郭宗濤 馬心行 辛振華

山東濟(jì)礦魯能煤電公司

0 引言

生物質(zhì)燃料是可再生的CO2中性燃料，其氮、硫含量較低，可作為煤炭的補充燃料或替代燃料。燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)燃料燃燒雖可有效減少污染物排放及碳排放，但生物質(zhì)燃料的高含水率、差流動性、高揮發(fā)分等特性，如直接耦合燃燒會使工業(yè)煤粉鍋爐出現(xiàn)煤倉蓬煤、磨煤機堵磨、自燃等問題，此外，生物質(zhì)燃料燃燒后生成的堿金屬氧化物與SO3易在受熱面上反應(yīng)生成易熔的復(fù)合硫酸鹽Na3Fe(SO4)3和K3Fe(SO4)3，這些硫酸鹽在高溫下會熔化成對受熱面產(chǎn)生腐蝕的渣層，且飛灰中的鉀、氯等會引起受熱面積灰速度加劇，因此，煤粉工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃料耦合燃燒比例對安全生產(chǎn)非常重要。

本文結(jié)合某熱電廠40 t/h工業(yè)蒸汽鍋爐生物質(zhì)燃料耦合燃燒應(yīng)用，探索生物質(zhì)燃料的選型及耦合分級燃燒的改造，力求實現(xiàn)大比例的耦合。

1 某熱電廠40 t/h工業(yè)蒸汽鍋爐構(gòu)造

該電廠鍋爐為NG40-5.3型室燃煤粉爐，爐頂設(shè)置一個四通道旋流燃燒器，配備兩臺中速輥式正壓直吹磨煤機。鍋爐燃燒流程為：原煤→皮帶稱重給煤機→中速輥式正壓直吹磨煤機→爐頂旋流燃燒器，燃燒后的飛灰→尾部豎井→高溫過熱器→中溫過熱器→低溫過熱器→SCR→蛇形管省煤器→立式空氣預(yù)熱器→低溫節(jié)能器→SDS干法脫硫塔→預(yù)電除塵器→布袋除塵器→大氣。

二次風(fēng)為四通道旋流燃燒器中心風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)及爐膛前墻燃盡風(fēng)提供風(fēng)源，中心風(fēng)管內(nèi)設(shè)燃?xì)恻c火器，內(nèi)環(huán)二次風(fēng)角度固定，外環(huán)二次風(fēng)角度可變。

2 生物質(zhì)燃料選型及耦合燃燒應(yīng)用

2.1生 物質(zhì)燃料選型

生物質(zhì)燃料含水率高、粗纖維多、熱值低、黏度大，如只經(jīng)簡單破碎壓縮與原煤混合進(jìn)入煤倉易造成煤倉蓬煤、搭橋等問題，且磨制不均勻的話，還易出現(xiàn)絲狀物堵塞磨煤機風(fēng)環(huán)和分離器擋板問題，因此，生物質(zhì)燃料的摻燒宜選用水分低于10%且經(jīng)成型處理的生物質(zhì)顆粒。由表1可知，樹皮中氧化鈣含量約30%，在燃燒過程中可作為脫硫劑使用；麥稈的堿性金屬氧化鉀含量高約30.65%，易結(jié)渣，因此，生物質(zhì)燃料摻燒應(yīng)優(yōu)先選用玉米秸稈、花生殼、樹皮，如要摻燒麥稈，需加強受熱面監(jiān)視及增加吹灰強度以防結(jié)渣。

表1 生物質(zhì)顆粒燃料特性

2.2生 物質(zhì)燃料耦合燃燒應(yīng)用

2.2.1 生物質(zhì)燃料耦合燃燒形式

生物質(zhì)燃料耦合燃燒形式主要有：直接耦合燃燒；間接耦合燃燒；并聯(lián)耦合燃燒。直接耦合燃燒又包括制粉耦合燃燒和爐內(nèi)耦合燃燒［1］。

制粉耦合燃燒即將生物質(zhì)顆粒與煤在上煤過程中混合，再經(jīng)給煤機到磨煤機磨制。該方案投資成本低，但由于生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分的特點，易在磨煤機內(nèi)飄浮、堆積、自燃，故摻燒量應(yīng)控制在10%內(nèi)。

