生物質混燃對350 MW超臨界CFB煙氣污染物排放影響

李 鵬

（江蘇華美熱電有限公司，江蘇 徐州 221141）

0 引言

2016年10月，國家能源局出臺了《生物質能發展“十三五”規劃》，該規劃指出，到2020年用于生物質發電新增投資約400億元，生物質直燃發電裝機總量達700萬kW。生物質發電具有很高的研究價值，發展潛力巨大。

盡管生物質直燃電廠迅猛發展，但制約發展的瓶頸也較為顯著。生物質鍋爐參數普遍較低，單純靠生物質直燃技術很難將蒸汽參數提高。另外，生物質鍋爐整體熱效率低[1]，發電成本高[2]，季節性影響較大、制造成本高，煙氣污染物排放高，NOx難于實現超低排放[3-4]。基于以上的各種困難，循環流化床生物質混燃技術悄然興起，利用原有的循環流化床進行改造，實現生物質燃料與煤炭的寬范圍內摻燒[5]，這種技術可以彌補生物質直燃鍋爐存在的短板，成為生物質發電的首選。以350 MW超臨界CFB鍋爐為例，對生物質混燃技術對煙氣污染物的排放影響進行分析，為摻燒生物質的CFB鍋爐改造提供參考。

1 生物質燃料成分分析

國內某電力集團對常見的生物質燃料進行元素分析，見表1，可以看出，N元素質量分數為0.51%～0.93%，與350 MW超臨界循環流化床設計煤種接近（0.61%～0.81%）；S元素的質量分數為 0.1%～0.2%，低于設計煤種（一般在0.5%～1.0%）；灰分較低，在10%以下。

表1 生物質燃料成分分析

從表1數據可以得出，摻燒生物質燃料，能夠降低流化床鍋爐SO2排放濃度，可以與高硫煤摻燒，維持在適當的SO2排放水平。國內外生物質鍋爐煙氣污染物測試發現，SO2排放濃度較低。丹麥對100 MW燃用秸稈（硫質量分數約0.3%）的鍋爐進行48 h煙氣監測[6-7]，某些時段 SO2最高排放濃度為 200 mg／m3；國家質量監督檢驗檢疫總局對國內某鍋爐廠生產的130 t／h 生物質直燃 CFB 煙氣污染物進行檢測[8]，SO2排放僅為107.8 mg／m3，遠低于燃煤流化床鍋爐的排放水平（硫質量分數0.5%，質量濃度2 000 mg／m3）。

生物質燃料的灰分較低，流化床燃用的煤種灰分一般在20%以上，目前350 MW超臨界CFB鍋爐普遍加裝了濕式電除塵，煙氣中粉塵質量濃度可以控制在5 mg／m3以下，摻燒生物質燃料對煙氣中的粉塵濃度影響不大[9]。

下面主要對煙氣中NOx以及二惡英的排放影響進行詳細論述。

2 生物質燃料摻燒對NOx生成量的影響

國內的研究表明，生物質燃料燃燒后產生的焦炭，對NOx具有還原作用，使其部分還原為N2，從而降低了 NOx排放濃度[10]。

國內某電廠進行了260 t／h循環流化床鍋爐秸稈的混燒試驗[11]，試驗結果見表 2，結果顯示，隨著秸稈混燒比例的增加，NOx的濃度變化略有降低。

350 MW超臨界循環流化床鍋爐與常規流化床相比，具有更大的還原區，因為其采用了高位二次風技術，即加大上下二次風的距離，下二次風標高12.5 m，較常規流化床提高1.5 m，上下二次風高度差8 m，較常規流化床加高4 m，擴大了還原性氣氛區域范圍，獲得了較低且均勻的床溫分布，對于降低NOx生成量具有較大的促進作用。

高位二次風技術是低氮燃燒近零排放技術的核心。國內某鍋爐廠在半工業3 MW熱態試驗臺上根據相似模化方法，對多種燃料在不同二次風噴入位置條件下的NOx排放特性和燃燒特性進行試驗研究，具體模擬結果見圖1，獲得二次風位置對不同煤種抑制NOx生成的影響規律。發現通過一定程度的拉抬上二次風口位置，可使下爐膛還原性氣氛覆蓋范圍更廣，能夠實現進一步深度抑制NOx的生成，并可增加二次風穿透性，在抑制NOx生成的同時，兼顧燃料燃盡，從而起到通過高位二次風對氧量控制的目的。

