李 鵬
(江蘇華美熱電有限公司,江蘇 徐州 221141)
2016年10月,國家能源局出臺了《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,該規(guī)劃指出,到2020年用于生物質(zhì)發(fā)電新增投資約400億元,生物質(zhì)直燃發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)700萬kW。生物質(zhì)發(fā)電具有很高的研究價值,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
盡管生物質(zhì)直燃電廠迅猛發(fā)展,但制約發(fā)展的瓶頸也較為顯著。生物質(zhì)鍋爐參數(shù)普遍較低,單純靠生物質(zhì)直燃技術(shù)很難將蒸汽參數(shù)提高。另外,生物質(zhì)鍋爐整體熱效率低[1],發(fā)電成本高[2],季節(jié)性影響較大、制造成本高,煙氣污染物排放高,NOx難于實現(xiàn)超低排放[3-4]?;谝陨系母鞣N困難,循環(huán)流化床生物質(zhì)混燃技術(shù)悄然興起,利用原有的循環(huán)流化床進(jìn)行改造,實現(xiàn)生物質(zhì)燃料與煤炭的寬范圍內(nèi)摻燒[5],這種技術(shù)可以彌補(bǔ)生物質(zhì)直燃鍋爐存在的短板,成為生物質(zhì)發(fā)電的首選。以350 MW超臨界CFB鍋爐為例,對生物質(zhì)混燃技術(shù)對煙氣污染物的排放影響進(jìn)行分析,為摻燒生物質(zhì)的CFB鍋爐改造提供參考。
國內(nèi)某電力集團(tuán)對常見的生物質(zhì)燃料進(jìn)行元素分析,見表1,可以看出,N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.51%~0.93%,與350 MW超臨界循環(huán)流化床設(shè)計煤種接近(0.61%~0.81%);S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.1%~0.2%,低于設(shè)計煤種(一般在0.5%~1.0%);灰分較低,在10%以下。
表1 生物質(zhì)燃料成分分析
從表1數(shù)據(jù)可以得出,摻燒生物質(zhì)燃料,能夠降低流化床鍋爐SO2排放濃度,可以與高硫煤摻燒,維持在適當(dāng)?shù)腟O2排放水平。國內(nèi)外生物質(zhì)鍋爐煙氣污染物測試發(fā)現(xiàn),SO2排放濃度較低。丹麥對100 MW燃用秸稈(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.3%)的鍋爐進(jìn)行48 h煙氣監(jiān)測[6-7],某些時段 SO2最高排放濃度為 200 mg/m3;國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局對國內(nèi)某鍋爐廠生產(chǎn)的130 t/h 生物質(zhì)直燃 CFB 煙氣污染物進(jìn)行檢測[8],SO2排放僅為107.8 mg/m3,遠(yuǎn)低于燃煤流化床鍋爐的排放水平(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%,質(zhì)量濃度2 000 mg/m3)。
生物質(zhì)燃料的灰分較低,流化床燃用的煤種灰分一般在20%以上,目前350 MW超臨界CFB鍋爐普遍加裝了濕式電除塵,煙氣中粉塵質(zhì)量濃度可以控制在5 mg/m3以下,摻燒生物質(zhì)燃料對煙氣中的粉塵濃度影響不大[9]。
下面主要對煙氣中NOx以及二惡英的排放影響進(jìn)行詳細(xì)論述。
國內(nèi)的研究表明,生物質(zhì)燃料燃燒后產(chǎn)生的焦炭,對NOx具有還原作用,使其部分還原為N2,從而降低了 NOx排放濃度[10]。
國內(nèi)某電廠進(jìn)行了260 t/h循環(huán)流化床鍋爐秸稈的混燒試驗[11],試驗結(jié)果見表 2,結(jié)果顯示,隨著秸稈混燒比例的增加,NOx的濃度變化略有降低。
350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐與常規(guī)流化床相比,具有更大的還原區(qū),因為其采用了高位二次風(fēng)技術(shù),即加大上下二次風(fēng)的距離,下二次風(fēng)標(biāo)高12.5 m,較常規(guī)流化床提高1.5 m,上下二次風(fēng)高度差8 m,較常規(guī)流化床加高4 m,擴(kuò)大了還原性氣氛區(qū)域范圍,獲得了較低且均勻的床溫分布,對于降低NOx生成量具有較大的促進(jìn)作用。
