工業煤粉鍋爐與生物質燃料耦合燃燒分析

郭宗濤 馬心行 辛振華

山東濟礦魯能煤電公司

0 引言

生物質燃料是可再生的CO2中性燃料，其氮、硫含量較低，可作為煤炭的補充燃料或替代燃料。燃煤鍋爐耦合生物質燃料燃燒雖可有效減少污染物排放及碳排放，但生物質燃料的高含水率、差流動性、高揮發分等特性，如直接耦合燃燒會使工業煤粉鍋爐出現煤倉蓬煤、磨煤機堵磨、自燃等問題，此外，生物質燃料燃燒后生成的堿金屬氧化物與SO3易在受熱面上反應生成易熔的復合硫酸鹽Na3Fe(SO4)3和K3Fe(SO4)3，這些硫酸鹽在高溫下會熔化成對受熱面產生腐蝕的渣層，且飛灰中的鉀、氯等會引起受熱面積灰速度加劇，因此，煤粉工業鍋爐生物質燃料耦合燃燒比例對安全生產非常重要。

本文結合某熱電廠40 t/h工業蒸汽鍋爐生物質燃料耦合燃燒應用，探索生物質燃料的選型及耦合分級燃燒的改造，力求實現大比例的耦合。

1 某熱電廠40 t/h工業蒸汽鍋爐構造

該電廠鍋爐為NG40-5.3型室燃煤粉爐，爐頂設置一個四通道旋流燃燒器，配備兩臺中速輥式正壓直吹磨煤機。鍋爐燃燒流程為：原煤→皮帶稱重給煤機→中速輥式正壓直吹磨煤機→爐頂旋流燃燒器，燃燒后的飛灰→尾部豎井→高溫過熱器→中溫過熱器→低溫過熱器→SCR→蛇形管省煤器→立式空氣預熱器→低溫節能器→SDS干法脫硫塔→預電除塵器→布袋除塵器→大氣。

二次風為四通道旋流燃燒器中心風、內二次風、外二次風及爐膛前墻燃盡風提供風源，中心風管內設燃氣點火器，內環二次風角度固定，外環二次風角度可變。

2 生物質燃料選型及耦合燃燒應用

2.1生 物質燃料選型

生物質燃料含水率高、粗纖維多、熱值低、黏度大，如只經簡單破碎壓縮與原煤混合進入煤倉易造成煤倉蓬煤、搭橋等問題，且磨制不均勻的話，還易出現絲狀物堵塞磨煤機風環和分離器擋板問題，因此，生物質燃料的摻燒宜選用水分低于10%且經成型處理的生物質顆粒。由表1可知，樹皮中氧化鈣含量約30%，在燃燒過程中可作為脫硫劑使用；麥稈的堿性金屬氧化鉀含量高約30.65%，易結渣，因此，生物質燃料摻燒應優先選用玉米秸稈、花生殼、樹皮，如要摻燒麥稈，需加強受熱面監視及增加吹灰強度以防結渣。

表1 生物質顆粒燃料特性

2.2生 物質燃料耦合燃燒應用

2.2.1 生物質燃料耦合燃燒形式

生物質燃料耦合燃燒形式主要有：直接耦合燃燒；間接耦合燃燒；并聯耦合燃燒。直接耦合燃燒又包括制粉耦合燃燒和爐內耦合燃燒［1］。

制粉耦合燃燒即將生物質顆粒與煤在上煤過程中混合，再經給煤機到磨煤機磨制。該方案投資成本低，但由于生物質燃料高揮發分的特點，易在磨煤機內飄浮、堆積、自燃，故摻燒量應控制在10%內。

爐內耦合燃燒即利用獨立的磨煤機磨制生物質燃料，再通過改造后的管道輸送至獨立的燃燒器燃燒。該方案降低了生物質燃料磨制過程中自燃的風險，可增加生物質燃料摻燒比例，但需增設獨立的燃燒器。

2.2.2 40 t/h工業蒸汽鍋爐生物質燃料耦合燃燒應用改造

圖1為40 t/h工業蒸汽鍋爐直接耦合燃燒的改造應用，制粉耦合燃燒改造包括：在輸煤皮帶上部增設生物質燃料儲料倉，儲料倉下部安裝密封式可調出力圓盤給料機，生物質燃料顆粒經下料管直接落入輸煤皮帶后送至爐前原煤倉。生物質圓盤給料機的給料量可在皮帶煤量的5%～15%范圍內調節。

