譚厚章，楊富鑫，阮仁暉，王學(xué)斌，楊祖旺，鄭海國(guó)

（1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710043）

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)及能源利用方式提出了更高要求。生物質(zhì)能是人類(lèi)利用最早的能源之一，具有分布廣、可再生等特點(diǎn)。開(kāi)發(fā)和利用生物質(zhì)能源，對(duì)保障國(guó)家能源安全，減少二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)以及可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義[1]。我國(guó)生物質(zhì)資源總量豐富，可利用潛力巨大，國(guó)家能源局《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出，全國(guó)可作為能源利用的農(nóng)作物秸稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和能源作物、生活垃圾與有機(jī)廢棄物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)可通過(guò)生物法（如發(fā)酵制備甲烷）、物理法（如生物質(zhì)固體成型燃料）、化學(xué)法（如生物質(zhì)直接燃燒、摻燒、氣化、液化）等方式進(jìn)行利用[2]。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局分別在《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》、《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出：掌握燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，進(jìn)一步提高對(duì)現(xiàn)役燃煤電廠的技術(shù)改造水平，獲得現(xiàn)役電廠改造的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。目前，針對(duì)大型燃煤機(jī)組直接耦合生物質(zhì)的應(yīng)用較少，仍停留在工程示范階段[3-4]。

大型燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家中應(yīng)用較廣泛，如英國(guó)大部分的燃煤電廠均摻燒生物質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組達(dá)230 座，主要分布在歐洲[5-7]。國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)、西安熱工研究院有限公司、華北電力大學(xué)、山東大學(xué)、華中科技大學(xué)等均開(kāi)展了相關(guān)的研究，但是多集中于實(shí)驗(yàn)室或理論分析，現(xiàn)場(chǎng)研究及數(shù)據(jù)十分缺乏[8-20]。

譚厚章等2009 年在大型燃煤機(jī)組開(kāi)展了生物質(zhì)摻燒工程應(yīng)用，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了生物質(zhì)摻燒對(duì)機(jī)組的影響規(guī)律[21]。本文基于前期燃煤機(jī)組摻燒生物質(zhì)的研究，開(kāi)展了660 MW 機(jī)組摻燒當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)的工程應(yīng)用研究，分析了生物質(zhì)摻燒對(duì)機(jī)組燃燒特性、鍋爐效率、污染物排放以及粉煤灰水泥特性的影響。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)方案

某660 MW 空冷燃煤發(fā)電機(jī)組配置中速輥式磨煤機(jī)、超臨界鍋爐、脫硝裝置、靜電除塵器、濕法脫硫裝置等；采用冷卻塔、脫硫塔、煙囪“三塔合一”技術(shù)，脫硫吸收塔布置于空冷塔內(nèi)部。煤粉燃燒器采用四角切圓布置方式，A 層—F 層為燃燒器。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)摻燒技術(shù)的調(diào)研，并結(jié)合前期大型燃煤機(jī)組成功摻燒的研究，提出利用660 MW 機(jī)組F 層閑置制粉系統(tǒng)對(duì)生物質(zhì)研磨并摻燒的方案，即A 層—E 層燃燒器正常燃燒煤粉，而生物質(zhì)則被加入F 層磨煤機(jī)中進(jìn)行粉碎和磨制，然后通過(guò)F 層燃燒器噴入爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，生物質(zhì)的給料量為當(dāng)前總?cè)剂腺|(zhì)量的10%～20%。生物質(zhì)秸稈摻燒試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 生物質(zhì)摻燒試驗(yàn)工況Tab.1 Experimental condition for biomass co-firing

該方案的優(yōu)點(diǎn)主要有：1）將生物質(zhì)壓型塊直接送入上層制粉系統(tǒng)原煤倉(cāng)，經(jīng)磨煤機(jī)磨制后送入上層燃燒器區(qū)域，因此不增加任何設(shè)備及投資；2）生物質(zhì)燃燒與下層煤粉完全分離，不影響下5 層制粉系統(tǒng)及其燃燒，預(yù)計(jì)對(duì)鍋爐整體燃燒性能的影響甚微。

