陳 隆，王乃繼

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)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(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013；4.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

0 引 言

生物質(zhì)是一種可再生的CO2中性能源，我國儲量約為每年10億t標煤[1]，生物質(zhì)直燃是一種高污染的燃燒方式[2]，生物質(zhì)大規(guī)模利用的技術(shù)路線之一是將生物質(zhì)與煤混燃，既可以替代部分煤炭用量，減少碳排放，又可以有效降低大量秸稈焚燒產(chǎn)生的有害氣體，減少污染，非常適合我國國情。生物質(zhì)與煤摻混燃燒分為直接混燒和間接混燒，其中間接混燒是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)氣進行燃燒，投資成本較高，生物質(zhì)直接混燒投資成本低，無設(shè)備改造，應(yīng)用較為普遍。國際能源署在2011年10月份統(tǒng)計，全球有214座燃煤生物質(zhì)混燃電站，其中煤粉爐98座，循環(huán)流化床/鼓泡床102座，鏈條爐14座[3]。煤粉電站鍋爐生物質(zhì)直接混燒的工藝路主要包含共磨工藝，共管工藝，專用生物質(zhì)燃燒器獨立噴燃工藝，煤粉燃燒器獨立噴燃工藝，除了專用生物質(zhì)燃燒工藝外，生物質(zhì)摻混占比均較低，為5%～10%[4]。GANG等[5]使用在線火焰形態(tài)檢測工具分析某0.5 MW試驗臺摻燒時火焰特點，發(fā)現(xiàn)摻燒占比小于20%時，火焰穩(wěn)定性較好，不隨摻混占比變化，但生物質(zhì)種類對著火點和火焰亮度有明顯影響。顧瑋倫等[6]利用功率10 MW的熱態(tài)試驗臺架研究玉米秸稈和哈爾濱本地?zé)熋簱綗闆r，發(fā)現(xiàn)當摻燒質(zhì)量分數(shù)20%及以下生物質(zhì)顆粒時，鍋爐燃燒穩(wěn)定，NOx排放降低40%，質(zhì)量濃度達到312 mg/m3。此外，有關(guān)生物質(zhì)和煤粉摻燒的燃燒特性實驗室研究較多，主要利用熱重分析儀或管式爐等設(shè)備進行混燃機理和污染物排放特性研究[7-8]。煤粉工業(yè)鍋爐廣泛應(yīng)用于市政供暖和工業(yè)園區(qū)，容量一般不超過100 t/h(70 MW)，圍繞煤粉工業(yè)鍋爐摻燒生物質(zhì)粉的研究不多，李美軍等[9]采用數(shù)值模擬的辦法研究生物質(zhì)粉和煤粉、蘭炭粉在不同摻燒占比下的燃燒特點，表明高速煤粉燃燒器大占比摻燒生物質(zhì)具有可行性。為了進一步研究煤粉和生物質(zhì)粉在高速煤粉燃燒器中的摻燒行為，筆者以某6 t/h供熱煤粉工業(yè)鍋爐為研究對象，研究混合燃料在高速燃燒器中的燃燒特性和NOx排放特點。

1 燃料性質(zhì)與試驗裝置

1.1 燃料準備

目前生物質(zhì)與煤粉共燃在發(fā)電鍋爐上使用較多，生物質(zhì)熱值的占比不超過20%，一般采用生物質(zhì)和煤粉共磨的形式。試驗采用神府煙煤和生物質(zhì)顆粒先摻混后共磨的工藝流程，配制不同占比的煤粉和生物質(zhì)粉混合燃料，經(jīng)過粒度分析，生物質(zhì)粉的粒度為0.20～2.00 mm，中位粒徑1.0 mm左右，煤粉粒徑較生物質(zhì)細，表現(xiàn)為煤粉顆粒附著在生物質(zhì)粉表面，煤粉和生物質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析(表1)。混合燃料在制粉廠生產(chǎn)，通過罐車運輸?shù)藉仩t房，利用氣力輸送裝置送入到燃料儲倉。

表1 神府煙煤和生物質(zhì)工業(yè)分析和元素分析

1.2 工程試驗裝置

負荷6 t/h煤粉爐系統(tǒng)如圖1所示，爐膛結(jié)構(gòu)型式為WNS鍋殼式，具體結(jié)構(gòu)見文獻[10]，燃燒系統(tǒng)采用高速煤粉燃燒器[11]，采用專用的供料設(shè)備，供料穩(wěn)定，鍋爐運行時氧含量波動范圍±0.25%，因此可以忽略氧含量波動對污染物折算的影響，為了滿足污染物的達標排放，采用SNCR爐內(nèi)脫硝，同時采用臭氧氧化和半干法脫硫相結(jié)合的技術(shù)，鍋爐最終達到超低排放，滿足地方環(huán)保標準。

