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王愛軍，韓偉哲，武藝超，劉昊明，張小桃
（華北水利水電大學能源與動力工程學院，河南鄭州450045）
摘要：為分析煤粉爐摻燒生物質氣對耦合鍋爐運行性能的影響，基于660MWe燃煤鍋爐和30t/h生物質氣化爐，搭建生物質氣化耦合燃煤鍋爐系統模型。在額定工況下，選取松木、木屑、污泥3種生物質，研究氣化過程；并將最佳氣化條件下得到的生物質氣引入鍋爐進行混合燃燒，研究不同生物質氣對鍋爐運行及燃燒產物的影響規律。結果表明，生物質氣化熱效率在最佳空燃比下均可達90%以上。與純煤燃燒工況相比，耦合工況的爐膛燃燒溫度均有所下降，最高下降9.43℃；生物質氣摻燒使鍋爐效率略下降，而耦合系統的生物質利用效率均可達84%以上；且耦合燃燒減少了CO2排放量，其中松木氣摻燒時CO2減排量最大，為2.62×105t/a。耦合系統中NOx生成量與爐膛燃燒溫度和生物質氣中CH4含量明顯相關，其中木屑氣耦合燃燒生成的NOx質量濃度下降最多，為167.16mg/m³；而SOx生成與生物質成分密切相關，其中松木氣耦合燃燒生成的SOx質量濃度最低，相比純煤燃燒下降330.22mg/m³（標況下）。
0引言
隨著我國經濟快速增長，各項建設取得重大成就，但經濟發展與環境矛盾日益突出。其中，燃煤電廠排放的NOx和SOx會造成大氣污染，是PM2.5的主要來源之一[1]。因此，為保護大氣環境，我國相繼出臺了一系列法律法規對工業企業污染物排放進行管理。溫室氣體造成的全球變暖問題越來越受到重視。我國在第七十五屆聯合國大會承諾力爭2030年前實現碳排放達峰，2060年前實現碳中和。而我國經濟發展和能源消費仍處于上升階段，燃煤發電占比較大，2021年燃煤發電量占比為62.6%。實行綠色低碳技術，控制CO2排放任務艱巨。
生物質作為一種清潔零碳排放的可再生能源，替代一部分煤在鍋爐爐膛燃燒用于發電，不僅可減少碳排放，為實現碳達峰碳中和目標提供一種途徑，同時在耦合燃燒過程中形成的污染物NOx、SOx更少[2]，有利于煤的潔凈燃燒，環境效益更好。FOUAD等[3-4]分別采用敏感性分析與技術性評估方法，對生物質在美國、歐洲、日本等燃煤電廠的應用可行性進行評估，從技術、經濟與環境3方面證明耦合燃燒的可行性。
生物質可采用直接耦合方式在煤粉爐內燃燒。RUBEN等[5]以松木為研究對象進行模擬研究，結果表明生物質與煤在較低比例下摻燒，能有效改善燃料的燃燒過程和鍋爐性能。但生物質在燃煤鍋爐中燃燒時，爐膛燃燒溫度降低。楊臥龍等[6-7]對燃煤與生物質直接混燒技術進行系統綜述，詳細介紹了該技術的應用及發展水平、國外工程及政策激勵經驗、存在的技術問題及解決措施，并分析了其在我國的發展障礙和前景。李少華等[8]研究了某350MW熱電聯產機組，證明燃煤機組耦合生物質直燃發電技術在機組效率、投資運行成本等方面均具有明顯優勢，是目前較合適的燃煤機組碳減排及生物質能利用方式。上述相關研究表明，燃煤鍋爐耦合生物質燃燒在政策、經濟和技術上可行。
直接耦合燃燒方式會帶來鍋爐運行及易結渣等問題。JULIAN等[9]發現生物質摻燒量增大會引起過熱器溫度大幅變化。劉家利等[10]闡明了大型煤粉電站鍋爐摻燒生物質時，生物質成分、灰熔融溫度和堿性氧化物對鍋爐結渣、沾污和腐蝕等影響。張曉航[11]對秸稈和燃煤混合燃燒的積灰結渣性進行分析，并獲得不同秸稈含量下積灰結渣傾向性參數。