圖1 高位二次風與常規二次風入射情況模擬

另外，高位二次風設計對氣固兩相流的擾動加強，提高了爐內的燃燒均勻性，改善了后墻布置旋風分離器造成的物料貼壁效應，爐內床溫均勻性提高，如圖2所示，常規二次風與高位二次風鍋爐爐內溫度分布模擬，從分布圖可以看出，爐內物料進入稀相區開始，溫度場趨于均勻，較大改變了基礎性工況時的溫度偏差。較低且均勻的床溫分布，有利于控制NOx的初始排放。

圖2 高位二次風鍋爐床溫分布模擬

表2 國內某廠爐膛出口煙氣污染物排放

基于上述分析，生物質燃料摻燒，對350 MW超臨界循環流化床鍋爐NOx排放的影響不大，物料的入口位置需選擇給煤口附近，將燃燒反應區段控制在還原區內，有利于進一步降低其NOx原始排放量。

3 生物質燃料摻燒對二惡英生成量的影響

2014年我國開始實施GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》，新標準將二惡英類排放限值由 2001年的 1 ng／m3收緊至 0.1 ng／m3。生物質顆粒燃料燃燒時有必要考慮二惡英排放問題。

二惡英的生成的主要原因是燃燒不均勻，其生成三要素[12-13]（3T）是：燃燒溫度（Temperature）、停留時間（Time）和湍流度（Turbulence）。 350～500 ℃的溫度是產生二惡英的最佳溫度區間。另外，含氯有機物等二惡英類前體物生成的二惡英，在煙氣溫度高于800℃ 的爐膛內停留時間達到 2 s以上時，99.9%的二惡英會被分解。

350MW超臨界循環流化床床溫較低，并且異常均勻，溫度偏差在20℃以內，燃燒室平均溫度控制在850～880℃，采用超高爐膛設計，爐膛凈高超過50m，煙氣在爐膛中停留時間在5s以上，循環物料經過高位二次風的整理作用，湍流度下降，因此循環流化床爐內環境促進二惡英的完全分解，爐膛出口含量極低。

研究表明，當溫度在 250～450℃時，二惡英會進行再合成，在低溫（200℃以下）以固態的形式吸附在粉塵表面[14]，噴水降溫能大大減少煙氣中二惡英。

350 MW循環流化床鍋爐采用布袋除塵器＋濕式電除塵的超低排放除塵系統，出口煙氣粉塵質量濃度低于5 mg／m3，可大大降低粉塵中的二惡英含量，特別是濕式電除塵這種水膜除塵裝置，脫除二惡英的效率在85%以上，大大降低煙氣中二惡英的濃度[15]。煙氣后處理設施采用濕法脫硫工藝，可將煙氣溫度迅速降低到40℃以下，可高效脫除煙氣中的二惡英[16]。

因此，相對于生物質直燃循環流化床鍋爐，350 MW超臨界CFB鍋爐的爐內燃燒環境更適合去除生物質燃料中的二惡英，降低爐膛出口原始排放，加之超凈排放除塵設施對于煙塵的捕捉，以及濕法脫硫設施的降溫作用，進一步脫除后期合成的二惡英。

4 結語

350 MW超臨界循環流化床鍋爐的某些特性，比常規循環流化床鍋爐得到較大提升，如高位二次風技術的應用，可以在不加裝SNCR及SCR的前提下實現NOx超低排放，把流化床鍋爐的低氮燃燒技術發展到極致；燃燒均勻、平均床溫低、溫差小等特點對NOx、二惡英的排放起到很好的抑制作用；煙塵、脫硫的超低排放設施，可以實現煙氣粉塵質量濃度5 mg／m3以下、SO2質量濃度在 35 mg／m3以下。這些特性為生物質燃料摻燒創造了很好的條件，通過選擇合適的給入口，匹配摻燒比例，可以實現生物質燃料發電的重大突破。350 MW超臨界循環流化床生物質混燃技術是解決直燃鍋爐無法達到超低排放的有效途徑。