循环流化床锅炉生物质掺烧试验研究

陈 拓， 李德波， 曾庭华， 周杰联， 冯永新， 廖宏楷， 张谓添

(广东电科院能源技术有限责任公司， 广州 510080)

燃煤电厂耦合生物质发电是实现燃煤电厂向低碳转型、更大幅度降低CO2排放的重要发展方向。国家能源局和生态环境部于2018年6月28日批准全国84个燃煤电厂耦合生物质发电的试点项目，包括300 MW亚临界燃煤电厂至1 000 MW超超临界燃煤电厂，预示着我国燃煤电厂将开始在较大范围内进行生物质耦合发电改造工作。

国内一些研究者开展了有关煤与生物质掺烧的研究。王华山等[1]利用综合热分析仪，对煤和生物质掺烧的燃烧过程及特性进行了研究。王一坤等[2]对生物质气化耦合发电提升燃煤机组灵活性进行了研究，以某330 MW机组配合建设20 MW生物质气化耦合发电机组为例，分析了生物质气化耦合发电对燃煤机组锅炉效率、受热面安全、催化剂性能和烟气脱硫系统的影响。张超等[3]对无烟煤掺烧生物质的燃烧产物排放特性进行了研究，分析了炉膛温度、混合比例等参数对燃烧产物排放的影响。陈海平等[4]选用稻草、木屑和谷壳为生物质原料，分析计算了不同生物质掺烧质量分数对锅炉性能的影响，结果表明燃煤机组掺烧生物质容易造成锅炉主燃烧区结渣、受热面腐蚀、锅炉效率降低，生物质的掺混比例和燃料特性对锅炉运行的安全经济性影响显著。胡云鹏等[5]对生物质与煤掺烧的灰熔融特性进行了研究，结果表明生物质的加入在一定程度上降低了煤的灰熔点，在低配比范围内随着生物质添加量的增多，掺混煤的灰熔点逐渐降低。潘升全等[6]对某300 MW燃煤机组掺烧生物质进行了试验研究，利用已有磨煤机对生物质进行粉碎并送入锅炉燃烧，并研究了生物质掺烧对煤粉炉燃烧特性的影响，结果表明采用辊式磨煤机的直吹式制粉系统可用于生物质的破碎和输送，生物质燃烧器喷口火焰稳定，NOx和SO2排放量降低，在试验掺烧量范围内，生物质掺烧不会影响电厂飞灰在建筑行业的正常使用。徐金苗等[7]对生物质混燃技术造成煤粉炉存在的潜在风险进行了研究。李德波等[8-9]对燃煤电厂掺烧污泥现场优化试验进行了研究，尤其在锅炉效率、环保方面开展了研究，评估了燃煤电厂污泥掺烧对锅炉和环保系统影响。

笔者针对某电厂50 MW循环流化床锅炉生物质掺烧开展了现场试验研究，主要研究了不同生物质掺烧质量分数对锅炉效率及NOx、SO2和粉尘排放量的影响规律，并评估了燃煤电厂开展生物质掺烧对锅炉效率和环保影响。

1 锅炉设备

表1为锅炉设计燃料分析特性。

表1 锅炉设计燃料分析特性

某电厂安装 2 台N60-8.83/535型凝汽式汽轮机和2台QF-60-2-10.5型空冷发电机，配2台DG-260/9.81-3型循环流化床锅炉，该锅炉为单汽包、自然循环、平衡通风、半露天布置，燃用贫煤。

该电厂生物质燃料来源主要有：(1)农作剩余物，如稻杆、谷壳、花生梗、花生壳、烟梗、桑梗、玉米、甘蔗渣、药渣；(2)林业剩余物，如竹片、竹糠、树头尾(柴火)、树枝、树皮、木糠、杂灌；(3)城市剩余物，如建筑模板、家具料、城市绿化料。生物质燃料成分分析见表2(试样化验指标)，表2中平均值为质量加权平均值。

表2 生物质燃料成分分析

生物质燃料在入炉前必须破碎，破碎后要求颗粒直径≤10 mm。水分含量必须满足锅炉燃烧要求，以使锅炉高效运行。该锅炉按设计燃料水分含量进行设计和校核，如果生物质燃料的水分含量等参数偏离设计数据，则锅炉的性能将受影响，锅炉效率会降低。为确保锅炉经济、安全地运行，生物质燃料的w(Mar)宜控制在0%～25%，燃料中不能含有燃烧时对锅炉产生腐蚀及影响排放指标的任何工业异物。

