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張小桃，李柯穎，趙偉，黃勇
（華北水利水電大學，鄭州450011）
摘要：為解決生物質直燃給鍋爐帶來的運行問題，以及燃煤鍋爐摻燒秸稈氣對運行性能以及污染物排放的影響，建立了秸稈氣化及秸稈氣與煤混合燃燒模型，且對模型的氣化過程與燃燒過程進行了合理驗證。為保證鍋爐穩定運行，設置進入鍋爐系統的總熱值不變，在不同秸稈含水率、秸稈氣摻燒比例及爐膛過量空氣系數下，研究鍋爐運行性能及污染物排放變化規律。結果表明：與純煤燃燒相比，當摻燒比和含水率從10%增大到30%，混燃溫度降低，最大降幅為89.3℃；在5%～30%秸稈含水率及10%～30%秸稈氣摻燒比例下，空氣預熱器出口處排煙體積、排煙密度、排煙質量均有變化，摻燒后鍋爐效率變化范圍為92.72%～93.71%，系統效率變化范圍為88.75%～92.62%；空氣預熱器出口處煙氣中NO與SO2排放濃度隨摻燒比增大均減小，10%摻燒比例條件下，過量空氣系數增大，NO排放濃度先增大后稍有下降，SO2排放濃度減小。該研究為實現生物質的合理應用并減小已有燃煤電廠的污染物排放提供了理論依據。
0引言
燃煤鍋爐摻燒生物質氣可以為生物質的大規模利用提供條件，減小污染物排放，但又會對鍋爐運行，如鍋爐效率與尾部受熱面帶來一定的影響。目前，生物質氣化技術已經比較成熟并且有很多的應用。Gagliano等[1-3]通過模擬生物質的氣化過程，證明了模型的合理性；Laxmi等[4-7]均研究了生物質在不同氣化氛圍下的氣化結果。秦恒飛等[8-12]利用試驗分析生物質氣化過程對氣化效果的影響，得到了氣化最優方案。金亮等[13]利用生物質固定床氣化技術，獲得了較高氣化效率。毛健雄[14]表明生物質氣化后合成氣的熱值主要取決于生物質的含水率。在生物質與煤的混合燃燒方面，馬愛玲等[15]通過研究煤與生物質在不同摻燒比例下的混合燃燒特性，表明生物質添加量越大，燃燒性能改善越顯著。
劉翔等[16]研究認為草本類生物質與煙煤混燒降低了著火溫度。譚巍等[17-19]通過試驗研究了生物質與煤的混合摻燒過程，發現共燃后爐膛放熱更均勻、燃燒更穩定，且摻燒比例越大改善程度越佳；Sun等[20-21]通過常速原理取樣的試驗方法與數值模擬法驗證了生物質與煤混燃后隨摻燒比的增大飛灰量減?。魂惡Ｆ降?sup>[22]認為摻燒生物質易造成鍋爐主燃燒區結渣，受熱面腐蝕，從而降低鍋爐燃燒效率；Tae-Young等[23]經模擬發現生物質與劣質煤混燃降低了電站效率；Dong等[24]在電站鍋爐的基礎上研究了生物質氣與煤混燃避免了鍋爐腐蝕問題并改變了灰特性。
宋前進等[25-27]通過模擬表明生物質或生物質氣與煤混燃后，隨摻燒比的增大，NOx、SOx排放濃度均減小，且摻燒比越大減排效果越明顯。生物質在氣化爐內氣化產生的低熱值燃氣，通過熱燃氣輸送管道送入鍋爐燃燒室與煤混合燃燒，由于氣化產生的燃氣溫度為600～700℃，在此溫度下焦油不會凝結，以氣態的形式存在，不會在燃氣輸送管道中冷凝和粘附，且焦油在鍋爐內完全燃燒，不會對鍋爐產生影響[28-29]，因而本論文針對生物質氣與煤混合燃燒進行研究。
