李定青， 李德波

(1. 廣東粵電湛江生物質發(fā)電有限公司， 廣東湛江 524000；2. 廣東電科院能源技術有限責任公司， 廣州 510080)

隨著化石能源的儲量不斷減少及利用過程產生環(huán)境污染問題日趨嚴重，可替代能源的規(guī)?；_發(fā)利用顯得尤為緊迫。生物質能作為綠色清潔能源利用的一種形式，因其具有儲量豐富、低污染和可再生等特點，逐步成為研究和開發(fā)利用的熱點。由于生物質燃料含氮質量分數為0.5%～1.5%，與煤炭的含氮量基本相近，生物質燃料在燃燒過程中不可避免地產生氮氧化物(NOx)，國內生物質電站鍋爐運行經驗表明生物質燃料在燃燒過程產生的NOx不可忽略。

國內許多研究者開展了生物質鍋爐改造關鍵技術研究工作。費芳芳等[1]開展了生物質直燃發(fā)電鍋爐NOx排放特性與調整試驗研究，通過改變氧量、一次風量和給料均勻性等燃燒調整試驗,分析了某生物質電廠鍋爐NOx排放質量濃度大幅度波動的原因,通過燃燒優(yōu)化調整后,該電廠的NOx排放質量濃度大幅下降。宋景慧等[2]進行了220 t/h生物質循環(huán)流化床(CFB)鍋爐性能優(yōu)化試驗研究，主要研究了一次風率、燃燒氧量、床壓對鍋爐效率的影響。郭勇等[3]進行了在燃煤鍋爐上直接燃燒生物質燃料的試驗研究。肖志前等[4]進行了生物質鍋爐混煤摻燒對鍋爐經濟性及穩(wěn)定性的影響研究。陳偉等[5]進行了生物質鍋爐爐渣熱量回收系統(tǒng)及工程應用的研究。李莉等[6]進行了桉樹類生物質燃燒飛灰可燃物含量分析方法研究。何榮等[7]進行了生物質CFB燃燒飛灰特性分析。張建春等[8]進行了純燃生物質CFB鍋爐設計與運行。駱仲泱等[9]進行了生物質直燃發(fā)電鍋爐受熱面沉積和高溫腐蝕研究。龍紀淼等[10]對生物質燃燒過程中K元素的遷移特性進行了研究。程偉良等[11]對生物質鍋爐中溫過熱器結渣機理進行了研究。周建強等[12]進行了生物質鍋爐脫硝技術及工程應用研究。

2011年7月，國家環(huán)保部科技標準司組織修訂了GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標準》，該標準以燃煤火電廠燃料特性、污染物產生機理和處理實踐為基礎，適用于單臺出力在65 t/h以上且采用煤矸石、生物質、油頁巖等燃料的電站鍋爐。由于早期設計的生物質電站鍋爐燃料預處理、給料系統(tǒng)、配風系統(tǒng)等方面沒有經驗可借鑒，設計參數與實際運行存在一定偏差，造成鍋爐實際運行過程中NOx排放質量濃度超標，難以滿足當前環(huán)保排放標準。

筆者以某生物質電廠220 t/h高溫高壓生物質CFB鍋爐存在的設計燃料偏差、爐內氣相燃燒不穩(wěn)定、NOx排放量偏高等問題為切入點，通過優(yōu)化生物質燃料預處理及給料系統(tǒng)、深度分級燃燒改造、旋風分離器降阻提效等方面進行研究探討。

1 鍋爐概況

該220 t/h高溫高壓生物質CFB鍋爐型號為HX220/9.8-Ⅳ1，單鍋筒、自然循環(huán)水管鍋爐，半露天布置，最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下鍋爐主要參數見表1。爐膛采用懸吊結構, 旋風分離器采用支撐結構。爐膛分為兩部分，即下部密相區(qū)和上部稀相區(qū)，四周為膜式水冷壁，在密相區(qū)內形成縮口和垂直段，布風板以上6.5 m內涂耐火材料防止磨損。燃燒空氣分一次風和二次風, 分段送風, 一次風經水冷風室及布風板送入爐膛, 一次風體積流量約占總風體積流量的55%, 二次風體積流量約占總風體積流量的45%。二次風口設計在爐膛密相區(qū)上部10.5 m處，煙氣經爐膛出口進入水平煙道的高溫過熱器，然后分兩路分別進入兩側旋風分離器, 經旋風分離器分離后的煙氣進入尾部煙道。