爐內(nèi)耦合燃燒即利用獨立的磨煤機磨制生物質(zhì)燃料，再通過改造后的管道輸送至獨立的燃燒器燃燒。該方案降低了生物質(zhì)燃料磨制過程中自燃的風(fēng)險，可增加生物質(zhì)燃料摻燒比例，但需增設(shè)獨立的燃燒器。

2.2.2 40 t/h工業(yè)蒸汽鍋爐生物質(zhì)燃料耦合燃燒應(yīng)用改造

圖1為40 t/h工業(yè)蒸汽鍋爐直接耦合燃燒的改造應(yīng)用，制粉耦合燃燒改造包括：在輸煤皮帶上部增設(shè)生物質(zhì)燃料儲料倉，儲料倉下部安裝密封式可調(diào)出力圓盤給料機，生物質(zhì)燃料顆粒經(jīng)下料管直接落入輸煤皮帶后送至爐前原煤倉。生物質(zhì)圓盤給料機的給料量可在皮帶煤量的5%～15%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

圖1 煤粉與生物質(zhì)燃料耦合燃燒改造鍋爐風(fēng)煙流程圖

爐內(nèi)耦合燃燒改造包括：增加生物質(zhì)顆粒儲料倉，通過下部安裝的螺旋絞龍輸送機將生物質(zhì)燃料送入磨煤機進(jìn)行磨制，再由新增的冷一次風(fēng)輸送至由二次燃盡風(fēng)管改造的雙通道旋流燃燒器進(jìn)行燃燒。

2.2.3 40 t/h工業(yè)蒸汽鍋爐生物質(zhì)燃料耦合燃燒運行方式

制粉耦合燃燒生物質(zhì)燃料的比例受限于磨煤機電流、生物質(zhì)自燃、燃燒器結(jié)焦等因素。由于生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分的特性，制粉耦合燃燒的磨煤機出口風(fēng)溫應(yīng)通過一次風(fēng)冷風(fēng)門控制在50℃以內(nèi)，當(dāng)溫度高達(dá)300℃時，生物質(zhì)燃料揮發(fā)分會析出并劇烈燃燒，使燃燒器噴口處溫度升高，煤粉提前著火，進(jìn)而使燃燒器區(qū)域溫度進(jìn)一步升高，造成灰渣結(jié)焦甚至燒損燃燒器現(xiàn)象，因此制粉耦合生物質(zhì)燃料燃燒熱量比應(yīng)控制在10%以內(nèi)，且生物質(zhì)燃料以玉米秸稈、花生殼為主。制粉耦合燃燒時，四通道旋流燃燒中心風(fēng)門開度要維持在80%以上，以增大中心風(fēng)風(fēng)量，降低內(nèi)回流區(qū)域溫度；外二次風(fēng)環(huán)角度為180°，呈豎直狀態(tài)，與內(nèi)二次風(fēng)比例為7∶3；拉長火焰燃燒形狀，降低外回流區(qū)域擴散面積，防止煤粉與生物質(zhì)燃料在水冷壁區(qū)域結(jié)渣。改造后，通過觀火孔觀察，當(dāng)生物質(zhì)燃料燃燒熱量比為10%時，水冷壁區(qū)域無明顯結(jié)渣現(xiàn)象。

爐內(nèi)耦合燃燒主要受限于磨煤機電流。出于控制生物質(zhì)燃料自燃的目的，磨煤機采用冷一次風(fēng)輸送，但由于磨制后的生物質(zhì)粉黏度大，流動性差，因此單獨磨制生物質(zhì)顆粒的磨煤機其分離器擋板開度應(yīng)控制在60°，此時磨制后的粒度與流動性為最佳。耦合生物質(zhì)燃料比例熱量系數(shù)可在10%～60%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。基于爐內(nèi)耦合燃燒器處于鈣基固硫溫度區(qū)間，因此爐內(nèi)耦合燃燒生物質(zhì)燃料顆粒應(yīng)選擇富含氧化鈣的樹皮顆粒。