圖1 6t/h煤粉爐摻燒生物質(zhì)系統(tǒng)

1.3 高速煤粉燃燒器試驗工況

高連煤粉燃燒器試驗工況見表2，摻混采用質(zhì)量占比，其中工況1和工況4為純煤粉和純秸稈粉，工況2和工況3為大占比摻燒秸稈粉。

表2 6 t/h煤粉爐摻燒秸稈粉工況

由表2可知，當生物質(zhì)秸稈摻混占比增加，混合燃料的熱值逐漸降低，揮發(fā)分含量逐漸升高，從30.97%升高到64.58%，同時固定碳產(chǎn)率逐漸降低，含硫量也逐漸降低。燃料采用罐車配送，每種工況使用的燃料為1罐車，由于混合燃料密度不同，4種混合燃料的單車裝載量為15～30 t，其中純煤粉約為30 t，純秸稈約為15 t，每種工況燃料的使用時間15～24 h，因此所測得數(shù)據(jù)具有普遍性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 燃燒穩(wěn)定性分析

為節(jié)省成本，電站煤粉爐摻燒生物質(zhì)粉時燃燒器幾乎不做改動，導(dǎo)致?lián)綗姆€(wěn)定性受到制約，核心原因是煤粉和生物質(zhì)的著火和燃燒特性不同，二者混合之后燃料熱值降低，燃燒器區(qū)溫度降低。龍輝[12]認為從穩(wěn)定著火和保證鍋爐效率的角度出發(fā)，生物質(zhì)摻混的熱值占比5%～10%。芬蘭 Fortum 公司在一臺315 MW 四角切圓煤粉爐上混燃松樹鋸末，質(zhì)量占比9%～25%[13]。盧洪波等[14]采用CFD數(shù)值計算工具，計算某600 MW 四角切圓煤粉爐摻混質(zhì)量分數(shù)15%的生物質(zhì)，爐膛出口溫度降低50 ℃。也有學(xué)者通過改變?nèi)紵绞?，提高穩(wěn)燃性能來提高生物質(zhì)的摻混占比[15]。

高速煤粉燃燒器采用的濃相供粉技術(shù)、逆噴燃燒技術(shù)、預(yù)燃室燃燒技術(shù)均是從提高穩(wěn)燃性出發(fā)所作的設(shè)計。其中濃相供粉技術(shù)可以有效降低煤粉氣流著火熱，逆噴燃燒技術(shù)作為一種先進的穩(wěn)燃技術(shù)被推薦用于燃燒水煤漿[16]。預(yù)燃室燃燒技術(shù)可以在快速在狹小空間內(nèi)建立高溫區(qū)，促進燃料著火。高速煤粉燃燒器將3種穩(wěn)燃技術(shù)結(jié)合在一起，已經(jīng)研究的結(jié)果表明，燃燒器燃料適應(yīng)性較廣，可以使用神府煙煤、大同難燃煙煤[17]、蘭炭及山東煙煤[18]。

研究燃燒穩(wěn)定性可以從燃燒空氣動力場、回流區(qū)、燃料燃燒特性等方面進行機理研究，試驗直接以工業(yè)試驗進行研究，結(jié)合觀火孔火焰顏色、爐尾溫度、爐膛壓力波動來表征燃燒穩(wěn)定性。以工況4試驗過程為例，點火和燃燒過程見表3。

表3 秸稈占比100%時鍋爐點火升溫過程

首先利用常規(guī)的柴油點火模式將預(yù)燃室溫度迅速提高到700 ℃以上，時間小于2 min，黃瑩[19]研究玉米秸稈與煤的混合燃料著火溫度在265～271 ℃，且隨摻混占比變化不大，因此700 ℃能夠保證混合燃料在預(yù)燃室內(nèi)及時著火。然后依次開啟一次風(fēng)機和給料器，爐尾溫度逐漸升高至200 ℃，持續(xù)調(diào)整配風(fēng)和供料器頻率，當供料器頻率到15 Hz左右時，爐膛溫度達到400 ℃，此時爐頭火焰亮紅色，爐尾火焰暗紅色，停油。觀察爐頭火焰穩(wěn)定，呈現(xiàn)橘紅色，爐尾火焰依然為暗紅色，這是因為二次風(fēng)量較小，火焰集中在燃燒器內(nèi)，從高速燃燒器噴射出的火焰速度低，火焰短。繼續(xù)提高負荷，加大二次風(fēng)，爐尾火焰逐漸變?yōu)榱良t色，說明隨著給料量和二、三次風(fēng)量增加，爐膛內(nèi)火焰長度增加，爐尾壓力升高到1 500 Pa，燃料和空氣在爐膛內(nèi)充分混合圖2和圖3分別是燃燒器和爐堂尾部火焰情況。值得一提的是，鍋爐運行一段時間后，爐頭觀火孔鏡片內(nèi)表面結(jié)露，而工況1～3沒有這種現(xiàn)象，表明純生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的水蒸氣含量較多。