破碎合格后的生物质燃料，通过输料皮带运至炉前料仓。每台锅炉设1个料仓，每个料仓的有效容积为69 m3。每个料仓内配活化拨料器，设有2台螺旋取料机。生物质燃料通过活化拨料器松散后落到料仓螺旋取料机上，经轴向输送后落入带式输送机经过输送后，通过落料管进入炉前无轴螺旋给料机，接着通过落煤管进入炉膛燃烧，料仓螺旋取料机采用变频电动机驱动。

2 结果与分析

现场试验采用GB 10184—2015《电站锅炉性能试验规程》中的方法开展现场试验。在机组负荷分别为60 MW、50 MW时，对生物质掺烧质量分数(生物质质量占总燃料质量的比)为0%、15%、30%、45%的条件下开展掺烧，对锅炉效率和环保指标进行测量。

2.1 生物质掺烧燃料特性

2.1.1 燃料特性分析

表3为不同生物质掺烧质量分数下燃料成分变化的规律。

表3 不同生物质掺烧质量分数下煤质成分变化规律

由表3可得：随着生物质掺烧质量分数的增加，燃料的低位发热量逐渐降低，w(Car)逐渐增加，w(Aar)逐渐减少，w(Nar)逐渐增加，主要原因是生物质的w(Aar)很低，只有3.36%，w(Car)为47.76%，高于煤矸石，但是水分含量高使低位发热量低，w(Nar)为0.92%，w(Sar)比较低(0.18%)。掺烧生物质可以有效降低燃料的硫分含量和灰分含量。

2.1.2 煤矸石颗粒度分析

试验期间对煤矸石颗粒度进行多次取样分析，试验分析结果见表4。

表4 煤矸石颗粒度分析结果

2.2 生物质掺烧的影响

笔者所考察的NOx、SO2及粉尘的质量浓度均为标准状态下、O2体积分数为6%时的修正值。采用网格法，共设置4个测孔，每个测孔沿深度方向每隔60 cm有1个测点，每个测孔有3个测点。将烟囱入口烟道的NOx、SO2及粉尘的质量浓度作为NOx、SO2及粉尘的排放质量浓度。

2.2.1 对NOx排放的影响

在烟囱入口烟道测量NOx质量浓度，对表盘测点进行标定，得到的试验数据见表5。由表5可知：测试期间实测NOx平均质量浓度为152.3 mg/m3。表盘NOx平均质量浓度为151.7 mg/m3， 两者相差0.6 mg/m3，因此表盘NOx质量浓度可以代表实测NOx质量浓度。

表5 NOx排放质量浓度的测量值 mg/m3

该电厂执行的标准为NOx排放质量浓度小于200 mg/m3，由于循环流化床锅炉能有效抑制燃烧过程中NOx的生成满足现执行排放标准，因此没有加装脱硝装置。各生物质掺烧质量分数和机组负荷条件下，NOx排放质量浓度见表6。

表6 不同条件下NOx排放质量浓度

由表6可知：随着生物质掺烧质量分数的增加，NOx排放质量浓度有明显下降的趋势，在60 MW时，掺烧质量分数为45%相比于不掺烧生物质，NOx排放质量浓度下降65.1 mg/m3。

2.2.2 对SO2排放的影响

在烟囱入口烟道测量SO2质量浓度，对表盘测点进行标定，得到的试验数据见表7。

表7 SO2排放质量浓度的测量值 mg/m3

由表7可知：测试期间实测SO2平均质量浓度为61.1 mg/m3。表盘SO2平均质量浓度为62.8 mg/m3，两者相差1.7 mg/m3，因此表盘SO2质量浓度可以代表实测SO2质量浓度。

该电厂执行的标准为SO2排放质量浓度小于200 mg/m3，锅炉采用炉内脱硫技术，投放石灰石。各生物质掺烧质量分数和机组负荷条件下，SO2排放质量浓度见表8。

表8 不同条件下SO2排放质量浓度

由表8可知：掺烧生物质后，SO2排放质量浓度有明显下降趋势，60 MW时掺烧生物质质量分数为45%比不掺烧生物质时，SO2排放质量浓度下降31.5 mg/m3，脱硫剂的耗量也随着掺烧质量分数的增加而下降。掺烧生物质可以在满足SO2排放标准的同时减少脱硫剂耗量。

