小容量煤粉工業鍋爐摻燒生物質粉現場試驗研究

陳 隆，譚 靜，王乃繼

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013；4.煤炭科學研究總院，北京 100013)

0 引 言

生物質是可再生的CO2中性能源，我國生物質儲量約為10億t標煤/a[1]。生物質本身含有的N、S較低，但生物質直燃卻是1種高污染的燃燒方式[2]，因而國家明確規定禁止在田間地頭焚燒秸稈等生物質。燃煤鍋爐摻燒生物質是1種常見的生物質消納方式，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。

對生物質和煤粉摻燒的研究較多，其中實驗室研究主要圍繞生物質和煤粉摻燒的動力學參數計算、NOx排放特點開展，摻燒時生物質的比例(10%～100%)范圍較寬，如李美軍[3]通過熱重分析，計算出生物質和神府煤粉在不同摻燒比例下的動力學參數。Navirin[4]計算木屑和堅果殼在摻燒比例大于80%時的動力學參數。Munir[5]在20 kW的下行爐上摻燒熱量比例15%以內的生物質，分析燃燒和污染物排放情況，發現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和煤粉摻燒情況，發現生物質從還原區送入時NO 排放下降幅度最大。燃煤電站鍋爐摻燒生物質研究也較為豐富，劉家利[7]分析總結大型煤粉電站摻燒生物質研究進展，認為采用生物質和煤粉直接摻燒比例不大于15%時較為經濟。王俊[8]利用Fluent軟件研究660 MW煤粉鍋爐摻燒16%的生物質粉體，發現生物質顆粒粒徑越小，NOx排放越低。高金鍇[9]介紹現階段燃煤與生物質耦合發電工藝，指出生物質摻燒的質量比例不高于30%。陳拓[10]研究發現60 MW循環流化床摻燒生物質后，鍋爐熱效率升高，NOx排放降低。

目前煤粉工業鍋爐摻燒生物質的研究不多，劉洪龍[11]對比幾種工業鍋爐摻燒生物質的特點，當煤粉工業鍋爐摻燒生物質時要求生物質粒徑小于2 mm、含水率小于15%，但煙氣的污染物排放水平較高，需要重點關注。李美軍[12]利用數值模擬技術研究煤粉工業鍋爐燃用蘭炭和生物質的摻燒情況。筆者以某臺容量為6 t/h、結構型式為WNS的鍋殼式小容量煤粉工業鍋爐作為研究對象，開展了摻燒生物質粉現場試驗研究，主要研究WNS鍋爐燃用粉體燃料運行穩定性、生物質摻燒比例以及空氣分級對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蒸汽鍋爐工藝系統如圖1所示，鍋爐包含供料、燃燒、煙氣處理等系統。燃燒系統直接采用常溫空氣，燃燒器噴口火焰速度高，火焰射流較長，爐內溫度分布均勻，爐膛容積熱負荷達到500 kW/m3，采用正壓燃燒形式則爐尾壓力可達3 000 Pa。采取空氣分級配風方式，在爐膛前部設計兩根三次風管，風管最大設計速度60 m/s。煙氣處理采用臭氧+SNCR爐內脫硝+半干法脫硫技術，該脫硫方式占地面積小，投資與運行成本低，污染物最終排放達NOx<50 mg/m3，SO2<35 mg/m3。

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

1.1 燃燒器設計思想

生物質含水率高、熱值低，導致爐膛溫度低，所以摻燒生物質要保證燃燒器內燃料及時點火并穩定燃燒，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，同時具有優良的NOx減排潛力。受制于改造成本和工藝復雜程度，普遍采用煤粉和生物質直接摻燒的方式。粉體燃燒技術可以提高燃燒效率，結合生物質特點，研究人員開發出的純生物質燃燒器有2種[13-15]:①采用兩段式燃燒方式，將生物質點火、燃燒和燃盡放置于預燃室內，爐膛只用于給煙氣換熱，借鑒旋風爐的結構，對燃燒器的內壁進行絕熱或部分絕熱，營造高溫環境，最高燃燒溫度可到1 200 ℃，燃燒效率可達99%；②將生物質破碎至毫米級別，綜合破碎成本和燃燒效率，推薦最優粒徑0.177 mm左右，此時可直接在煤粉燃燒器燃燒生物質。此次實驗中所用的燃燒器結構如圖2所示，燃燒器為強旋流、帶有預燃室，輸送燃料的一次風來自高壓羅茨風機，一次風管內燃料固氣比達(3.0～4.0)kg/kg(燃料/空氣)，遠高于普通電站燃燒器[16]，從而降低一次風著火熱。一次風攜帶燃料從噴口射向旋流葉片，形成與二次風逆向的環一次風管射流，營造出主動回流區，因而燃燒器的穩燃能力增強。實驗采用煤和生物質顆粒共磨的形式加工燃料，得到生物質粒徑在0.5 mm～1.0 mm，煤粉中位粒徑120 μm左右，不改動原煤粉燃燒器的結構。