論文利用AspenPlus軟件對生物質氣化過程、生物質氣與煤混燃過程以及尾部受熱面和空氣預熱器中的介質與煙氣傳熱的過程進行模擬及模型驗證，研究生物質含水率、生物質氣摻燒比及鍋爐爐膛過量空氣系數對混合燃燒過程、鍋爐運行性能以及污染物排放的影響，進而為生物質氣的合理利用提供依據。
1生物質氣與煤混合燃燒流程及理論基礎
1.1秸稈氣與煤混燃流程
秸稈氣與煤混燃過程主要包括：1）秸稈的氣化過程：將秸稈與空氣加入氣化爐進行氣化，氣化后生成含有一定可燃成分的秸稈氣與秸稈灰。2）秸稈氣與煤的混燃過程：秸稈氣與煤在燃煤鍋爐里混合燃燒。由于秸稈氣的特性與煤不同，摻燒秸稈氣后將會對鍋爐爐膛內的燃燒過程以及尾部受熱面的傳熱等造成影響。3）尾部受熱面熱交換過程：尾部受熱面部分由換熱器作為冷卻器，將煙氣在通過過熱器、再熱器、省煤器所傳遞給蒸汽和水的熱量設置為此處的熱負荷。秸稈氣化與煤混燃及尾部受熱面換熱過程流程圖如圖1所示。
1.2研究對象
國內某電廠330MW燃煤鍋爐機組，鍋爐為亞臨界、自然循環、單爐膛四角切圓燃燒。
秸稈先在循環流化床氣化爐中進行氣化，氣化產生的秸稈氣直接通入煤粉爐中燃燒?；?30MW鍋爐，10%秸稈氣摻燒比工況選用2個氣化爐，其生物質處理量為10t/h的氣化裝置，產氣量約20000m3/h，燃氣熱值約為3000kJ/kg，同樣的20%、30%秸稈氣摻燒比工況分別使用4、6個這樣的氣化爐。煤種選擇平頂山煙煤，生物質種類選取秸稈，燃料成分分析如表1所示。
1.3秸稈氣與煤混燃理論基礎
在額定工況下，基于輸入鍋爐總熱量不變，秸稈氣摻燒比是秸稈氣攜帶的熱量占總輸入鍋爐熱量的比值如式（1）所示。
首先，在仿真過程中，爐膛內的過量空氣系數取1，尾部受熱面在爐膛出口和省煤器出口分別考慮了漏風。主要包括以下工況：純煤工況，作為對比分析的基礎工況；秸稈氣摻燒比例分別為10%、20%、30%；秸稈含水率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%。計算得到的最佳空燃比條件下秸稈氣中各組分的體積分數隨秸稈含水率變化趨勢如圖2所示。生物質氣的主要可燃成分為H2、CO、CH4，秸稈含水率從5%變化到30%，秸稈氣的低位熱值從5999.7kJ/Nm3變化到4592.2kJ/Nm3，即含水率越大，秸稈氣的低位熱值越小，主要是因為CO成分的減小，此結論與Vladimirs等[31]得出的結論一致。
其次，在10%秸稈氣摻燒比例工況下，改變過量空氣系數，分別取1、1.05、1.1、1.15、1.2、1.25，用于研究過量空氣系數與秸稈含水率對混燃后爐膛燃燒溫度及空氣預熱器出口處煙氣中污染物排放的變化規律。
0%～30%秸稈氣摻燒比例與5%～30%秸稈含水率工況下，保證輸入鍋爐總熱量不變，燃燒所需秸稈與煤的質量流量及秸稈氣與煤在爐膛中共同燃燒所需要的空氣質量流量如圖3所示。
