高参数生物质循环流化床锅炉技术研发与应用

2022-06-11柯希玮吕俊复郭学茂张一珍齐国利吴玉新张守玉刘雪敏

热力发电 2022年6期

柯希玮，吕俊复，郭学茂，申镇，张缦，张一珍，齐国利，吴玉新，张守玉，刘雪敏

（1.清华大学能源与动力工程系，北京 100084；2.太原锅炉集团有限公司，山西太原 030008； 3.中国大唐集团科技工程有限公司，北京 100097；4.中国特种设备检测研究院，北京 100029； 5.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”是党中央做出的重大战略决策，中国政府已为此制定具体行动方案，其重点在于优化调整产业和能源结构，建立清洁低碳安全高效能源体系，特别是可再生能源电量比例在新建通道中不低于50%[1]。可再生能源包括风能、太阳能、水能、生物质能等。其中，风能、太阳能等具有波动性、随机性和低可控性，对电力系统的可靠稳定运行构成巨大挑战；而水能则受地理条件和季节因素限制。与之相比，生物质直燃发电是唯一具有与传统化石能源相同可调度性的新能源，且是规模化、资源化、无害化利用农林废弃物的最佳方式，在未来以可再生能源为主体的新型能源系统中将占据重要地位。根据国际可再生能源署发布的《2021可再生能源统计》报告[2]，截至2020年底，全球生物能源总装机容量已达148.3 GW，年发电量601.2亿kW·h；预计未来5年还将增长近60%，在可再生能源发电量中的比重将达7.6%（图1）。作为传统农业大国，中国每年更是产生大量农林废弃物，2016年仅固化成型秸秆产量就超过490万t；此外每年生活垃圾清运量也已超过2.4亿t[3]。截至2020年底，我国已装备生物质发电容量29.5 GW；而据测算，全国每年可开发生物质资源总量约为7亿t标准煤，发电容量潜力可达100 GW。到2026年时，我国生物能源发电量预计接近250亿kW·h，将贡献全球超过40%的增量。

国外较早开始生物质直燃发电技术的研究与应用。1998年丹麦BWE公司设计并建造了世界首台5 MW秸秆燃烧发电厂。中国则于2005年在华电国际十里泉电厂140 MW煤粉炉上首先开展燃煤掺烧秸秆工程实践；2006年山东单县引入BWE公司技术建成了国内首台130 t/h纯燃生物质水冷振动高压炉排炉[4-5]。这些前期生物质直燃技术多采用室燃（与煤粉炉类似）或层燃（振动炉排炉）方式。前者对燃料种类及粒径有严格要求（不能使用草本颗粒），燃料成本高，厂用电率大大增加；且燃烧温度较高（通常在1 100~1 400 ℃），炉膛易沾污结渣，尤其是高温腐蚀问题突出，未能广泛应用[6]。而炉排炉的主要问题在于燃料和空气混合较差，料层分布疏密不均，影响锅炉燃烧效率；另外，锅炉NOx原始排放量过高；因没有灰烬保护，炉排也容易超温烧坏[7-8]。

循环流化床（circulating fluidized bed，CFB）燃烧技术由于其燃料适应性广、燃烧效率高、负荷调节性能好、大气污染物原始排放低等优点，在煤炭清洁高效发电和部分工业生产领域已得到广泛应用[9-10]。与层燃炉和煤粉炉相比，CFB锅炉内高浓度、高通量固体物料处于流化状态，热质传递强烈，可维持中温燃烧（700~950 ℃）且温度分布均匀，特别适合于像生物质这类燃烧品质差、灰分高、热值低、种类和粒径等变化范围宽的燃料[11]。而相比于鼓泡床燃烧系统，CFB锅炉又可将更多的受热面布置在炉膛上部，避免埋管磨损，更利于机组放大[12-13]。因此，CFB燃烧技术被认为是未来大规模开发利用生物质资源最有前途的技术之一。

然而，由于生物质能量密度较低、储运成本较高，目前生物质直燃发电还需依靠政府补贴。随着新能源补贴的退出，降低基建投资、提高发电效率显得尤为重要。提高效率的有效途径是提高蒸汽参数。但生物质，特别是草本植物，如农业秸秆中富含K、Cl等沾污性、腐蚀性较强的物质，限制了锅炉蒸汽参数的提高。之前国内外绝大部分纯燃生物质电站锅炉，蒸汽参数均以次高压和高压为主，如宿迁生物质发电厂2×12 MW锅炉[14]，没有超高压，更没有再热，从而导致生物质发电项目经济性不佳，影响到该行业健康发展。