表8中掺烧质量分数为15%和30%时，SO2

排放质量浓度差别大，主要原因是电厂石灰石给料机不稳定，同时受电网负荷波动的影响，导致试验期间SO2排放质量浓度有较大的波动，一方面，石灰石送入炉膛的量是波动的，属于设备本身的问题；另一方面，负荷波动使SO2排放质量浓度有较大的波动。其他工况未出现负荷波动和石灰石给料的波动。

2.2.3 对粉尘排放的影响

在烟囱入口烟道测量粉尘排放质量浓度，对表盘测点进行标定，实测粉尘质量浓度为13.27 mg/m3。表盘粉尘平均质量浓度为11.83 mg/m3，两者相差1.44 mg/m3，因此表盘粉尘质量浓度可以代表实测粉尘质量浓度。该电厂执行的标准为粉尘排放质量浓度小于20 mg/m3。各生物质掺烧质量分数和机组负荷条件下，粉尘排放质量浓度见表9。由表9可知：掺烧生物质对粉尘排放质量浓度影响不大，各掺烧工况下，粉尘排放质量浓度都在10 mg/m3左右。综上所述，掺烧生物质可以满足粉尘排放标准的要求。

表9 不同条件下粉尘排放质量浓度

2.3 锅炉热效率的测量

锅炉效率的测量结果见表10，外来输入热量只考虑进入系统空气带入热量，锅炉效率的计算统一折算到O2体积分数为6%条件下。

表10 锅炉效率测试结果

由表10可得：生物质掺烧对飞灰和炉渣可燃物质量分数的影响不大，但是由于掺烧后入炉燃料的灰分含量大幅下降，因此计算的固体不完全燃烧损失率随着掺烧质量分数的增加而大幅下降。60 MW下，相比于不掺烧生物质，掺烧质量分数为45%时，固体不完全燃烧损失率下降5.51百分点。50 MW工况与60 MW工况呈现相似的规律，掺烧生物质后锅炉效率大幅提高，由于燃料的改变，排烟热损失率明显增加，但是固体不完全燃烧损失率大幅下降。排烟热损失是造成热损失增加的主要原因，由于掺烧生物质造成入炉燃料水分含量增加。60 MW下，相比于不掺烧生物质，掺烧质量分数为45%时，排烟热损失率增加1.54百分点。掺烧生物质对锅炉的综合影响主要体现在锅炉效率上。60 MW下，相比于不掺烧生物质，掺烧质量分数为45%时，锅炉效率提升4.75百分点，掺烧生物质可以大幅提高锅炉效率。

3 结语

笔者针对某电厂50 MW燃煤电厂生物质掺烧开展了现场试验研究，主要研究了不同生物质掺烧质量分数对锅炉效率及NOx、SO2和粉尘排放质量浓度的影响规律，主要结论如下：

(1) 掺烧生物质，可以有效降低燃料的硫分含量，减少燃料的灰分含量。

(2)掺烧生物质可以有效减少NOx的生成，完全能够满足现执行的排放要求。60 MW下，不掺烧生物质工况的NOx排放质量浓度为187.2 mg/m3，最大掺烧质量分数(45%)条件下NOx排放质量浓度只有122.1 mg/m3。

(3) 掺烧生物质可以在满足SO2排放标准的同时减少脱硫剂使用量。60 MW下，不掺烧生

物质工况的SO2排放质量浓度为189.8 mg/m3，最大掺烧质量分数(45%)条件下SO2排放质量浓度为158.3 mg/m3。

(4) 掺烧生物质可以满足粉尘排放标准。60 MW时，不掺烧生物质工况的粉尘排放质量浓度为10.7 mg/m3，掺烧生物质对粉尘排放质量浓度影响不大，各掺烧质量分数下，粉尘排放质量浓度都在10 mg/m3左右。

(5) 掺烧生物质后，锅炉效率大幅提高，由于燃料的改变，排烟热损失率明显增加，但是固体不完全燃烧损失率大幅下降。60 MW下，掺烧质量分数为0%、15%、30%、45%时，锅炉效率分别为79.27%、77.43%、81.49%、84.02%；50 MW下，掺烧质量分数为0%、15%、30%、45%时，锅炉效率分别为79.80%、81.59%、82.82%、84.33%。