圖2 階段3燃燒器觀火孔火焰

圖3 摻混占比對NOx影響

2.2 高速燃燒器摻燒秸稈NOx排放研究

煤炭及生物質(zhì)等固體燃料燃燒生成的氮氧化物包括熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx，以燃料型NOx為主，質(zhì)量分數(shù)為75%～90%，熱力型NOx質(zhì)量分數(shù)小于20%。燃料型NOx中又以揮發(fā)分氮占主要部分，焦炭氮20%～40%(表4)。

表4 氮氧化物類型

空氣分級技術(shù)是一種比較成熟的低NOx燃燒技術(shù)，控制煤粉爐燃燒器區(qū)過量空氣系數(shù)為0.7～1.0，產(chǎn)生還原性的氣氛，還原揮發(fā)分N分解產(chǎn)生的HCN和NH3，該技術(shù)適合于揮發(fā)分含量高的煙煤[20]。在高速燃燒器的基礎(chǔ)上，程曉磊[21]、研究表明深度空氣分級技術(shù)可以降低50%～60%的NOx初始排放質(zhì)量濃度。對于WNS鍋爐而言，其低氮燃燒研究則主要圍繞燃氣燃燒器的應(yīng)用展開，綜合了燃料分級、煙氣再循環(huán)和空氣分級等技術(shù)，尚未有WNS鍋爐粉體燃料低氮燃燒的相關(guān)報道。6 t/h煤粉爐試驗平臺采用的空氣分級燃燒技術(shù)，在燃燒器下方布置三次風(fēng)噴口，通過調(diào)節(jié)二次風(fēng)閥和三次風(fēng)閥來調(diào)整二三次風(fēng)量。

2.2.1 秸稈摻燒占比對NOx影響

對相關(guān)的文獻進行研究發(fā)現(xiàn)，當生物質(zhì)的摻混占比提高，NOx排放降低。目前普遍認為是生物質(zhì)中的揮發(fā)分在較低溫度下迅速大量的析出，并與煤粉搶氧燃燒，在局部燃燒區(qū)域形成貧氧區(qū)，能有效限制中間產(chǎn)物向NOx轉(zhuǎn)化，而且揮發(fā)分析出后所形成的焦炭具有較高的孔隙率和活性，可促使NO的分解還原。圖5為在額定負荷，三次風(fēng)占比達到50%深度空氣分級條件下，鍋爐出口NOx初始排放質(zhì)量濃度的折算值(O2體積濃度=9%)。由圖5可知，秸稈大占比摻混對NOx具有明顯降低作用。使用神府煤粉時，鍋爐氮氧化物質(zhì)量濃度最低只能達到410 mg/m3左右，并且飛灰熱值達到了5 525 kJ，大占比摻混秸稈，如工況2和3，NOx初始排放可降低到110～120 mg/m3，此時飛灰熱值在2 511～2 930 kJ。工況4時，NOx初始排放質(zhì)量濃度為200 mg/m3，此時飛灰?guī)缀鯚o熱值。

