链条锅炉掺烧生物质成型燃料的应用研究.pdf

链条锅炉掺烧生物质成型燃料的应用研究张现晨,史凯,芦峰,庞战,刘云霞,费延波,毕鹏飞(济南热电集团有限公司,山东 济南 250000)摘要:在一台 58 MW 链条热水采暖锅炉上掺烧生物质成型燃料,分析低、中负荷下不同掺烧比例对炉膛温度、排烟温度、灰渣含碳量及污染物排放的影响。研究表明,掺烧时锅炉灰渣含碳量上升,热效率较燃煤运行时降低约 0.4%;随着锅炉负荷和掺烧比例上升,污染物排放波动增大,排放超标风险增加,因此应控制掺烧比例;通过掺烧生物质可替代部分煤炭,具有较好的社会效益和经济效益。关键词:链条锅炉;生物质;掺烧;NOx排放;热效率DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.0111 前言为应对复杂、紧张的能源形势,积极推行能源多样化,符合国家能源开发利用政策的要求 1。与煤炭相比,生物质具有零碳排放、污染物排放少等特点,被公认为最有应用潜力的可再生能源之一 2。然而,生物质具有发热量低、密度小,运输、储存不便,以及碱金属含量高、灰熔点低等特点,直燃时易出现受热面积灰、沾污和高温腐蚀,严重影响设备的可靠性、安全性和经济性 3。生物质与煤炭混烧是近年来逐渐兴起的一种生物质燃烧技术 4,将生物质与煤炭按一定比例掺混后送至燃烧设备中燃烧,克服了生物质直燃设备造价高、燃料受限和燃烧设备易腐蚀、烧结等问题,使低挥发分、高灰分的难燃煤种燃烧工况大大改善。文献 5表明掺烧木质类生物质比掺烧秸秆类生物质的 K、Na 等碱金属含量更低,腐蚀程度大幅减轻。根据文献 6 所述的工程设计经验,小比例掺烧时(输入热量占比低于 20%)原有设备主体结构不改变,可节约改造费用。通过生物质替代部分煤炭可缓解供热企业煤炭指标不足的问题;另外,掺烧的生物质燃料一般为农林废弃物,可增加农民收入,具有良好的社会效益和环境效益。链条炉有一百多年的历史,占在用燃煤工业锅炉总数的 90%以上 7。链条炉具有操作简单、可靠性高、启停方便等特点,在北方集中供热领域多炉型能源配置中起着重要的作用 8,9。在实际运行中,燃料对链条炉的燃烧具有非常重要的影响,不同燃料的燃烬时间各不相同,挥发分高的燃烬时间短;不同燃料的燃烧区、燃烬区位置也不同,高挥发分燃料的燃烧区域靠近前拱,一般根据燃料特性对风量进行分仓控制;链条炉的燃料种类对炉拱的要求各异,合理的炉拱设计可以实现燃料的充分燃烧,提高锅炉效率。煤在链条炉排上的燃烧是自上而下进行的,而且整个燃烧过程煤层基本处于稳定状态 10。煤炭种类、煤层厚度、炉排行进速度及配风等对燃烧具有重大影响。掺烧等同于变换煤种,通过在一台 58 MW 链条炉上进行生物质与煤混合掺烧,了解不同掺混比例下锅炉运行调整及烟气污染物的控制,为下一步27区域供热 2023.4 期改造积累经验。2 试烧试验概况2.1 试验材料锅炉燃料为陕西某煤矿生产的优质烟煤,生物质选用直径为 1012 mm、长度为4050 mm 的圆柱型压缩颗粒燃料,实验得到低位发热量为 3 425 kcal/kg。煤和生物质颗粒工业分析见表 1。表1 入炉煤和生物质工业分析燃料全水分/%挥发分/%固定碳/%灰分/%硫分/%低位热值/kcalkg-1煤9.627.651.010.90.44 948生物质颗粒6.661.915.519.50.13 4522.2 锅炉及附属环保设备本掺烧试验在 DZL58-1.6/130/70-A3的链条燃煤热水锅炉上进行,设计煤种为优质烟煤,该锅炉 2009 年投运,2018 年进行混煤分层给煤装置改造。送风机型号 LG405/1182BD,额定风量 11 万立方米/时,额定风压 1 824 Pa,配套 75 kW 变频电机。脱硝采用炉内还原脱硝(还原剂原料为尿素合成物)和炉后烟气氧化脱硝(原料臭氧)相结合的形式,烟气经布袋除尘、氧化镁湿法脱硫及湿式静电除尘,达标后通过烟囱排入大气。2.3 试验方法掺烧试验时间安排在采暖季末期(2 月11 日-2 月 15 日纯煤运行,2 月 16 日-3 月 9日进行不同比例掺烧试验,3 月 21 日-3 月22 日进行 24 h 的 100%生物质燃烧)。