生物質與燃煤鍋爐可采用間接耦合方式運行。通過氣化裝置對生物質進行氣化處理，再將氣化獲得的生物質氣通入燃煤鍋爐與煤粉混合燃燒，實現生物質氣化與燃煤鍋爐的間接耦合[12-13]。KALISI等[14]研究了生物質氣化后間接與煤粉耦合燃燒過程，認為與生物質、煤粉直接共燃相比，間接耦合對煤粉鍋爐的影響較小。吳國強等[15]對生物質氣化裝置耦合燃煤鍋爐系統進行分析，發現生物質氣化耦合發電對鍋爐燃燒安全性能及正常運行影響較小。
農業廢棄物是生物質主要來源之一。IDOWU等[16]以農業廢棄物為生物質原料，得到了生物質含水率和生物質氣熱值之間的關系。金亮等[17]、趙京等[18]對生物質的氣化過程進行研究并獲得了最高氣化效率參數。王一坤等[19]研究了摻燒生物質氣對燃煤耦合生物質發電機組運行參數的影響，發現摻燒生物質氣會導致理論燃燒溫度降低、鍋爐熱效率下降。徐皓鵬等[20]研究了稻殼、麥稈和稻稈混合原料氣化氣與煤粉混燃對鍋爐燃燒特性及污染物生成特性的影響。結果表明混燃生物質氣可顯著降低鍋爐污染物排放。
生物質種類、氣化方式、條件以及耦合混燃比不同時，對鍋爐運行參數、污染物生成的影響存在差異。筆者選用我國北方特有的林業廢棄物松木、木屑和城市污泥為原料，進行間接耦合燃燒對比研究，分析不同特性生物質對鍋爐運行性能、碳減排和污染物減排效果的影響。選取國產660MWe燃煤鍋爐，氣化爐處理生物質能力為30t/h，采用空氣氣化。利用Aspen Plus軟件對生物質氣化過程、生物質氣耦合燃煤鍋爐燃燒過程進行模擬。以純煤燃燒工況為基礎，分析不同種類的生物質氣摻燒對爐膛燃燒溫度、排煙溫度、煙氣成分以及污染物排放的影響。分析耦合燃燒工況下運行參數的變化規律，得到最佳的運行條件，為耦合燃燒提供理論支持。
1生物質氣化與燃煤鍋爐耦合過程分析與模擬
生物質氣化與燃煤鍋爐耦合過程包括生物質氣化過程和生物質氣與煤粉耦合燃燒過程，如圖1所示。生物質經干燥、裂解，在缺氧條件下進行氧化還原反應，最后生成可燃生物質氣。生物質氣在分離器中與生物質灰分離后，進入冷卻器降溫至450℃左右，然后進入爐膛與煤粉一起發生燃燒反應，生成的煙氣經過鍋爐尾部受熱面如過熱器、再熱器、省煤器與空氣預熱器后排到大氣。運用化工軟件Aspen Plus對生物質氣耦合燃煤系統搭建模型。鍋爐尾部受熱面的換熱過程由3個換熱模塊（HEATER）與2個混合模塊（MIX）構成。換熱模塊HEATER用于模擬過熱器、再熱器、省煤器與水或水蒸氣之間的換熱過程；氣化過程和鍋爐爐膛燃燒過程利用RGIBBS模塊，此模塊基于化學平衡和相平衡原理，用于固體氣化和燃燒過程的仿真研究[21-22]。
1.1耦合系統性能指標
生物質氣化耦合燃煤鍋爐系統，一方面，利用原有大型燃煤發電機組效率高的特性，可提高生物質利用效率；另一方面，生物質氣摻燒會影響鍋爐運行，需分析生物質氣摻燒后鍋爐的運行性能指標及燃燒產物變化規律。
1.2耦合系統燃燒產物的生成機理
由于生物質氣代替了部分煤粉，而生物質被認為是零排放，根據燃煤減少量，可進一步估算CO2減排量M（CO2），計算公式為