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

1.2 WNS鍋殼式鍋爐爐膛三次風設計

空氣分級低氮燃燒技術適合于富含揮發分的固體燃料以及氣體燃料，燃燒器頂置的煤粉工業鍋爐沿著煙氣流程在爐膛適當位置布置三次風，實現深度空氣分級燃燒[17]，三次風距離燃燒器噴口位置需綜合考慮煤粉燃盡時間和爐膛尺寸，總結電站鍋爐三次風位置與煤中揮發分的關系，詳見公式(1)[18]。式中,H為燃盡風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]進行摻燒煤和生物質摻燒試驗,發現三次風布置在爐膛中部時具有較好低氮和燃燒效率。

鍋爐容量僅為6 t/h，全膜式壁爐膛內徑(D)為1 400 mm。鍋爐系統燃盡風布置如圖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)與爐膛內直徑(D)之間的關系為:h/D=2/3。燃盡風布置在爐膛前端，位于燃燒器噴口下方，管道直徑100 mm，射流剛性強，穿透性好，能在煙氣中產生充分的擾動，提高燃盡率。主射流和燃盡風交匯位置影響燃料的燃燒和低氮效果，借鑒公式(1)和文獻[19]的研究成果，將交匯位置設置在爐膛中間位置，此時L≈3 500 mm。

圖3 6 t/h鍋爐結構示意及系統燃盡風布置Fig.3 Schematic diagram of boiler structure and arrangement of exhaust air

1.3 WNS鍋殼式鍋爐對粉體燃料適應性分析

WNS鍋爐是1種常見的燃油或燃氣鍋爐爐型，鍋爐容量一般不高于20 t/h，制造完成后可整體出廠、運輸并在項目現場整體安裝，方便快捷。由于其爐膛內無爐膛落灰斗，當燃用粉體燃料時爐內易積灰和結焦。常規旋流煤粉燃燒器速度較低，當燃用神府煤粉等易燃煤粉時，低速區域易產生高溫結焦。預燃室高速燃燒器產生的高速火焰射入爐膛，煙氣與爐膛水冷壁的相對速度較高，帶動飛灰快速流動，減少爐膛積灰結焦發生。該鍋爐從2020年1月28日開始運行，統計至2020年3月31日的鍋爐負荷、燃料與鍋爐積灰結焦情況，詳見表1，其中二三次風比例為0.8∶1.2∶2.0。由表1可知，爐膛積灰和結焦與三次風比例、爐膛尾部溫度、燃料種類有關。當生物質摻燒比例提高時爐膛溫度降低，有利于防止爐膛結焦；當鍋爐超負荷運行、爐膛尾部溫度超過720 ℃，爐內易積灰結焦；當三次風例比例從0提高到55%，爐內積灰結焦的概率加大，是由于隨著三次風比例提高，由二次風形成的主火炬逐漸呈現還原性氣氛而導致灰熔融溫度降低。但此情況隨著生物質摻混比例的提高而得到改善，直到燃用純生物質時爐膛不再結焦，是因純生物質燃料含灰量少、火焰長，燃燒生成的煙氣中水蒸氣增多，煙氣熱容量變大，爐內溫度分布更加均勻。

表1 鍋爐爐膛積灰及結焦情況統計Table 1 Statistics of fouling and coking in boiler furnace

2 空氣分級試驗研究

試驗設計4種工況以分別對應生物質摻混比例0、30%、70%及100%，每種工況下燃料性質見表2。

表2 鍋爐燃料性質分析Table 2 Fuel quality analysis of the boiler

2.1 空氣分級對NOx排放影響

工況a燃用神木郭家灣煤粉，鍋爐額定負荷運行，爐尾溫度為690 ℃～720 ℃，爐尾壓力維持在1 500 Pa～2 000 Pa。當三次風量提高，爐尾溫度降低，此為由于常溫冷風(供暖季，溫度低于0 ℃)大量進入爐膛后部而導致爐膛煙氣溫度降低、燃燒滯后之故。當二三次風比例從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濃度隨著二三次風比例降低而升高，從最低值10 mg/m3升至約30 mg/m3。此時固定碳轉化率從98.78%降至96.57%。文獻研究認為，深度空氣分級有利于降低NOx排放，但會導致煤粉燃燒不完全、灰渣中碳含量和煙氣中CO增多的問題[20]；淺層空氣分級雖可獲得較高的煤粉燃燒效率，但對降低NOx排放幫助有限。工況a試驗也驗證了空氣分級與燃燒效率相互影響。