由圖3a可知，要滿足鍋爐總輸入熱不變，替代相同質量流量的煤進入鍋爐燃燒，即產生同樣熱量的條件下，秸稈含水率越大，燃燒所需的秸稈質量流量越大。燃料燃燒所需空氣質量流量如圖3b可知，與純煤燃燒相比，摻入秸稈氣燃燒后，供燃料燃燒所需的空氣量下降；在相同摻燒比例條件下，秸稈含水率對燃料燃燒所需空氣量的影響很小。
2模型驗證
2.1氣化過程模型驗證
秸稈氣化后燃氣成分引用的是于杰等[32]的試驗結果，以空氣為氣化劑、在循環流化床氣化爐中進行氣化試驗。氣化成分中影響燃氣熱值的成分主要為CO、H2、CH4，通過表2對比可知模擬值相較試驗值，H2、CO的體積分數增大，而CH4體積分數減小，這是由于模擬過程較試驗過程理想，C+CO2=CO反應更為徹底，從而CO2體積分數減小，CO體積分數增大，進而與H2反應生成CH4的C量減少，引起了H2體積分數的增大與CH4體積分數的減小，而模擬參數最終得到的秸稈氣熱值與試驗值相比僅相差5%，從而驗證了氣化模型的合理性。
2.2爐膛燃燒及尾部受熱面熱交換過程模型驗證
依據孔振華[33]對330MW鍋爐的試驗數據，在純煤燃燒工況下，對330MW鍋爐運行參數的模擬值與試驗值進行比較，運行過程中的相關參數均相差不大，如省煤器出口氧量：試驗值為3.6%，模擬值為3.45%；空氣預熱器入口煙溫：試驗值為323.5℃，模擬值為311.3℃；鍋爐效率：試驗值為92.27%，模擬值為92.94%。省煤器出口氧含量與空氣預熱器入口處煙溫的模擬計算值相對于試驗值均有少量下降，這是因為模擬的過程較為理想，燃燒更加充分，所以氧含量減小，鍋爐尾部受熱面所吸收的熱量更多，到空氣預熱器出口處的煙氣溫度有所下降，鍋爐效率與試驗值相比也會略有上升。
省煤器出口氧量的監測，即氧量偏差問題，對于監視爐膛燃燒、降低飛灰含碳量、提高鍋爐效率具有十分重要的意義。陳輝等[34]對鍋爐省煤器出口氧量出現偏差的原因進行了分析，對試驗值與模擬值進行了比較，有效地證明了模擬過程的真實性?？諝忸A熱器入口煙溫對排煙溫度的控制與低溫受熱面腐蝕的影響有研究意義，從而以此參數作為模型驗證的重要數據之一。
3結果與分析
摻燒秸稈氣后，爐膛燃燒溫度，尾部受熱面傳熱過程，煙氣量、排煙溫度、鍋爐效率以及污染物生成均發生變化。仿真結果分析如下。
3.1爐膛燃燒溫度
在爐膛內過量空氣系數為1的條件下，爐膛燃燒溫度變化如圖4所示。純煤燃燒時爐膛溫度最高為1833.5℃；不同秸稈含水率工況下，爐膛燃燒溫度隨摻燒比的變化規律相同，均隨摻燒比的增大而減小，且含水率越大，燃燒溫度下降幅度越大；相同秸稈氣摻燒比例工況下，秸稈含水率越大，爐膛燃燒溫度越低。經計算，秸稈氣熱值較平頂山煤熱值低，從而引起燃燒不穩定，導致爐膛燃燒溫度下降，且秸稈含水率越大，秸稈氣的熱值越小，所以爐膛燃燒溫度隨秸稈含水率的增大而減小。
如圖4a所示，摻燒工況混燃溫度與純煤燃燒溫度相比，在過量空氣系數為1，且30%秸稈含水率與30%秸稈氣摻燒比例工況下，爐膛燃燒溫度最大降低了89.3℃。
如圖4b所示，隨過量空氣系數的增大，爐膛燃燒溫度下降，如10%秸稈含水率與10%秸稈氣摻燒比例工況下，過量空氣系數從1變化到1.25，純煤燃燒溫度下降了236℃，而混燃溫度最大下降了227℃，這與曾研究過的結論[35]一致：在過爐膛內量空氣系數接近1時，爐膛燃燒溫度最高，因而過量空氣系數大于1時爐膛溫度開始降低。