燃料燃燒后生成的污染物NOx包括NO、N2O、和NO2等，主要由空氣中的N2和燃料中的N與O2發生氧化反應生成，其生成濃度與燃料、燃燒氣體含氮量和燃燒溫度等密切相關。首先，生物質的氮含量較低，代替煤可減少燃料型NOx的生成。其次，燃燒溫度大于1400℃時，NOx濃度迅速升高，降低燃燒溫度能有效減少NOx生成，而燃煤鍋爐耦合生物質氣燃燒通常會降低爐膛溫度，從而減少NOx的生成量。另一方面，生物質氣化氣中含焦油和CH4等，具有脫硝作用[23]，能將NO還原為N2，進一步減少煙氣中的NOx。SOx生成機理：燃料中硫元素氧化為SO2，SO2在高溫與O2充足情況下進一步氧化為SO3。生物質中硫元素含量較低，生物質代替煤可降低煙氣中SO3。
通過Aspen模擬完成生物質氣與燃煤耦合摻燒。排煙出口處，可得到煙氣中污染物體積分數及煙氣體積流量。根據火電廠大氣污染排放標準，污染物生成質量濃度C為
1.3耦合燃燒過程模擬
采用30t/h循環流化床爐，基本運行參數為：生物質和氣化空氣的溫度與壓力均設定為25℃和101kPa，冷卻器出口溫度為450℃。選取某超臨界660MWe鍋爐為研究對象，固定好660MWe鍋爐受熱面后進行校核計算。鍋爐運行基本參數：過熱蒸汽流量為1968600kg/h；再熱蒸汽流量為1653100kg/h；過熱蒸汽壓力為29.3MPa；鍋爐計算熱效率為94.3%。生物質氣化采用3種生物質，即松木、木屑、污泥[24-25]。燃煤選取義馬煙煤[26]，3種生物質及義馬煙煤的工業分析及元素分析見表1。最佳空燃比下3種生物質氣的特性參數見表2。
2結果分析
2.1生物質氣化性能
氣化過程的空燃比為0.7~2.2，通過軟件模擬和計算得到松木、木屑和污泥3種生物質的氣化熱效率隨空燃比變化曲線，如圖2所示。
由圖2可知，3種生物質的氣化熱效率變化規律大致相同，隨空燃比增加先增大后減小。因生物質中元素含量不同，最佳空燃比也有差異。空燃比達1.3時，木屑氣化熱效率最大，為91.56%；空燃比達1.9時，松木氣化熱效率最大，為93.05%；空燃比達2.0時，污泥氣化熱效率最大，為91.58%。
3種生物質最佳空燃比下，生物質氣特性參數見表2，可知由于污泥中N元素含量高于松木和木屑，因此生物質氣氣體成分中，污泥氣中N2含量高于松木氣和木屑氣。木屑氣中CH4含量高于松木氣和污泥氣。松木氣氣體產率最高，為2.70m³/kg（標況下）。
2.2生物質氣耦合燃煤鍋爐運行性能
生物質質量流量均為30t/h，爐膛過量空氣系數設定為1.1。在此情況下模擬生物質氣與煤粉耦合燃燒過程，分析鍋爐性能參數的變化，結果見表3。工況1為純煤燃燒，工況2為松木氣摻燒，工況3為木屑氣摻燒，工況4為污泥氣摻燒。
由表3可知，3種生物質氣按照熱量計算的摻燒比例分別為8.89%、6.19%、8.24%，因木屑氣低位熱值和氣體產率低于松木氣和污泥氣，所以木屑氣摻燒比在三者中最低。與純煤燃燒工況相比，生物質氣摻燒時爐膛燃燒溫度低于純煤燃燒，結合表2中木屑氣中H2O體積分數高于松木氣和污泥氣中H2O體積分數，因此木屑氣摻燒的爐膛溫度降值最大，為9.43℃。松木氣摻燒和木屑氣摻燒的排煙溫度相比純煤燃燒分別上升了0.75、2.67℃；而污泥氣摻燒排煙溫度下降0.36℃。與純煤工況相比，松木氣摻燒和木屑氣摻燒的排煙體積有所上升，所以松木氣摻燒和木屑氣摻燒的鍋爐熱效率略下降，但耦合系統中生物質利用系統效率均可達84%以上。其中松木氣的氣體產率在三者中最高，利用效率最大，為85.61%。