1.2 取樣及檢測(cè)方法

在調(diào)整制粉系統(tǒng)以及變工況秸稈摻燒試驗(yàn)過(guò)程中，重點(diǎn)采集的樣品和記錄的數(shù)據(jù)包括生物質(zhì)、原煤、飛灰、爐渣、粉煤灰取樣和排煙溫度、尾部煙道O2含量、爐膛出口（最上部）煙氣溫度、爐膛高度方向溫度、尾部煙道NOx質(zhì)量濃度、尾部煙道SO2質(zhì)量濃度以及機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。爐膛出口煙氣溫度及沿爐膛高度方向溫度采用光學(xué)高溫測(cè)溫儀測(cè)量；尾部煙道NOx、SO2、O2含量通過(guò)德圖煙氣分析儀測(cè)量得到，同時(shí)從主控室及脫硫表盤(pán)讀??；排煙溫度利用熱電偶溫度計(jì)測(cè)量，并由表盤(pán)直接讀取核對(duì)；爐渣在冷灰斗下直接取樣，然后烘干后分析其可燃物；在空氣預(yù)熱器出口煙道等速取樣飛灰，核對(duì)成分。為了研究粉煤灰的水泥特性，在電除塵電場(chǎng)倉(cāng)室下進(jìn)行取樣。每個(gè)工況摻燒試驗(yàn)前需將電場(chǎng)灰斗料位調(diào)低至放空，摻燒試驗(yàn)結(jié)束后在該灰斗處取灰。鍋爐運(yùn)行主參數(shù)、給煤量和燃燒器投運(yùn)情況、二次風(fēng)開(kāi)度、一次風(fēng)風(fēng)量風(fēng)壓、脫硫脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及制粉系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等均由主控室讀取。

生物質(zhì)摻燒試驗(yàn)期間的煤質(zhì)及生物質(zhì)秸稈工業(yè)分析見(jiàn)表2 和表3。

表2 煤工業(yè)分析Tab.2 Proximate analysis of the coal

表3 生物質(zhì)工業(yè)分析Tab.3 Proximate analysis of the biomass

試驗(yàn)所用生物質(zhì)型料原樣及F 層磨煤機(jī)出口生物質(zhì)粉料如圖1 所示。由圖1 可見(jiàn)：原生物質(zhì)型料質(zhì)地堅(jiān)硬，可磨型強(qiáng)；輥式磨煤機(jī)系統(tǒng)可高效地將生物質(zhì)型料破碎。

圖1 生物質(zhì)型料Fig.1 Pictures of the biomass

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)F 層火焰噴口進(jìn)行檢測(cè)和圖像捕捉，得到生物質(zhì)燃燒器噴口火焰如圖2 所示。由圖2 可見(jiàn)F 層生物質(zhì)燃料燃燒正常。

圖2 F 層生物質(zhì)噴口火焰Fig.2 Combustion flame of the biomass fired at burner in F layer

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)摻燒量對(duì)燃燒特性的影響

2.1.1 對(duì)爐膛出口煙氣溫度的影響

爐膛出口煙氣溫度隨生物質(zhì)摻燒量的變化如圖3 所示。由圖3 可見(jiàn)：500 MW 工況下生物質(zhì)摻燒對(duì)爐膛出口煙氣溫度影響很小，摻燒量達(dá)到40 t/h時(shí)，爐膛出口煙氣溫度變化不超過(guò)10 ℃；600 MW工況下生物質(zhì)摻燒對(duì)爐膛出口煙氣溫度影響略大，但爐膛出口煙氣溫度變化不超過(guò)30 ℃。這說(shuō)明在一定負(fù)荷下?lián)綗镔|(zhì)對(duì)機(jī)組煙溫的影響較小。

圖3 生物質(zhì)摻燒量對(duì)爐膛出口煙氣溫度的影響Fig.3 Effect of the biomass feed rate on flue gas temperature at the furnace outlet

2.1.2 對(duì)爐膛溫度分布的影響

生物質(zhì)摻燒量對(duì)爐膛高度方向溫度分布的影響如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn)，在500、600 MW 負(fù)荷下，摻燒生物質(zhì)的爐膛溫度均略有降低，主燃燒區(qū)域溫差相對(duì)偏大，但溫差隨著高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)逐漸減小，在下游爐膛出口達(dá)到最小。

圖4 生物質(zhì)摻燒量對(duì)爐膛溫度分布的影響Fig.4 Effect of the biomass feed rate on furnace temperature distribution

2.1.3 對(duì)空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度的影響

表4 為500、600 MW 工況下?lián)綗镔|(zhì)空氣預(yù)熱器入口煙溫變化。

表4 生物質(zhì)摻燒量對(duì)空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度的影響單位：℃Tab.4 Effect of the biomass feed rate on flue gas temperature at the inlet of air preheater

由表4 可見(jiàn)，500、600 MW 工況下?lián)綗镔|(zhì)，空氣預(yù)熱器入口溫度均略有升高，溫度升高均小于3 ℃?？梢?jiàn)，不同負(fù)荷下?lián)綗镔|(zhì)對(duì)空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度影響較小。