本文首先分析了燃烧生物质锅炉受热面沾污和腐蚀的发生机制，提出针对CFB锅炉的炉内高温受热面和尾部低温受热面防沾污腐蚀技术方法；探究了影响生物质CFB锅炉物料循环、燃烧和污染物排放性能的主导因素，并提出相应设计导则或调控措施。最后以3台不同容量商业锅炉为例，介绍高参数纯燃生物质CFB锅炉工程实践和运行效果。

1 生物质CFB锅炉炉内受热面沾污和腐蚀

生物质中富含K、Ca等碱金属或碱土金属。不同种类，甚至不同产地的生物质燃料中灰成分可能有很大差异。部分生物质燃料灰成分分析见表1。总体来说，秸秆、稻壳等草本生物质中的K、Na等碱金属质量分数显著高于果木枝条等木质物。不同于欧美等国主要燃用林木，我国生物质来源以农作物秸秆等农业废弃物为主。

表1 部分生物质燃料灰成分分析 w/% Tab.1 XRF analysis result of some biomass fuel ash

燃烧中大部分低沸点碱金属蒸发析出，经扩散、热泳等过程在受热面附近冷却凝结，吸附于管壁表面；或与循环灰颗粒结合生成熔融碱金属盐，碰撞并沉积在金属受热面表面，从而形成颗粒与管壁以及颗粒之间的液桥。其在冷却过程中不断增长，最终成为具有一定厚度的坚实的沾污层[15-17]。生物质锅炉水冷壁上的结渣如图2所示。

受热面表面沾污和结渣首先大大降低了换热系数，局部恶化条件下甚至近乎绝热，影响到锅炉效率。更严重的是，表面沾污显著加快了高温受热面的腐蚀速度。在沾污层与管壁交界面上，气态氯化物（Cl2、HCl）、碱金属氯化物（KCl、NaCl）和其他熔融碱金属盐等物质可与金属受热面反应，破坏表面氧化铁保护层[18-20]。腐蚀速率与当地温度密切相关。沾污和温度对金属受热面腐蚀速度的影响如图3所示[5]。图3中，相对腐蚀速度指金属受热面在某温度下腐蚀速度与室温下清洁表面腐蚀速度之比。由图3可见，当金属壁温超过500 ℃时沾污表面腐蚀最为严重。由于生物质沾污层非常坚硬，传统生物质锅炉所依赖的吹灰清洁方式难以见效，故只能降低受热面温度（不宜超过500 ℃），即限制蒸汽温度不超过470 ℃、蒸汽压力不超过9.8 MPa，以中温中压为主。这是传统生物质直燃锅炉蒸汽参数普遍较低的主要原因。

从上述分析可知，保持受热面表面清洁能够有效缓解腐蚀，继而可提高蒸汽参数。考虑到CFB锅炉炉膛内含有大量固体颗粒，本文提出了基于冲刷反制的生物质锅炉高温受热面防沾污腐蚀技术。简单来说，一方面将高温过热器、高温再热器等高温受热面布置在主循环回路中，利用循环物料的持续冲刷，以“磨”抗“污”，保持高温受热面表面的清洁，从而降低受热面表面腐蚀速度。另一方面，有文献表明，循环灰对碱金属盐吸附的最佳温度窗口在800~900 ℃，且以化学吸附为主[21-22]。因此，将炉膛温度设计在该温度窗口下，同时提高物料浓度，可有效提升对烟气中碱金属的捕捉效率，减少高温受热面表面沾污并抑制腐蚀的发生。

2 生物质CFB锅炉尾部对流受热面沾污和腐蚀

大部分碱金属及其化合物随烟气流经锅炉尾部对流受热面时，随着换热冷却逐渐沉积在金属表面；另有少部分在飞灰颗粒表面冷凝后，再粘结到受热面上。此外，当受热面（主要是空气预热器）温度低于酸露点时，烟气中少量SO2等物质可与碱金属反应生成黏性较强的硫酸盐沉积，使得灰分间结合更加紧密[15,23]。

图4为生物质CFB锅炉内受热面表面灰分沾污过程。由于黏性矿物颗粒在迎风面的碰撞沉积作用一般强于烟气的冲刷作用，大多CFB锅炉内换热管束迎风面积灰程度比背风面更加明显。

对流受热面上的沾污使烟气通流面积减少，形成烟气走廊，严重时可将烟气通道全部堵死。而在低温段（如空气预热器）还有发生低温腐蚀的风险（图3）。烟气中少量SO3（SO2催化氧化或硫酸盐热分解产生）与水蒸气结合形成稀硫酸蒸汽，在低于酸露点条件下可冷凝造成管壁腐蚀。故很多纯燃生物质锅炉在运行一段时间后就要被迫停炉清灰，甚至不得不更换受热面。

