自備電廠煤粉鍋爐摻燒生物質試驗

郁雷,邱全山,劉自民,曹曲泉,顧驍,趙華

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

“碳達峰、碳中和”目標對我國能源結構及能源利用方式提出了更高要求,隨著2021年煤價上漲和CEA碳排放控制的實施,國內燃煤機組開始重新考慮摻燒生物質燃料。生物質燃料是以農業廢棄物、林業三剩物為原材料,經粉碎、烘干、成型,可在生物質能鍋爐直接燃燒的新型清潔燃料[1],是世界上第四大能源,其主要特點是儲量豐富、可再生、清潔[2-3],能有效降低煙氣中SO2等污染物濃度,且實現CO2零排放[4]。生物質耦合發電主要有間接耦合、并聯耦合和直燃耦合三種技術路線[5],僅需對機組適當改造,就可實現CO2快速減排,促進鍋爐側燃料靈活性轉變[6],兼具經濟、生態與社會等綜合效益,可緩解日益突出的能源短缺與環境惡化問題。國家能源局、環境保護部聯合印發的《關于開展燃煤耦合生物質發電技改試點工作的通知》,要求依托現役煤電高效發電系統和污染物集中治理設施,兜底消納生物質資源,促進煤電的低碳清潔發展。我國《電力發展“十三五”規劃》中明確指出要開展燃煤與生物質耦合發電[7],近年來我國農林生物質發電技術逐漸趨于成熟,2021年1月1日起,我國生物質發電已從固定電價轉向競價上網模式[8]。

本文開展自備電廠煤粉鍋爐直燃耦合摻燒生物質試驗,僅需增加生物質顆粒料倉及配套輸送設施,或利用現有料倉,對電廠設備的改動極小,是一條相對而言經濟代價最低、技術難度最小、最適宜推廣應用的實現CO2大量減排的技術途徑。用生物質替代部分煤炭,在保證鋼鐵企業能源需求的同時,又能降低煤粉鍋爐發電煤耗,實現可再生能源的利用和CO2減排,對企業降污減碳作用明顯。

1 試驗原料與方法

1.1 生物質顆?；拘阅?/h3>

摻燒用生物質顆粒為直徑6 mm～8 mm的圓柱狀雜木顆粒,如圖1所示。

圖1 生物質顆粒

生物質顆粒與動力煤的工業分析與熱值結果見表1,生物質顆粒的熱值與動力煤相當,揮發分偏高,硫含量較低,生物質顆?；曳只瘜W成分主要為K2O和SiO2。

表1 生物質顆粒與動力煤的工業分析與熱值

使用微機差熱天平,對生物質顆粒的燃燒性進行測定,得到熱重曲線(TG)、微分熱重曲線(DTG)和差熱分析曲線(DTA),并與其他煤種對比,結果如圖2～圖3所示。在100 ℃左右出現一個較小的失重峰和吸熱峰,是生物質顆粒中的水分釋放。在340 ℃附近出現明顯的失重峰,是由于生物質顆粒中大量揮發分劇烈燃燒所致。在400 ℃～570 ℃之間又有一個不明顯的失重峰,是生物質顆粒中固定碳燃燒導致[9],由于生物質顆粒固定碳含量明顯低于揮發分含量,該失重峰明顯小于揮發分失重峰。由圖3對比可知,生物質顆粒的初始燃燒溫度(237 ℃)和燃盡溫度(574 ℃)最低,燃燒性能較其他煤種好。燃燒性與揮發分含量有一定關系,一般而言,揮發分含量越大,其燃燒性越好。生物質顆粒因其揮發分含量高,結構疏松、空隙發達,燃燒速率快,易于燃燒。在生產應用中應采取相應措施,防止其自燃。

圖2 生物質顆粒的燃燒性試驗曲線

圖3 不同燃料的燃燒失重曲線

1.2 工藝流程

生物質顆粒通過汽運卸料至地下受料槽,并輸送至筒倉存放,筒倉內的生物質顆粒通過筒倉給煤機定量卸出,按生物質顆粒為總燃料質量的4%～6%與動力煤混合,經磨煤機混合碾磨成粉末后由一次風送入煤粉倉儲存,最后由給粉機輸送至煤粉鍋爐燃燒發電,如圖4所示。

圖4 煤粉鍋爐摻燒生物質工藝流程

1.3 安全性分析

由于生物質顆粒初始燃燒溫度低、揮發分高的特性,在磨煤機與動力煤混合碾磨過程中需要合理控制磨煤機運行溫度,防止磨煤機爆燃,試驗中控制磨煤機進口風溫≤100 ℃,出口風溫≤80 ℃,磨中溫度≤300 ℃。

