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（来源：CBC全球生物质能源）
煤粉锅炉大比例直燃耦合生物质的影响研究及工程应用
摘 要∶
生物质作为一种重要的清洁能源，将它与煤掺烧或纯烧，有利于减少CO2排放。通过计算660MW 超临界对冲燃煤锅炉分别耦合小麦、玉米、水稻、芦竹和木头等5种生物质( 耦合比例0 ～50%) ，并结合某一锅炉机组直燃耦合生物质的试验数据，分析耦合燃烧后对锅炉运行参数的影响规律，包括对烟气量、理论燃烧温度、炉膛出口烟温、空预器出口烟温、污染物排放、飞灰可燃物以及锅炉效率的影响。结果表明，掺烧小麦秸秆、玉米秸秆及芦竹时产生的烟气量增加，理论燃烧温度降低，而掺烧水稻和木头时的变化趋势相反。当芦竹掺烧比例达到 50%时，烟气量增加了8.87%，可能需要对原引风机系统进行改造。掺烧芦竹时理论燃烧温度下降了146 ℃，掺烧水稻和木头时理论燃烧温度分别增加了 48、54 ℃。因此，芦竹更适用于高温腐蚀严重的高硫煤锅炉，水稻和木头更适用于未燃尽碳损失较大的贫煤或无烟煤锅炉。随着生物质耦合比例的增加，炉膛出口烟温下降，但下降幅度不明显，其中耦合木头时下降最快，掺烧50%时仅下降了17℃。由于进入空预器换热的冷风变少，因此空预器出口烟温升高了19 ～ 38℃、锅炉热效率下降了1.18% ～ 2.5%，在保证安全的情况下，应尽可能提高生物质的输送风温。生物质中硫的质量分数低，耦合燃烧后 SO2排放减少，但 NOx 排放与燃料成分、炉膛氧量以及燃烧组织方式有关，改造时需根据锅炉具体情况选择生物质的送入位置。可通过锅炉燃烧系统优化、受热面改造、余热利用等措施，来适应燃煤锅炉大比例直燃耦合生物质的需求。当掺烧40 t / h 的生物质燃料时，每年预计可减排 27万 tCO2。
关键词：生物质; 煤粉锅炉; 耦合发电; 影响研究; 工程应用
为应对气候变化，保障中国能源安全，助力实现双碳目标，煤炭将从主体能源逐步向基础能源和调峰能源转变，向着高效、清洁、低碳方向发展。燃煤发电机组燃料灵活性升级改造迫在眉睫［1－3］。采用生物质与煤混烧，直至完全替代燃煤，有效减少化石燃料的净消耗，降低 CO2排放，有助于实现碳达峰［4－7］。据统计，我国每年生物质资源产生量超过 30 亿 t［8］。
煤粉锅炉与生物质直燃耦合发电技术按耦合位置不同，可以分为制粉耦合( 共磨煤机) 、给料耦合( 共煤粉管道) 、燃烧器内耦合( 共燃烧器) 以及炉内耦合( 独立掺烧) 4 种技术路线［9－10］。其中前 3 种路线由于生物质的可磨性、输送特性、燃烧特性与煤粉存在较大差异，因此限制了生物质的掺烧比例。而独立掺烧将生物质燃料单独破碎、输送并通过专用生物质燃烧器燃烧，该路线理论上可以实现大比例掺烧甚至纯烧生物质的目标。
王一坤等［11－12］分析了燃煤机组大比例直接耦合生物质发电后，原有受热面布置基本能够满足换热需要。谭厚章等［13－14］利用备用层制粉系统及燃烧器开展秸秆的掺烧试验，结果表明控制生物质风温和送料量时，中速磨煤机磨制效果良好，炉内正常着火并能稳定燃烧。李春建、马辉等［15－16］的研究结果显示，随着生物质耦合比例增加，煤粉着火和燃烧特性均有不同程度的改善。范燕荣等［17］通过数值模拟方式分析了1 000 MW 对冲炉耦合生物质燃烧过程，发现采用 3 层燃烧器耦合生物质对各受热面的影响较小。李加护等［18］发现降低 NO 排放效果最明显的位置是最上层燃烧器区域。
PRONOBIS 等［19］发现掺烧生物质后受热面上灰沉积速度加快。PＲIYANTO 等［20］ 通过 150 MW煤粉炉热态试验发现，靠近生物质燃烧器的水冷壁管比 煤 粉 燃 烧 器 附 近 管 子腐蚀速率更快。STANISLAV 等［21］研究了生物质燃烧过程中灰的形成机理。NIU 等［22］分析了掺烧生物质后由碱金属和硅酸盐引起的结渣现象，并提出使用添加剂、控制掺烧比例、预处理等技术手段来缓解炉膛结渣。
