生物質(zhì)氣化耦合燃煤鍋爐對燃燒安全性的影響

吳國強+倪浩

摘 要：文章針對生物質(zhì)氣化裝置耦合燃煤鍋爐系統(tǒng)，分析生物質(zhì)氣送入爐膛燃燒對鍋爐燃燒安全性的影響。分析表明，生物質(zhì)氣化裝置耦合燃煤鍋爐發(fā)電，不僅對鍋爐的正常運行影響很小，還可替代部分煤粉作為鍋爐燃料，能有效降低NOx、SO2和煙塵等污染物的排放，為生物質(zhì)氣化耦合燃煤鍋爐發(fā)電的推廣應用提供了一定的參考價值。

關鍵詞：生物質(zhì)氣；燃煤鍋爐；耦合；安全性

中圖分類號：TM621.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0068-02

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，一次能源的短缺和對環(huán)境的污染，迫切需要能源改革，優(yōu)化能源發(fā)展結(jié)構。生物質(zhì)是一種清潔可再生能源，利用生物質(zhì)能可以緩解一次能源的不足，減少污染物的排放，同時可以回收當?shù)厣镔|(zhì)資源，提高農(nóng)民的收入，對于經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。生物質(zhì)氣化耦合燃煤鍋爐發(fā)電就是對生物質(zhì)能充分利用技術路線之一[1]，因此分析生物質(zhì)氣對燃煤發(fā)電安全性影響非常必要。

1 生物質(zhì)氣化方案

本文以1×30MW生物質(zhì)氣化裝置耦合600MW燃煤鍋爐再燃為例詳細分析生物質(zhì)氣對燃煤發(fā)電過程中安全性的影響。

1.1 氣化裝置

生物質(zhì)氣化爐采用加壓富氧氣化，將固態(tài)的生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化成氣態(tài)燃料，也稱可燃氣，可燃氣經(jīng)旋風除塵后通過余熱回收裝置進行適當降溫到400℃左右的過程。

1.2 生物質(zhì)和煤質(zhì)分析

生物質(zhì)氣在摻燒過程中會對鍋爐安全運行產(chǎn)生一定的影響，必須對其進行定量分析。生物質(zhì)氣的組成成分以及當量熱值生物質(zhì)與煤的成分分析如下表1、表2所示：

灰的變形溫度、軟化溫度和流動溫度均大于1500℃。

從表2中可以看出，可燃氣帶入鍋爐的水分較煤粉多，但其他對鍋爐有害的元素，如硫、氮、灰分等均比當量煤含量要少，從而間接降低了污染物的排放。

2 耦合發(fā)電對燃燒安全性的影響分析

2.1 生物質(zhì)氣對NOx排放的影響

燃煤鍋爐，氮氧化物的形成主要有熱力型和燃料型兩種途徑[2]。煤粉燃燒過程中已經(jīng)生成的NOx遇到還原性氣體會發(fā)生還原反應，重新生成N2。通過富氧氣化生成的生物質(zhì)氣的主要成分是CH4、CO、H2，從表1可以看出，它們占可燃氣總量的45%以上。主要反應機理如下[3]：

6NO+2CH4=3N2+2CO+4H2O

2NO+2CO=N2+2CO2

2NO+H2=N2+2H2O

從表2中可以看出，雖然當量熱生物質(zhì)中氮含量是114kg/h大于煤粉中的氮含量77kg/h，但由于采用燃料分級燃燒，通入生物質(zhì)氣，在鍋爐內(nèi)部形成局部的還原性環(huán)境，生物質(zhì)中的氮在可燃氣中主要以N2/NHi/HCN等形式存在，從而也極大地降低了生物燃料直接燃燒生成NOx，脫氮率大約為12%～50%。通過以上分析，為了控制燃燒過程中NOx的生成量以及不影響鍋爐安全運行的情況下，通過生物質(zhì)氣耦合煤電發(fā)電，形成還原性氣氛。

2.2 生物質(zhì)氣中粉塵量影響分析

從表2中可以看出，當沒有旋風除塵，生物質(zhì)燃料中的灰分全部轉(zhuǎn)移到可燃氣中時，可燃氣中夾帶的灰量是取代煤粉中灰分量的近50%，說明，在當量熱輸入的條件下，可燃氣帶入的粉塵量低于煤粉帶入的粉塵量，如果考慮旋風除塵器的除塵效果，取除塵效率為90%時，可燃氣帶入的粉塵量將大幅減少，只有當量煤粉的5.2%，從而間接降低了煤粉燃燒排放的粉塵量。

