李鵬

（江蘇華美熱電有限公司，江蘇徐州221141）

　　摘要：結(jié)合生物質(zhì)燃料發(fā)電主要污染物的生成機(jī)理，分析了生物質(zhì)摻燒后對350MW超臨界循環(huán)流化床的煙氣主要污染物排放的影響。結(jié)果表明，煙塵、SO₂、NO_x、二噁英的生成量相對于直燃鍋爐將有一定程度降低，350MW超臨界循環(huán)流化床生物質(zhì)混燃技術(shù)是解決直燃鍋爐無法達(dá)到超低排放的有效途徑。

　　0引言

　　2016年10月，國家能源局出臺了《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，該規(guī)劃指出，到2020年用于生物質(zhì)發(fā)電新增投資約400億元，生物質(zhì)直燃發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)700萬kW。生物質(zhì)發(fā)電具有很高的研究價(jià)值，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

　　盡管生物質(zhì)直燃電廠迅猛發(fā)展，但制約發(fā)展的瓶頸也較為顯著。生物質(zhì)鍋爐參數(shù)普遍較低，單純靠生物質(zhì)直燃技術(shù)很難將蒸汽參數(shù)提高。另外，生物質(zhì)鍋爐整體熱效率低^[1]，發(fā)電成本高[2]，季節(jié)性影響較大、制造成本高，煙氣污染物排放高，NO_x難于實(shí)現(xiàn)超低排放^[3-4]。基于以上的各種困難，循環(huán)流化床生物質(zhì)混燃技術(shù)悄然興起，利用原有的循環(huán)流化床進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料與煤炭的寬范圍內(nèi)摻燒^[5]，這種技術(shù)可以彌補(bǔ)生物質(zhì)直燃鍋爐存在的短板，成為生物質(zhì)發(fā)電的首選。以350MW超臨界CFB鍋爐為例，對生物質(zhì)混燃技術(shù)對煙氣污染物的排放影響進(jìn)行分析，為摻燒生物質(zhì)的CFB鍋爐改造提供參考。

　　1生物質(zhì)燃料成分分析

　　國內(nèi)某電力集團(tuán)對常見的生物質(zhì)燃料進(jìn)行元素分析，見表1，可以看出，N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.51%~0.93%，與350MW超臨界循環(huán)流化床設(shè)計(jì)煤種接近（0.61%~0.81%）；S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%~0.2%，低于設(shè)計(jì)煤種（一般在0.5%~1.0%）；灰分較低，在10%以下。

　　從表1數(shù)據(jù)可以得出，摻燒生物質(zhì)燃料，能夠降低流化床鍋爐SO₂排放濃度，可以與高硫煤摻燒，維持在適當(dāng)?shù)腟O₂排放水平。國內(nèi)外生物質(zhì)鍋爐煙氣污染物測試發(fā)現(xiàn)，SO₂排放濃度較低。丹麥對100MW燃用秸稈（硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.3%）的鍋爐進(jìn)行48h煙氣監(jiān)測^[6-7]，某些時(shí)段SO₂最高排放濃度為200mg／m³；國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局對國內(nèi)某鍋爐廠生產(chǎn)的130t／h生物質(zhì)直燃CFB煙氣污染物進(jìn)行檢測^[8]，SO₂排放僅為107.8mg／m³，遠(yuǎn)低于燃煤流化床鍋爐的排放水平（硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，質(zhì)量濃度2000mg／m³）。

　　生物質(zhì)燃料的灰分較低，流化床燃用的煤種灰分一般在20%以上，目前350MW超臨界CFB鍋爐普遍加裝了濕式電除塵，煙氣中粉塵質(zhì)量濃度可以控制在5mg／m³以下，摻燒生物質(zhì)燃料對煙氣中的粉塵濃度影響不大^[9]。

　　下面主要對煙氣中NO_x以及二噁英的排放影響進(jìn)行詳細(xì)論述。

　　2生物質(zhì)燃料摻燒對NO_x生成量的影響

　　國內(nèi)的研究表明，生物質(zhì)燃料燃燒后產(chǎn)生的焦炭，對NO_x具有還原作用，使其部分還原為N₂，從而降低了NO_x排放濃度^[10]。

　　國內(nèi)某電廠進(jìn)行了260t／h循環(huán)流化床鍋爐秸稈的混燒試驗(yàn)^[11]，試驗(yàn)結(jié)果見表2，結(jié)果顯示，隨著秸稈混燒比例的增加，NO_x的濃度變化略有降低。

　　350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐與常規(guī)流化床相比，具有更大的還原區(qū)，因?yàn)槠洳捎昧烁呶欢物L(fēng)技術(shù)，即加大上下二次風(fēng)的距離，下二次風(fēng)標(biāo)高12.5m，較常規(guī)流化床提高1.5m，上下二次風(fēng)高度差8m，較常規(guī)流化床加高4m，擴(kuò)大了還原性氣氛區(qū)域范圍，獲得了較低且均勻的床溫分布，對于降低NO_x生成量具有較大的促進(jìn)作用。