聂立等［23－24］研究了烟煤与秸秆耦合燃烧的结渣和沾污特性。倪刚等［25］的试验结果表明，生物质从还原区送入时降氮效果最好，并且与烟煤耦合燃烧的 NO 减排效果优于与贫煤耦合时。选 取 某660 MW 超临界燃煤机组，在 THA 负荷下掺烧不同热量比的生物质，对锅炉性能、运行参数进行热力计算，并在该机组实施相应改造，通过开展掺烧生物质试验研究，为工程设计提供依据。
1 研究对象
1. 1 机组概况
选取某 660 MW 超临界发电机组，锅炉型号为DG2086 /25.4－Ⅱ9。采用一次中间再热、变压运行，固态排渣、单炉膛平衡通风、对冲燃烧。
1. 2 燃料参数
计算煤质和典型生物质成分分析见表 1。
2 结果与讨论
2. 1 对烟气量的影响
图 1 为锅炉在 THA 负荷下掺烧不同比例生物质对烟气量的影响。可以看出，随着耦合比例增加，不同生物质燃烧产生的烟气量表现出截然不同的变化趋势。随着耦合比例的增加，小麦、玉米和芦竹产生的烟气量呈线性增加，而水稻和木头产生的烟气量呈线性下降。其中芦竹产生的烟气量增加最快，当耦合比例为50% 时，耦合芦竹烟气量增加了8.87%，可能需要对引风机进行扩容改造。
烟气量的产生主要与燃料成分、发热量以及过剩空气系数等因素有关。生物质中碳少氧多，所需理论空气量比煤少，导致由空气引入的氮气减少;同时生物质中碳和硫的质量分数通常比煤低，生成的RO2份额减少，而 N2和ＲO2占烟气体积的绝大部分，导致耦合生物质后理论烟气量较少。另外，生物质燃料发热量低，相同锅炉负荷下燃料消耗量增加。因此，不同的生物质种类最终生成的烟气量不同。
2. 2 对理论燃烧温度的影响
图2给出了锅炉在 THA 负荷下耦合不同比例生物质对理论燃烧温度的影响。
从图2可以看出，对于不同种类的生物质，随着耦合比例的增加，理论燃烧温度的变化趋势也不相同。随着耦合比例的增加，小麦、玉米和芦竹的理论燃烧温度基本呈线性下降，其中芦竹的理论燃烧温度下降最快，当耦合比例为50%时，下降了146 ℃。随着耦合比例增加到50%，水稻和木头的理论燃烧温度分别增加了48、54 ℃。
表2给出了6种燃料燃烧后的实际烟气量和单位体积烟气的吸热量，5种生物质的实际烟气量均比煤低。但其单位体积烟气的吸热量却不一定比煤低，其中小麦、玉米和芦竹单位体积烟气的吸热量比煤少，而水稻和木头单位体积烟气的吸热量比煤高，说明耦合水稻和木头燃烧时能够实现比煤更高的理论燃烧温度。
对于燃用高硫煤的锅炉机组，为缓解水冷壁的高温腐蚀，采用更低的理论燃烧温度是有利的，可以选择芦竹进行耦合; 对燃用贫煤或无烟煤的机组，为提高煤粉的燃尽度，可以选择木头进行耦合。
2. 3 对炉膛出口烟温的影响
图3是在THA负荷下耦合不同比例生物质对炉膛出口烟温的计算结果。结果表明，炉膛出口烟温随耦合比例的增加呈下降趋势，但下降幅度不明显，其中耦合木头时炉膛出口烟温下降最快，当耦合比例为50%时，仅下降了17℃。
大多数生物质含有较高的挥发分，燃烧速度快，相对于煤粉可能存在燃烧提前、炉内火焰中心降低、炉膛吸热增加、炉膛出口烟温下降等情况。同时炉膛受热面传热以热辐射为主，水稻和木头的理论燃烧温度高，强化了炉膛吸热过程，高温烟气被冷却的速度快，导致炉膛出口烟温下降加快。
2. 4 对空预器出口烟温的影响
图 4 是耦合不同比例生物质对空预器出口烟温的影响。燃煤锅炉耦合生物质后，因生物质燃料的着火点低，为防止粉料自燃，故送粉温度不宜高于50℃。由于生物质送风为冷风，因此进入空预器换热的冷风将变少，随着耦合比例的增加，空预器出口烟温呈升高趋势。当超过空预器热容量比( X 比)的设计范围时，空预器出口烟温将进一步升高。当生物质耦合比例增加到50%时，空预器出口烟温增加了19 ～ 38℃。
2. 5 对锅炉效率的影响
给出了耦合不同比例生物质时的锅炉计算效率。随着耦合比例的增加，锅炉计算热效率降低，这主要是因为空预器出口烟温升高，排烟热损失增加。其中掺烧小麦秸秆时，空预器出口烟温升高38℃，锅炉热效率下降了2.5%。另外，随着生物质的加入，煤粉的燃尽率提高，尤其是对于未燃尽碳热损失较大的贫煤，锅炉效率有可能增加。
3 3660MW机组掺烧生物质工程应用
生物质燃料受到收集半径与破碎设备出力的影响，某一电厂设计40t/h的生物质燃料消耗量，掺烧质量比为13.7% 的小麦秸秆，每年预计可减排CO2达27万 t。该电厂采用独立掺烧技术路线，锅炉原制粉系统、受热面布置以及烟风系统基本可以满足掺烧需要，改造时仅增加单独的生物质上料装置及专用燃烧器。