配煤研磨后的生物質進入煤粉倉儲存,由于在煤粉倉內存放時間較長,高揮發分的生物質可能發生溫度升高氧化自燃,因此在煤粉倉的上部設置了保安氮氣入口管道,用氣動球閥控制,與煤粉倉內氧氣含量和溫度連鎖。當煤粉倉內氧氣含量或溫度超過安全值后,氣動球閥開啟,從頂部向煤粉倉內噴入氮氣,防止煤粉倉內所存生物質發生自燃、爆炸。

2 試驗結果

2.1 摻燒對入爐煤煤質的影響

生物質摻燒期間與摻燒前后期的入爐煤煤質分析化驗結果見表2,本次試驗用生物質顆粒揮發分為74.84%、灰分為6.78%,因此試驗期間入爐煤揮發分略有上升、灰分略有下降,煤粉細度和干燥基低位熱值均在正常水平,入爐煤煤質總體未見明顯異常。

表2 入爐煤煤質分析結果

2.2 摻燒對鍋爐燃燒情況的影響

摻燒期間,鍋爐運行狀況未見明顯變化,對設備影響也未發現。鍋爐后端除塵器、脫硫脫硝設備的運行狀況、設備狀況均未見明顯變化。摻燒對污染物(SO2、NOx)排放及鍋爐煤耗的影響如圖5所示,由圖5可知,摻燒后鍋爐煙氣SO2排放濃度由平均12 mg/L下降至10.53 mg/L,NOx排放濃度由平均25 mg/L下降至23.43 mg/L,鍋爐煤耗由388.54 g/(kW·h)下降至369.88 g/(kW·h)。SO2排放濃度主要受燃料中硫含量影響,本次試驗用生物質顆粒硫含量為0.14%,動力煤硫含量為0.49%,因此燃燒后煙氣中SO2濃度有所下降。生物質摻燒中可能在局部還原氣氛下產生大量的NH4和CH4等基團,將煤粉燃燒生成的NOx還原成N2或HCN,同時摻燒生物質后爐膛煙溫整體下降,使得煙氣中NOx濃度有所下降[10-11]。以本試驗3臺220 t煤粉鍋爐摻燒比例5%的生物質顆粒計算,預計每年可替代用煤9 900 t,以每完全燃燒1 t煤產生1.96 tCO2計算,每年可減少CO2排放量1.94萬t。

圖5 摻燒對污染物排放及鍋爐煤耗的影響

2.3 問題改善

生物質顆粒在汽運卸料和筒倉下料過程中會出現較大粉塵,如圖6所示,原因為生物質顆粒在運輸及倉內擠壓過程中較易出現粉化,針對此問題,對生物質顆粒制備和運輸環節采取以下措施進行優化：

圖6 地面粉塵

1)生物質顆粒加工過程中添加少量木質素,促進生物質軟化、塑變,提高膠合性,降低粉塵產生。

2)生物質顆粒造粒機出料口增加1 mm孔徑的振動篩,通過振動篩除去1 mm以下物料,同時將強度較低的生物質顆粒震碎篩走。

3)縮短發貨前倉儲周期,降低顆粒膨脹率,減少因膨脹產生的碎粉。

4)生物質顆粒卸貨及下料倉等有落差產生的料口加裝噴霧裝置,濕潤顆粒表面,避免揚塵。

測量優化前后的生物質顆粒耐壓強度如表3所示,優化后的生物質顆粒耐壓強度(平均值)由924.96 N上升至1 115.98 N。生物質顆粒耐壓強度測量目前無相關標準,因為同為柱狀顆粒,本測量參照《脫硫脫硝用煤質顆?；钚蕴吭囼灧椒ā?GB/T 30202.3—2013)第3部分耐磨強度、耐壓強度。采取優化措施后,可有效減少粉化現象。

表3 生物質顆粒耐壓強度改善

3 結語

1)本文在自備電廠230 MW發電機組的220 t煤粉鍋爐上進行了生物質直燃耦合摻燒試驗,得出在摻燒質量比4%～6%的情況下對制粉儲料系統、入爐煤煤質、鍋爐主機、煙氣處理系統無明顯影響。

2)針對220 t煤粉鍋爐的制粉儲料系統,在本文的摻燒比例下,需控制磨煤機進口風溫≤100 ℃,出口風溫≤80 ℃,磨中溫度≤300 ℃,煤粉倉內應進行氧氣含量和溫度監測,設置氮氣吹掃裝置。

3)摻燒生物質可使煤粉鍋爐煙氣中SO2和NOx排放濃度有所降低,以本試驗3臺220 t煤粉鍋爐摻燒比例5%計算,預計每年可替代用煤9 900 t,減少CO2排放量1.94萬t。

4)通過優化生物質顆粒制備和運輸環節,可有效提高生物質顆粒耐壓強度,減少顆粒粉化現象。