生物質(zhì)燃料在循環(huán)流化床鍋爐中摻燒的實(shí)踐
——以永豐余造紙(揚(yáng)州)有限公司為例

何東發(fā)

(永豐余造紙(揚(yáng)州)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225131)

永豐余造紙(揚(yáng)州)有限公司探索低碳、綠碳發(fā)展，大力開發(fā)利用生物質(zhì)資源。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)州市每年農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的秸稈約有300萬t，其中小麥稈84萬t及稻稈108.1萬t。大量的農(nóng)業(yè)秸稈除少部分進(jìn)行再利用外，絕大部份均就地燃燒或直接掩埋，造成環(huán)境污染。為了解決上述問題，該廠自行開發(fā)生物酶量產(chǎn)技術(shù)，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，建設(shè)一條年處理14萬t農(nóng)業(yè)秸稈綜合利用生產(chǎn)線。秸稈在生物制漿過程中會(huì)產(chǎn)生廢棄的秸稈渣，年產(chǎn)生量超過2萬t；另外，配套污水處理廠處理制漿、造紙廢水的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，年產(chǎn)生量超過3萬t。

該廠熱電站主要承擔(dān)著下游造紙車間紙張干燥供熱及全廠供電任務(wù)，鍋爐運(yùn)行負(fù)荷高達(dá)90%以上。除年度檢修時(shí)間外，兩臺(tái)配套鍋爐一直處于同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，加上沒有備用爐的設(shè)計(jì)，因此對(duì)鍋爐整套設(shè)備的安全性、可靠性要求極高，一旦出現(xiàn)事故，停車勢(shì)必會(huì)影響該廠整體生產(chǎn)。考慮芬蘭foster wheeler是全球最大電站鍋爐制造商之一，具有先進(jìn)的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)理念和制造經(jīng)驗(yàn)，因此該廠的鍋爐由foster wheeler公司設(shè)計(jì)制造，2臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐主要參數(shù)如下：額定蒸發(fā)量200 t/h,額定蒸汽壓力12.7 MPa,主蒸汽溫度538 ℃；其燃料設(shè)計(jì)主要是由煤炭主燃料和其他輔助燃料組成，年平均耗煤量為30 萬t左右。

生物質(zhì)秸稈由C、H、O、S等元素組成，具有揮發(fā)份高，炭活性高，S、N含量低等特點(diǎn)，焚燒后可以提供熱能；因此，該公司確定資源綜合利用的低碳目標(biāo)，循環(huán)流化床鍋爐正式摻燒秸稈渣和污泥。

1 鍋爐摻燒生物質(zhì)燃料后問題

循環(huán)流化床鍋爐主要燃料為煙煤(產(chǎn)地多為山西、山東、安徽等地)，摻燒廢水污泥、秸稈渣等生物質(zhì)燃料，運(yùn)行18個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)主要問題如下：

1)鍋爐效率由90%逐步下降為88%以下，煙道尾部排煙溫度由145 ℃逐漸增加到170 ℃以上。

2)產(chǎn)汽能力逐漸下降，最終被迫停止鍋爐運(yùn)行。

3)停爐后，發(fā)現(xiàn)堿金屬沉積導(dǎo)致受熱面結(jié)渣和積灰嚴(yán)重：鍋爐的耐火受熱面、1區(qū)對(duì)流過熱器(SH1)、3區(qū)對(duì)流過熱器(SH3)管道都有5～15 mm厚的沉積物。

2 沉積物成份分析

2.1 爐膛中沉積物取樣

鍋爐被迫停爐后，對(duì)鍋爐爐膛、管道、過熱器等受熱面全面地檢測(cè)檢查腐蝕速率、積灰、結(jié)渣等情況，鍋爐受熱面檢查情況表見表1。

表1 鍋爐受熱面檢查情況表

爐膛受熱面、分離器出口受熱面均有結(jié)渣與積灰問題，下降管以及1區(qū)對(duì)流過熱器(SH 1)積灰結(jié)渣前后對(duì)照?qǐng)D如圖1，受熱面上渣塊取樣見圖2。

圖1 對(duì)流區(qū)結(jié)渣前后對(duì)照

圖2 受熱面上渣塊取樣

鍋爐沒有摻燒過生物質(zhì)燃料前，年度檢修時(shí)對(duì)各受熱面進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)有此結(jié)渣、結(jié)塊、積灰現(xiàn)象。