表1 BMCR工況下鍋爐主要技術參數

鍋爐設計燃料主要為桉樹皮、按樹根、桉樹枝葉和甘蔗渣等農林廢棄物。由于生物質燃料的收集具有一定的季節(jié)性，且生物質燃料的品種、熱值、水分等參數變化大，為保證鍋爐運行時入爐燃料品質的穩(wěn)定性，采取不同燃料進行摻燒。設計燃料配比為：50%(質量分數，下同)甘蔗葉(水分質量分數為12%)+20%樹皮(水分質量分數為25%)+30%其他(水分質量分數為25%)。設計燃料特性見表2。

表2 設計燃料參數

2 鍋爐燃燒存在的問題

鍋爐設計燃料以含水率低的甘蔗葉為主，入爐水分質量分數為18.5%，低位發(fā)熱量約為12.6 MJ/kg；實際入爐燃料以桉樹皮為主，其水分質量分數為45%～50%，摻配含水質量分數為15%～25%的木材加工廢料，實際入爐燃料水分質量分數為40%～50%，低位發(fā)熱量為8～9 MJ/kg。由于實際入爐燃料與設計燃料的水分和發(fā)熱量存在較大偏差，進而引發(fā)了燃料預處理及爐前給料系統(tǒng)運行不順暢、燃燒組織不穩(wěn)定、NOx排放質量濃度高、鍋爐效率降低等一系列燃燒相關問題。

2.1 燃料預處理和爐前給料系統(tǒng)運行不順暢

由于實際入爐燃料水分含量高，加劇了燃料顆粒間相互黏結，造成燃料流動性變差，燃料破碎顆粒偏大，爐前給料系統(tǒng)易出現燃料抱團、阻塞、給料不順暢等問題。

2.2 燃燒組織不穩(wěn)定及NOx排放質量濃度高

由于爐前給料系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，給料均勻性差直接導致了爐膛燃燒區(qū)域壓力大幅度波動，火焰鋒面穩(wěn)定性較差，這就意味著爐內可燃物燃燒過程中氧氣濃度大幅波動，導致燃燒過程中NOx的生成量顯著升高。

2.3 鍋爐熱效率降低

由于燃料在著火前需要吸熱干燥，入爐燃料水分含量高導致了著火熱需求大幅增加，爐膛密相區(qū)溫度降低，燃料在爐膛密相區(qū)的燃燒份額、發(fā)熱量降低。而爐膛稀相區(qū)揮發(fā)分析出的水蒸氣分壓大幅增加，降低了揮發(fā)分燃燒速率，揮發(fā)分燃盡難度大。運行人員為了降低NOx排放質量濃度，采取低氧燃燒操作模式進一步增大了揮發(fā)分燃盡難度，最終降低了鍋爐熱效率。

除此之外，由于入爐燃料水分含量增加、發(fā)熱量降低，機組在相同負荷情況下，煙氣量高于設計值，引起了煙氣流速增大，鍋爐受熱面的磨損加劇、旋風分離器阻力提升，影響引風機出力和電耗。

3 燃燒優(yōu)化改造

3.1 生物質燃料預處理措施

入爐生物質燃料顆粒的尺寸、均勻性是影響爐前給料系統(tǒng)運行穩(wěn)定的重要因素。大尺寸(顆粒直徑大于100 mm)生物質顆粒在爐前給料系統(tǒng)中極易以抱團形式入爐，加劇爐內燃燒組織波動，影響NOx和一氧化碳(CO)排放。通過加強燃料預處理環(huán)節(jié)管理保證入爐燃料顆粒度符合要求。

對于外購成品燃料，嚴格控制生物質顆粒度和均勻性，減少大尺寸生物質燃料量；對于廠內破碎燃料，增加篩分工序，將大于100 mm顆粒直徑的燃料篩出后重新破碎，以保證生物質物料顆粒度滿足要求。

3.2 爐前給料系統(tǒng)優(yōu)化

爐前給料系統(tǒng)的主要問題是給料不順暢、不連續(xù)及燃料水分含量較高時落料管堵塞。圖1為給料系統(tǒng)的結構示意圖。該系統(tǒng)的工作原理為料倉內部的承托螺旋承托住輸料皮帶卸下燃料的質量并盡可能將集中落下的物料均勻地分散到倉內不同位置，在承托螺旋下方的一級螺旋將通過承托螺旋落下的燃料向鍋爐方向輸運并送出料倉，一級螺旋的轉速決定了給料量，一級螺旋送出的物料進入較高速運行的二級螺旋后送入落料管。該流程是生物質發(fā)電行業(yè)多年運行經驗積累后逐步形成的主流給料方案，該方案的核心在于解決一級螺旋出料端和料倉壁面相切的部位的物料擠壓問題，見圖1中圈1處。一級螺旋帶到末端的原料量一般都會多于能通過倉壁落到二級螺旋上的物料，過多的物料受倉壁物理限制會在螺旋出料端被阻滯。如果物料具有一定的流動性，則會通過局部擠壓將多余的物料向上輸運；但是由于生物質物料流動性差，特別是對于高含水率的樹皮類生物質，在該處的擠壓沒法通過向上流動而得到緩解，反而會在該部位越壓越緊，緊密壓實的物料會將一級螺旋抱死從而導致故障發(fā)生。