携带融黏颗粒的烟气在横掠冲刷受热面过程中，烟气速度、灰浓度、颗粒粒度、来流方向等参数对沾污层生长速度、表面沾污层磨损减薄速度均有不同程度影响。特别是绕流表面曲率对沾污层发展作用关键：曲率越大，越不容易沾污。在高温受限空间内，可借助管间绕流减缓含盐蒸汽凝结后附着在颗粒表面形成的液桥力。通过采用顺列管束布置方式，以及大节距、小管径、平行流设计，同时控制烟气流速在7.5~9.5 m/s，可有效防止或缓解生物质CFB锅炉对流受热面表面沾污和积灰。

3 生物质CFB全回路防结渣聚团

生物质灰中含有大量钾等碱金属，在高温条件下其熔融化合物易将颗粒粘结成块；或与石英、河沙等SiO2含量高的床料反应生成低熔点的晶相熔融物（主要是硅酸盐类物质），从而诱发床体烧结。烧结团聚会降低床料流化质量，风速不变时表观表现为床层压降及上部压差降低、存在局部超温风险，严重时会导致紧急停炉。床温越高，团聚倾向越明显，越容易失流化。

在抑制床料烧结方面，已有学者发现向床料中添加氧化铝、氧化铁、氧化钙等添加剂，可形成灰熔点更高的碱金属化合物，或包裹住硅酸盐颗粒以防止粘结[24]。而锅炉实际运行中，少许高岭土、白云石等含铝丰富的土壤杂质往往随生物质一起送入炉膛，利用生物质夹带黏土可有效缓解床料结渣。不过，主循环回路中避免床料烧结团聚的根本措施是，将床温设计并控制在合理范围之内。然而，尽管生物质挥发分高、着火容易，若燃烧初期空气量供给不足，挥发分也容易燃烧不完全；且焦炭反应活性不佳，在有限的燃料停留时间下难以燃尽，因此总的燃烧效率并不高。为改善燃烧性能，常规的做法是提高床温，但这就加大了结渣和团聚的风险。

床温的选择和调控首先依赖于炉膛传热计算的准确性，而传热与固体物料浓度密切相关。生物质燃料的成灰特性很差，通常难以形成100 μm左右的循环灰颗粒，这是CFB锅炉燃用生物质面临的核心挑战。研究和工程实践发现，通过提高分离器效率、选择特定性质的生物质夹带外在灰分等措施，可将床料平均粒度控制在100 μm以内，同时显著提高循环流率（达到7 kg/(m2·s)以上）。生物质CFB锅炉循环系统运行状态（循环流率与流化速度）选择如图5所示，其中A—I为不同锅炉厂家设计点。循环系统性能的提升一方面降低了循环物料中流动性差的生物质颗粒含量，可根除返料阀流动卡涩、结团问题，同时使炉内温度分布更加均匀，有效缓解局部超温。另一方面，循环性能改善还大大延长了燃料颗粒在炉内的停留时间，再加上高动量二次风喷口对二次风混合的强化作用，有利于生物质焦炭的燃尽。以上2个方面结合，可通盘解决生物质直燃锅炉燃烧效率、床温控制和全回路防结渣团聚问题。

4 生物质CFB锅炉污染物排放控制

对生物质而言，其硫分通常较低，燃烧中释放的SO2量本身较少；同时，其灰分组成中含有较多MgO、CaO等碱土金属化合物，可与SO2反应结合，使其具备一定的自脱硫能力。工程实践表明，对于折算硫分小于0.3 g/MJ的低硫生物质，自脱硫即可满足排放要求；而当生物质燃料含硫量较高时（折算硫分大于0.3 g/MJ），添加适量石灰石颗粒，通过炉内脱硫也可将烟气中的SO2排放质量浓度控制在要求范围内，并减少尾部低温受热面的沾污和腐蚀。生物质CFB锅炉NOx排放特性则与燃料种类及锅炉运行条件密切相关。中国生物质来源以草本原料为主，且大部分为农作物秸秆，其氮元素含量普遍高于木本植物。但通过流态调控强化炉内还原性气氛，以及较低的床温控制，也可有效降低NOx原始排放质量浓度[25-26]；再辅以选择性非催化还原（SNCR）等烟气脱硝技术，从而实现超低排放。