2.3生物質氣耦合燃煤鍋爐產物
生物質氣耦合燃煤鍋爐，煙氣成分主要包括H2O、O2、CO2及污染物NOx、SOx。生物質氣摻燒與純煤燃燒中H2O、O2、CO2等主要煙氣成分對比如圖3所示。
由圖3可知，3種生物質氣摻燒和純煤燃燒相比，H2O、O2、CO2體積成分相差不大，分別占比8.0%、4.7%、13.3%。CO2是造成全球變暖的主要溫室氣體，通過生物質氣摻燒可大大降低CO2排放量。CO2由煤和生物質中的碳氧化形成，由于生物質的可再生特性，其產生的碳可視為零。其中松木氣熱值和氣體產率最大，因此松木氣耦合摻燒減排CO2效果最好。年利用時間按5000h計算，松木氣摻燒可減排CO2約2.62×105t/a，木屑氣摻燒可降低CO2排放1.87×105t/a，污泥氣摻燒可降低CO2排放2.33×105t/a，效果可觀。
生物質氣摻燒和純煤燃燒生成的污染物體積分數對比見表4。
生物質氣摻燒和純煤燃燒生成的NOx中，主要成分為NO，占比約99.94%。相比純煤燃燒，生物質氣摻燒生成的NOx濃度均有所下降。木屑氣摻燒的NOx生成濃度最低，相比純煤燃燒減少167.16mg/m³。煤粉爐中NOx的來源主要為燃料型NOx[27]，其次為熱力型NOx。燃料型NOx生成濃度與燃煤消耗和煤中N元素含量有關。由于生物質氣代替一部分燃煤燃燒，因此燃料型NOx生成量降低；而生物質中N元素在氣化中轉化為NOx的含量極少，由此引入NOx含量可忽略不計。且在生物質氣和煤混合燃燒過程中，NOx會與生物質氣中還原性氣體CH4、H2與CO反應，被進一步還原為N2[28-29]，從而使生成的NOx進一步減少。另一方面生物質氣摻燒會引起爐膛溫度不同程度降低，溫度大于1800K時，NOx生成與爐膛燃燒溫度有較強正相關性。對比4種不同工況的爐膛燃燒溫度，爐膛燃燒溫度越低，NOx含量越低，這與熱力型NOx生成機理一致。
SOx主要成分為SO2，因SO2需在高溫和O2充足情況下才能進一步氧化為SO3。因此，燃燒過程中因O2含量低導致生成的SO3含量相較SO2極小。相比純煤燃燒，松木氣和木屑氣摻燒生成的SOx體積分數有所下降，但污泥氣摻燒生成的SOx濃度無明顯變化。燃料中硫的析出受溫度、氣氛、停留時間、加熱速度、燃料特性等因素影響，其中溫度對硫析出的影響最顯著。爐膛溫度達1000℃時硫的析出率達90%左右。因此煙氣中SO2生成量與燃料中S元素含量和燃料耗量有直接關系。煤中硫含量較高，松木和木屑中硫含量接近0，而污泥中S元素含量比煤中略低。因此，松木氣摻燒生成的SOx質量濃度下降最多，約330.22mg/m³。
3結論
1）生物質種類不同，最佳空燃比不同。在最佳空燃比的氣化條件下，松木氣化熱效率達93.05%，在3種生物質中最高。
2）生物質氣化與煤粉耦合燃燒，對鍋爐效率影響較小。對比3種生物質氣耦合燃燒性能，發現鍋爐效率均略下降，但耦合系統中生物質利用系統效率均達84%以上。松木氣利用效率最大，為85.61%。
3）利用生物質氣與煤粉耦合燃燒可降低污染物NOx、SOx氣體生成量，減少溫室氣體CO2排放量。在松木氣、木屑氣、污泥氣摻燒耦合中，松木氣與煤粉摻燒對SOx、CO2減排效果較顯著。木屑氣與煤粉摻燒對污染物NOx的減排效果最顯著。
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