　　高位二次風(fēng)技術(shù)是低氮燃燒近零排放技術(shù)的核心。國內(nèi)某鍋爐廠在半工業(yè)3MW熱態(tài)試驗(yàn)臺上根據(jù)相似模化方法，對多種燃料在不同二次風(fēng)噴入位置條件下的NO_x排放特性和燃燒特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體模擬結(jié)果見圖1，獲得二次風(fēng)位置對不同煤種抑制NO_x生成的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)通過一定程度的拉抬上二次風(fēng)口位置，可使下爐膛還原性氣氛覆蓋范圍更廣，能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步深度抑制NO_x的生成，并可增加二次風(fēng)穿透性，在抑制NO_x生成的同時(shí)，兼顧燃料燃盡，從而起到通過高位二次風(fēng)對氧量控制的目的。

　　另外，高位二次風(fēng)設(shè)計(jì)對氣固兩相流的擾動(dòng)加強(qiáng)，提高了爐內(nèi)的燃燒均勻性，改善了后墻布置旋風(fēng)分離器造成的物料貼壁效應(yīng)，爐內(nèi)床溫均勻性提高，如圖2所示，常規(guī)二次風(fēng)與高位二次風(fēng)鍋爐爐內(nèi)溫度分布模擬，從分布圖可以看出，爐內(nèi)物料進(jìn)入稀相區(qū)開始，溫度場趨于均勻，較大改變了基礎(chǔ)性工況時(shí)的溫度偏差。較低且均勻的床溫分布，有利于控制NO_x的初始排放。

　　基于上述分析，生物質(zhì)燃料摻燒，對350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐NO_x排放的影響不大，物料的入口位置需選擇給煤口附近，將燃燒反應(yīng)區(qū)段控制在還原區(qū)內(nèi)，有利于進(jìn)一步降低其NO_x原始排放量。

　　3生物質(zhì)燃料摻燒對二噁英生成量的影響

　　2014年我國開始實(shí)施GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，新標(biāo)準(zhǔn)將二噁英類排放限值由2001年的1ng／m³收緊至0.1ng／m³。生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時(shí)有必要考慮二噁英排放問題。

　　二噁英的生成的主要原因是燃燒不均勻，其生成三要素^[12-13]（3T）是：燃燒溫度（Temperature）、停留時(shí)間（Time）和湍流度（Turbulence）。350～500℃的溫度是產(chǎn)生二噁英的最佳溫度區(qū)間。另外，含氯有機(jī)物等二噁英類前體物生成的二噁英，在煙氣溫度高于800℃的爐膛內(nèi)停留時(shí)間達(dá)到2s以上時(shí)，99.9％的二噁英會(huì)被分解。

　　350MW超臨界循環(huán)流化床床溫較低，并且異常均勻，溫度偏差在20℃以內(nèi)，燃燒室平均溫度控制在850~880℃，采用超高爐膛設(shè)計(jì)，爐膛凈高超過50m，煙氣在爐膛中停留時(shí)間在5s以上，循環(huán)物料經(jīng)過高位二次風(fēng)的整理作用，湍流度下降，因此循環(huán)流化床爐內(nèi)環(huán)境促進(jìn)二噁英的完全分解，爐膛出口含量極低。

　　研究表明，當(dāng)溫度在250～450℃時(shí)，二噁英會(huì)進(jìn)行再合成，在低溫（200℃以下）以固態(tài)的形式吸附在粉塵表面^[14]，噴水降溫能大大減少煙氣中二噁英。

　　350MW循環(huán)流化床鍋爐采用布袋除塵器+濕式電除塵的超低排放除塵系統(tǒng)，出口煙氣粉塵質(zhì)量濃度低于5mg／m³，可大大降低粉塵中的二噁英含量，特別是濕式電除塵這種水膜除塵裝置，脫除二噁英的效率在85%以上，大大降低煙氣中二噁英的濃度^[15]。煙氣后處理設(shè)施采用濕法脫硫工藝，可將煙氣溫度迅速降低到40℃以下，可高效脫除煙氣中的二噁英^[16]。

　　因此，相對于生物質(zhì)直燃循環(huán)流化床鍋爐，350MW超臨界CFB鍋爐的爐內(nèi)燃燒環(huán)境更適合去除生物質(zhì)燃料中的二噁英，降低爐膛出口原始排放，加之超凈排放除塵設(shè)施對于煙塵的捕捉，以及濕法脫硫設(shè)施的降溫作用，進(jìn)一步脫除后期合成的二噁英。

　　4結(jié)語

　　350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的某些特性，比常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐得到較大提升，如高位二次風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，可以在不加裝SNCR及SCR的前提下實(shí)現(xiàn)NO_x超低排放，把流化床鍋爐的低氮燃燒技術(shù)發(fā)展到極致；燃燒均勻、平均床溫低、溫差小等特點(diǎn)對NO_x、二噁英的排放起到很好的抑制作用；煙塵、脫硫的超低排放設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)煙氣粉塵質(zhì)量濃度5mg／m³以下、SO₂質(zhì)量濃度在35mg／m³以下。

　　這些特性為生物質(zhì)燃料摻燒創(chuàng)造了很好的條件，通過選擇合適的給入口，匹配摻燒比例，可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料發(fā)電的重大突破。350MW超臨界循環(huán)流化床生物質(zhì)混燃技術(shù)是解決直燃鍋爐無法達(dá)到超低排放的有效途徑。

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