除SO2、NOx等常规大气污染物外，由于生物质燃料不完全燃烧还会产生包括一氧化碳、多环芳香烃、二噁英、焦油等有毒有害物质。可通过调整氧量和分级配风、合理床温选择等措施改善燃烧效率，以抑制这些可燃性物质的排放。此外，生物质中Cl元素含量通常远高于煤、石油等化石燃料，燃烧生成的HCl可与气相中K、Na等碱金属进一步反应生成气溶胶；Cd、Pb、Zn等微量重金属元素及其氧化物或氯化物也会对环境造成污染。可通过往炉内添加活性炭、高岭土等吸附剂，以及借助前述防沾污腐蚀方法予以去除。

5 纯燃生物质CFB锅炉工程实践

基于上述技术，成功开发了具有完全自主知识产权的6~125 MW系列高蒸汽参数生物质CFB锅炉，突破了CFB锅炉纯燃生物质时蒸汽参数不超过高温高压、不能再热的国际禁区。

对其中3台燃用不同燃料、不同容量纯燃生物质商业CFB锅炉的运行特性进行分析。3台锅炉分别为某125 MW超高压一次再热生物质CFB锅炉（FG-384）、某130 t/h高压生物质CFB锅炉（QA-130）和某130 t/h超高压一次再热生物质CFB锅炉（ZX-130）。其中：FG-384为目前世界上容量最大、参数最高的生物质直燃锅炉，于2016年7月在泰国成功投运；QA-130和ZX-130分别为国内首台纯烧玉米秸秆的高压和超高压一次再热CFB锅炉，分别于2015年10月和2019年5月并网发电。

以ZX-130为例，该锅炉炉膛高38.8 m、宽 11.0 m、深5.8 m。采用两级螺旋给料方式，给料口设计在炉膛锥段稍高处，通过降低炉膛出口负压（–1 300 Pa）使得给料点区域处于微负压环境，以避免正压条件下给料口可能的烟气反串问题。为缓解碱金属高温腐蚀，将所有壁温高于500 ℃的受热面均布置在炉膛上部，包括中温过热屏、高温过热屏和高温再热屏，并采用耐腐蚀材料（TP347H）。尾部竖井烟道内则依次布置有蒸发管束、低温再热器、低温过热器、省煤器和空气预热器。其中通过蒸发管束的布置降低再热器区的烟温，使再热器管壁温度低于500 ℃，同时所有受热面管排顺列大间距布置，且每一层都设置有高效吹灰器，以保证受热面清洁度，减少沾污。

3台锅炉各自燃用生物质的工业分析和元素分析结果见表2。其中FG-384采用木屑、稻壳和树皮混烧，各燃料质量比分别为82.6%、8.04%和8.04%，另加上1.31%的沙子作为补充床料。表3列出了各生物质CFB锅炉主要设计参数。

表4列出了近满负荷工况下各锅炉实际运行情况，包括床温、床压、蒸汽参数及污染物排放等。

表2 各锅炉生物质燃料工业分析和元素分析结果 Tab.2 Proximate and ultimate analysis results of the biomass burned in each CFB boiler

表3 各生物质CFB锅炉主要设计参数 Tab.3 Main design parameters of each biomass-fired CFB boiler

表4 各生物质CFB锅炉特定工况下实际运行性能 Tab.4 Some operating parameters of each biomass-fired CFB boiler at specific load

由表3、表4可以看出：3台锅炉各项性能指标基本达到甚至优于设计要求；且自投运以来未发生过因受热面积灰结渣导致的停炉，锅炉热效率均超过91%。以QA-130为例，其全燃高碱金属含量的玉米秸秆，突破了CFB锅炉燃烧秸秆普遍面临的受热面沾污问题，连续运行时间超过10个月，无明显炉内结渣、回料阀堵渣现象。在污染物排放方面，尽管3台锅炉均安装有SNCR烟气脱硝系统和石灰石炉内给料系统，但都未实际投运，NOx和SO2原始排放质量浓度分别小于50 mg/m3和35 mg/m3，直接满足超低排放要求。运行结果表明，采用前述技术的3台纯燃生物质CFB锅炉，在经济性、可靠性和环保性3方面具有显著优势，锅炉性能高于国外引进技术。3台生物质锅炉均可在30%~105%额定负荷范围内稳定运行，显示出良好的深度调峰性能和一定的超负荷运行能力。图6—图9分别给出了3台锅炉床温、床压以及主蒸汽温度、主蒸汽压力随锅炉负荷变化情况。

由图6—图9可以看出，随着负荷减少，平均床温逐渐降低，稀相区压差（即颗粒悬浮浓度）下降，循环量变少，炉膛上下温差拉大，主蒸汽温度和主蒸汽压力也有所降低。