正常情況下，我們可以由燃料工業(yè)元素分析和燃燒后飛灰、底渣成份對(duì)比分析，判斷問題的來源。通過各種燃料的工業(yè)元素分析和數(shù)據(jù)計(jì)算分析，生物質(zhì)燃料只要質(zhì)量占比不超過給定的范圍，鍋爐燃燒過程中不應(yīng)發(fā)生結(jié)渣與積灰現(xiàn)象。

2.2 沉積物化驗(yàn)

化驗(yàn)步驟以及內(nèi)容有：1)將沉積物樣品粉碎；2)進(jìn)行光譜儀分析、顯微鏡觀察；3)沉積物樣品金屬成分分析。

2.2.1 光譜分析

粉碎樣品樣品1和樣品2的X射線熒光分析如表2。

表2 樣品光譜分析表 %

可以看出，樣本1主要是由SiO2、CaO和Al2O3等組成；樣本2主要是由CaO、SO3等組成。另外，對(duì)樣品用光學(xué)顯微鏡采用不同放大倍數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖3、圖4所示。

圖3 樣品1放大10倍后圖像

圖4 樣品1放大63倍后圖像

由圖中可以看出，沉積物經(jīng)光學(xué)顯微鏡放大后，顯示不同顏色的層，這些分層是在鍋爐燃料發(fā)生變化時(shí)形成的。

2.2.2 樣品金屬成分分析

以硝酸溶解結(jié)渣樣品，取清液以ICP-AES對(duì)常見堿金屬和堿土金屬進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表3。

表3 樣品化學(xué)成分分析表 mg

以上樣品的組成分析是粘土礦物(硅酸鋁)、稻草(二氧化硅)、鐵和鈣化合物(氧化物和硫酸鹽)的組合；金屬主要是以鈣離子為主。

2.3 沉積物分析

從沉積物的光學(xué)分析、化學(xué)分析結(jié)果來看：

1)樣品1放大10倍后發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)層中的紅棕色表明鐵含量較高(8.1%)；樣品1放大63倍后發(fā)現(xiàn)的白色晶體是來自稻草的SiO2(33.1%)。通過光譜分析，發(fā)現(xiàn)樣品中堿金屬和氯的含量還是比較低的，這也和全面檢查中發(fā)現(xiàn)腐蝕速率小的結(jié)果相吻合。

2)顆粒細(xì)小的SiO2和Fe、Ca結(jié)合在一起會(huì)造成污垢；硬沉積物的形成是由于鈣的硫化物，其在高溫氣流和較高的風(fēng)速結(jié)合下而成。CaSO4和SiO2形成非常小的堅(jiān)硬的晶體層，晶體層是密集且不溶于水的。

3)樣品成分表明熔體溫度遠(yuǎn)高于1 000 ℃；晶體層可能由于硫酸作用而變得緊密，想要避免類似問題發(fā)生，鍋爐爐膛溫度控制技術(shù)與爐內(nèi)脫硫技術(shù)都顯得至關(guān)重要。

3 燃料的燃燒特性與問題分析

3.1 循環(huán)流化床的燃燒特性

1) 燃燒區(qū)域

燃燒區(qū)域主要分為爐膛下方的密相區(qū)、爐膛上部的稀相區(qū)、高溫氣固分離器的分離區(qū)。循環(huán)流化床燃燒主要發(fā)生在密相區(qū)和稀相區(qū)；固體燃料除了通過爐膛、分離器、再循環(huán)系統(tǒng)等外循環(huán)外，也在爐膛內(nèi)部內(nèi)循環(huán)。

2)一、二次風(fēng)的配比

對(duì)于不同型式的循環(huán)流化床鍋爐，其燃燒份額和一、二次風(fēng)的配比也不相同；燃燒份額因素受燃料種類(煤種)、燃料粒徑及其分布、流化速度、固體循環(huán)量、過?？諝饬俊⒚芟鄥^(qū)床溫的影響。通常來說，國外設(shè)計(jì)循環(huán)流化床密相區(qū)燃燒份額在30%～70%之間，一次風(fēng)率占45%～55%左右[1]。

