麥曉峰

摘 要：本文結(jié)合湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司50 MW生物質(zhì)鍋爐的運(yùn)行情況，通過(guò)5個(gè)月的一氧化碳減排試驗(yàn)，找到了影響一氧化碳排放的關(guān)鍵因素，解決了公司自投運(yùn)以來(lái)燃燒不經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，提出了適用于生物質(zhì)鍋爐的一氧化碳低排放和穩(wěn)定燃燒的建議，對(duì)維持生物質(zhì)鍋爐的良好工況、延長(zhǎng)機(jī)組運(yùn)行周期具有重要作用，可為生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)鍋爐;一氧化碳減排;運(yùn)行周期

中圖分類號(hào)：S181文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(zhì)燃料以樹皮和木質(zhì)燃料為主，隨地理位置的變化和區(qū)域的產(chǎn)業(yè)鏈的差異有所改變。生物質(zhì)燃料種類繁多且特性各異，存在燃料流動(dòng)性多變、入爐燃料熱值和水分不穩(wěn)定的情況，引起燃燒不穩(wěn)定和不充分的問(wèn)題[1]。燃燒不充分將大幅增加一氧化碳排放量，降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性;燃燒不穩(wěn)定將導(dǎo)致機(jī)組參數(shù)波動(dòng)，降低機(jī)組的安全性。因此，研究影響生物質(zhì)鍋爐一氧化碳排放量的因素，并改善燃燒方法，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐高效燃燒，對(duì)提高生物質(zhì)鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義。

為了研究工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)鍋爐在運(yùn)行中影響一氧化碳排放量的因素，為工業(yè)生產(chǎn)提供切實(shí)依據(jù)，以50 MW生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐為平臺(tái)，進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)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(zhì)直燃發(fā)電鍋爐為華西能源工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為HX220-9.8-IV1型的高溫、高壓、單汽包、汽水自然循環(huán)、平衡通風(fēng)的循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐的額定蒸發(fā)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(shè)計(jì)燃料為桉樹的皮、葉、根、枝，木材邊角料，甘蔗渣和其他農(nóng)林廢棄物。鍋爐對(duì)燃料的顆粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm。

生物質(zhì)燃料種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，難以實(shí)現(xiàn)鍋爐平穩(wěn)給料。生物質(zhì)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(zhì)鍋爐無(wú)法達(dá)到額定出力。湛江生物質(zhì)發(fā)電廠的機(jī)組于2011年投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)探索后實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷運(yùn)行。長(zhǎng)期以來(lái)，鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，爐膛氧量系數(shù)常保持在0.5%～1.0%。這是一種受到了投產(chǎn)初期技術(shù)不成熟的經(jīng)驗(yàn)影響的運(yùn)行方式，也是一種為帶滿負(fù)荷但犧牲了一定的燃燒經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行方式。

生物質(zhì)發(fā)電廠的燃料成本是經(jīng)營(yíng)成本的主要部分。通過(guò)探索減少生物質(zhì)鍋爐一氧化碳排放量的方法，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐燃料充分燃燒，可以有效降低生物質(zhì)鍋爐的不完全燃燒損失，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，減少生物質(zhì)燃料耗用率，對(duì)改善生物質(zhì)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益具有顯著的積極作用[2]。所以，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠的一氧化碳減排研究勢(shì)在必行且意義重大。

2 研究方法

生物質(zhì)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(jié)是南方生物質(zhì)電廠發(fā)電的黃金時(shí)期。此季節(jié)雨水少，生物質(zhì)燃料水分低、熱值高，質(zhì)量較為穩(wěn)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(yàn)周期。試驗(yàn)的主要目的是尋找生物質(zhì)鍋爐最佳的氧量系數(shù)。由于二氧化硫和氮氧化物的測(cè)量值與氧量的關(guān)系較大，因此試驗(yàn)必須在確保環(huán)保參數(shù)（二氧化硫和氮氧化物）不超過(guò)限值的前提下進(jìn)行，以保障生物質(zhì)發(fā)電廠的環(huán)保安全。

根據(jù)原有的氧量系數(shù)，逐步增大生物質(zhì)鍋爐的氧量系數(shù)，并對(duì)一氧化碳排放量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)機(jī)組運(yùn)行有以下要求：①機(jī)組工況良好，各輔機(jī)工況良好，能滿足試驗(yàn)的參數(shù)調(diào)整需要;②保持機(jī)組在滿負(fù)荷50 MW附近運(yùn)行;③各種生物質(zhì)燃料的配比相同，且各種生物質(zhì)燃料混合均勻;④由具備良好的燃燒調(diào)整水平的運(yùn)行人員調(diào)整。