3.2鍋爐運行性能
考慮鍋爐漏風的情況下，空氣預熱器出口的排煙體積流量（標準狀況）、排煙密度（標準狀況）及排煙質量流量的變化過程如圖5所示。
此處的排煙體積為標準狀況（0℃、1atm）下空氣預熱器出口煙氣的體積流量。由圖5a可知，各秸稈含水率工況下，排煙體積流量隨摻燒比例的增大均減小，與純煤燃燒相比，10%秸稈含水率與30%秸稈氣摻燒比例工況下，排煙體積流量下降最大為2.77×104Nm3/h；相同摻燒比例下，排煙體積流量隨秸稈含水率的增大稍有上升。由于煙氣容積的大小取決于燃料的水分、過量空氣系數及各處漏風量[36]，此處設置各漏風處的漏風系數一定，摻燒比例增大，混燃過程所需總理論空氣量減小，漏風量減小，因而，摻燒比例增大，排煙體積流量減?。蝗剂虾实脑龃鬁p小了煙氣量的生成，但水分的增大又使得燃料消耗量上升，從而總的煙氣量隨含水率的增大而增大[37]。
如圖5b中，標準狀況下的排煙密度均隨摻燒比例的增大而增大，且相同摻燒比例下，秸稈含水率越大，排煙密度越大，這是因為秸稈所含水分除部分參與了反應，但仍有一些以水蒸氣的形態存在于煙氣中，因而增大了排煙密度，且在30%秸稈含水率與30%秸稈氣摻燒比例工況下，取得最大排煙密度1.46kg/Nm3。
排煙溫度是影響鍋爐效率的主要因素之一，同時也是評價鍋爐運行的重要參數[38]。隨著摻燒比例的增加，10%、20%、30%秸稈含水率工況下的排煙溫度變化趨勢如圖6所示。
各秸稈含水率工況下，隨摻燒比例的增大，排煙溫度變化趨勢如下：10%秸稈含水率工況下，排煙溫度先減小后增大；20%、30%秸稈含水率工況下，排煙溫度均升高；在相同摻燒比例下，秸稈含水率越大，排煙溫度越高，含水率從30%變化到10%，排煙溫度最大上升了7.54℃，這是由于燃料中含水率越大，煙氣中水蒸氣帶走的熱量越多，引起了排煙溫度的增大。其中，純煤燃燒工況下排煙溫度為123.95℃，在所有研究工況中，10%秸稈含水率與10%秸稈氣摻燒比例工況下排煙溫度最低，與純煤燃燒工況相比下降了1.87℃；在30%秸稈含水率與30%秸稈氣摻燒比工況下排煙溫度最高，與純煤燃燒工況相比上升了11.78℃。
如表3中列出5%~30%秸稈含水率工況下，秸稈的氣化熱效率；5%~30%秸稈含水率與0%~30%秸稈氣摻燒比例工況下，秸稈氣與煤粉摻燒后，鍋爐尾部受熱面空氣預熱器出口處煙氣的主要成分：如N2、H2O、CO2成分的體積分數、相應成分下所對應的鍋爐效率以及系統效率。如表3所示，秸稈含水率越大，相應最佳空燃比條件下所得秸稈氣溫度越低，進而秸稈氣顯熱降低，引起氣化熱效率減小，經公式（9）計算，秸稈含水率從5%變化到30%，氣化熱效率從98.84%減小到95.72%。
煙氣中N2所占比例最大，純煤燃燒工況下N2的體積分數為75.30%，經摻燒后變化范圍為71.29%～74.72%，而H2O的體積分數最小，純煤燃燒工況下H2O的體積分數為6.55%，經摻燒后變化范圍為7.13%～10.91%。