试验时生物质上料装置最大出力28t/h，锅炉在600、500、330MW负荷运行试验时维持该掺烧量不变。通过试验获得允许的最低燃煤量，以利于生物质燃料的充分使用。
3. 1 对NOx和SO2的影响
在不同负荷下，锅炉投运生物质与不投运生物质对污染物(NOx和SO2) 排放的影响如图 6、7所示。试验结果表明，在 600、330 MW 负荷下耦合小麦后NOx分别升高了19%和9.5%，在500MW负荷下耦合小麦后NOx降低了15.7%。而SO2变化趋势正好相反，在600、330MW负荷下SO2分别降低了8.7%和 8.3%，在500MW负荷下SO2升高了7.3%。
烟气中生成的氮氧化物质量浓度主要与燃料成分、运行氧量以及燃烧温度等有关。试验时生物质采用稀相输送，进入炉膛的一次风量较大，导致主燃区的局部氧量过高; 同时生物质可以在相对低的温度下燃烧，迅速提高煤粉周围的烟温，从而促进局部煤粉快速燃烧，生成大量热力型 NOx。当锅炉负荷降低时，炉膛运行氧量升高，但炉膛整体温度水平降低较多( 200 ℃ ) ，使得热力型 NOx升高不明显。另外，小麦秸秆中氮的质量分数 ( 0.45%) 比贫煤( 0.95%) 低，产生的燃料型 NOx少。综合来看，在不同负荷下锅炉炉膛温度分布、配风均匀性存在差异，燃料型 NOx和热力型 NOx 在不同燃烧阶段占比不同，导致试验结果较为复杂，燃烧调整还有进一步提升的空间。烟气中 SO2的质量浓度主要与燃料中硫的质量分数和燃烧情况有关，本次试验中贫煤中硫的质量分数为 0.33%，小麦秸秆中硫的质量分数为0.17%，因而掺烧小麦秸秆后烟气中 SO2的质量浓度总体呈下降趋势。
3. 2 对空预器出口烟温的影响
在不同负荷下，锅炉投运生物质与不投运生物质对空预器出口烟温的影响如图8所 示。在600 MW 工况空预器出口烟温升高了 7 ℃，在500MW 工况空预器出口烟温升高了 3 ℃，在330 MW 工况空预器出口烟温升高了 6 ℃。
3. 3 对飞灰可燃物及锅炉效率的影响
在不同负荷下，锅炉掺烧生物质后产生的飞灰可燃物及锅炉效率如图 9、10 所示。从测试结果来看，投运生物质后，飞灰可燃物总体呈下降趋势，表明掺烧生物质可以提高煤粉的燃尽率。而500MW工况下掺烧生物质后飞灰可燃物略有升高，这可能是由试验时锅炉运行氧量降低导致的。图10表明掺烧生物质后空预器出口烟温增加，锅炉热效率呈下降趋势，但飞灰可燃物在600MW 负荷下降低较多，反而提高了锅炉效率。
4 总结
1) 小麦、玉米和芦竹燃烧产生的烟气量随着耦合比例的增加而增加，当耦合50%芦竹时，烟气量增加了8.87%，可能需要对引风机进行扩容改造。
2) 耦合小麦、玉米和芦竹时理论燃烧温度随着耦合比例的增加而下降，耦合水稻和木头时理论燃烧温度随耦合比例的增加而增加。当耦合比例增加到 50% 时，耦合芦竹时的理论燃烧温度 下降了146 ℃，耦合水稻和木头时的理论燃烧温度分别增加了 48、54℃。因此，芦竹更适用于高温腐蚀严重的高硫煤锅炉，水稻和木头更适用于未燃尽碳损失较大的贫煤和无烟煤锅炉。
3) 耦合 5 种生物质后，炉膛出口烟温均随耦合比例的增加而下降，但下降幅度不明显，随着耦合比例增大到 50%，炉膛出口烟温仅下降了 9 ～ 17 ℃。
4) 耦合生物质对空预器出口烟温和锅炉热效率影响较大，其中当小麦掺烧比例为 50%时，空预器出口烟 温升高了近 38 ℃，锅炉热效率下降了25%。在保证安全的情况下，应尽可能提高生物质的输送风温。
5) 生物质中硫的质量分数低，耦合燃烧后 SO2排放减少，但 NOx 排放与燃料成分、炉膛氧量以及燃烧组织方式有关，改造时需根据锅炉具体情况选择生物质的送入位置。
6) 可通过锅炉燃烧系统优化、受热面改造、余热利用等措施，适应燃煤锅炉掺烧不同比例生物质的需求。当掺烧 40 t / h 的生物质燃料时，每年预计可减排 CO2达 27 万 t。
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