制粉耦合與爐內(nèi)耦合相結(jié)合的方式在污染物NOx的減量生成和SO2脫除方面存在較大優(yōu)勢。制粉耦合旋流燃燒區(qū)域生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分的前燃特性決定了燃燒初期生物質(zhì)燃料與煤粉搶風(fēng)現(xiàn)象，形成還原性氣氛區(qū)，生物質(zhì)燃料與煤耦合燃燒生成NH3和HCN。NH3的NOx轉(zhuǎn)化率較低，且與NO、NO2在富氧區(qū)的脫硝反應(yīng)抑制了NOx的原始生成量。爐內(nèi)耦合燃燒器處于爐膛富氧低溫區(qū)，入爐氧化鈣含量高的生物質(zhì)燃料快速燃盡炭化后，灰空隙膨脹疏松，固硫劑CaO顆粒不易發(fā)生燒結(jié)且孔隙率增大，與煙氣中的SO2固硫反應(yīng)生成熱解性穩(wěn)定的CaSO4。樹皮生物質(zhì)燃料的固硫率為60%～85%［2］。

考慮到生物質(zhì)燃料結(jié)渣特性主要由燃燒區(qū)域溫度、堿性指數(shù)、酸堿比、爐內(nèi)燃燒氣氛、氯含量因素影響［3］，且燃燒區(qū)域溫度、燃燒氣氛為決定性因素，故當(dāng)燃燒氧量控制在3.5%、爐膛溫度上部區(qū)間不超過920℃、爐膛中部區(qū)間溫度在750～850℃、鍋爐排煙溫度不低于120℃時，可減少SO2向SO3的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而減少生物質(zhì)燃料中CaO、K2O、MgO、Na2O與SO3的反應(yīng)，減少易沉積灰渣層的生成，降低了受熱面的腐蝕。

基于生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分、易爆燃的特性，在鍋爐點火及超低負(fù)荷穩(wěn)燃工況下可替代燃?xì)庵肌Ｉ镔|(zhì)燃料耦合燃燒在各負(fù)荷區(qū)段的熱量比分別為：20%～60%負(fù)荷區(qū)段，耦合燃燒熱量比為60%；60%～100%負(fù)荷區(qū)段，熱量比為45%。

2.2.4 40 t/h工業(yè)蒸汽鍋爐生物質(zhì)燃料耦合燃燒器、水冷壁、受熱面及附屬設(shè)備的改造

燃燒器、水冷壁、受熱面及附屬設(shè)備的改造如下：

1)爐頂旋流燃燒器本體、頂棚及下方3 m水冷壁、爐內(nèi)耦合燃燒器本體及上、下方1.5 m水冷壁環(huán)向刷涂耐高溫的復(fù)合陶瓷防結(jié)渣涂層，以降低水冷壁受熱面摩擦系數(shù)，提高抗結(jié)渣防黏自潔能力和保證水冷壁受熱面的換熱能力；高溫過熱器迎風(fēng)面防磨瓦及立式空預(yù)器煙氣側(cè)采用搪瓷鍍層工藝防磨和防酸堿腐蝕處理。

2)由于生物質(zhì)燃料堿金屬結(jié)渣特性主要以黏稠或熔融的沉積物出現(xiàn)，且鉀、氯、硫等元素的相互反應(yīng)生成的復(fù)合硫酸鹽或氯化物增加了飛灰黏性，加劇了結(jié)渣和受熱面的腐蝕，為此：原鍋爐尾部受熱面采用乙炔激波吹灰，SCR催化劑區(qū)域采用定頻聲波吹灰；尾部受熱面激波吹灰區(qū)域增加定頻聲波吹灰器，激波吹灰頻次不變，聲波吹灰頻率間隔時間為5 min；立式空預(yù)器及SCR催化劑區(qū)域增加100～10 000 Hz可調(diào)頻高聲強聲波吹灰器，吹灰頻率間隔時間為10 min；預(yù)電除塵器增設(shè)定頻聲波吹灰器，消除均流板處沉積灰并增強陰陽極除灰能力，原電除塵陰陽極機械振打頻率不變；布袋除塵器及電除塵器灰斗增加空氣炮，防止灰斗積灰搭橋。