2.3 生物質(zhì)氣中硫元素影響分析

生物質(zhì)燃料中的硫通過氣化轉(zhuǎn)換成生物質(zhì)可燃氣中的硫會略有升高，但不管是生物質(zhì)燃料中的硫還是可燃氣中的硫，都低于當量煤粉所含的硫，從表2可以看出，送入鍋爐的可燃氣總硫量（22.1kg/h）相對于同等輸入熱量的替代燃煤所含硫量（35kg/h）要低，從而可以減輕下游脫硫的負荷，間接地降低了硫氧化物的排放。

2.4 生物質(zhì)氣中焦油影響分析

氣化爐反應溫度較高，當溫度為400℃左右時，燃氣中的焦油以氣態(tài)形式存在，送入鍋爐內(nèi)完全燃燒，不會對鍋爐產(chǎn)生影響。從燃氣產(chǎn)生到送入鍋爐的整個過程中，燃氣溫度始終在400℃左右，焦油以氣態(tài)的形式存在，不會在設備或燃氣輸送管道中冷凝和粘附，同時焦油能被充分的利用，焦油有利于NO的脫除[4]，更避免了焦油排放與處理帶來的環(huán)境污染。

2.5 生物質(zhì)氣中水蒸氣影響分析

本項目生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的可燃氣主要以熱燃氣的形式加以利用，因而燃氣中的水蒸汽不能分離出來，以過熱蒸汽的形式進入到燃煤鍋爐中，從表2中可以看出，在不考慮氣化過程中水蒸汽的分解或生物質(zhì)氫元素轉(zhuǎn)化成水蒸汽的條件下，當量熱值生物質(zhì)氣替代煤粉，水或水蒸汽量增加約1144.5kg/h，從而會對鍋爐的運行帶來一定的影響。煙氣的露點也相應提高，造成煙氣中的水蒸汽在較高的溫度下就開始凝結(jié)，排煙溫度也明顯上升，影響鍋爐效率[5]。

2.6 生物質(zhì)氣中堿金屬影響分析

生物質(zhì)中的Ca和Mg元素通?？梢蕴岣呋业娜埸c，K元素可降低灰的熔點，S元素在燃燒過程中與K元素形成低熔點的化合物[6]。農(nóng)作物秸稈中的Ca素含量較低，K元素含量較高，導致灰分的軟化溫度較低，如麥稈的變形溫度為800～900℃，對設備運行的經(jīng)濟性、安全性有定的影響。本項目選取的生物質(zhì)燃料多為枝條類，且灰熔點在1500℃以上，不會出現(xiàn)對設備腐蝕性的問題。

3 結(jié)束語

本項目實施周邊生物質(zhì)資源豐富，大量回收利用生物質(zhì)能用于發(fā)電，不僅可以提高農(nóng)民的經(jīng)濟收入，節(jié)約煤炭，優(yōu)化我國的能源結(jié)構，同時在不影響鍋爐正常運行的情況下，還可減少NOx、SO2和煙塵等污染物的排放量，保護生態(tài)壞境。

參考文獻：

[1]周高強.燃煤與生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術方案分析[J].內(nèi)燃機與配件，2016（12）：133-135.

[2]吳占松，馬潤田，趙滿成.煤炭清潔有效利用技術[M].化學工業(yè)出版業(yè)，2007.

[3]Diau E W G， Lin M C， He Y， et al. Theoretical aspects of H/N/O-chemistry relevant to the thermal reduction of NO by H2[J]. Progress in Energy & Combustion Science， 1995，21（1）：1-23.

[4]劉春元.含焦油生物質(zhì)氣再燃還原NO的實驗與機理研究[D].上海交通大學，2012.

[5]宋杰.電站鍋爐低溫省煤器換熱特性數(shù)值模擬及低溫腐蝕研究[D].華北電力大學（北京），2016.

[6]李海英，張澤，姬愛民，等.生物質(zhì)灰結(jié)渣和腐蝕特性[J].環(huán)境工程技術學報，2017，7（1）：107-113.