α—主射流火焰與爐膛中心軸夾角

圖5 摻混占比對NOx影響

2.2.2 空氣分級對NOx影響

以50%占比的秸稈為燃料，研究空氣分級對NOx和CO的影響。序號1—4給料為21 Hz，給料量達到750 kg/h左右，通過調(diào)整二三風(fēng)閥開度，降低二次風(fēng)量，增加三次風(fēng)量，在維持氧含量(測點在引風(fēng)機前)小范圍變化的前提下，NOx質(zhì)量濃度排放從417 mg/m3降低到182 mg/m3，CO質(zhì)量濃度僅從20 mg/m3增加到29 mg/m3。從序號3和4的試驗可以看出，二次風(fēng)量對NOx的影響是關(guān)鍵性的，當閥門開度從31%降低到27%時，NOx排放降低幅度可到了36%。同樣的規(guī)律在序號5—6的試驗中也體現(xiàn)出來。說明當煤粉摻燒秸稈時，主燃區(qū)配風(fēng)量在CO和飛灰殘?zhí)伎山邮艿姆秶鷥?nèi)時必須盡量降低。當二次風(fēng)過量空氣系數(shù)大于0.5時，即便鍋爐出口總氧量為低氧時，NOx排放質(zhì)量濃度依然達到了711 mg/m3。實施空氣分級之后，NOx質(zhì)量濃度降低到了205 mg/m3，降幅達到了71%，但同時也必須考慮到三次風(fēng)量加大導(dǎo)致爐尾溫度降低，CO含量升高的實際情況，需要綜合考慮。

表5 空氣分級對NOx和CO 影響

2.2.3 鍋爐負荷對NOx影響

鍋爐負荷變化對燃燒的影響十分明顯，直接表現(xiàn)在爐膛溫度變化和配風(fēng)量調(diào)整。實際運行時，煤粉鍋爐高負荷條件下，空氣分級的低氮和燃燒效果要優(yōu)于中低負荷，這是被空氣分級程度、鍋爐燃燒器安全運行等綜合因素所限制。工業(yè)鍋爐面臨多變的負荷情況，有必要研究負荷對摻燒排放的NOx影響。選取4 t/h和6 t/h兩種負荷，爐尾溫度分別為650 ℃和700 ℃，結(jié)果如圖6和圖7所示。采用生物質(zhì)摻混占比50%的混合燃料，氮氧化物排放質(zhì)量濃度從低負荷時330 mg/m3降低到高負荷時124 mg/m3，降幅達到62%，飛灰熱值從1 356 kJ/kg升高到2 498 kJ/kg，升幅則為48%；當采用生物質(zhì)摻混占比70%的混合燃料時，氮氧化物排放質(zhì)量濃度從低負荷時的190 mg/m3降低到高負荷下的115 mg/m3，飛灰熱值也從低負荷時候4 269 kJ/kg降低到高負荷時的3 135 kJ/kg；當使用純秸稈時，飛灰熱值均為0，氮氧化物質(zhì)量濃度則從135 mg/m3升高到218 mg/m3。因此說明，當生物質(zhì)摻混占比在50%和70%時，高負荷下燃燒和NOx排放情況總體上由優(yōu)于低負荷，但是對于純秸稈粉，高負荷時NOx排放增加，這是由于爐膛溫度升高，熱力型氮氧化物生成量增大，但負荷對飛灰熱值影響不大，主要是由于生物質(zhì)中固定碳含量較少，熱損失可以忽略。

圖6 鍋爐負荷對NOx影響

圖7 鍋爐負荷對飛灰影響

3 結(jié) 論

1)高速燃燒器穩(wěn)燃性能優(yōu)良，對生物質(zhì)摻混占比為50%、70%及100%的秸稈粉的混合燃料均有良好的穩(wěn)燃性能。

2)秸稈粉摻燒的占比越大，在深度空氣分級時低氮效果和燃燒效率得到越佳。當秸稈摻燒占比為50%和70%時，NOx初始排放質(zhì)量濃度在110～120 mg/m3，飛灰熱值在2 511～2 930 kJ/kg；當秸稈占比為100%時，NOx初始排放質(zhì)量濃度控在200 mg/m3左右，此時飛灰熱值為0。

3)當鍋爐負荷從4 t/h提高到6t/h，生物質(zhì)摻混占比50%時NOx排放質(zhì)量濃度從330 mg/m3降低124 mg/m3，生物質(zhì)摻混占比70%時NOx排放質(zhì)量濃度從190 mg/m3降到115 mg/m3，純秸稈粉則表現(xiàn)為NOx提高，排放質(zhì)量濃度從135 mg/m3提高到218 mg/m3，熱損失q4很小，可以忽略。

4)二次風(fēng)是影響NOx排放的決定性因素，秸稈占比50%時，給料量為750 kg/h時，二次風(fēng)閥開度為從32%降低到27%，三次風(fēng)閥開度從60%提高到100%，氮氧化物從質(zhì)量濃度417 mg/m3降低到182 mg/m3；給料量為600 kg/h時，二次風(fēng)閥開度由33%降低到20%，三次風(fēng)閥開度從35%提高到70%，氮氧化物質(zhì)量濃度從711 mg/m3降低到205 mg/m3。