660 MW超臨界鍋爐燃用生物酶預處理煤的試驗研究

劉忠軒， 寧新宇， 張清福， 商顯耀

(中電華創電力技術研究有限公司， 江蘇蘇州 215123)

火力發電廠污染物排放是我國大氣污染物的主要來源之一，截至2017年我國煤電裝機量為10.2億kW，占裝機總量58%，全年發電量為42 000億kW·h，占比更是高達67%。火力發電在未來較長時間內仍將占據我國電力生產的主體位置，減少火電廠污染物排放是節能減排的關鍵[1]。 NOx和SO2是火電廠排污中的主要酸性氣體[2]，近年來隨著我國大氣環境條件不斷惡化，GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標準》中關于SO2和NOx的排放指標要求遠遠超過歐美國家[3]。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術和石灰石-石膏濕法脫硫技術是大型燃煤機組控制NOx和SO2排放的主要技術[4-6]，而通過生物酶對煤炭進行預處理，從源頭上降低電廠煙氣中NOx和SO2的含量，以降低電廠SCR脫硝反應器和脫硫島的運行費用的研究工作較少，尚無關于電廠大規模燃用生物酶預處理煤的報道。

目前針對煤炭的微生物處理研究方向主要是微生物溶煤[7-8]和微生物脫硫[9-10]。煤炭的微生物脫硫研究及應用主要在脫除無機硫方面，脫除有機硫難度較大，尚未進入工業化應用階段[11]。筆者通過在某660 MW超臨界鍋爐上燃用生物酶預處理煤，研究了生物酶潔凈煤技術在大規模工業化使用時對鍋爐效率、NOx及SO2生成量的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗設備

該鍋爐為HG-1950/25.4-YM1型一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、П形布置，鍋爐島為露天布置。鍋爐燃用神府東勝煤、大同煤及混煤。32個低NOx軸向旋流燃燒器(LNASB)采用前后墻布置、對沖燃燒。鍋爐主要設計參數見表1(BMCR為鍋爐最大連續出力；TRL為鍋爐額定出力)，鍋爐設計煤和校核煤的煤質指標見表2。

表1 鍋爐主要設計參數

表2 鍋爐設計與校核煤種的主要指標

1.2 生物酶潔凈煤技術

當煤炭折算硫質量分數為1%時，生物酶和煤按質量的添加比例為1∶10 000。將生物酶適當稀釋后均勻噴灑在煤炭上，靜置72 h后可發揮效果，功效可持續6個月。

生物酶對煤炭的作用主要有：(1)重組碳鏈，大分子團結構小分子化，促進煤炭均勻同步燃燒和完全燃燒，提升燃燒效率；(2)脫氫加氧，使煤炭具備富氧燃料特性，減少助燃空氣，降低排煙熱損失同時降低NOx生成量；(3)抑制煤炭中有害菌的滋生，降低煤炭堆存期間的熱值損失，有效預防煤堆自燃；(4)將煤炭中的可燃硫轉化為硫酸鹽，減少SO2的生成量。

2 試驗研究

2.1 試驗依據

(1)ASME PTC 4.1 《鍋爐性能試驗規程》。

(2) GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標準》。

(3) 試驗中鍋爐效率均是基于燃煤收到基低位發熱量進行計算，所有煤質化驗數據如無說明，均為收到基分析值。

2.2 試驗內容

測試不同工況下燃用生物酶預處理煤對鍋爐效率、SCR脫硝反應器入口NOx質量濃度、脫硫塔入口SO2質量濃度等參數的影響。使用未添加生物酶煤的工況稱為對照組工況，使用生物酶預處理煤的工況稱為試驗組工況，對不同工況進行編號，具體見表3。

表3 工況編號

2.3 結果修正

2.3.1 標準煤噸數

根據生物酶的特性，噴灑過生物酶的煤放置數天后進行煤質工業分析，其發熱量比原煤有所提高，提高的百分比稱為生物酶促燃熱值化驗差異，在計算標準煤噸數時應折算回來，試驗煤的標準煤折算公式為：

試驗煤標準煤噸數=試驗煤噸數×爐前煤低位發熱量×

(1)

2.3.2 煙氣量

每個工況煙氣量通過取樣的煤質分析，并結合O2體積分數進行計算。

2.3.3 煤的全硫質量分數

噴灑過生物酶的煤放置數天后進行煤質工業分析，其全硫質量分數比原煤有所降低，降低的百分比稱為生物酶固硫化驗差異。為避免低估試驗煤的原始全硫質量分數，試驗煤折算硫質量分數為：

