50MW循環流化床生物質鍋爐一氧化碳減排研究

麥曉峰

摘 要：本文結合湛江生物質發電有限公司50 MW生物質鍋爐的運行情況，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鍵因素，解決了公司自投運以來燃燒不經濟的問題，為公司創造了良好的經濟效益。此外，提出了適用于生物質鍋爐的一氧化碳低排放和穩定燃燒的建議，對維持生物質鍋爐的良好工況、延長機組運行周期具有重要作用，可為生物質鍋爐穩定運行提供可借鑒的經驗。

關鍵詞：生物質鍋爐;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

生物質燃料以樹皮和木質燃料為主，隨地理位置的變化和區域的產業鏈的差異有所改變。生物質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定的情況，引起燃燒不穩定和不充分的問題[1]。燃燒不充分將大幅增加一氧化碳排放量，降低機組的經濟性;燃燒不穩定將導致機組參數波動，降低機組的安全性。因此，研究影響生物質鍋爐一氧化碳排放量的因素，并改善燃燒方法，實現生物質鍋爐高效燃燒，對提高生物質鍋爐的經濟性和安全性具有重要意義。

為了研究工業規模生物質鍋爐在運行中影響一氧化碳排放量的因素，為工業生產提供切實依據，以50 MW生物質直燃發電鍋爐為平臺，進行了工業規模生物質鍋爐的一氧化碳減排研究。

1 研究背景

本文研究的50 MW生物質直燃發電鍋爐為華西能源工業股份有限公司生產的型號為HX220-9.8-IV1型的高溫、高壓、單汽包、汽水自然循環、平衡通風的循環流化床鍋爐。鍋爐的額定蒸發量為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 ℃。設計燃料為桉樹的皮、葉、根、枝，木材邊角料，甘蔗渣和其他農林廢棄物。鍋爐對燃料的顆粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm。

生物質燃料種類繁多，結構各異，難以實現鍋爐平穩給料。生物質燃料普遍熱值偏低，一般為1 700～2 500 cal/g，易造成50 MW的生物質鍋爐無法達到額定出力。湛江生物質發電廠的機組于2011年投產，經過探索后實現了滿負荷運行。長期以來，鍋爐穩定運行時，爐膛氧量系數常保持在0.5%～1.0%。這是一種受到了投產初期技術不成熟的經驗影響的運行方式，也是一種為帶滿負荷但犧牲了一定的燃燒經濟性的運行方式。

生物質發電廠的燃料成本是經營成本的主要部分。通過探索減少生物質鍋爐一氧化碳排放量的方法，實現生物質鍋爐燃料充分燃燒，可以有效降低生物質鍋爐的不完全燃燒損失，提高機組經濟性，減少生物質燃料耗用率，對改善生物質發電廠的經濟效益具有顯著的積極作用[2]。所以，湛江生物質發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，秋冬季節是南方生物質電廠發電的黃金時期。此季節雨水少，生物質燃料水分低、熱值高，質量較為穩定[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鍋爐最佳的氧量系數。由于二氧化硫和氮氧化物的測量值與氧量的關系較大，因此試驗必須在確保環保參數（二氧化硫和氮氧化物）不超過限值的前提下進行，以保障生物質發電廠的環保安全。

根據原有的氧量系數，逐步增大生物質鍋爐的氧量系數，并對一氧化碳排放量進行統計分析。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，能滿足試驗的參數調整需要;②保持機組在滿負荷50 MW附近運行;③各種生物質燃料的配比相同，且各種生物質燃料混合均勻;④由具備良好的燃燒調整水平的運行人員調整。

3 研究結果及測算

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（Distributed Control System，DCS）收集數據后，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數據可知，當鍋爐氧量系數達到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月的數據可知，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生物質燃料。換算為全年，則一臺50 MW的生物質鍋爐通過調整氧量可以少使用3 348 t生物質燃料，預估一臺50 MW的生物質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是一氧化碳的質量和體積的換算系數。

3.2 飛灰含碳量

從表1數據可見，當鍋爐氧量系數達到2%以上時，飛灰含碳量明顯下降，下降數值為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，氧量系數達到2%后，即使再提升氧量系數，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果

