孫錦余,劉曉偉,戴高峰,趙小軍,鄭仕杰,薛東發(fā),RAHMAN Ur Zia,王學(xué)斌

(1.南電能源綜合利用有限公司,廣東 廣州 510670;2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西 西安 710049;3.中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引 言

生物質(zhì)是可再生能源,能替代化石能源減緩能源危機(jī),在電網(wǎng)調(diào)峰中將承擔(dān)重要作用,生物質(zhì)清潔高效利用對于我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義[1]。2021年我國生物質(zhì)資源產(chǎn)量約合4.2億t標(biāo)煤,而目前有效利用量較低[2]。農(nóng)林生物質(zhì)主要利用方式包括直接燃燒、化學(xué)轉(zhuǎn)化等[3]。直燃發(fā)電技術(shù)能大規(guī)模利用生物質(zhì)能,是生物質(zhì)主要利用途徑。

生物質(zhì)燃燒過程產(chǎn)生NOx、SOx、粉塵等污染物,據(jù)估計(jì),2017年我國農(nóng)林生物質(zhì)直燃過程N(yùn)Ox排放量達(dá)29 516 t,SO2排放量達(dá)14 192.1 t[4]。由于生物質(zhì)含S量較低,生物質(zhì)電廠不需投產(chǎn)脫硫設(shè)備,通過簡單方法即可實(shí)現(xiàn)低硫排放。NOx成為目前生物質(zhì)電廠急需解決和關(guān)注的對象。生物質(zhì)脫硝方法有低氮燃燒技術(shù)、選擇性非催化還原(SNCR)、選擇性催化還原技術(shù)(SCR)、新型脫硝技術(shù)等。低氮燃燒技術(shù)包括低過量空氣系數(shù)燃燒、空氣分級、燃料再燃、低NOx燃燒器、煙氣再循環(huán)等[5],此類方法操作簡單,脫硝效率最高達(dá)50%,缺點(diǎn)是會造成灰渣可燃物比例上升、鍋爐效率下降。選擇性非催化還原(SNCR)方法采用氨水或尿素溶液噴入爐膛脫硝,投資運(yùn)行費(fèi)用低,缺點(diǎn)是電廠燃用生物質(zhì)水分較大,實(shí)際爐溫低于SNCR最佳脫硝溫度區(qū)間,因此SNCR脫硝效率較低。SCR技術(shù)脫硝效率達(dá)80%,主要缺點(diǎn)是投資運(yùn)行成本高,由于生物質(zhì)堿金屬含量極高,使SCR催化劑失活。新型脫硝技術(shù)包括高分子脫硝技術(shù)(PNCR)、液態(tài)生物鈣脫硝技術(shù)(B-SNCR)、臭氧脫硝技術(shù)等,工業(yè)化應(yīng)用較少[6]。

由于大多數(shù)電廠采用低過量空氣系數(shù)燃燒和空氣分級方法協(xié)同控制NOx排放,導(dǎo)致生物質(zhì)燃料在主燃區(qū)燃燒不充分,鍋爐出口CO和CH4體積分?jǐn)?shù)較高,且爐內(nèi)NOx前驅(qū)體NH3和HCN生成較多。NH3生成途徑包括生物質(zhì)中氨基酸或蛋白質(zhì)釋放的氨基;焦油氮及半焦氮二次反應(yīng);HCN在炭表面的水解轉(zhuǎn)化[7]。HCN來源于一次熱解燃料氮分解成環(huán)酰胺、環(huán)酰胺裂解成HCN,這是HCN主要生成途徑;高溫下焦油氮及半焦氮熱裂解[8]。與煤相比,生物質(zhì)不完全燃燒易生成較多NH3,且隨含氮量增加,NH3釋放量增加[9];隨溫度升高,NH3釋放量先升后降[10]。NH3和HCN等前驅(qū)體再進(jìn)一步燃燒生成NOx。

此外,生物質(zhì)燃燒排放CO2、CH4、N2O等溫室氣體[11]。由于植物碳來源于光合作用吸收大氣中CO2,因此生物質(zhì)也被視為零碳能源。然而,生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的CO2排放具有大量、短期、局地特征,而被植被后續(xù)固定是一個(gè)緩慢過程,因此生物質(zhì)的CO2排放引起關(guān)注[12]。此外,N2O全球變暖潛能值(GWP)是CO2的298倍,CH4的GWP是CO2的34倍[13],認(rèn)識電廠N2O和CH4排放特性對生物質(zhì)電廠的溫室氣體減排具有重要意義[14]。