3 研究結(jié)果及測(cè)算

為了確保一氧化碳減排試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，通過(guò)分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）收集數(shù)據(jù)后，剔除機(jī)組的停運(yùn)時(shí)間，并將每個(gè)月的一氧化碳排放總量按照30天進(jìn)行折算，結(jié)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(shù)據(jù)可知，當(dāng)鍋爐氧量系數(shù)達(dá)到2%以上時(shí)，一氧化碳的減排效果十分明顯（變化趨勢(shì)可參考圖1的一氧化碳-氧量變化趨勢(shì)圖）。對(duì)比2020年10月和2021年1月的數(shù)據(jù)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(dāng)于減排了36.48%的一氧化碳。如果以入爐生物質(zhì)燃料平均熱值為2 500 cal/g進(jìn)行折算，一個(gè)月減排的一氧化碳相當(dāng)于279 t生物質(zhì)燃料。換算為全年，則一臺(tái)50 MW的生物質(zhì)鍋爐通過(guò)調(diào)整氧量可以少使用3 348 t生物質(zhì)燃料，預(yù)估一臺(tái)50 MW的生物質(zhì)鍋爐全年減少燃料成本超過(guò)100萬(wàn)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(zhì)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(zhì)量和體積的換算系數(shù)。

3.2 飛灰含碳量

從表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)鍋爐氧量系數(shù)達(dá)到2%以上時(shí)，飛灰含碳量明顯下降，下降數(shù)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(shí)，從圖2的飛灰可燃物-氧量變化趨勢(shì)圖可看出，氧量系數(shù)達(dá)到2%后，即使再提升氧量系數(shù)，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(yàn)的結(jié)果

通過(guò)一氧化碳的減排試驗(yàn)，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠發(fā)現(xiàn)以往維持鍋爐氧量系數(shù)為0.5%～1.0%的運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)效益較差，因此要求運(yùn)行人員維持鍋爐氧量系數(shù)在2%～3%運(yùn)行。經(jīng)過(guò)5個(gè)月的試驗(yàn)探索，只要通過(guò)合理的上配料將入爐熱值和水分控制在合適范圍內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)鍋爐滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。初步測(cè)算，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠的兩臺(tái)機(jī)組將于2021年減少200萬(wàn)元以上的燃料成本，有效提高了公司的經(jīng)濟(jì)效益。

4 生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行建議

4.1 維持鍋爐氧量系數(shù)在2%～3%

試驗(yàn)結(jié)果表明，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠的鍋爐維持在2%～3%的氧量系數(shù)最合適，既能保持良好的燃燒經(jīng)濟(jì)性，又能防止鍋爐出現(xiàn)其他問(wèn)題。當(dāng)鍋爐的氧量系數(shù)低于2%時(shí)，鍋爐的一氧化碳排放量和飛灰含碳量快速上升，燃燒的經(jīng)濟(jì)性明顯降低。此外，未燃盡的飛灰和一氧化碳會(huì)使鍋爐的燃燒整體后移，容易出現(xiàn)低溫過(guò)熱器區(qū)域超溫，進(jìn)而引起低溫過(guò)熱器堵灰，導(dǎo)致機(jī)組被迫停運(yùn)。所以，生物質(zhì)鍋爐的氧量系數(shù)不宜低于2%。

理論上，氧量系數(shù)進(jìn)一步提高，鍋爐內(nèi)的燃料將燃燒得更加充分[4]。但實(shí)際運(yùn)行中，由于煙氣中氮氧化物和二氧化硫的測(cè)量數(shù)值與煙氣中的氧量直接相關(guān)，當(dāng)氧量系數(shù)高于3%時(shí)，煙氣中氮氧化物的折算值濃度將大幅提升，十分接近國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)（200 mg/m3）。生物質(zhì)鍋爐常在給料環(huán)節(jié)出現(xiàn)卡料和堵料問(wèn)題，將進(jìn)一步增大鍋爐的氧量系數(shù)，使氮氧化物超限的問(wèn)題更為突出。此外，根據(jù)日常對(duì)一氧化碳參數(shù)的監(jiān)視情況，進(jìn)一步增加氧量至3%以上時(shí)，鍋爐一氧化碳減排的效果將不再明顯。所以，在實(shí)際運(yùn)行中，生物質(zhì)鍋爐的氧量系數(shù)不建議超過(guò)3%。

