摻燒生物質對660 MW 燃煤機組鍋爐影響研究

譚厚章，楊富鑫，阮仁暉，王學斌，楊祖旺，鄭海國

（1.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049；2.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710043）

“碳達峰、碳中和”目標對我國能源結構及能源利用方式提出了更高要求。生物質能是人類利用最早的能源之一，具有分布廣、可再生等特點。開發和利用生物質能源，對保障國家能源安全，減少二氧化碳排放，實現“雙碳”目標以及可持續發展均具有重要意義[1]。我國生物質資源總量豐富，可利用潛力巨大，國家能源局《生物質能發展“十三五”規劃》中指出，全國可作為能源利用的農作物秸稈及農產品加工剩余物、林業剩余物和能源作物、生活垃圾與有機廢棄物等生物質資源總量每年約4.6 億t 標準煤。生物質可通過生物法（如發酵制備甲烷）、物理法（如生物質固體成型燃料）、化學法（如生物質直接燃燒、摻燒、氣化、液化）等方式進行利用[2]。國家發展和改革委員會、國家能源局分別在《能源技術創新“十三五”規劃》、《能源發展“十三五”規劃》、《電力發展“十三五”規劃》中提出：掌握燃煤耦合生物質發電技術，進一步提高對現役燃煤電廠的技術改造水平，獲得現役電廠改造的運行經驗。目前，針對大型燃煤機組直接耦合生物質的應用較少，仍停留在工程示范階段[3-4]。

大型燃煤機組耦合生物質發電在歐美等發達國家中應用較廣泛，如英國大部分的燃煤電廠均摻燒生物質。據統計數據，全球生物質耦合發電機組達230 座，主要分布在歐洲[5-7]。國內，西安交通大學、西安熱工研究院有限公司、華北電力大學、山東大學、華中科技大學等均開展了相關的研究，但是多集中于實驗室或理論分析，現場研究及數據十分缺乏[8-20]。

譚厚章等2009 年在大型燃煤機組開展了生物質摻燒工程應用，基于現場試驗，分析了生物質摻燒對機組的影響規律[21]。本文基于前期燃煤機組摻燒生物質的研究，開展了660 MW 機組摻燒當地生物質的工程應用研究，分析了生物質摻燒對機組燃燒特性、鍋爐效率、污染物排放以及粉煤灰水泥特性的影響。

1 試驗內容

1.1 試驗方案

某660 MW 空冷燃煤發電機組配置中速輥式磨煤機、超臨界鍋爐、脫硝裝置、靜電除塵器、濕法脫硫裝置等；采用冷卻塔、脫硫塔、煙囪“三塔合一”技術，脫硫吸收塔布置于空冷塔內部。煤粉燃燒器采用四角切圓布置方式，A 層—F 層為燃燒器。

本文通過對國內外生物質摻燒技術的調研，并結合前期大型燃煤機組成功摻燒的研究，提出利用660 MW 機組F 層閑置制粉系統對生物質研磨并摻燒的方案，即A 層—E 層燃燒器正常燃燒煤粉，而生物質則被加入F 層磨煤機中進行粉碎和磨制，然后通過F 層燃燒器噴入爐內進行燃燒，生物質的給料量為當前總燃料質量的10%～20%。生物質秸稈摻燒試驗工況見表1。

表1 生物質摻燒試驗工況Tab.1 Experimental condition for biomass co-firing

該方案的優點主要有：1）將生物質壓型塊直接送入上層制粉系統原煤倉，經磨煤機磨制后送入上層燃燒器區域，因此不增加任何設備及投資；2）生物質燃燒與下層煤粉完全分離，不影響下5 層制粉系統及其燃燒，預計對鍋爐整體燃燒性能的影響甚微。

1.2 取樣及檢測方法

在調整制粉系統以及變工況秸稈摻燒試驗過程中，重點采集的樣品和記錄的數據包括生物質、原煤、飛灰、爐渣、粉煤灰取樣和排煙溫度、尾部煙道O2含量、爐膛出口（最上部）煙氣溫度、爐膛高度方向溫度、尾部煙道NOx質量濃度、尾部煙道SO2質量濃度以及機組運行數據。爐膛出口煙氣溫度及沿爐膛高度方向溫度采用光學高溫測溫儀測量；尾部煙道NOx、SO2、O2含量通過德圖煙氣分析儀測量得到，同時從主控室及脫硫表盤讀取；排煙溫度利用熱電偶溫度計測量，并由表盤直接讀取核對；爐渣在冷灰斗下直接取樣，然后烘干后分析其可燃物；在空氣預熱器出口煙道等速取樣飛灰，核對成分。為了研究粉煤灰的水泥特性，在電除塵電場倉室下進行取樣。每個工況摻燒試驗前需將電場灰斗料位調低至放空，摻燒試驗結束后在該灰斗處取灰。鍋爐運行主參數、給煤量和燃燒器投運情況、二次風開度、一次風風量風壓、脫硫脫硝系統運行參數及制粉系統運行參數等均由主控室讀取。