通過一氧化碳的減排試驗，湛江生物質發電廠發現以往維持鍋爐氧量系數為0.5%～1.0%的運行方式經濟效益較差，因此要求運行人員維持鍋爐氧量系數在2%～3%運行。經過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，就可以實現鍋爐滿負荷穩定運行。初步測算，湛江生物質發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濟效益。

4 生物質鍋爐運行建議

4.1 維持鍋爐氧量系數在2%～3%

試驗結果表明，湛江生物質發電廠的鍋爐維持在2%～3%的氧量系數最合適，既能保持良好的燃燒經濟性，又能防止鍋爐出現其他問題。當鍋爐的氧量系數低于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，容易出現低溫過熱器區域超溫，進而引起低溫過熱器堵灰，導致機組被迫停運。所以，生物質鍋爐的氧量系數不宜低于2%。

理論上，氧量系數進一步提高，鍋爐內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值與煙氣中的氧量直接相關，當氧量系數高于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）。生物質鍋爐常在給料環節出現卡料和堵料問題，將進一步增大鍋爐的氧量系數，使氮氧化物超限的問題更為突出。此外，根據日常對一氧化碳參數的監視情況，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，生物質鍋爐的氧量系數不建議超過3%。

4.2 燃料規格合適并混合均勻

生物質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，實際入爐燃料的規格在40～500 mm不等。生物質燃料規格越大，生物質燃料的流動性越差，越難實現鍋爐連續給料，對運行人員的要求越高，也越難維持鍋爐的氧量系數在2%～3%。

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

4.3 控制入爐燃料的水分含量

生物質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定，約35%;建筑廢料和木材加工副產品的水分約18%。在4—9月的雨季，所有品種的生物質燃料的水分均增加，其中樹皮類燃料的水分增加最為明顯。在干燥的秋冬季節，所有生物質燃料的水分均比其他季節低。

生物質燃料的水分對生物質鍋爐的氧量系數和燃燒的穩定性具有重要影響。當入爐燃料水分高時，濕燃料將快速吸收爐內氧氣，但未能馬上燃燒，爐內燃料就在富氧和缺氧之間反復波動，導致一氧化碳和所有環保參數均顯著升高。所以，在配料環節控制好入爐燃料的水分十分關鍵。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的生物質鍋爐，既能實現機組帶滿負荷運行，又能減少參數波動，實現機組的安全穩定運行。

4.4 維持鍋爐良好的流化狀態

循環流化床鍋爐的穩定運行必須建立在良好的流化狀態下，其中生物質循環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聯。只要鍋爐的流化狀態良好，控制好鍋爐的氧量系數，一氧化碳的排放量就會降低。但是，如果鍋爐的流化狀態較差，會使燃燒產生劇烈的波動。此時，一氧化碳排放量和環保參數異常升高。

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進行判斷。如果床溫分布偏差較大，表示爐內流化正在惡化;如果床層壓力波動幅度較大，表示爐內流化狀態已經較差。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[5]。經過長周期試驗，湛江生物質發電廠發現每天在鍋爐中添加一定量的床料或經過篩分的爐渣，對維持鍋爐良好的流化狀態有顯著作用。

5 結語

立足于湛江生物質發電公司50 MW的循環流化床鍋爐，通過5個月的一氧化碳減排試驗，得出了維持生物質鍋爐氧量系數在2%～3%運行的結論，并將其應用到實際生產中，解決了湛江生物質發電公司自投產以來燃燒不經濟的問題，有效降低了一氧化碳的年度排放總量。同時，提出了減少生物質鍋爐一氧化碳排放量的建議，為生物質發電廠提供有效、可借鑒的經驗。

參考文獻：

[1]蔡勖.國內生物質發電現狀及應用前景[J].科學技術創新，2019（28）：195-196.

[2]黃忠友.試析生物質發電發展現狀及前景[J].科技風，2019（2）：185.

[3]王羽晶.經濟開發區生物質發電建設項目經濟性評價[J].科技和產業，2016（10）：107-110.

[4]袁廷剛.降低生物質電廠能耗方法的初探[J].電工技術，2019（11）：141-142.

[5]吳金卓.生物質發電技術和經濟性研究綜述[J].森林工程，2012（5）：102-106.