改造后，在鍋爐生物質(zhì)燃料耦合燃燒運行135 d后對鍋爐水冷壁及尾部受熱面進(jìn)行了檢查，均未發(fā)現(xiàn)明顯積灰、結(jié)渣及腐蝕情況。

3 耦合燃燒后污染物排放量的變化

3.1 SO2排放量的變化

生物質(zhì)燃料含硫量約0.03%～0.11%，遠(yuǎn)低于鍋爐燃煤0.4%的含硫量，故SO2的原始生成量得以大幅下降。爐內(nèi)燃燒器耦合樹皮生物質(zhì)燃料燃燒后灰中CaO與煙氣中SO2反應(yīng)生成CaSO4，生物質(zhì)燃料燃燒過程中釋放的氣態(tài)KOH與煙氣中SO2反應(yīng)生成KHSO3，即SO2值受鈣基固硫與鉀基固硫的共同作用。煙氣中的SO2進(jìn)入SDS干法脫硫塔后濃度降低約30%～40%，爐內(nèi)固硫效率提高，大大節(jié)約了碳酸氫鈉脫硫劑的消耗量。各負(fù)荷段下生物質(zhì)燃料耦合燃燒SO2值見表2。

表2 各負(fù)荷段下生物質(zhì)燃料耦合燃燒SO2值

3.2 NOx排放量的變化

基于生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分和低含氮量的特性，在同時采用制粉耦合和爐內(nèi)耦合分級燃燒形式時，爐頂旋流燃燒器區(qū)域的還原性氣氛較強，爐內(nèi)耦合燃燒器生物質(zhì)粉噴入位置基本處于煤粉燃燒中心，增加了爐內(nèi)還原性氣氛區(qū)間，使燃燒產(chǎn)生后延現(xiàn)象，實現(xiàn)了燃料的深度分級燃燒。

燃燒后延現(xiàn)象提高了鍋爐低負(fù)荷階段SCR催化劑入口煙溫，有利于脫硝的穩(wěn)定并避免了催化劑低溫中毒失活。由表3可見，通過NOx原始生成量試驗及氨水含量為20%的脫硝劑消耗量計算比對，同負(fù)荷下NOx原始生成量降低約35%～50%。

表3 各負(fù)荷段下生物質(zhì)燃料耦合燃燒NOx值

4 結(jié)論與展望

1）燃煤鍋爐生物質(zhì)燃料耦合燃燒是節(jié)能減排的有效途徑，該40 t/h工業(yè)蒸汽鍋爐全年供汽量約24萬t，通過耦合生物質(zhì)燃料燃燒可節(jié)約14 000 tce，減排約3 800 tCO2，生物質(zhì)燃料耦合燃燒設(shè)備投資約80萬元，按當(dāng)年平均煤價與生物質(zhì)燃料顆粒價格計算，年節(jié)約燃料成本約265萬元。

2）合理地選擇生物質(zhì)類型和耦合燃燒方式能有效降低NOx、SO2原始生成量，降低煙氣污染物達(dá)標(biāo)排放所需的反應(yīng)劑。

3）耦合生物質(zhì)燃料的比例受限于生物質(zhì)燃料高溫結(jié)渣、鍋爐受熱面堵灰腐蝕等因素，因此應(yīng)考慮高溫受熱面耐高溫復(fù)合陶瓷防結(jié)渣涂層的全覆蓋以及增加生物質(zhì)氣化爐［4］，以實現(xiàn)90%以上比例的生物質(zhì)耦合燃燒。