2.1.4 對(duì)NOx和SO2的影響

不同負(fù)荷下生物質(zhì)摻燒量對(duì)污染物（NOx和SO2）的影響如圖5 所示。由圖5 可見(jiàn)：600 MW工況下?lián)綗镔|(zhì)后煙氣中NOx質(zhì)量濃度降低30 mg/m3，SO2質(zhì)量濃度升高10 mg/m3；500 MW 工況下?lián)綗镔|(zhì)煙氣中NOx質(zhì)量濃度降低40 mg/m3，SO2質(zhì)量濃度變化較小。SO2的質(zhì)量濃度主要取決于燃料中的硫含量、風(fēng)量及燃燒情況等，本次試驗(yàn)煤（收到基）的硫分為0.17%，生物質(zhì)（收到基）的硫分為0.26%，因而摻燒生物質(zhì)后煙氣中SO2的質(zhì)量濃度略有上升。摻燒秸稈生物質(zhì)由F 層送入爐膛，可能在局部還原性氣氛下，生成大量的NHi和CHi等基團(tuán)，將A—E 層煤粉燃燒生成的NOx還原成N2或HCN；同時(shí)，摻燒生物質(zhì)后爐膛煙溫整體下降，使得煙氣中NOx質(zhì)量濃度有所降低[21]。

圖5 生物質(zhì)摻燒量對(duì)NOx和SO2 的影響Fig.5 Effects of biomass feed rate on emission of NOx and SO2

2.2 F 層一次風(fēng)量對(duì)燃燒特性的影響

2.2.1 對(duì)爐膛溫度分布的影響

在生物質(zhì)摻燒的過(guò)程中，摻燒層（F 層）一次風(fēng)量變化對(duì)爐膛溫度分布的影響如圖6 所示。

圖6 F 層一次風(fēng)量對(duì)爐膛溫度分布的影響Fig.6 Effect of primary air in F layer on furnace temperature distribution at 500 MW

由圖6 可見(jiàn)：在600 MW 工況下，F(xiàn) 層一次風(fēng)量降低后，爐膛上部整體溫度升高約20 ℃，但波動(dòng)不大；500 MW 工況下，F(xiàn) 層一次風(fēng)量降低后，爐膛上部整體溫度升高約10 ℃，總體變化較小。

2.2.2 對(duì)排煙溫度及污染物排放的影響

生物質(zhì)摻混過(guò)程中，在生物質(zhì)給料量穩(wěn)定在40 t/h 時(shí)改變F 層生物質(zhì)粉料一次風(fēng)量，分析對(duì)爐膛出口煙溫、空氣預(yù)熱器入口煙溫、NOx和SO2排放質(zhì)量濃度的影響，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可見(jiàn)，改變頂層生物質(zhì)送粉的一次風(fēng)量，爐膛出口溫度、空氣預(yù)熱器入口溫度、NOx質(zhì)量濃度及SO2質(zhì)量濃度均變化不大。

圖7 F 層一次風(fēng)量對(duì)排煙溫度和污染物排放的影響Fig.7 Effect of primary air in F layer on flue gas temperature and pollutants emission

2.3 生物質(zhì)摻燒對(duì)飛灰可燃物及鍋爐效率的影響

摻燒生物質(zhì)對(duì)鍋爐燃燒產(chǎn)生飛灰和爐渣可燃物含量的影響見(jiàn)表5。由表5 可見(jiàn)：600 MW 工況下，不摻燒生物質(zhì)時(shí)飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%；而摻燒生物質(zhì)后的飛灰可燃物并沒(méi)有大幅度提高，保持在0.9%以下；摻燒生物質(zhì)30 t/h 時(shí)，飛灰可燃物保持在0.5%以下；500 MW 工況下，摻燒生物質(zhì)后飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)并無(wú)明顯變化，均在1.0%以下。因此，摻燒生物質(zhì)后鍋爐的燃盡性能良好，飛灰可燃物并未有明顯的上升；同時(shí)，摻燒生物質(zhì)的爐渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較不摻燒并無(wú)明顯變化。

表5 生物質(zhì)摻燒對(duì)飛灰和爐渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 單位：%Tab.5 Effect of biomass feed rate on unburned carbon mass fraction in fly ash and slag

摻燒生物質(zhì)對(duì)鍋爐效率的影響如圖8 所示。

圖8 生物質(zhì)摻燒量對(duì)鍋爐熱效率的影響Fig.8 Effect of biomass feed rate on boiler thermal efficiency