圖1 給料系統(tǒng)的結構示意圖

承托螺旋的設計對落到一級螺旋上的物料量進行了初步控制，大幅度降低了出料端物料擠壓的問題，但還是難以完全杜絕該問題。為此，對一級螺旋出料端的倉壁做了相應的改造，在倉壁底端向鍋爐側增加一個矩形小空間(見圖2)，提供了額外的緩沖容積，減緩了該處的物料擠壓；另外，由于存在承托螺旋下料分配及局部阻礙擠壓等因素，且一級螺旋慢速運轉而物料在螺旋出料處糾纏特性較強，所以一級螺旋送出的物料質量流量波動很大，這種不均勻性在高速運轉的二級螺旋及物料快速滑落的落料管中無法得到有效扭轉或者改善，必須進行給料均勻性改造。在一級螺旋物料出口處的上方設置以較高速度旋轉的小型擾動裝置(見圖3)，避免物料在該處短時間停滯累積后成團落下。該類裝置在生物質給料行業(yè)有應用的先例，設計中需要考慮對原料中所含繩狀雜質的纏繞有一定的耐受性，增加該裝置后可望改善給料的質量流量均勻性，從而平抑爐膛燃燒過程壓力波動，抑制燃燒過程中NOx的生成。

圖2 一級螺旋出料端倉壁改進

圖3 擾動裝置

3.3 深度分級燃燒

原設計中鍋爐在布風板以上4.6 m和5.6 m高度上的前后墻分兩層布置了17個直徑為200 mm的二次風口，分別為前墻上排4個，下排3個；后墻上下排各5個。通過給料口落入爐膛的燃料在密相區(qū)受熱熱解析出揮發(fā)分，析出的揮發(fā)分在一次風供應的不充足氧氣條件下部分燃燒，剩余的部分隨著煙氣上行在稀、密相區(qū)交界處，即二次風給入部位燃燒并在附近爐膛空間內繼續(xù)燃燒直至燃盡。這種分級供風燃燒的模式既兼顧了燃燒效率，又能在爐膛下部維持較穩(wěn)定的還原性氣氛區(qū)域，有利于燃燒過程隨著熱解和半焦燃燒過程釋放的NOx前驅體被還原為氮氣，從而降低NOx的排放質量濃度。但是由于燃料含水率大幅增加、發(fā)熱量顯著降低的客觀情況，燃料進入爐膛后析出揮發(fā)分的過程被延遲、揮發(fā)分中水蒸氣比例高導致可燃性降低，以及水分蒸發(fā)吸熱導致的局部溫度降低等因素，使原本位于稀、密相區(qū)交界處的揮發(fā)分燃盡區(qū)域顯著沿煙氣流動方向向爐膛上部延伸，現有位置噴入的二次風無法讓揮發(fā)分燃盡，導致局部區(qū)域氧氣存在過量的情況。研究顯示流化床內部在沒有二次風擾動的情況下，氣固相物質在爐膛截面上的橫向擴散能力并不顯著，導致在爐膛中上部存在氣相濃度場不均勻，在氧氣濃度較高區(qū)域NOx的形成受到促進，而在氧氣濃度低的區(qū)域會由于揮發(fā)分燃盡程度低導致煙氣中CO含量劇增降低鍋爐熱效率。

為了改變上述情況，減少現有二次風口高度入爐風的份額，將減少部分二次風在爐膛標高15～16 m處送入鍋爐。爐膛標高15～16 m處爐膛溫度較高，有利于揮發(fā)分燃燒具有較高的速率；二次風能在該處對爐膛截面實現較均勻的穿透；該處沒有威脅鍋爐運行的其他負面影響。通過計算爐膛截面風速及評估細顆粒燃料入爐析出揮發(fā)分的動態(tài)過程所獲取的顆粒揮發(fā)分析出時間，采取棄用現有下層二次風口，在爐膛標高15～16 m附近的前后墻上開新的二次風口，前后墻各5個，采用對沖布置。具體位置見圖4。

圖4 二次風口改造示意圖

由于新開的二次風口位于爐膛稀相區(qū)內側無耐磨澆注料的水冷壁區(qū)域，二次風對管內壁形狀及二次風引入爐膛射流對爐內顆粒流動場的擾動，極易引起二次風口附近水冷壁管的磨損，為此在通入二次風管處水冷壁的內側澆筑耐磨澆注料，保持澆注料上沿和水平方向呈45°。該處的澆注料結構和水冷壁管內壁形成一個容納床料顆粒的空間，貼壁向下運動的顆粒會在該處形成自然的堆積角。該處聚集的靜止顆粒充當了水冷壁的保護層，可以避免局部磨損問題的發(fā)生。