農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電的主要類型有水冷振動(dòng)爐排和循環(huán)流化床。由于循環(huán)流化床燃料適應(yīng)性好,能處理不同尺寸、水分、熱值的生物質(zhì),具有較高的燃燒效率和較低的污染物排放,近年來應(yīng)用廣泛[15]。生物質(zhì)循環(huán)流化床的燃燒調(diào)整試驗(yàn)較多。費(fèi)芳芳等[16]在50 MW循環(huán)流化床上開展了燃燒調(diào)整試驗(yàn),結(jié)果表明降低一次風(fēng)量和運(yùn)行氧量可降低NOx排放。王鵬等[17]對某50 MW循環(huán)流化床進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),研究了降低一次風(fēng)比例,調(diào)整上下二次風(fēng)門擋板開度、鍋爐床壓等方法對鍋爐NOx和鍋爐效率的影響。然而,目前對生物質(zhì)循環(huán)流化床燃燒過程中N2O、CH4等組分排放還未見大量報(bào)道。因此,有必要對生物質(zhì)循環(huán)流化床的NOx和溫室氣體排放特性進(jìn)行研究。

筆者對某15 MW生物質(zhì)循環(huán)流化床的溫室氣體(CO2、CH4、N2O)和NOx(NO、N2O)進(jìn)行測量,研究了床壓、一二次風(fēng)比、前后墻二次風(fēng)比、廢木料摻燒比例的影響,以期得到綜合控制生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐NOx和溫室氣體排放的手段。

1 試 驗(yàn)

1.1 鍋爐簡介

測試某15 MW生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐排放特性,鍋爐系統(tǒng)如圖1所示。該鍋爐為高溫高壓、單汽包、自然循環(huán)、循環(huán)流化床燃燒方式,全懸吊結(jié)構(gòu)。爐膛采用懸吊結(jié)構(gòu),爐膛分為下部密相區(qū)、上部稀相區(qū)2部分。鍋爐安裝有旋風(fēng)分離器,尾部煙道依次布置高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、旋風(fēng)除塵器、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)、煙囪。

圖1 循環(huán)流化床示意Fig.1 Schematic diagram of circulating fluidized bed boiler

一次風(fēng)系統(tǒng)用風(fēng)由一次風(fēng)機(jī)提供分3路。第1路:經(jīng)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器加熱后的熱風(fēng)進(jìn)入爐膛底部水冷風(fēng)室,通過布置在布風(fēng)板上的風(fēng)帽使床料流化,并形成向上通過爐膛的氣固兩相流;第2路:從空預(yù)器后引一股熱風(fēng)用于爐前氣力播料風(fēng);第3路:一部分未經(jīng)預(yù)熱的冷一次風(fēng)作為給料機(jī)密封風(fēng)。二次風(fēng)分2排從前后墻送入。

鍋爐額定工況下燃燒時(shí),床溫長期維持在820 ℃,空氣過量系數(shù)為1.27。

1.2 燃料特性分析

該鍋爐主要燃料為桉樹皮、廢木料。常規(guī)工況下,廢模板摻燒比例為30%,桉樹皮為70%。生物質(zhì)燃料工業(yè)分析和元素分析見表1,桉樹皮氮含量為0.55%,而廢木料氮含量高達(dá)4.4%。2種主要燃料硫含量均極低。廢木料的熱值高于桉樹皮。

表1 生質(zhì)燃料工業(yè)分析和元素分析

1.3 測試方法及工況

在鍋爐布袋除塵器前方尾部煙道布置煙氣測點(diǎn),采用Gasmet DX4000測量煙氣中CO、CH4、NO、N2O、O2等濃度。研究運(yùn)行床壓、一二次風(fēng)比、前后墻二次風(fēng)開度、廢木料摻燒比例等對循環(huán)流化床燃燒過程中污染物排放特性的影響,測試工況見表2。

表2 測試工況

基準(zhǔn)工況床壓為4 kPa,一次風(fēng)為27 000 m3/h,二次風(fēng)25 000 m3/h,運(yùn)行床溫為820 ℃,桉樹皮和廢木料摻燒比為7∶3。每次調(diào)整工況后,等待1～2 h至鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定,連續(xù)測量20 min煙氣,計(jì)算得到煙氣組分平均值,根據(jù)式(1)、式(2)將測得的煙氣組分濃度折算為6% O2基準(zhǔn)。

(1)

(2)