試驗煤折算硫質量分數=爐前煤化驗全硫質量分數×(1+生物酶固硫化驗差異)×

29 308/爐前煤低位發熱量

(2)

測試期間入爐煤的全硫質量分數不同，因此對比SO2質量濃度時，須將對照組入爐煤及試驗組入爐煤的折算硫質量分數修正一致后，再進行SO2質量濃度對比，按照經驗，煤中的全硫質量分數增加1%，SO2質量濃度升高約2 000 mg/m3。因此，對照期與測試期的試驗煤基全硫質量分數每變化0.1%，對SO2質量濃度按照200 mg/m3進行修正。

2.3.4 煤的氮質量分數

NOx生成主要分為快速型、熱力型、燃料型，只有燃料型與煤的氮質量分數相關，煤的氮質量分數與NOx生成量關系較煤的全硫質量分數與SO2生成量關系小很多，因此收到基氮質量分數變化在±0.3%，暫不考慮對NOx生成量的修正。由于NOx排放受運行控制影響因素較大，在燃燒測試期應盡可能維持相同的運行方式，在額定負荷穩定后，將鍋爐的配風控制(所有二次風門開度)切換成手動模式，在相同運行工況下對比NOx質量濃度。

2.3.5 鍋爐效率

對照期及測試期鍋爐效率對比時，應在磨煤機入口前的煤樣化驗指標對測試期及對照期的入爐煤含水指標進行修正，避免因雨天等環境因素影響測試結果。

鍋爐效率設計的修正按ASME PTC 4.1進行修正。設計燃料、環境條件、空氣基準溫度和排煙溫度，均根據標準進行修正。

3 結果及分析

3.1 煤、灰、渣化驗結果

各工況下煤、灰、渣化驗結果見表4。

表4 各工況下煤、灰、渣化驗結果

3.2 鍋爐效率

經過煤質分析、環境條件、排煙溫度等項修正后，各工況下的鍋爐效率見圖1。

圖1 試驗組與對照組修正后鍋爐效率對比

僅有TT01、TT02工況修正后鍋爐效率比對照組稍高，其他4個工況下試驗組鍋爐效率均低于對照組。所有工況下試驗組平均鍋爐效率為92.21%，比對照組修正后平均鍋爐效率(92.78%)低了0.61%，未體現出生物酶重組碳鏈提升燃燒效率的效果。

3.3 NOx質量濃度

以O2體積分數為6%計算時，各工況下NOx質量濃度見表5。

表5 各工況NOx質量濃度

從表5可以看出：試驗組只有TT06工況NOx質量濃度高于對照組，其他工況下試驗組NOx質量濃度均低于對照組。所有工況下試驗組NOx質量濃度平均值比對照組NOx質量濃度平均值低了4.76%，可以認為生物酶潔凈煤技術對于降低NOx排放具有一定效果。

3.4 SO2質量濃度

以生物酶固硫化驗差異為5%、O2體積分數為6%計算時，各工況下SO2質量濃度見表6，試驗組的結果為折算后SO2質量濃度。

表6 各工況SO2質量濃度

從表6可以看出：各個工況下試驗組SO2質量濃度均低于對照組SO2質量濃度。所有工況下試驗組SO2質量濃度平均值比低對照組低了20.40%，生物酶潔凈煤技術在降低SO2生成量方面效果明顯。

4 結語

(1) 采用生物酶潔凈煤技術對鍋爐效率沒有提升效果，所有工況下試驗組修正后平均鍋爐效率比對照組低了0.61%。

(2) 采用生物酶潔凈煤技術對于降低NOx生成量有一定效果，所有工況下試驗組NOx質量濃度平均值比對照組低了4.76%；采用生物酶潔凈煤技術對于降低SO2生成量效果明顯，所有工況下試驗組SO2質量濃度平均值比對照組低了20.40%。

(3) 目前大規模工業化使用生物酶潔凈煤技術的經驗仍然不足，對于采用生物酶潔凈煤技術后仍沿用以往的運行方式是否合理、是否需要有針對性對運行方式進行調整以找出采用生物酶潔凈煤技術的最佳運行方式，是下一步需要解決的問題。