生物質摻燒試驗期間的煤質及生物質秸稈工業分析見表2 和表3。

表2 煤工業分析Tab.2 Proximate analysis of the coal

表3 生物質工業分析Tab.3 Proximate analysis of the biomass

試驗所用生物質型料原樣及F 層磨煤機出口生物質粉料如圖1 所示。由圖1 可見：原生物質型料質地堅硬，可磨型強；輥式磨煤機系統可高效地將生物質型料破碎。

圖1 生物質型料Fig.1 Pictures of the biomass

試驗過程中對F 層火焰噴口進行檢測和圖像捕捉，得到生物質燃燒器噴口火焰如圖2 所示。由圖2 可見F 層生物質燃料燃燒正常。

圖2 F 層生物質噴口火焰Fig.2 Combustion flame of the biomass fired at burner in F layer

2 結果與討論

2.1 生物質摻燒量對燃燒特性的影響

2.1.1 對爐膛出口煙氣溫度的影響

爐膛出口煙氣溫度隨生物質摻燒量的變化如圖3 所示。由圖3 可見：500 MW 工況下生物質摻燒對爐膛出口煙氣溫度影響很小，摻燒量達到40 t/h時，爐膛出口煙氣溫度變化不超過10 ℃；600 MW工況下生物質摻燒對爐膛出口煙氣溫度影響略大，但爐膛出口煙氣溫度變化不超過30 ℃。這說明在一定負荷下摻燒生物質對機組煙溫的影響較小。

圖3 生物質摻燒量對爐膛出口煙氣溫度的影響Fig.3 Effect of the biomass feed rate on flue gas temperature at the furnace outlet

2.1.2 對爐膛溫度分布的影響

生物質摻燒量對爐膛高度方向溫度分布的影響如圖4 所示。由圖4 可見，在500、600 MW 負荷下，摻燒生物質的爐膛溫度均略有降低，主燃燒區域溫差相對偏大，但溫差隨著高溫煙氣的流動逐漸減小，在下游爐膛出口達到最小。

圖4 生物質摻燒量對爐膛溫度分布的影響Fig.4 Effect of the biomass feed rate on furnace temperature distribution

2.1.3 對空氣預熱器入口煙氣溫度的影響

表4 為500、600 MW 工況下摻燒生物質空氣預熱器入口煙溫變化。

表4 生物質摻燒量對空氣預熱器入口煙氣溫度的影響單位：℃Tab.4 Effect of the biomass feed rate on flue gas temperature at the inlet of air preheater

由表4 可見，500、600 MW 工況下摻燒生物質，空氣預熱器入口溫度均略有升高，溫度升高均小于3 ℃。可見，不同負荷下摻燒生物質對空氣預熱器入口煙氣溫度影響較小。

2.1.4 對NOx和SO2的影響

不同負荷下生物質摻燒量對污染物（NOx和SO2）的影響如圖5 所示。由圖5 可見：600 MW工況下摻燒生物質后煙氣中NOx質量濃度降低30 mg/m3，SO2質量濃度升高10 mg/m3；500 MW 工況下摻燒生物質煙氣中NOx質量濃度降低40 mg/m3，SO2質量濃度變化較小。SO2的質量濃度主要取決于燃料中的硫含量、風量及燃燒情況等，本次試驗煤（收到基）的硫分為0.17%，生物質（收到基）的硫分為0.26%，因而摻燒生物質后煙氣中SO2的質量濃度略有上升。摻燒秸稈生物質由F 層送入爐膛，可能在局部還原性氣氛下，生成大量的NHi和CHi等基團，將A—E 層煤粉燃燒生成的NOx還原成N2或HCN；同時，摻燒生物質后爐膛煙溫整體下降，使得煙氣中NOx質量濃度有所降低[21]。

圖5 生物質摻燒量對NOx和SO2 的影響Fig.5 Effects of biomass feed rate on emission of NOx and SO2

2.2 F 層一次風量對燃燒特性的影響

2.2.1 對爐膛溫度分布的影響

在生物質摻燒的過程中，摻燒層（F 層）一次風量變化對爐膛溫度分布的影響如圖6 所示。

圖6 F 層一次風量對爐膛溫度分布的影響Fig.6 Effect of primary air in F layer on furnace temperature distribution at 500 MW

由圖6 可見：在600 MW 工況下，F 層一次風量降低后，爐膛上部整體溫度升高約20 ℃，但波動不大；500 MW 工況下，F 層一次風量降低后，爐膛上部整體溫度升高約10 ℃，總體變化較小。

2.2.2 對排煙溫度及污染物排放的影響

生物質摻混過程中，在生物質給料量穩定在40 t/h 時改變F 層生物質粉料一次風量，分析對爐膛出口煙溫、空氣預熱器入口煙溫、NOx和SO2排放質量濃度的影響，結果如圖7 所示。由圖7 可見，改變頂層生物質送粉的一次風量，爐膛出口溫度、空氣預熱器入口溫度、NOx質量濃度及SO2質量濃度均變化不大。