3.4 旋風分離器入口增設燃盡風

爐內低氧燃燒一方面對控制爐內NOx的形成具有較好的效果，但另一方面使得煙氣中的CO濃度急劇升高。根據現場實測，CO體積分數最高達到8×10-3，嚴重降低鍋爐熱效率?？紤]到旋風分離器出口工作溫度基本在600 ℃以下，為進一步提高CO燃盡率，采用分離器入口增設燃盡風，將部分二次風從旋風分離器入口送入，煙氣與送入的二次風在分離器內混合燃燒，進一步燃盡煙氣中CO。沿每個分離器入口高度方向布置3個內徑為150 mm的二次風口，以15°傾斜角度沿煙氣流向送入煙道，見圖5。同時，為避免分離器出口煙氣溫度過高導致低溫過熱器積灰嚴重，可通過增加轉向室入口凝渣管受熱面面積來適當降低煙氣溫度。

圖5 增設燃盡風位置點

3.5 旋風分離器降阻提效

原鍋爐運行時旋風分離器入口、出口的壓降(簡稱旋風分離器壓降)約為3 000 Pa，高于設計值(1 577 Pa)，影響引風機電耗，甚至由于煙氣量增大，導致引風機出力不足，進而成為鍋爐達不到滿負荷的限制因素。

旋風分離器壓降與氣體入口流速、分離器各部分尺寸相關。燃料中偏高的水分含量導致煙氣量增加，進而導致分離器入口流速增加是引起分離器壓降升高的主要原因。經計算，在燃料平均水分質量分數為45%，鍋爐出力、效率均維持不變的情況下，煙氣量將比鍋爐設計燃料工況的煙氣量大18%，考慮到高水分含量工況運行的鍋爐熱效率會顯著降低，燃料消耗量相應增大，實際運行中煙氣量增大的幅度還要更大。目前，旋風分離器入口的煙氣平均流速高達30 m/s以上，明顯高于設計值。鍋爐水平煙道后布置的兩個上排氣蝸殼式絕熱旋風分離器入口尺寸為3 500 mm×1 300 mm，入口向下傾斜10°。根據現場設備結構，對旋風分離器入口實施改造(見圖6)。

圖6 旋風分離器改造前后示意圖

將喉口寬度由1 300 mm擴大到1 500 mm，可以將旋風分離器入口風速降低到25 m/s左右，從而兼顧分離效率和工作阻力。

4 改造效果分析

通過采取以上改造措施，鍋爐燃燒優(yōu)化效果明顯(見圖7～圖9)。

圖7 NOx排放質量濃度變化規(guī)律

圖8 CO排放體積分數變化規(guī)律

圖9 旋風分離器壓降變化規(guī)律

在機組額定負荷下，NOx排放質量濃度低于100 mg/m3，CO排放體積分數由改造前最高約14×10-3下降至2×10-3以下，改造后旋風分離器壓降下降了1.4～1.8 kPa，鍋爐熱效率由改造前83.6%提高至88.7%，提升了5.1百分點。

5 結語

筆者以某生物質電廠220 t/h高溫高壓生物質CFB鍋爐為例，以爐膛氣相燃燒不穩(wěn)定、NOx排放量偏高、鍋爐熱效率下降等問題為切入點，通過優(yōu)化生物質燃料預處理及爐前給料系統(tǒng)、深度分級燃燒改造、旋風分離器降阻提效等方面進行研究及工程應用，主要結論和建議如下：

(1) 加強生物質燃料預處理環(huán)節(jié)管控，減少顆粒直徑大于100 mm的燃料量，改善入爐燃料的均勻性。

(2) 通過在料倉壁一級螺旋出料端及一、二級螺旋銜接處設置旋轉均料結構，解決爐前給料系統(tǒng)燃料抱團、阻塞等問題，保證給料連續(xù)性和均勻性。

(3) 調整二次風布局，關閉現有下層二次風風門，在爐膛前后墻15～16 m標高處重新設置10個二次風口，改造后可以確保NOx排放質量濃度控制在100 mg/m3以下。

(4) 調整旋風分離器喉口寬度，由1 300 mm 擴大至1 500 mm，可有效降低分離器入口煙氣流速，從而有效降低旋風分離器壓降，提高鍋爐熱效率。

(5) 通過在旋風分離器入口布置燃盡風，保證CO的氣體燃盡率，有效降低化學不完全燃燒損失，提高鍋爐熱效率。

通過采取以上改造措施，鍋爐燃燒優(yōu)化效果明顯，可為同類型機組節(jié)能增效改造提供參考。