圖1 煤粉與生物質燃料耦合燃燒改造鍋爐風煙流程圖

爐內耦合燃燒改造包括：增加生物質顆粒儲料倉，通過下部安裝的螺旋絞龍輸送機將生物質燃料送入磨煤機進行磨制，再由新增的冷一次風輸送至由二次燃盡風管改造的雙通道旋流燃燒器進行燃燒。

2.2.3 40 t/h工業蒸汽鍋爐生物質燃料耦合燃燒運行方式

制粉耦合燃燒生物質燃料的比例受限于磨煤機電流、生物質自燃、燃燒器結焦等因素。由于生物質燃料高揮發分的特性，制粉耦合燃燒的磨煤機出口風溫應通過一次風冷風門控制在50℃以內，當溫度高達300℃時，生物質燃料揮發分會析出并劇烈燃燒，使燃燒器噴口處溫度升高，煤粉提前著火，進而使燃燒器區域溫度進一步升高，造成灰渣結焦甚至燒損燃燒器現象，因此制粉耦合生物質燃料燃燒熱量比應控制在10%以內，且生物質燃料以玉米秸稈、花生殼為主。制粉耦合燃燒時，四通道旋流燃燒中心風門開度要維持在80%以上，以增大中心風風量，降低內回流區域溫度；外二次風環角度為180°，呈豎直狀態，與內二次風比例為7∶3；拉長火焰燃燒形狀，降低外回流區域擴散面積，防止煤粉與生物質燃料在水冷壁區域結渣。改造后，通過觀火孔觀察，當生物質燃料燃燒熱量比為10%時，水冷壁區域無明顯結渣現象。

爐內耦合燃燒主要受限于磨煤機電流。出于控制生物質燃料自燃的目的，磨煤機采用冷一次風輸送，但由于磨制后的生物質粉黏度大，流動性差，因此單獨磨制生物質顆粒的磨煤機其分離器擋板開度應控制在60°，此時磨制后的粒度與流動性為最佳。耦合生物質燃料比例熱量系數可在10%～60%范圍內調節?；跔t內耦合燃燒器處于鈣基固硫溫度區間，因此爐內耦合燃燒生物質燃料顆粒應選擇富含氧化鈣的樹皮顆粒。

制粉耦合與爐內耦合相結合的方式在污染物NOx的減量生成和SO2脫除方面存在較大優勢。制粉耦合旋流燃燒區域生物質燃料高揮發分的前燃特性決定了燃燒初期生物質燃料與煤粉搶風現象，形成還原性氣氛區，生物質燃料與煤耦合燃燒生成NH3和HCN。NH3的NOx轉化率較低，且與NO、NO2在富氧區的脫硝反應抑制了NOx的原始生成量。爐內耦合燃燒器處于爐膛富氧低溫區，入爐氧化鈣含量高的生物質燃料快速燃盡炭化后，灰空隙膨脹疏松，固硫劑CaO顆粒不易發生燒結且孔隙率增大，與煙氣中的SO2固硫反應生成熱解性穩定的CaSO4。樹皮生物質燃料的固硫率為60%～85%［2］。

考慮到生物質燃料結渣特性主要由燃燒區域溫度、堿性指數、酸堿比、爐內燃燒氣氛、氯含量因素影響［3］，且燃燒區域溫度、燃燒氣氛為決定性因素，故當燃燒氧量控制在3.5%、爐膛溫度上部區間不超過920℃、爐膛中部區間溫度在750～850℃、鍋爐排煙溫度不低于120℃時，可減少SO2向SO3的轉化，進而減少生物質燃料中CaO、K2O、MgO、Na2O與SO3的反應，減少易沉積灰渣層的生成，降低了受熱面的腐蝕。

基于生物質燃料高揮發分、易爆燃的特性，在鍋爐點火及超低負荷穩燃工況下可替代燃氣助燃。生物質燃料耦合燃燒在各負荷區段的熱量比分別為：20%～60%負荷區段，耦合燃燒熱量比為60%；60%～100%負荷區段，熱量比為45%。