秸稈氣與煤粉摻燒后，不僅會引起煙氣成分的變化，也會引起鍋爐效率與系統效率的變化，在所有研究工況下，鍋爐效率變化范圍為92.72%～93.71%，系統效率變化范圍為88.75%～92.62%。生物質氣與煤摻燒和純煤燃燒相比，飛灰量減小，降低了鍋爐的機械不完全燃燒熱損失，而隨摻燒比例的增大，排煙溫度升高，增大了排煙熱損失，從而引起了鍋爐效率的波動，進而系統效率也發生了變化。
3.3污染物排放
秸稈含水率與秸稈氣摻燒比例增大，爐膛燃燒溫度減小，空氣預熱器出口處煙氣中的污染物排放濃度發生變化。NOx主要成分是NO、NO2和N2O，且NO2與N2O相對于NO含量較少，因而NO濃度變化趨勢可以反映整個NOx的總變化趨勢。其中，NO2與N2O在所有研究工況中，排放濃度變化范圍分別為0.08～0.39mg/Nm3與0.04～0.10mg/Nm3，與純煤燃燒工況相比，最大減小了0.38mg/Nm3與0.08mg/Nm3。10%、20%、30%秸稈含水率工況下，NO與SO2排放濃度隨摻燒比例變化趨勢；摻燒比例為10%時，純煤燃燒工況、10%、20%、30%秸稈含水率工況下，NO與SO2排放濃度隨爐膛過量空氣系數變化趨勢如圖7所示。
從圖7a、7c可以看出，NO與SO2的排放濃度均隨摻燒比例的增大而減小，與純煤燃燒工況相比（NO、SO2的濃度分別為1618.2、1320.4mg/Nm3），在30%秸稈含水率與30%秸稈氣摻燒比例處，NO與SO2排放濃度分別減小了1052.6mg/Nm3、219.8mg/Nm3。由于秸稈的含硫量與含氮量要遠低于煤，且秸稈氣中的焦油在爐膛中再燃會將NOx還原[39]，從而摻燒秸稈氣后減小了煙氣中NO與SO2的排放濃度。
如圖7b所示，NO排放濃度隨過量空氣系數的增大，先迅速上升后緩慢減小，在30%秸稈含水率工況下，NO排放濃度在爐膛過量空氣系數為1.15～1.2處取得最大值；相同過量空氣系數下，秸稈含水率越高NO排放濃度越低。
爐膛內過量空氣系數較小時，快速型NOx生成量較高，此時的燃燒溫度較高，熱力型NOx生成量較大，而燃料型NOx隨過量空氣系數的增大，變化趨勢為先增大后趨于平緩，因而，隨過量空氣系數的增大，NOx排放濃度上升，且上升幅度逐漸減小，在過量空氣系數接近1.2時，對應的爐膛燃燒溫度接近1600℃，如圖4b所示，此時熱力型NOx生成量相比于高溫下的生成量極小，由于空氣量過多稀釋了NOx，從而NOx排放濃度隨后緩慢減小。
水分在燃燒過程中也參與了反應，將NOx還原成了N2，因而含水率越大NO排放濃度稍有下降。
如圖7d所示，隨過量空氣系數的增大，SO2排放濃度下降，且下降幅度逐漸減小?？諝饬康脑龆嗍谷紵谘趸姆諊羞M行，有一部分SO2被氧化為SO3，從而SO2的排放濃度減小。SO2排放濃度在爐膛過量空氣系數為1.25處取得最小值，為1100.7mg/Nm3。此處結論與岑可法等[40]研究的污染物隨過量空氣系數變化規律一致。
4討論
由于燃煤耦合生物質發電可充分利用燃煤電廠大容量、高蒸汽參數、高效率等優點，可在更大容量水平上使生物質發電效率達到如今燃煤電廠的最高水平[41]。摻燒鍋爐與原燃煤鍋爐相比，鍋爐燃燒效率發生變化，NO與SO2排放濃度下降。
