生物質與煤直接耦合燃燒試驗研究

倪 剛，楊章寧，冉燊銘，李維成，莫春鴻，張秀昌

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引 言

生物質是可再生能源的重要組成部分，具有資源豐富、可再生、低污染、分布廣泛等特點。為了應對能源短缺、環境污染等問題，各國都在大力開發利用生物質能，將生物質作為潔凈能源替代部分傳統燃煤發電[1-3]，生物質與煤直接耦合燃燒是生物質利用的重點方向之一[4-5]。生物質與煤耦合燃燒試驗及工程應用研究[6-7]表明，加入生物質能改變煤的著火性能，混合燃燒對煤的燃盡性能影響很小[8]。Savolainen等[9]在315 MW煤粉爐內混燒生物質，用火焰探測器實時監測爐內火焰情況，結果顯示生物質混燃過程中未產生燃燒不穩定現象；Foster Wheeler公司在TVA電站上進行了木材的混燃試驗，結果表明混燃過程中火焰溫度降低，降幅約40 ℃[10]；董信光等[11]利用管式鍋爐和煙氣分析儀研究了生物質混合燃燒料的NOx排放特性，結果表明生物質的加入可明顯降低煤燃燒時的NOx排放量；Molcan等[12]在3 MW爐內對煤粉和生物質混燃進行測試，結果表明生物質摻燒后，SO2排放量降幅較大；生物質燃料的可燃組分含量相對較低，發熱量低[13]；生物質的燃燒特性明顯優于煤，粒度越小，燃點和燃盡溫度更低，更有利于著火和燃盡[14]，生物質粒徑小到一定值后，燃燒特性與粒徑無關，滿足充分燃燒。

我國生物質資源主要包括作物秸稈(農業廢棄物及農產品加工業廢棄物)、林木(包括林產品加工業廢棄物)、畜禽糞便、城市垃圾和廢水等方面，其中，秸稈及農業加工剩余物、畜禽糞便、薪柴和林木生物質能共占生物質理論可獲得量的97%(秸稈及農業加工剩余物占38.9%，畜禽糞便占22.1%，薪柴和林木生物質能占36.0%)[15]，畜禽糞便等收集運輸不便，所以本文以木頭、水稻、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈為研究對象。

本文主要研究不同生物質與煤粉耦合燃燒后，鍋爐NO排放及煤粉的燃盡特性，為此搭建了50 kW生物質與煤耦合燃燒下行爐試驗臺，并將生物質放入磨煤機(雷蒙磨)中磨制，然后進行激光粒徑測試，選取生物質最佳燃燒粒徑0.3～0.5 mm進行試驗，重點研究木頭、水稻、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈等生物質不同摻燒位置、摻燒比例、一次風溫、一次風率以及不同煤種摻燒后對鍋爐NO排放以及飛灰可燃物的影響，以尋求生物質最佳摻燒位置和摻燒比例，為工程設計提供設計依據。

1 試驗系統

1.1 試驗設備

生物質耦合試驗在一維下行爐上進行，試驗臺功率50 kW，爐膛內徑0.25 m，爐膛高度6.5 m，停留時間3.2 s，爐膛容積0.32 m3，試驗臺系統示意如圖1所示。燃燒系統主要流程如下：主燃料從爐頂上方的煤粉燃燒器送入，一次風經過加熱器加熱至指定溫度后與煤粉混合后送入煤粉燃燒器；二次風由加熱器加熱后一部分由燃燒器二次風管道送入爐膛，一部分由燃盡風管道送入爐膛；生物質燃料磨制好后放入單獨的生物質粉倉，一次風經加熱器加熱至指定溫度后與生物質粉混合進入生物質燃燒器。

圖1 50 kW下行爐生物質與煤耦合試驗裝置系統Fig.1 Systematic diagram of a 50 kWbiomass-coal coupling test device

生物質燃燒器布置在爐膛側面的燃燒區域、還原風區域及燃盡風區域，自上而下布置5層，滿足煤與生物質耦合燃燒的要求。

1.2 試驗燃料

選取2種典型煤作為試驗煤種：陜西煙煤和山西貧煤。每個工況在給粉機下部對煤粉進行取樣，工業分析及元素分析見表1。試驗用生物質包括木頭、水稻、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈，按生物質化驗的相關標準進行工業分析及元素分析，結果見表2。可知，與常規燃料煤相比，生物質燃料碳含量較少、固定碳少、氫含量稍多、揮發分明顯較多、氧含量多、硫含量低、發熱量低。