2.2.4 40 t/h工業蒸汽鍋爐生物質燃料耦合燃燒器、水冷壁、受熱面及附屬設備的改造

燃燒器、水冷壁、受熱面及附屬設備的改造如下：

1)爐頂旋流燃燒器本體、頂棚及下方3 m水冷壁、爐內耦合燃燒器本體及上、下方1.5 m水冷壁環向刷涂耐高溫的復合陶瓷防結渣涂層，以降低水冷壁受熱面摩擦系數，提高抗結渣防黏自潔能力和保證水冷壁受熱面的換熱能力；高溫過熱器迎風面防磨瓦及立式空預器煙氣側采用搪瓷鍍層工藝防磨和防酸堿腐蝕處理。

2)由于生物質燃料堿金屬結渣特性主要以黏稠或熔融的沉積物出現，且鉀、氯、硫等元素的相互反應生成的復合硫酸鹽或氯化物增加了飛灰黏性，加劇了結渣和受熱面的腐蝕，為此：原鍋爐尾部受熱面采用乙炔激波吹灰，SCR催化劑區域采用定頻聲波吹灰；尾部受熱面激波吹灰區域增加定頻聲波吹灰器，激波吹灰頻次不變，聲波吹灰頻率間隔時間為5 min；立式空預器及SCR催化劑區域增加100～10 000 Hz可調頻高聲強聲波吹灰器，吹灰頻率間隔時間為10 min；預電除塵器增設定頻聲波吹灰器，消除均流板處沉積灰并增強陰陽極除灰能力，原電除塵陰陽極機械振打頻率不變；布袋除塵器及電除塵器灰斗增加空氣炮，防止灰斗積灰搭橋。

改造后，在鍋爐生物質燃料耦合燃燒運行135 d后對鍋爐水冷壁及尾部受熱面進行了檢查，均未發現明顯積灰、結渣及腐蝕情況。

3 耦合燃燒后污染物排放量的變化

3.1 SO2排放量的變化

生物質燃料含硫量約0.03%～0.11%，遠低于鍋爐燃煤0.4%的含硫量，故SO2的原始生成量得以大幅下降。爐內燃燒器耦合樹皮生物質燃料燃燒后灰中CaO與煙氣中SO2反應生成CaSO4，生物質燃料燃燒過程中釋放的氣態KOH與煙氣中SO2反應生成KHSO3，即SO2值受鈣基固硫與鉀基固硫的共同作用。煙氣中的SO2進入SDS干法脫硫塔后濃度降低約30%～40%，爐內固硫效率提高，大大節約了碳酸氫鈉脫硫劑的消耗量。各負荷段下生物質燃料耦合燃燒SO2值見表2。

表2 各負荷段下生物質燃料耦合燃燒SO2值

3.2 NOx排放量的變化

基于生物質燃料高揮發分和低含氮量的特性，在同時采用制粉耦合和爐內耦合分級燃燒形式時，爐頂旋流燃燒器區域的還原性氣氛較強，爐內耦合燃燒器生物質粉噴入位置基本處于煤粉燃燒中心，增加了爐內還原性氣氛區間，使燃燒產生后延現象，實現了燃料的深度分級燃燒。

燃燒后延現象提高了鍋爐低負荷階段SCR催化劑入口煙溫，有利于脫硝的穩定并避免了催化劑低溫中毒失活。由表3可見，通過NOx原始生成量試驗及氨水含量為20%的脫硝劑消耗量計算比對，同負荷下NOx原始生成量降低約35%～50%。

表3 各負荷段下生物質燃料耦合燃燒NOx值

4 結論與展望

1）燃煤鍋爐生物質燃料耦合燃燒是節能減排的有效途徑，該40 t/h工業蒸汽鍋爐全年供汽量約24萬t，通過耦合生物質燃料燃燒可節約14 000 tce，減排約3 800 tCO2，生物質燃料耦合燃燒設備投資約80萬元，按當年平均煤價與生物質燃料顆粒價格計算，年節約燃料成本約265萬元。

2）合理地選擇生物質類型和耦合燃燒方式能有效降低NOx、SO2原始生成量，降低煙氣污染物達標排放所需的反應劑。

3）耦合生物質燃料的比例受限于生物質燃料高溫結渣、鍋爐受熱面堵灰腐蝕等因素，因此應考慮高溫受熱面耐高溫復合陶瓷防結渣涂層的全覆蓋以及增加生物質氣化爐［4］，以實現90%以上比例的生物質耦合燃燒。