式中,M為所測污染物的相對分子質(zhì)量,g/mol;T為溫度,℃;P為壓力,Pa;ρ為基準(zhǔn)氧含量下大氣污染物排放質(zhì)量濃度,mg/m3;ρ′為實(shí)測大氣污染物排放質(zhì)量濃度,mg/m3;φ′(O2)為實(shí)測氧體積分?jǐn)?shù),%;φ(O2)為基準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù),%。

2 結(jié)果與討論

2.1 床壓對鍋爐煙氣排放特性的影響

運(yùn)行床壓對鍋爐排放特性的影響如圖2所示。隨床壓升高,NO和N2O下降。本試驗(yàn)中,升高床壓由降低一次風(fēng)量導(dǎo)致,一次風(fēng)量降低,主燃區(qū)處于富燃料狀態(tài),生物質(zhì)燃料發(fā)生不完全燃燒產(chǎn)生焦炭、揮發(fā)分等組分,由于風(fēng)速下降導(dǎo)致焦炭和揮發(fā)分在富燃料區(qū)停留時(shí)間變長,有利于NO和N2O還原。

圖2 床壓對鍋爐煙氣排放特性的影響Fig.2 Effect of bed pressureon the pollutant emissions of the boiler

由圖2可知,升高床壓對降低NO排放效果有限,床壓升高1 kPa,NO排放量僅降低4 mg/m3,考慮到流化效果和流化床鍋爐運(yùn)行的安全性,床壓可適度降低。王鵬等[17]對某50 MW生物質(zhì)循環(huán)流化床的燃燒調(diào)整試驗(yàn)表明,床壓對NO的影響不顯著。

對比各種含氮組分含量,發(fā)現(xiàn)該循環(huán)流化床中,運(yùn)行床溫為820 ℃時(shí),N2O排放值極低。由于床壓升高,燃料在富燃料區(qū)的停留時(shí)間變長,生物質(zhì)熱解將更加充分,因此生成較多CO,能還原NOx。N2O在所有工況下的排放值均較低,這是由于一次風(fēng)較小,在主燃區(qū)處于強(qiáng)還原性氣氛,生成的HCN無法在主燃區(qū)大量轉(zhuǎn)化為NCO和N2O。

隨運(yùn)行床壓升高,CO和CH4體積分?jǐn)?shù)升高,這是由于床壓升高后一次風(fēng)量隨之降低,生物質(zhì)在密相區(qū)燃燒氧量低,燃燒不完全,因此CO和CH4體積分?jǐn)?shù)較高,CO2體積分?jǐn)?shù)降低。

2.2 一二次風(fēng)配比對鍋爐煙氣排放特性的影響

總風(fēng)量52 000 m3/h,前后墻二次風(fēng)比為20∶60,廢木料摻燒30%時(shí),改變一二次風(fēng)量相對比例,研究一二次風(fēng)比對煙氣排放特性的影響如圖3所示。

圖3 一二次風(fēng)比對鍋爐煙氣排放特性的影響Fig.3 Effect of primary/secondary air ratio on the pollutant emissions of the boiler

由圖3可知,隨一二次風(fēng)比增大,NO下降。一次風(fēng)量增大,燃料在主燃區(qū)燃燒相對更充分,生成的CO和CH4減少,減弱NOx的還原作用,因此NO減少,說明降低二次風(fēng)量有利于降低NO排放量。SAASTAMOINEN等[18]發(fā)現(xiàn)降低二次風(fēng)量有利于降低NO排放量。

隨一二次風(fēng)比增大,CO和CH4體積分?jǐn)?shù)先升高后降低。一次風(fēng)量較低時(shí),燃料在主燃區(qū)處于富燃料狀態(tài),在密相區(qū)產(chǎn)生高濃度CO和CH4,而較高二次風(fēng)可氧化生成CO和CH4,因此CO和CH4排放量較低。一次風(fēng)增大、二次風(fēng)減少時(shí),由于燃料在主燃區(qū)燃燒相對充分,因此CO和CH4排放量較低。

2.3 前后墻二次風(fēng)比對鍋爐煙氣排放特性的影響

前后墻二次風(fēng)比對鍋爐煙氣排放特性的影響如圖4所示,可知隨前后墻二次風(fēng)開度比增大,NO質(zhì)量濃度先升高后降低。固定前墻二次風(fēng),增大后墻二次風(fēng),即前后墻二次風(fēng)比由20∶60增至20∶70時(shí),NO升高,這是由于總開度增加導(dǎo)致總風(fēng)量增大,燃燒相對充分,燃料氮更多轉(zhuǎn)化為NO。

