生物質氣化耦合燃煤鍋爐對燃燒安全性的影響

吳國強+倪浩

摘 要：文章針對生物質氣化裝置耦合燃煤鍋爐系統，分析生物質氣送入爐膛燃燒對鍋爐燃燒安全性的影響。分析表明，生物質氣化裝置耦合燃煤鍋爐發電，不僅對鍋爐的正常運行影響很小，還可替代部分煤粉作為鍋爐燃料，能有效降低NOx、SO2和煙塵等污染物的排放，為生物質氣化耦合燃煤鍋爐發電的推廣應用提供了一定的參考價值。

關鍵詞：生物質氣；燃煤鍋爐；耦合；安全性

中圖分類號：TM621.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0068-02

引言

隨著經濟的發展，一次能源的短缺和對環境的污染，迫切需要能源改革，優化能源發展結構。生物質是一種清潔可再生能源，利用生物質能可以緩解一次能源的不足，減少污染物的排放，同時可以回收當地生物質資源，提高農民的收入，對于經濟可持續發展具有重要意義。生物質氣化耦合燃煤鍋爐發電就是對生物質能充分利用技術路線之一[1]，因此分析生物質氣對燃煤發電安全性影響非常必要。

1 生物質氣化方案

本文以1×30MW生物質氣化裝置耦合600MW燃煤鍋爐再燃為例詳細分析生物質氣對燃煤發電過程中安全性的影響。

1.1 氣化裝置

生物質氣化爐采用加壓富氧氣化，將固態的生物質燃料轉化成氣態燃料，也稱可燃氣，可燃氣經旋風除塵后通過余熱回收裝置進行適當降溫到400℃左右的過程。

1.2 生物質和煤質分析

生物質氣在摻燒過程中會對鍋爐安全運行產生一定的影響，必須對其進行定量分析。生物質氣的組成成分以及當量熱值生物質與煤的成分分析如下表1、表2所示：

灰的變形溫度、軟化溫度和流動溫度均大于1500℃。

從表2中可以看出，可燃氣帶入鍋爐的水分較煤粉多，但其他對鍋爐有害的元素，如硫、氮、灰分等均比當量煤含量要少，從而間接降低了污染物的排放。

2 耦合發電對燃燒安全性的影響分析

2.1 生物質氣對NOx排放的影響

燃煤鍋爐，氮氧化物的形成主要有熱力型和燃料型兩種途徑[2]。煤粉燃燒過程中已經生成的NOx遇到還原性氣體會發生還原反應，重新生成N2。通過富氧氣化生成的生物質氣的主要成分是CH4、CO、H2，從表1可以看出，它們占可燃氣總量的45%以上。主要反應機理如下[3]：

6NO+2CH4=3N2+2CO+4H2O

2NO+2CO=N2+2CO2

2NO+H2=N2+2H2O

從表2中可以看出，雖然當量熱生物質中氮含量是114kg/h大于煤粉中的氮含量77kg/h，但由于采用燃料分級燃燒，通入生物質氣，在鍋爐內部形成局部的還原性環境，生物質中的氮在可燃氣中主要以N2/NHi/HCN等形式存在，從而也極大地降低了生物燃料直接燃燒生成NOx，脫氮率大約為12%～50%。通過以上分析，為了控制燃燒過程中NOx的生成量以及不影響鍋爐安全運行的情況下，通過生物質氣耦合煤電發電，形成還原性氣氛。

2.2 生物質氣中粉塵量影響分析

從表2中可以看出，當沒有旋風除塵，生物質燃料中的灰分全部轉移到可燃氣中時，可燃氣中夾帶的灰量是取代煤粉中灰分量的近50%，說明，在當量熱輸入的條件下，可燃氣帶入的粉塵量低于煤粉帶入的粉塵量，如果考慮旋風除塵器的除塵效果，取除塵效率為90%時，可燃氣帶入的粉塵量將大幅減少，只有當量煤粉的5.2%，從而間接降低了煤粉燃燒排放的粉塵量。

2.3 生物質氣中硫元素影響分析

生物質燃料中的硫通過氣化轉換成生物質可燃氣中的硫會略有升高，但不管是生物質燃料中的硫還是可燃氣中的硫，都低于當量煤粉所含的硫，從表2可以看出，送入鍋爐的可燃氣總硫量（22.1kg/h）相對于同等輸入熱量的替代燃煤所含硫量（35kg/h）要低，從而可以減輕下游脫硫的負荷，間接地降低了硫氧化物的排放。

2.4 生物質氣中焦油影響分析

氣化爐反應溫度較高，當溫度為400℃左右時，燃氣中的焦油以氣態形式存在，送入鍋爐內完全燃燒，不會對鍋爐產生影響。從燃氣產生到送入鍋爐的整個過程中，燃氣溫度始終在400℃左右，焦油以氣態的形式存在，不會在設備或燃氣輸送管道中冷凝和粘附，同時焦油能被充分的利用，焦油有利于NO的脫除[4]，更避免了焦油排放與處理帶來的環境污染。

2.5 生物質氣中水蒸氣影響分析

本項目生物質氣化產生的可燃氣主要以熱燃氣的形式加以利用，因而燃氣中的水蒸汽不能分離出來，以過熱蒸汽的形式進入到燃煤鍋爐中，從表2中可以看出，在不考慮氣化過程中水蒸汽的分解或生物質氫元素轉化成水蒸汽的條件下，當量熱值生物質氣替代煤粉，水或水蒸汽量增加約1144.5kg/h，從而會對鍋爐的運行帶來一定的影響。煙氣的露點也相應提高，造成煙氣中的水蒸汽在較高的溫度下就開始凝結，排煙溫度也明顯上升，影響鍋爐效率[5]。

2.6 生物質氣中堿金屬影響分析

生物質中的Ca和Mg元素通常可以提高灰的熔點，K元素可降低灰的熔點，S元素在燃燒過程中與K元素形成低熔點的化合物[6]。農作物秸稈中的Ca素含量較低，K元素含量較高，導致灰分的軟化溫度較低，如麥稈的變形溫度為800～900℃，對設備運行的經濟性、安全性有定的影響。本項目選取的生物質燃料多為枝條類，且灰熔點在1500℃以上，不會出現對設備腐蝕性的問題。

3 結束語

本項目實施周邊生物質資源豐富，大量回收利用生物質能用于發電，不僅可以提高農民的經濟收入，節約煤炭，優化我國的能源結構，同時在不影響鍋爐正常運行的情況下，還可減少NOx、SO2和煙塵等污染物的排放量，保護生態壞境。

參考文獻：

[1]周高強.燃煤與生物質氣化耦合發電技術方案分析[J].內燃機與配件，2016（12）：133-135.

[2]吳占松，馬潤田，趙滿成.煤炭清潔有效利用技術[M].化學工業出版業，2007.

[3]Diau E W G， Lin M C， He Y， et al. Theoretical aspects of H/N/O-chemistry relevant to the thermal reduction of NO by H2[J]. Progress in Energy & Combustion Science， 1995，21（1）：1-23.

[4]劉春元.含焦油生物質氣再燃還原NO的實驗與機理研究[D].上海交通大學，2012.

[5]宋杰.電站鍋爐低溫省煤器換熱特性數值模擬及低溫腐蝕研究[D].華北電力大學（北京），2016.

[6]李海英，張澤，姬愛民，等.生物質灰結渣和腐蝕特性[J].環境工程技術學報，2017，7（1）：107-113.