表1 煤的元素分析和工業分析

表2 生物質的元素分析和工業分析

2 試驗結果與討論

2.1 生物質摻入位置對NO排放的影響

為考察生物質在不同摻燒位置下爐膛出口NO及飛灰可燃物的變化，選取木頭和煙煤進行耦合燃燒，以木頭和貧煤進行對比試驗。煙煤耦合試驗氧量3%、燃盡風率40%、木頭摻入比例(熱值比，下同)6%；貧煤耦合試驗氧量4.4%、燃盡風率38%、木頭摻入比例6%。在此基礎上改變摻燒位置(圖1中第1～5節分別對應燃燒區域、還原區區域、一級燃盡風區域、燃盡風之間區域和二級燃盡風區域)，進行煙氣和飛灰可燃物的取樣及分析。

維持爐膛輸入熱負荷、燃盡風率、爐膛出口氧量基本一致的情況下，在不同位置摻入相同比例生物質，發現無論從燃燒區域、還原區域還是燃盡風區域送入，NO排放都有一定程度下降，生物質不同位置NO降幅如圖2所示。

圖2 不同位置對NO下降幅度的影響Fig.2 Effect of different burning positions onreduction rate of NO emission

由圖2可知，燃燒器區域送入時，燃燒區域的最高溫度下降，產生的熱力型NO下降；生物質從第2節即還原區位置送入后，NO降幅最大，煙煤降幅為23.47%，貧煤降幅為13.64%；從第3節送入時，NO降幅又急劇下降；從第4、5節送入后，NO降幅逐漸上升，貧煤和煙煤工況的NO降幅曲線一致。這是由于生物質從還原區送入后，由于煙溫較高，且氧量較低，生物質快速熱解產生大量揮發分，揮發分會加強對主燃料產生的NO的還原；另外生物質從還原區送入，產生的還原性物質與NO有足夠的時間進行還原反應。所以生物質對NO的還原效果與生物質送入爐膛時周圍的氧量及揮發分停留時間有關。

2.2 生物質摻入位置對燃盡的影響

生物質不同摻燒位置的飛灰可燃物曲線如圖3所示(工況與2.1節一致)。

由圖3可知，隨著生物質摻入位置從上至下變化，煙煤工況的飛灰含碳量逐漸上升，上升幅度較大，第1、2、3節送入時，飛灰可燃物含量在9.12%～9.74%；貧煤工況的飛灰含碳量逐漸下降，變化幅度不大，第1、2、3節送入時，飛灰可燃物含量為8.14%～8.96%。第4、5節送入時，貧煤和煙煤工況呈相反趨勢，主要因為生物質揮發分能在較低溫度下析出和燃燒，使煤粉附近的煙氣溫度升高，提高煤粉的燃燒速度，對煤焦炭有較明顯的助燃作用，煙煤的焦炭燃燒主要在前期，所以后期加入對焦炭燃盡的促進作用較弱；貧煤的焦炭燃燒主要在后期，后期加入對焦炭促進作用較強，貧煤耦合燃燒生物質宜從燃燒后期加入，更利于煤粉燃盡。

圖3 不同位置對飛灰可燃物的影響Fig.3 Effect of different burning positions onunburnt carbon in the fly ash

2.3 生物質摻燒比例對NO排放的影響

為考察生物質不同摻燒比例對爐膛出口NO的影響，選取木頭和煙煤進行耦合燃燒，并以木頭和貧煤耦合燃燒進行對比。煙煤耦合試驗選取氧量3%、燃盡風率40%，木頭摻入位置為還原區；貧煤耦合試驗選取氧量4.3%、燃盡風率37%，木頭摻入位置為還原區，生物質摻燒比例分別為6%、12%和18%。生物質不同比例、不同煤種下NO下降幅度如圖4所示。

圖4 生物質摻燒比例對NO下降幅度的影響Fig.4 Effect of burning proportions of biomasson reduction rate of NO emission