3.2 生物質(zhì)燃料的特性

1)生物質(zhì)燃料復(fù)雜

因產(chǎn)地不同、批次不同、工藝條件不同，即使是同一種生物燃料，其物理化學(xué)特性也會(huì)較大差異[2]。

2)雜質(zhì)變化范圍大

部分生物質(zhì)燃料中大塊異物及泥土多，帶來了鍋爐燃燒工況及受熱面積灰特性的變化。

3)揮發(fā)分含量高

生物質(zhì)燃料的著火溫度低；一般在250 ℃～350 ℃溫度下，揮發(fā)份便大量析出并開始劇烈燃燒，此時(shí)如果空氣量不足，會(huì)增加燃料的化學(xué)不完全燃燒損失；同時(shí)會(huì)在稀相區(qū)燃燒份額變大,爐膛上部燃燒溫度提高，二次風(fēng)的配風(fēng)比例會(huì)相應(yīng)提高。

4)水分變化大

生物質(zhì)燃料水分變化大，導(dǎo)致爐膛溫度、煙氣量變化幅度大；爐膛溫度變化對(duì)鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來不利影響，產(chǎn)生煙氣體積較大，增加鍋爐排煙熱損失。

5)比重小

生物質(zhì)燃料懸浮份額較大，輸送松散，迎風(fēng)面積大，易被吹起。實(shí)際情況的統(tǒng)計(jì)表明，因比重輕、入爐形態(tài)不穩(wěn)定，帶來了尾部煙道二次燃燒的問題，所以需要重點(diǎn)考慮生物質(zhì)燃料的輸送及燃燒過程的變化，可根據(jù)具體燃燒試驗(yàn)結(jié)果來調(diào)整燃料進(jìn)料量、風(fēng)速、風(fēng)量配比等。

6)灰分及硫分低

生物質(zhì)燃料灰分含量較高，為5%～10%；大部分生物質(zhì)含硫量極少或不含硫；生物質(zhì)燃料密度小，難以形成穩(wěn)定的、足夠量的物料循環(huán)狀態(tài)。隨著生物質(zhì)燃料所占比例的增加，燃料的總熱值會(huì)相應(yīng)降低，為此，應(yīng)不斷加入礦砂作為補(bǔ)充循環(huán)物料，來保證正常的床壓、床溫和物料循環(huán)量。

7)灰熔點(diǎn)低

生物質(zhì)燃料在爐膛內(nèi)較高溫度下熔化成液態(tài)或軟化狀態(tài)時(shí)，相互黏結(jié)(通過對(duì)底部排渣樣品的光學(xué)顯微鏡放大觀察發(fā)現(xiàn))，且自身燃燒放出的熱量無法及時(shí)傳出，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)焦。

3.3 生物質(zhì)燃料燃燒問題分析

生物質(zhì)燃料占比為13.39%(質(zhì)量百分比)，其中污泥占比是11.8%，秸稈渣占比是1.59%。

從沉積物的光譜分析、化學(xué)分析以及循環(huán)流化床燃燒試驗(yàn)結(jié)果來看，受熱面結(jié)渣和積灰嚴(yán)重的主要原因是：

1)堿金屬硅酸鹽沉積。燃料料層溫度高、煤粒度太大或粗顆粒份額較多會(huì)嚴(yán)重影響床層的流化。燃料特性的影響造成爐膛結(jié)渣，又會(huì)導(dǎo)致密相區(qū)超溫而結(jié)焦；爐膛內(nèi)輻射受熱面上煙氣中夾帶的熔化或半熔化的灰粒接觸到受熱面，并凝結(jié)下來且不斷生長積聚。生物質(zhì)中易揮發(fā)物質(zhì)(主要是堿金屬鹽)在高溫下蒸發(fā)進(jìn)入氣流后，流經(jīng)對(duì)流受熱面時(shí)，通過氣固相間復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在對(duì)流受熱面表面發(fā)生凝結(jié)、黏附；隨燃燒時(shí)間增長，黏附體積會(huì)越長越大。

2)沉積物中鈣含量高。實(shí)踐表明，受熱面積灰速度是伴隨燃料的含鈣量和含硫量變化而變化的；且鈣化合物與SiO2反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)的共晶體，熔化的晶體沿灰的縫隙流動(dòng)，將灰粒粘結(jié)形成結(jié)塊，再經(jīng)過硫酸的作用變得堅(jiān)硬而密集。

3)含氯氣體引起腐蝕。HCl、Cl2穿透金屬表面氧化膜與內(nèi)部金屬直接發(fā)生反應(yīng)形成金屬氯化物，造成固態(tài)、熔融態(tài)堿金屬氯化物引起腐蝕。不過，從檢查的結(jié)果來看，金屬表面腐蝕<0.2 mm/年，腐蝕危害輕微。