炉排行进速度和燃料层厚度分别由炉排驱动变频电机与闸板高度来控制,保证排渣时无明火。试验分 4 个工况,按不同掺烧比例进行试验(每个工况下,运行时间原则上不少于 48 h)。由于锅炉高负荷高比例掺烧时燃烧不稳定,污染物排放剧烈变化,故将工况二的煤与生物质体积混合比调整为 102.5。煤与生物质颗粒相比,无论是密度还是形状、大小等都有较大差异。在混烧过程中,两种不同物料的均匀混合具有一定难度,在给料系统输送及煤仓下落过程中存在一定程度的自然分层现象。混合不均匀易造成燃烧过程不稳定,不利于锅炉和环保设施的运行控制。本次试验燃料掺混是在煤场采用铲车进行配比混合(以下比例均是体积比。经标定,原煤堆积密度约为 0.76 t/m3,生物质颗粒堆积密度约为 0.59 t/m3),送入破碎系统后由皮带输送至炉前煤仓。试验时锅炉调整应使燃料保持一定的厚度(100 mm),由炉排行进速度和送风机变频开度来调整锅炉负荷,保持锅炉排烟处氧量 7%0.5%,炉膛负压2030 Pa,严禁正压运行。掺烧试验工况如表 2 所示。表2 掺烧试验工况负荷范围/MW试烧时间鼓风机变频开度/%掺烧比例(燃煤与生物质的体积比)工况一 30402 月 16 日-2 月 24 日3040101、102、103工况二 40502 月 25 日-3 月 2 日4050101、102、102.5工况三 30403 月 3 日-3 月 9 日3040101工况四 35403 月 21 日-3 月 22 日3040100%生物质3 试烧结果分析3.1 炉膛温度和排烟温度的影响在工况一和工况二下,随着掺烧比例的增加,炉膛温度均有一定程度的降低,主要是因为炉排上的生物质能快速燃烧,而煤炭中的固定碳燃烧需要充足的空气,足够高的温度和较长的时间。当掺烧比例超过 102 时燃烧剧烈波动,风量波动大,主要是因为生物质聚集的区域风阻小,出现明显“吹穿”现象,再加上生物质渣熔点低,容易使渣结成焦块,进一步恶化燃烧工况。工况三按 101 的比例掺烧,燃料厚度不变,随着锅炉负荷降低,炉膛温度明显上升,主要是因为负荷降低时风量降低,炉排速度降低,提升了炉膛温度。37区域供热 2023.4 期工况四全烧生物质的炉膛温度明显升高,平均达到 800,炉膛内火焰亮白耀眼,燃烧主要集中在前拱区域,火线前移至中间位置。随着锅炉负荷的增加,送风量和引风量增加,烟气流速加快,排烟温度升高。同一工况下,随着掺烧比例的增大,排烟温度略微升高。主要原因是生物质颗粒燃烧集中在前拱区域,而链条炉的送风特点决定了炉排该区前拱区域布风量不足,生物质析出的挥发分中未燃烬部分与过量的空气在炉膛上部混合燃烧,存在燃烧上移现象,炉膛出口温度上升。随着掺烧比例增大,燃烧上移现象越发明显,排烟温度继续升高;工况四全燃生物质时,负荷约为 35 MW,排烟温度上升到 160 以上。3.2 生物质掺烧期间的灰、渣含碳量变化整个 试 验 期 间,飞 灰 含 碳 量 维 持 在12%16%之间,渣含碳量在掺烧期间存在较大的波动。因刚掺烧时燃烧突然变化,运行调整幅度过大,燃烧不充分,再加上渣取样、制样和化验存在一定偏差,导致收集的数据出现一些奇点(数据失真),但不影响趋势。每个工况运行时间选择上不少于 48 h,在这个时间段里需要选择 24 h 稳定的工况为试验工况。对不同工况下的灰、渣取样分析,燃煤运行期间飞灰平均含碳量为 14.2%,渣平均含碳量为 11.5%。掺烧生物质期间的灰含碳量降至 13.2%,渣含碳量增至 16.1%。分析认为,生物质挥发分较高,燃烧集中在前拱区域;链条炉的配风设计使炉排燃烧极易形成低温结焦,已在排渣口证实,掺烧时使相对分散的渣粒黏连形成了较大的片状焦块,大小超过 10 cm。生物质颗粒与煤炭存在较大差异,无法完全均匀地掺混。生物质颗粒集中的区域空隙大、风阻小,导致炉排局部配风不均匀,造成部分煤炭未充分燃烧就被生物质低温焦包裹,致使渣中的含碳量升高。纯燃煤时,负荷调整通过控制燃料厚度和炉排电机行进速度来实现,负荷增加时,煤中未燃烬炭粒增加。在工况一中的 101 体积比掺烧时,由于配风调整的影响,造成火床拉长,燃烬效果较差。在工况三中的 101体积比稳定燃烧试验中,重点对配风进行优化调整,渣含碳量明显降低。随着锅炉负荷升高,掺烧后渣含碳量降低。