由圖8 可見(jiàn)：600 MW 工況下?lián)綗镔|(zhì)，鍋爐效率略微下降，摻燒50 t/h 生物質(zhì)時(shí)效率下降最大（約0.16%）；500 MW 工況下?lián)綗镔|(zhì)鍋爐效率略微下降，摻燒40 t/h 時(shí)鍋爐效率下降最大（約0.14%）?？梢?jiàn)，摻燒生物質(zhì)對(duì)鍋爐熱效率的影響不大。另外，在600、500 MW 負(fù)荷下，摻燒30 t/h 生物質(zhì)時(shí)，鍋爐效率均最高，相比單純?nèi)加妹悍蹠r(shí)鍋爐效率僅降低約0.02%。

2.4 生物質(zhì)摻燒對(duì)水泥特性的影響

由于粉煤灰輸送系統(tǒng)的密閉性和遲滯性，且每個(gè)工況的穩(wěn)定時(shí)間較短，很難在每個(gè)試驗(yàn)工況下及時(shí)取到該工況下超過(guò)1 kg 的飛灰。因此，需在生物質(zhì)摻燒試驗(yàn)前將除塵器電場(chǎng)的粉料放空，在生物質(zhì)摻燒工況結(jié)束后，再到除塵器灰斗下取樣，進(jìn)行水泥特性指標(biāo)的測(cè)定。粉煤灰測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6、表7。由表6、表7 可見(jiàn)：利用摻燒生物質(zhì)灰制成的膠砂樣品，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與原煤灰（不摻燒生物質(zhì)）配成砂樣的相差不大，并且其28 天活性指數(shù)均在75%以上，均檢驗(yàn)合格；原煤灰的比表面積與摻燒生物質(zhì)后灰的比表面積均高于標(biāo)準(zhǔn)水泥比表面積350 m2/kg，摻燒生物質(zhì)對(duì)電廠粉煤灰比表面積影響小；摻燒生物質(zhì)后灰樣的需水量與原煤灰差別不大，接近純水泥，其安定性均小于等于5 mm?？梢?jiàn)，生物質(zhì)摻燒未對(duì)電廠煤灰的水泥特性產(chǎn)生影響。

表6 500 MW 工況下灰制成膠砂樣品的化驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results for the gel sand samples produced by fly ash at 500 MW

表7 600 MW 工況下灰制成膠砂樣品的化驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test results for the gel sand samples produced by fly ash at 600 MW

3 結(jié)論

1）本文在660 MW 燃煤機(jī)組頂層（F 層）燃燒器摻燒生物質(zhì)，并分析了生物質(zhì)摻燒量對(duì)燃燒特性、鍋爐效率、污染物排放及粉煤灰水泥特性的影響。生物質(zhì)在燃煤機(jī)組的中速直吹式輥式磨煤機(jī)上磨制效果良好，且制粉系統(tǒng)運(yùn)行正常，磨煤機(jī)運(yùn)行電流正常，中速磨煤機(jī)能較好地完成生物質(zhì)的磨制。針對(duì)660 MW 機(jī)組，磨制生物質(zhì)粉料時(shí)，需控制磨煤機(jī)入口風(fēng)溫不超過(guò)150 ℃，出口風(fēng)溫50 ℃左右，一次風(fēng)量85 t/h，生物質(zhì)送料量不超過(guò)50 t/h（摻燒質(zhì)量比19.7%）。

2）生物質(zhì)摻燒時(shí)，爐內(nèi)可保持正常著火和穩(wěn)定燃燒，并且通過(guò)控制較低的入口風(fēng)溫，噴口處未見(jiàn)著火提前現(xiàn)象。生物質(zhì)摻燒對(duì)爐膛出口煙氣溫度影響小，在600、500 MW 負(fù)荷及不同生物質(zhì)摻燒量下，爐膛出口煙氣溫度變化未超過(guò)30 ℃。摻燒生物質(zhì)前后空氣預(yù)熱器的入口煙氣溫度變化不大。摻燒生物質(zhì)后，鍋爐的燃盡性能良好，鍋爐效率始終保持在93.9%～94.1%，且摻燒生物質(zhì)對(duì)NOx、SO2排放量的影響甚微。

3）生物質(zhì)摻燒對(duì)粉煤灰水泥特性未產(chǎn)生影響。28 天強(qiáng)度活性指數(shù)在75%以上，其活性、安定性、需水量、比表面積、抗折強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合建筑用材標(biāo)準(zhǔn)。