工況b摻燒生物質比例為30%，此時二三次風比例從2.0降低到0.8時，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。取深度空氣分級時的飛灰進行化驗，燃料的固定碳轉化率達到95.75%。

工況c摻燒生物質比例為70%，NOx排放根據二三次風比例調整，比例從600 mg/m3降低至200 mg/m3左右，固定碳轉化率為97.66%，工況b和工況c配風調整時煙氣中CO濃度變化不大，說明生物質比例提高有利于在低氮的同時保持較高的燃燒效率。

工況d作為對照組，采用純生物質粉進行燃燒。生物質使用木屑顆粒磨制，磨制后的生物質粒徑為0.5 mm～1.00 mm，其堆密度可達300 mg/m3，采用煤粉罐車進行配送，單次實驗用量10 t。當二三次風調整時，鍋爐煙氣中NOx排放從600 mg/m3左右降低到200 mg/m3，同時其飛灰熱值為 0 ，即測試時無法測得飛灰的熱值，此時鍋爐煙氣中的CO含量從10 mg/m3左右增加到50 mg/m3。

空氣分級對燃燒影響如圖4所示。

圖4 空氣分級對鍋爐燃燒影響Fig.4 Effect on the fuel boiler of air staged combustion

2.2 空氣分級對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[21]，在氧化性的環境中促進S被氧化為SO2，而在還原性的環境中S轉化率降低。從圖4可看出，空氣分級對SO2排放的影響很小，究其原因是由于鍋爐正壓運行時預燃室內生成的還原性火焰噴射進入爐膛中后部與燃盡風能夠充分混合、擾動，使燃料處于氧化性環境之中，導致煙氣中硫排放與燃料中的S相關性最大。

4種燃料在二三次風比例為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為: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后其燃燒效率提高，導致更多的S元素釋放進入煙氣中從而被氧化為SO2，表現為固硫率降低。此外，當燃料中的硫含量減少，則其固硫率也會降低，如摻燒70%生物質的燃料其含硫量僅為0.19%。

表3 燃料固硫率Table 3 Sulfur capturing ratio

3 摻燒對鍋爐熱效率的影響

鍋爐熱效率計算分為正平衡法和反平衡法，此次試驗采用反平衡方法計算。其中，反平衡熱效率計算采用標準TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》中的計算公式，具體詳見公式(2)～(8)，對應的結算結果及其中公式中各指標的單位見表4。

表4 鍋爐熱效率計算表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裝置，因此系數afh=1.0，q6忽略不計，q3統一取0.2%；當生物質摻燒比例不大于30%時，m、n取值按照煤粉爐計算；當生物質摻燒比例不小于70%時，m、n取值按照油、氣鍋爐計算。由表4中鍋爐熱效率計算可知，所計算的鍋爐熱效率均為低氮條件下的熱效率值，當燃料全部為煤粉時鍋爐熱效率為89.19%，隨著生物質摻燒比例提高，即生物質摻燒比例為30%、70%及100%時，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粉體能提高鍋爐在低氮條件下的熱效率。與文獻[10]描述類似，此為1種低氮和燃燒效率的協同效用。

4 結 論

(1)WNS鍋爐爐膛設計三次風并結合預燃室燃燒器可以燃用煤粉、生物質粉及二者的混合粉體。

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

(3)實施空氣分級后，煤粉工業鍋爐摻燒生物質粉體可提高鍋爐熱效率。如生物質摻燒比例為0、30%、70%及100%時，對應的鍋爐熱效率分別為89.19%、89.43%、90.57%及91.33%。

(4)空氣分級對SO2排放影響不大，實施空氣分級時，飛灰固硫率在7.84%～12.43%，介于純生物質粉固硫率12.57%和純神府煤粉固硫率27.37%之間；當燃燒效率提高，固硫率降低。