該文中模擬的鍋爐原型為駿龍電廠1117t/h鍋爐燃燒系統，模擬運行參數與原型一致。由于鍋爐的穩定運行是大規模生物質合理應用于發電的大前提，因而設定進入鍋爐系統的熱值恒定，即在相同燃料含水率下輸入系統的總熱量恒定。經過對比模擬過程與試驗過程的省煤器出口氧量、空氣預熱器入口煙溫、鍋爐效率等數據，證明模擬能有效地反映鍋爐燃燒的真實狀況。由于本文中主要討論的是空氣預熱器出口處NOx與SO2排放隨鍋爐運行參數的變化規律，并非實際從煙囪排入大氣的污染物排放濃度，因而在爐膛燃燒溫度超過1500℃的情況下，本系統并未設置脫硫脫硝設備，而在實際鍋爐的試驗過程中，鍋爐廠有設置脫硫脫硝設備，污染物最終排放可達到國家排放標準。燃料為煙煤時，燃煤鍋爐的爐膛出口處過量空氣系數推薦值為1.15～1.20[42]，因而本文分別取爐膛過量空氣系數為1、1.05、1.1、1.15、1.2、1.25進行分析。
由于秸稈貯藏與干燥等眾多條件的影響，如吳娟娟等[43]經試驗得出玉米秸稈安全存儲平衡水分在一定溫度條件下的變化范圍為15.48%～25.58%，如李在峰等[44]試驗得到干燥后的秸稈含水率為9.6%～14.6%，大多數人討論的生物質含水率范圍取在0%～30%[45-46]或5%～30%[47]之間，因而本文選取的秸稈含水率為5%～30%。由于相鄰秸稈含水率下爐膛燃燒溫度等運行參數與污染物排放濃度變化規律一致，且較為接近，因而取10%、20%、30%秸稈含水率作為代表。
5結論
1）最佳空燃比條件下所得秸稈氣與煤粉混合燃燒后，爐膛燃燒溫度下降，與純煤燃燒工況相比，最大下降了89.3℃，且過量空氣系數越大，爐膛燃燒溫度越小。
2）秸稈含水率與秸稈氣摻燒比例對空氣預熱器出口處煙氣參數均有影響。相同摻燒比例下，秸稈含水率越高，標況下的排煙體積流量與質量流量越大，與純煤燃燒工況相比，秸稈含水率為10%處，排煙體積流量下降最大為2.77×104Nm3/h，而在秸稈含水率為30%處，最大排煙密度1.46kJ/Nm3。
3）隨摻燒比例的增大，秸稈含水率對空氣預熱器出口處煙氣溫度與鍋爐效率變化趨勢有所影響。與純煤燃
燒工況相比，10%秸稈含水率與10%秸稈氣摻燒比例工況下，排煙溫度下降了1.87℃，30%秸稈含水率與30%秸稈氣摻燒比例工況下，排煙溫度上升了11.78℃。在5%～30%秸稈含水率及10%～30%秸稈氣摻燒比例條件下的所有工況中，氣化過程與混合燃燒過程的整體系統效率變化范圍在88.75%～92.62%之間，從而為秸稈的合理利用提供了可能。
4）隨摻燒程度的加深，各秸稈含水率工況下空氣預熱器出口處NO與SO2排放濃度減小，且NO減小幅度較SO2明顯，與純煤燃燒相比，30%秸稈含水率與30%秸稈氣摻燒比例工況下，NO與SO2排放濃度減小量取得最大值，分別為1052.6mg/Nm3與219.8mg/Nm3；10%秸稈氣摻燒比例工況下，過量空氣系數越大，NO排放濃度先上升后稍有減小，SO2排放濃度減小。
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