圖7 F 層一次風量對排煙溫度和污染物排放的影響Fig.7 Effect of primary air in F layer on flue gas temperature and pollutants emission

2.3 生物質摻燒對飛灰可燃物及鍋爐效率的影響

摻燒生物質對鍋爐燃燒產生飛灰和爐渣可燃物含量的影響見表5。由表5 可見：600 MW 工況下，不摻燒生物質時飛灰可燃物質量分數低于0.5%；而摻燒生物質后的飛灰可燃物并沒有大幅度提高，保持在0.9%以下；摻燒生物質30 t/h 時，飛灰可燃物保持在0.5%以下；500 MW 工況下，摻燒生物質后飛灰可燃物質量分數并無明顯變化，均在1.0%以下。因此，摻燒生物質后鍋爐的燃盡性能良好，飛灰可燃物并未有明顯的上升；同時，摻燒生物質的爐渣可燃物質量分數較不摻燒并無明顯變化。

表5 生物質摻燒對飛灰和爐渣可燃物質量分數的影響 單位：%Tab.5 Effect of biomass feed rate on unburned carbon mass fraction in fly ash and slag

摻燒生物質對鍋爐效率的影響如圖8 所示。

圖8 生物質摻燒量對鍋爐熱效率的影響Fig.8 Effect of biomass feed rate on boiler thermal efficiency

由圖8 可見：600 MW 工況下摻燒生物質，鍋爐效率略微下降，摻燒50 t/h 生物質時效率下降最大（約0.16%）；500 MW 工況下摻燒生物質鍋爐效率略微下降，摻燒40 t/h 時鍋爐效率下降最大（約0.14%）。可見，摻燒生物質對鍋爐熱效率的影響不大。另外，在600、500 MW 負荷下，摻燒30 t/h 生物質時，鍋爐效率均最高，相比單純燃用煤粉時鍋爐效率僅降低約0.02%。

2.4 生物質摻燒對水泥特性的影響

由于粉煤灰輸送系統的密閉性和遲滯性，且每個工況的穩定時間較短，很難在每個試驗工況下及時取到該工況下超過1 kg 的飛灰。因此，需在生物質摻燒試驗前將除塵器電場的粉料放空，在生物質摻燒工況結束后，再到除塵器灰斗下取樣，進行水泥特性指標的測定。粉煤灰測試結果見表6、表7。由表6、表7 可見：利用摻燒生物質灰制成的膠砂樣品，其抗折強度和抗壓強度與原煤灰（不摻燒生物質）配成砂樣的相差不大，并且其28 天活性指數均在75%以上，均檢驗合格；原煤灰的比表面積與摻燒生物質后灰的比表面積均高于標準水泥比表面積350 m2/kg，摻燒生物質對電廠粉煤灰比表面積影響小；摻燒生物質后灰樣的需水量與原煤灰差別不大，接近純水泥，其安定性均小于等于5 mm。可見，生物質摻燒未對電廠煤灰的水泥特性產生影響。

表6 500 MW 工況下灰制成膠砂樣品的化驗結果Tab.6 Test results for the gel sand samples produced by fly ash at 500 MW

表7 600 MW 工況下灰制成膠砂樣品的化驗結果Tab.7 Test results for the gel sand samples produced by fly ash at 600 MW

3 結論

1）本文在660 MW 燃煤機組頂層（F 層）燃燒器摻燒生物質，并分析了生物質摻燒量對燃燒特性、鍋爐效率、污染物排放及粉煤灰水泥特性的影響。生物質在燃煤機組的中速直吹式輥式磨煤機上磨制效果良好，且制粉系統運行正常，磨煤機運行電流正常，中速磨煤機能較好地完成生物質的磨制。針對660 MW 機組，磨制生物質粉料時，需控制磨煤機入口風溫不超過150 ℃，出口風溫50 ℃左右，一次風量85 t/h，生物質送料量不超過50 t/h（摻燒質量比19.7%）。

2）生物質摻燒時，爐內可保持正常著火和穩定燃燒，并且通過控制較低的入口風溫，噴口處未見著火提前現象。生物質摻燒對爐膛出口煙氣溫度影響小，在600、500 MW 負荷及不同生物質摻燒量下，爐膛出口煙氣溫度變化未超過30 ℃。摻燒生物質前后空氣預熱器的入口煙氣溫度變化不大。摻燒生物質后，鍋爐的燃盡性能良好，鍋爐效率始終保持在93.9%～94.1%，且摻燒生物質對NOx、SO2排放量的影響甚微。

3）生物質摻燒對粉煤灰水泥特性未產生影響。28 天強度活性指數在75%以上，其活性、安定性、需水量、比表面積、抗折強度等各項指標均符合建筑用材標準。