4.2 燃料規(guī)格合適并混合均勻

生物質(zhì)鍋爐對(duì)燃料的顆粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm，但在實(shí)際運(yùn)行中由于生物質(zhì)燃料種類繁多和破碎機(jī)的破碎效果不佳，實(shí)際入爐燃料的規(guī)格在40～500 mm不等。生物質(zhì)燃料規(guī)格越大，生物質(zhì)燃料的流動(dòng)性越差，越難實(shí)現(xiàn)鍋爐連續(xù)給料，對(duì)運(yùn)行人員的要求越高，也越難維持鍋爐的氧量系數(shù)在2%～3%。

建議生物質(zhì)電廠從燃料進(jìn)廠環(huán)節(jié)開始控制燃料質(zhì)量和規(guī)格，及時(shí)排除燃料中的雜質(zhì)，并要求燃料規(guī)格在150 mm以內(nèi)。此外，及時(shí)維護(hù)破碎機(jī)和給料機(jī)，使其在良好的工況下運(yùn)行。在上配料環(huán)節(jié)，可以根據(jù)不同燃料品種的特性進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果，最終使燃料具有良好的流動(dòng)性，更有利于運(yùn)行人員調(diào)控鍋爐的氧量系數(shù)。

4.3 控制入爐燃料的水分含量

生物質(zhì)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(wěn)定，約35%;建筑廢料和木材加工副產(chǎn)品的水分約18%。在4—9月的雨季，所有品種的生物質(zhì)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(jié)，所有生物質(zhì)燃料的水分均比其他季節(jié)低。

生物質(zhì)燃料的水分對(duì)生物質(zhì)鍋爐的氧量系數(shù)和燃燒的穩(wěn)定性具有重要影響。當(dāng)入爐燃料水分高時(shí)，濕燃料將快速吸收爐內(nèi)氧氣，但未能馬上燃燒，爐內(nèi)燃料就在富氧和缺氧之間反復(fù)波動(dòng)，導(dǎo)致一氧化碳和所有環(huán)保參數(shù)均顯著升高。所以，在配料環(huán)節(jié)控制好入爐燃料的水分十分關(guān)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(zhì)鍋爐，既能實(shí)現(xiàn)機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行，又能減少參數(shù)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4 維持鍋爐良好的流化狀態(tài)

循環(huán)流化床鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行必須建立在良好的流化狀態(tài)下，其中生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐也不例外。實(shí)踐中，一氧化碳的生成量與鍋爐的一次風(fēng)量和床層壓力沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)。只要鍋爐的流化狀態(tài)良好，控制好鍋爐的氧量系數(shù)，一氧化碳的排放量就會(huì)降低。但是，如果鍋爐的流化狀態(tài)較差，會(huì)使燃燒產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)。此時(shí)，一氧化碳排放量和環(huán)保參數(shù)異常升高。

實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行人員可以通過(guò)觀察流化床的床層壓力波動(dòng)情況和床溫分布情況對(duì)鍋爐的流化狀態(tài)進(jìn)行判斷。如果床溫分布偏差較大，表示爐內(nèi)流化正在惡化;如果床層壓力波動(dòng)幅度較大，表示爐內(nèi)流化狀態(tài)已經(jīng)較差。遇到以上情況，可以通過(guò)增大一次風(fēng)量進(jìn)行改善，并根據(jù)床層壓力適當(dāng)增加排渣量。此外，還能通過(guò)置換床料的辦法改善鍋爐的流化狀態(tài)[5]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期試驗(yàn)，湛江生物質(zhì)發(fā)電廠發(fā)現(xiàn)每天在鍋爐中添加一定量的床料或經(jīng)過(guò)篩分的爐渣，對(duì)維持鍋爐良好的流化狀態(tài)有顯著作用。

5 結(jié)語(yǔ)

立足于湛江生物質(zhì)發(fā)電公司50 MW的循環(huán)流化床鍋爐，通過(guò)5個(gè)月的一氧化碳減排試驗(yàn)，得出了維持生物質(zhì)鍋爐氧量系數(shù)在2%～3%運(yùn)行的結(jié)論，并將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，解決了湛江生物質(zhì)發(fā)電公司自投產(chǎn)以來(lái)燃燒不經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題，有效降低了一氧化碳的年度排放總量。同時(shí)，提出了減少生物質(zhì)鍋爐一氧化碳排放量的建議，為生物質(zhì)發(fā)電廠提供有效、可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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