高位二次風(fēng)技術(shù)是低氮燃燒近零排放技術(shù)的核心。國內(nèi)某鍋爐廠在半工業(yè)3 MW熱態(tài)試驗臺上根據(jù)相似模化方法,對多種燃料在不同二次風(fēng)噴入位置條件下的NOx排放特性和燃燒特性進(jìn)行試驗研究,具體模擬結(jié)果見圖1,獲得二次風(fēng)位置對不同煤種抑制NOx生成的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)通過一定程度的拉抬上二次風(fēng)口位置,可使下爐膛還原性氣氛覆蓋范圍更廣,能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步深度抑制NOx的生成,并可增加二次風(fēng)穿透性,在抑制NOx生成的同時,兼顧燃料燃盡,從而起到通過高位二次風(fēng)對氧量控制的目的。
圖1 高位二次風(fēng)與常規(guī)二次風(fēng)入射情況模擬
另外,高位二次風(fēng)設(shè)計對氣固兩相流的擾動加強(qiáng),提高了爐內(nèi)的燃燒均勻性,改善了后墻布置旋風(fēng)分離器造成的物料貼壁效應(yīng),爐內(nèi)床溫均勻性提高,如圖2所示,常規(guī)二次風(fēng)與高位二次風(fēng)鍋爐爐內(nèi)溫度分布模擬,從分布圖可以看出,爐內(nèi)物料進(jìn)入稀相區(qū)開始,溫度場趨于均勻,較大改變了基礎(chǔ)性工況時的溫度偏差。較低且均勻的床溫分布,有利于控制NOx的初始排放。
圖2 高位二次風(fēng)鍋爐床溫分布模擬
表2 國內(nèi)某廠爐膛出口煙氣污染物排放
基于上述分析,生物質(zhì)燃料摻燒,對350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐NOx排放的影響不大,物料的入口位置需選擇給煤口附近,將燃燒反應(yīng)區(qū)段控制在還原區(qū)內(nèi),有利于進(jìn)一步降低其NOx原始排放量。
2014年我國開始實施GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》,新標(biāo)準(zhǔn)將二惡英類排放限值由 2001年的 1 ng/m3收緊至 0.1 ng/m3。生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時有必要考慮二惡英排放問題。
二惡英的生成的主要原因是燃燒不均勻,其生成三要素[12-13](3T)是:燃燒溫度(Temperature)、停留時間(Time)和湍流度(Turbulence)。 350~500 ℃的溫度是產(chǎn)生二惡英的最佳溫度區(qū)間。另外,含氯有機(jī)物等二惡英類前體物生成的二惡英,在煙氣溫度高于800℃ 的爐膛內(nèi)停留時間達(dá)到 2 s以上時,99.9%的二惡英會被分解。
350MW超臨界循環(huán)流化床床溫較低,并且異常均勻,溫度偏差在20℃以內(nèi),燃燒室平均溫度控制在850~880℃,采用超高爐膛設(shè)計,爐膛凈高超過50m,煙氣在爐膛中停留時間在5s以上,循環(huán)物料經(jīng)過高位二次風(fēng)的整理作用,湍流度下降,因此循環(huán)流化床爐內(nèi)環(huán)境促進(jìn)二惡英的完全分解,爐膛出口含量極低。
研究表明,當(dāng)溫度在 250~450℃時,二惡英會進(jìn)行再合成,在低溫(200℃以下)以固態(tài)的形式吸附在粉塵表面[14],噴水降溫能大大減少煙氣中二惡英。
350 MW循環(huán)流化床鍋爐采用布袋除塵器+濕式電除塵的超低排放除塵系統(tǒng),出口煙氣粉塵質(zhì)量濃度低于5 mg/m3,可大大降低粉塵中的二惡英含量,特別是濕式電除塵這種水膜除塵裝置,脫除二惡英的效率在85%以上,大大降低煙氣中二惡英的濃度[15]。煙氣后處理設(shè)施采用濕法脫硫工藝,可將煙氣溫度迅速降低到40℃以下,可高效脫除煙氣中的二惡英[16]。
因此,相對于生物質(zhì)直燃循環(huán)流化床鍋爐,350 MW超臨界CFB鍋爐的爐內(nèi)燃燒環(huán)境更適合去除生物質(zhì)燃料中的二惡英,降低爐膛出口原始排放,加之超凈排放除塵設(shè)施對于煙塵的捕捉,以及濕法脫硫設(shè)施的降溫作用,進(jìn)一步脫除后期合成的二惡英。
350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的某些特性,比常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐得到較大提升,如高位二次風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用,可以在不加裝SNCR及SCR的前提下實現(xiàn)NOx超低排放,把流化床鍋爐的低氮燃燒技術(shù)發(fā)展到極致;燃燒均勻、平均床溫低、溫差小等特點對NOx、二惡英的排放起到很好的抑制作用;煙塵、脫硫的超低排放設(shè)施,可以實現(xiàn)煙氣粉塵質(zhì)量濃度5 mg/m3以下、SO2質(zhì)量濃度在 35 mg/m3以下。這些特性為生物質(zhì)燃料摻燒創(chuàng)造了很好的條件,通過選擇合適的給入口,匹配摻燒比例,可以實現(xiàn)生物質(zhì)燃料發(fā)電的重大突破。350 MW超臨界循環(huán)流化床生物質(zhì)混燃技術(shù)是解決直燃鍋爐無法達(dá)到超低排放的有效途徑。