木頭和煙煤耦合燃燒時，木頭摻燒比例從6%升至18%時，NO降幅逐漸增大，從23.31%增至39.5%；木頭和貧煤耦合摻燒時，隨生物質摻燒比例增大，NO降幅從13.61%降至10%；從降幅看，生物質與煙煤耦合時對NO還原的幅度大于貧煤，但從下降絕對值看，貧煤工況NO下降90～109 mg/Nm3，煙煤工況的NO下降47～77 mg/Nm3，貧煤耦合摻燒NO下降的絕對值比煙煤耦合摻燒大。分析原因是生物質從還原區送入，對于煙煤，燃料N產生的NO在燃燒前期大部分已釋放出來，此時送入木頭，NO的還原會隨著送入生物質比例增高而增大。對于貧煤，燃料N在燃燒后期也會釋放出來，燃燒前期送入木頭比例6%時，對NO的還原已達到最佳效果。送入木頭比例提高后，反而爐膛出口NO會升高，可能是因為木頭N含量比貧煤略高，木頭產生的燃料性NO使得最終NO排放略升高。

2.4 不同生物質對NO排放的影響

為考察不同生物質及摻燒比例對爐膛出口NO的影響，選取木頭、水稻、小麥秸稈、花生秸稈和玉米秸稈和煙煤進行耦合燃燒，氧量3%，燃盡風率40%，木頭摻入位置為還原區，生物質摻燒比例(6%、12%和18%)對鍋爐NO排放影響如圖5所示。

圖5 不同生物質對NO排放的影響Fig.5 Effect of different coupled combustion ofbiomass on reduction rate of NO emission

由圖5可知，生物質摻燒比例為12%時，NO降幅排序為：小麥>木頭>水稻>花生>玉米。與表2各生物質N含量(小麥<木頭<水稻<玉米<花生)基本一致。分析原因是5種生物質的揮發分在60%以上，產生的還原性氣氛比例相近，但每種生物質N含量差別較大，小麥N含量是0.54%，花生N含量是1.28%，燃料N含量越高，產生的燃料性NO越高。說明生物質除了產生的揮發分能還原NO外，其本身燃燒也會產生燃料型NO，工程上摻燒生物質時應注意生物質的N含量。

在相同位置摻入不同比例生物質，研究其對NO的影響，結果顯示除水稻外，木頭、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈等生物質都是摻入比例越大，NO降幅越大；水稻、小麥秸稈、花生秸稈及玉米秸稈摻入比例高于12%后，NO降幅未明顯上升。分析原因是因為試驗中所有生物質都從一級燃燒器送入，生物質比例提高后，爐膛內一部分還原性物質未與氧化物發生還原反應即被氧化，猜測將生物質分級送入會提升生物質對NO的還原效果。

2.5 不同生物質對燃盡特性的影響

不同生物質與煤耦合燃燒對鍋爐飛灰可燃物含量的試驗結果如圖6所示。

圖6 不同生物質對飛灰可燃物含量的影響Fig.6 Effect of different coupled combustion ofbiomass on combustible content of fly ash

由圖6可知，在相同輸入熱負荷及過量空氣系數下，與純燒煤工況相比，摻入木頭、水稻、花生秸稈及玉米秸稈等生物質后飛灰可燃物均出現不同程度降低，說明生物質與煤直接耦合燃燒能提高主燃料煤的燃盡率，這是因為生物質揮發分基本在60%以上，揮發分極易燃燒，能有效提高煤粉周圍煙溫，提高反應速率；另外生物質摻燒比例提高至12%后，木頭、花生秸稈及玉米秸稈飛灰可燃物規律不同且變化幅度較小，分析原因可能是因為生物質比例提高，還原區域氧量較低，不能及時完全燃燒，煤粉周圍煙氣溫度不會隨生物質同比例提高，所以生物質對主燃料燃盡的提高程度有限。

2.6 不同生物質一次風率對NO及燃盡的影響

改變生物質燃燒器的配風量，考察爐膛出口NO及飛灰可燃物的變化。氧量4.25%，生物質燃燒器一次風率為33%、50%和66%，考察生物質一次風率對煙煤的燃盡、NO排放等的影響，試驗期間進行了煙氣及飛灰可燃物的取樣及分析。不同生物質一次風率對NO及燃盡影響如圖7所示。