由于锅炉自身存在缺陷,高负荷运行困难,试验主要在低负荷和中负荷进行。同一负荷下,随着掺烧比例的增加,渣含碳量也有所降低。这主要是因为掺烧比例上升时,炉排风阻降低,改善了燃烧条件,再加上生物质颗粒易于燃烬,燃烧后主要形成飞灰(草木灰)。3.3 生物质掺烧期间环保排放、环保单位耗量分析掺烧期间因掺烧不均匀,导致锅炉出口含氧量剧烈变化,NOx出现较大波动。按照山东省 DB 37/23742018 锅炉大气污染物排放标准 要求,为确保试验期间掺烧生物质时的排放达标(9%氧量的折算 NOx浓度低于100 mg/m3),同时进行炉内喷氨和烟气臭氧脱硝。生物质燃料中 N 元素含量偏高,燃烧时氮氧化物原始浓度升高,另外,炉内脱硝系统因炉膛温度波动易偏离高效反应区,导致排放浓度升高,烟气 NOx折算后超标。因此掺烧期间需同时进行炉内脱硝和烟气氧化脱硝,脱硝剂耗量增加。保持炉内脱硝剂喷量不变,炉后氧化脱硝使每吨燃料耗液氧增加15 kg 左 右。生 物 质 燃 料 含 硫 量 不 大 于0.1%,相对于燃煤的含硫量(0.5%)大幅降低,掺烧时未对 SO2排放产生明显影响。由于掺烧时间短,布袋收集的灰尘量和排放尘浓度未发现明显变化。3.4 掺烧总体效益分析掺烧时锅炉平均热效率较燃煤运行时平均降低约 0.4%,与燃煤相比,24 h 全燃生物质的热效率明显提高,主要原因是灰渣含碳量低于 3%,生物质燃烬率高。掺烧生物质面47区域供热 2023.4 期临的突出问题是灰渣含碳量较高,通过提升燃料混合的均匀性及合理配风可降低灰渣含碳量,提高锅炉热效率。掺烧试验期间该炉共消耗生物质颗粒燃料 500 t,生物质颗粒采购含税价约 840 元/吨(折 0.24 元/千卡),同期煤炭采购含税价1 440 元/吨(折合 0.28 元/千卡),与燃煤相比,氮氧化物控制成本增加约 1.5 元/吉焦,燃料成本节约 12 元/吉焦。该锅炉采暖季消耗约 2万吨原煤,产热 30 万吉焦,若煤与生物质按照 101 的体积比掺烧,每个采暖季可减少煤炭消耗 1 500 t,节约直接生产成本约 30万元。4 结论本次掺烧试验最高掺烧比例为 102.5(折合生物质质量占比 16%),共计掺烧了 500 t 生物质燃料,锅炉总体运行稳定,达到了预期目的。掺混比例对炉膛温度、排烟温度、NOx排放及灰渣含碳量均有一定的影响。总体来看,掺烧时灰渣含碳量上升,锅炉热效率降低;随着锅炉负荷升高和掺烧生物质的比例上升,污染物排放波动增大,环保超标风险增加。因此,掺烧生物质比例不宜过大,以免造成氮氧化物等污染物排放超标,或环保处置费用增加。掺烧生物质可替代煤炭,减少碳排放。根据生物质市场变化适时储存,可减轻企业负担。采购农林废弃物,可增加农民额外收入,因此掺烧具有较好的社会效益和经济效益。对企业而言,可降低燃料成本,提升掺烧效益。经调研,生物质的选择应以果木条段、碎木片、菌包等散料或半散料为宜。参考文献 1袁惊柱,朱彤.生物质能利用技术与政策研究综述 J.中国能源,2018,40(6):16-20.2蒲舸,张力,辛明道.王草的热解与燃烧特性实验研究 J.中国电机工程学报,2006,26(11):65-69.3骆仲泱,陈晨,余春江.生物质直燃发电锅炉受热面沉积和高温腐蚀研究进展 J.燃烧科学与技术,2014,20(3):189-198.4谭厚章,刘洋,王学斌,等.生物质成型燃料规模化掺烧技术及应用分析 J.洁净煤技术,2021,27(S2):272-277.5王泉海,唐秀能,张现晨,等.流化床中煤与木屑混烧污染物排放试验研究 J.工程热物理学报,2014,35(3):618-621.6周国忠.生物质发电存在的问题及探讨 J.科技视界,2017(9):242-243.7刘建航.我国燃煤工业锅炉现状及分析 J.洁净煤技术,2017,4(7):107-113.8刘小颖,安恩科.多炉型能源站的配置及运行优化 J.工业锅炉,2019(2):50-55+58.9王启民,杨海瑞,杨石,等.链条炉试烧稻壳成型颗粒的研究 J.生物质化学工程,2014,5(43):35-38.10徐华东.层燃锅炉燃烧特性及低 NOx燃烧机理的实验研究 D.上海:上海交通大学,2001.57区域供热 2023.4 期