圖4 前后墻二次風(fēng)比對鍋爐煙氣排放特性的影響Fig.4 Effect of front/back wall secondary air ratio on the pollutant emissions of the boiler

隨前后墻二次風(fēng)開度進(jìn)一步增大,NO降低,CO和CH4排放量均呈降低趨勢,這是由于前墻二次風(fēng)大時(shí),靠近給料機(jī)一側(cè)的揮發(fā)分燃燒狀況變好,因此生成的CO和CH4減少,而爐膛內(nèi)部物料混合燃燒狀態(tài)較好,有利于主燃區(qū)NOx還原[19]。

前后墻開度風(fēng)量相差較大時(shí),如前后墻二次風(fēng)開度比為20∶60或70∶20時(shí),在爐膛一側(cè)能更好形成還原性氣氛,有利于降低NO排放。在實(shí)際運(yùn)行中,可將前后墻的二次風(fēng)開度設(shè)置相差較大。

2.4 廢木料摻燒比例對鍋爐煙氣排放特性的影響

廢木料摻燒比例對鍋爐煙氣排放特性的影響如圖5所示,可知隨廢木料摻燒比例增加,NO先升高后降低。廢木料氮含量高達(dá)4.4%,因此隨廢木料摻燒增加,燃料氮增多,NO排放量升高。廢木料摻燒比例降至20%時(shí),由于廢木料熱值較高,摻燒比例較低導(dǎo)致床溫下降,促進(jìn)廢木料在主燃區(qū)熱解過程中一次風(fēng)不變時(shí),該摻燒比例下物料給料量相對較大,氧量相對較低,因此限制了NO生成過程,NO生成較低。由于床溫較低,CO氧化速率下降,CO排放量很高。廢木料摻燒比例由30%增至50%時(shí),由于廢木料氮元素顯著高于桉樹皮,隨氮含量增加,NH3釋放量增加[9],因此可能生成的NH3和HCN量增加,有助于NO發(fā)生自發(fā)SNCR過程,降低NO排放。廢木料摻燒50%時(shí),運(yùn)行床溫上升,生成NO升高。同時(shí)CO和CH4排放量升高。

圖5 廢木料摻燒比例對鍋爐煙氣排放特性的影響Fig.5 Effect of the co-firing ratio of waste wood on the pollutant emissions of the boiler

2.5 常規(guī)污染物排放特性

對比不同工況下排放數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)某15 MW生物質(zhì)循環(huán)流化床在額定負(fù)荷下、運(yùn)行床溫820 ℃時(shí),試驗(yàn)工況內(nèi)各污染物排放量為:NO 40～78 mg/m3,N2O 1.5～2.6 mg/m3,CO 2 500～7 300 mg/m3,CH4180～815 mg/m3,CO214.0%～17.5%。N2O排放可忽略不計(jì),推測可能是高氮含量廢木料摻燒導(dǎo)致生物質(zhì)燃燒時(shí)產(chǎn)生大量NH3,有利于爐內(nèi)發(fā)生NO還原反應(yīng),因此NO和N2O排放量均較低[20]。

循環(huán)流化床在較高溫度下運(yùn)行時(shí),主要溫室氣體排放源是CH4,按照N2O全球變暖潛能值(GWP)是CO2的298倍,CH4的GWP是CO2的34倍計(jì)算[13],相當(dāng)于煙氣中CO2排放量增加0.6%～2.7%,需要引起關(guān)注。

3 結(jié) 論

1)生物質(zhì)循環(huán)流化床的燃燒調(diào)整試驗(yàn)表明:升高床壓,有利于降低NO排放,但會造成CO和CH4排放量升高;增大一二次風(fēng)比,NO排放量有所降低;前后墻二次風(fēng)比為7∶2時(shí),NO排放量較低,CO和CH4排放量也較低;增大高氮含量廢木料摻燒比例時(shí),NO排放量先升高后降低。

2)采用低氧燃燒方法控制NOx排放導(dǎo)致實(shí)際燃燒過程中CO和CH4排放量升高,其中CH4作為溫室氣體需引起關(guān)注。燃燒調(diào)整試驗(yàn)中,CH4排放量達(dá)180～815 mg/m3,按溫室氣體排放因子折算,相當(dāng)于煙氣中CO2排放量增加0.6%～2.7%,需引起關(guān)注。

3)燃燒調(diào)整對NOx減排效果有限,大比例摻燒高氮含量廢木料有助于降低NOx排放。