圖7 一次風率對燃燒的影響Fig.7 Effect of primary air rate of biomass on combustion

由圖7可知，生物質一次風率從33%升到66%后，各工況CO較低，都在40×10-6以下；隨著配風量增加，NO從235.4 mg/Nm3升至246.9 mg/Nm3，增幅較小；飛灰可燃物變化不明顯，分析認為生物質一次風率提高后會增加還原區域的氧濃度，同時會降低還原區溫度，推測爐膛內煤粉的反應速率未出現明顯變化,生物質揮發分的反應速率略有提升，對爐膛內NO還原效果削弱。整體上生物質一次風率對鍋爐燃燒特性影響不大。

2.7 不同生物質一次風溫對NO及燃盡的影響

改變生物質一次風溫度，考察爐膛出口NO和CO排放特性及飛灰可燃物的變化。選取氧量2.8%，并維持風量不變，一次風溫為30、50和70 ℃時，NO及燃盡效果如圖8所示。

圖8 一次風溫對燃燒的影響Fig.8 Effect of primary air temperature of biomass on combustion

由圖8可知，隨著生物質一次風溫從30 ℃升高70 ℃后，CO含量較低，在180×10-6以下；隨著生物質一次風溫升高，NO變化不明顯，均在500 mg/Nm3左右，但風溫升高后飛灰可燃物含量降低較明顯，從13.88%降至7.62%。一次風風溫升高至70 ℃對生物質的熱解影響較小，產生的揮發分變化較小，所以對NO影響不大。升高風溫能提高生物質燃燒區域的爐膛溫度，顯著提升生物質及煤焦的化學反應速度，另外由于生物質從還原區送入，此區域爐膛溫度較高，煤焦在此高溫區燃燒速率提高，更有利于燃盡，能有效提高燃燒效率。分析認為在不影響安全的情況下，生物質燃燒器應盡量提高一次風溫度。

2.8 生物質摻入對煙氣溫度的影響

在維持輸入熱負荷、氧量、燃盡風率不變的情況下，不摻燒生物質及改變生物質不同摻燒位置后，爐膛燃燒區域煙溫與爐膛出口煙溫如圖9所示。

圖9 不同位置對煙氣溫度的影響Fig.9 Effect of burning positions on flue gas temperature

由圖9可知，相比純燒煤工況，貧煤和煙煤的爐膛燃燒區域以及爐膛出口的溫度都有不同幅度上升，原因主要是在較低溫度下生物質揮發分即可析出和燃燒，提高了煤粉周圍的煙氣溫度，加速了煤粉的燃燒，提高了煤的燃盡性。由圖6可知，生物質摻燒后飛灰可燃物均出現不同程度降低；隨著生物質送入位置向下移動，燃燒區域及爐膛出口溫度上升幅度越大，這是由于貧煤的焦炭燃燒主要在后期，生物質后期加入，提高了焦炭周圍煙氣溫度，對焦炭的促進作用較強，由圖3可知，對于貧煤，生物質在后期加入，飛灰含碳量最低。

由圖2、5可知，不同生物質、位置及比例摻燒后，爐膛NO排放不同程度降低，這可能是由于生物質摻燒后，爐膛燃燒區域煙氣溫度升高，如圖9所示，煙煤工況下燃燒區域的煙氣溫度上升18～26 ℃，貧煤工況下燃燒區域溫度上升0～32 ℃，促進煤粉燃燒的同時，也有利于燃料N產生的NO在燃燒器區域提前釋放，在還原區有效被還原，最終爐膛出口NO排放降低。

3 結 論

1)從NO排放情況看，生物質與燃煤鍋爐耦合燃燒最佳送入位置為還原區，此工況NO排放降幅最大，煙煤降幅23.47%，貧煤降幅為13.64%。從燃盡角度看，對于煙煤，生物質宜從燃燒前期加入；對于貧煤，生物質宜從燃燒后期加入。

2)生物質摻燒比例從6%提高至12%后，與煙煤耦合燃燒時，NO排放降幅從23.31%增至39.5%；與貧煤耦合燃燒時，NO排放降幅變化不明顯，從13.61%下降至10%左右。

3)摻燒不同生物質對NO降幅不同，NO降幅與生物質中氮含量相關，氮含量越低，NO降幅越大。

4)提高生物質的一次風溫，飛灰可燃物降低明顯，從30 ℃升至70 ℃時，飛灰可燃物含量從13.88%降至7.62%，建議在不影響制粉系統安全的情況下，生物質燃燒器宜盡量提高一次風溫度。