4)污染物排放。生物質(zhì)中硫含量低，堿金屬與硫反應(yīng)生成硫酸鹽,起固硫劑作用；生物質(zhì)灰中的CaO含量高,自脫硫能力強(qiáng)，可以降低SO2、NOx等有害氣體排放濃度和排放量。

4 解決方法及改善效果

芬蘭foster wheeler公司通過大量工廠實(shí)際摻燒數(shù)據(jù)得出，秸稈渣摻燒熱量比不超過5%時(shí)，鍋爐耐火受熱面上一般不會(huì)有沉積物。經(jīng)過多方求證及與foster wheeler設(shè)計(jì)人員討論，主要對(duì)燃料的預(yù)處理改善方法如下：

1)增設(shè)螺旋式壓榨機(jī)、板框式壓榨機(jī)，分別將廢水中的化學(xué)污泥、生物污泥進(jìn)行機(jī)械脫水，使含水量在65%以下；增設(shè)煙氣干化設(shè)備，將含水量65%的污泥進(jìn)一步干燥成35%。籌建100 t/天的污泥干化工程，可一次將含水量80%～65%的濕污泥直接干燥成含水量25%～45%的干污泥，可以減少污泥的質(zhì)量、污泥的粘性、硫化物含量以及解決生物質(zhì)燃料水分變化大的問題。

2)增設(shè)秸稈壓塊設(shè)備，將秸稈渣制作成秸稈塊進(jìn)行摻燒，解決生物質(zhì)燃料比重小的問題。試驗(yàn)表明，秸稈燃料含水率大于10%后，內(nèi)含水分越高，其成形密度就越小[3]；當(dāng)含水率超過一定比例時(shí)，秸稈壓塊將會(huì)無法成形。通過干燥、壓塊成形等手段，可以達(dá)到生物質(zhì)燃料在高風(fēng)速下，能夠完全燃燒成灰分的目的，使煙氣中SO2含量低于50 mg/m3，不足以讓污泥和稻草在燃燒過程中形成沉積層。

3)煤炭粒徑調(diào)整改善。循環(huán)流化床鍋爐燃燒試驗(yàn)證明，煤炭粒徑>10 mm占比合理范圍應(yīng)不超過10%；但是通過煤炭粒徑分析，發(fā)現(xiàn)煤炭粒徑>10 mm的占比超過31%。在鍋爐年度檢修期間，通過改變破碎機(jī)安裝位置，改變物料破碎進(jìn)料方向，更換新的環(huán)錘以及調(diào)整環(huán)錘間隙等手段，達(dá)到了煤炭粒徑改善的目的。

4)生物質(zhì)燃料摻燒合理配比。各種燃料采用單獨(dú)的料倉，單獨(dú)螺旋給料；重新計(jì)算給料螺旋在不同頻率下給煤量，重新設(shè)定風(fēng)煤比系數(shù)：將風(fēng)煤比內(nèi)嵌系數(shù)由0.81～1.2擴(kuò)大至0.6～1.4，可以更寬泛地適應(yīng)生物質(zhì)燃料和煤炭混燃后熱值的變化。芬蘭foster wheeler公司重新設(shè)定氧量控制器參數(shù)，利用DCS系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)料量合理地自動(dòng)設(shè)定配風(fēng)量，從而達(dá)到進(jìn)料量平均、配風(fēng)合理、燃燒完全的目的。

從2021年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，生物質(zhì)燃料占比擴(kuò)大到20%(質(zhì)量百分比)，其中污泥占比是15.5%，秸稈渣占比是4.5%，沒有再次發(fā)生鍋爐效率逐步下降、鍋爐受熱面發(fā)生沉積物堆積現(xiàn)象。

5 結(jié)語

從改善后的成果來看，解決問題的主要方法是：開發(fā)與利用生物質(zhì)燃料的預(yù)處理設(shè)備，從源頭上解決生物質(zhì)燃料的水分變化大、比重小的問題；根據(jù)生物質(zhì)燃料實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整、改變循環(huán)流化床各區(qū)域的燃燒份額和一、二次風(fēng)的配比，解決生物質(zhì)燃料中堿金屬燃燒固有特性的問題；另外，提高鍋爐燃燒技術(shù)與自動(dòng)化程度、借鑒其他廠商利用生物質(zhì)燃料的經(jīng)驗(yàn)等，都是解決生物質(zhì)燃料結(jié)渣和積灰問題的好方法。