生成的還原性火焰噴射進(jìn)入爐膛中后部與燃盡風(fēng)能夠充分混合、擾動(dòng)，使燃料處于氧化性環(huán)境之中，導(dǎo)致煙氣中硫排放與燃料中的S相關(guān)性最大。

4種燃料在二三次風(fēng)比例為0.8情況下的固硫率情況參見表3。由表3可看出，燃料自固硫性能的排序?yàn)?神府煤粉>100%木屑粉≈30%木屑粉+70%神府煤粉>70%木屑粉+30%神府煤粉。煤基燃料由于摻燒生物質(zhì)后其燃燒效率提高，導(dǎo)致更多的S元素釋放進(jìn)入煙氣中從而被氧化為SO2，表現(xiàn)為固硫率降低。此外，當(dāng)燃料中的硫含量減少，則其固硫率也會(huì)降低，如摻燒70%生物質(zhì)的燃料其含硫量僅為0.19%。

表3 燃料固硫率Table 3 Sulfur capturing ratio

3 摻燒對(duì)鍋爐熱效率的影響

鍋爐熱效率計(jì)算分為正平衡法和反平衡法，此次試驗(yàn)采用反平衡方法計(jì)算。其中，反平衡熱效率計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評(píng)價(jià)規(guī)則》中的計(jì)算公式，具體詳見公式(2)～(8)，對(duì)應(yīng)的結(jié)算結(jié)果及其中公式中各指標(biāo)的單位見表4。

表4 鍋爐熱效率計(jì)算表Table 4 Boiler thermal efficiency calculation table

η2=100-q2-q3-q5-q6(2)

αfh+αlm+αlz=100 (6)

WNS鍋爐采用布袋除塵器收灰，由于爐膛中沒有灰渣及刮板機(jī)裝置，因此系數(shù)afh=1.0，q6忽略不計(jì)，q3統(tǒng)一取0.2%；當(dāng)生物質(zhì)摻燒比例不大于30%時(shí)，m、n取值按照煤粉爐計(jì)算；當(dāng)生物質(zhì)摻燒比例不小于70%時(shí)，m、n取值按照油、氣鍋爐計(jì)算。由表4中鍋爐熱效率計(jì)算可知，所計(jì)算的鍋爐熱效率均為低氮條件下的熱效率值，當(dāng)燃料全部為煤粉時(shí)鍋爐熱效率為89.19%，隨著生物質(zhì)摻燒比例提高，即生物質(zhì)摻燒比例為30%、70%及100%時(shí)，其鍋爐熱效率分別為89.43%、90.57%及91.33%，由此說明燃煤摻燒生物質(zhì)粉體能提高鍋爐在低氮條件下的熱效率。與文獻(xiàn)[10]描述類似，此為1種低氮和燃燒效率的協(xié)同效用。

4 結(jié) 論

(1)WNS鍋爐爐膛設(shè)計(jì)三次風(fēng)并結(jié)合預(yù)燃室燃燒器可以燃用煤粉、生物質(zhì)粉及二者的混合粉體。

(2)降低二三次風(fēng)比例有利于降低氮氧化物排放，隨著生物質(zhì)摻混比例的提高，燃料中揮發(fā)分含量升高，氮氧化物排放降低。其中，燃用純煤粉時(shí)，氮氧化物排放450 mg/m3;摻燒30%生物質(zhì)時(shí)，氮氧化物排放為210 mg/m3;摻燒70%生物質(zhì)和純生物質(zhì)時(shí),氮氧化物排放為200 mg/m3。

(3)實(shí)施空氣分級(jí)后，煤粉工業(yè)鍋爐摻燒生物質(zhì)粉體可提高鍋爐熱效率。如生物質(zhì)摻燒比例為0、30%、70%及100%時(shí)，對(duì)應(yīng)的鍋爐熱效率分別為89.19%、89.43%、90.57%及91.33%。

(4)空氣分級(jí)對(duì)SO2排放影響不大，實(shí)施空氣分級(jí)時(shí)，飛灰固硫率在7.84%～12.43%，介于純生物質(zhì)粉固硫率12.57%和純神府煤粉固硫率27.37%之間；當(dāng)燃燒效率提高，固硫率降低。