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劉家利1，王志超1，鄧鳳嬌2，屠競毅1，方順利1
（1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710054；2.西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西西安710032）
摘要：為提高生物質在大型煤粉電站鍋爐直接摻燒的安全性和經濟性，分析了多種典型生物質與典型煤種的煤質及燃燒性能差異，論述了摻燒生物質后對鍋爐主機及輔機的設備適應性及運行的影響，同時分析了國內外煤粉鍋爐直接摻燒生物質的典型摻燒方式及特點。結果表明，生物質具有水分高、密度低、揮發分和氧含量高、硫含量低、環保性能好等優勢。大型煤粉電站鍋爐摻燒生物質時，需充分考慮摻燒生物質對機組設備的適應性及運行參數的影響，重點考慮生物質的全水分、發熱量、灰熔融溫度和灰成分中Fe2O3、CaO、MgO和K2O等堿性氧化物對燃料制備、儲存和輸送，鍋爐效率，制粉系統出力，帶負荷能力及鍋爐的結渣、沾污和腐蝕等影響。通過優選生物質種類，摻燒5%~10%的成型生物質對大型煤粉電站鍋爐主機、燃燒系統、制粉系統及其他輔機系統運行無明顯影響。綜合考慮技術可行性、經濟性及運行安全性，采用獨立噴燃工藝2即利用鍋爐備用制粉系統實現生物質獨立摻燒的經濟性更高。為防止生物質燃燒器的燒損，要求磨制生物質燃料的磨煤機進口風溫在100℃以內，以保證磨出口一次風溫不超過50℃，以40~45℃為宜。當生物質比例低或摻燒時間短時，可考慮共磨摻燒方案，但需嚴重控制生物質自燃，確保生物質摻燒的安全性。因此通過優選生物質種類和摻燒方式、控制摻燒比例、優化運行參數等可保證大型煤粉電站鍋爐直接摻燒生物質的安全運行。在大容量高參數的煤粉鍋爐上直接摻燒生物質具有投資和占地面積少、無或少量設備改造、熱效率高、摻燒不受季節影響等優勢，目前制約其大規模推廣應用的主要原因是生物質不受人工干預的準確計量。
0引言
生物質是世界上第四大能源，其主要特點是可再生、硫含量低，能有效降低煙氣中SO2濃度，且實現CO2零排放，是一種清潔的低碳燃料。生物質發電兼具經濟、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[1-5]。我國《可再生能源中長期發展規劃》報告提出，2020年可再生能源消費量爭取達到能源消耗的15%，并實施了生物質發電優惠上網電價以及燃煤機組摻燒生物質補貼電價等相關配套政策。國家發布了《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[6-8]。
近年，國內純燃生物質發電迅速發展，但存在燃燒效率低、發電成本高[9-11]、鍋爐受熱面結渣沾污和高溫腐蝕[12-18]、設備可靠性差[19-22]等技術難題，嚴重影響了生物質發電企業的可持續發展。在大型煤粉電站鍋爐摻燒生物質可通過有效控制手段避免前述直燃鍋爐存在的問題，目前主要分為間接摻燒和直接摻燒2種[20-21]。間接摻燒技術是將生物質氣化后的燃氣送入煤粉鍋爐燃燒，該技術的原料適應性較廣，能避免爐內結渣和腐蝕等現象，但新建設備較多、投資相對較高。直接摻燒即在燃燒側實現混燒，將生物質燃料處理成可與煤粉混燒的狀態直接送入爐膛混燒[22-24]。在大容量高參數的煤粉鍋爐上直接摻燒生物質具有投資和占地面積少、設備改造少或無、熱效率高、摻燒不受季節影響等優勢，值得大力推廣[25-26]。為了提高生物質在大型煤粉電站鍋爐直接摻燒的安全性和經濟性，本文對生物質煤質特性、典型生物質直接摻燒特點、直接摻燒可能存在的問題及應對措施等進行全面分析，以期提高生物質在大型煤粉電站鍋爐直接摻燒的安全性和經濟性。
1典型生物質與燃煤的煤質特性差異
1.1典型生物質的煤質特性
國內典型農業生物質和典型褐煤及煙煤的基本煤質參數見表1。
盡管這些生物質都屬于農業生產廢棄物，但不同生物質的煤質特性差異較大，全水分10%~40%，灰分總體偏低，熱值主要受全水分影響較大，通常情況下水分越高熱值越低。與國內典型煤種相比，生物質的主要特點是：Vdaf高達80%左右，比青年褐煤還偏高；收到基碳含量與國內典型褐煤相當；氫含量偏高；氧含量高，達到20%~40%；硫含量低，均在0.3%以下；發熱量與國內典型褐煤接近。
生物質的高揮發分、高氫、高氧特性使得生物質的燃燒性能優良、極易著火和燃盡，燃燒性能明顯優于國內典型煤種，而低硫特性可減少煙氣中SO2濃度。與燃煤相比，生物質燃料還具有流動性差、密度小、體積大、顆粒大及能量密度低等特點。
1.2典型生物質與燃煤的煤灰特性差異
典型生物質與燃煤的灰熔融溫度和灰成分比較見表2。生物質灰熔融溫度低，與國內典型的褐煤和侏羅紀煙煤接近。不同種類生物質的CaO、K2O、MgO、Al2O3、Fe2O3等成分含量偏差較大，如樹皮CaO含量達30%，其余多在10%以下；麥稈K2O含量達30%，其余多在15%以下；MgO、Al2O3和Fe2O3含量大多在10%以下。與國內典型煤種比較，生物質的主要特點是灰成分中的K2O和MgO含量明顯偏高。灰成分不同導致結渣機理不同，常規燃煤大多是由于煤灰中CaO和Fe2O3含量較高，而生物質主要是由于煤灰中K2O和MgO等堿（土）金屬含量較高，當生物質煤灰中CaO含量高時，將進一步加劇結渣[26]。表3為神華煙煤與玉米和麥稈2種生物質摻混后的煤灰成分特性，通常生物質摻燒比例越高，混煤煤灰成分中堿金屬含量越高，通過控制摻燒比例，可將混煤灰成分中的堿性氧化物控制在安全范圍，如K2O含量高達30.65%的麥稈生物質，摻燒質量比控制在10%時，混煤中的K2O僅為3.88%。
2生物質直接摻燒方式
生物質直接摻燒技術在現行的混燃電站中占絕大多數。國外統計的200多家生物質摻燒電廠中，直接摻燒發電占比達到了84%。直接摻燒技術主要包括：
1）共磨工藝。將生物質與燃煤按照一定摻燒比例進入磨煤機，在磨煤機內共同磨制，然后進入對應的燃燒器，該方案最為簡單。
2）共管工藝。先將生物質燃料單獨破碎，然后將破碎后生物質燃料輸入原磨煤機出口的粉管道中，與煤粉混合后進入鍋爐原燃煤燃燒器，該方案管道布置及切換控制系統復雜，實際應用較少。
3）獨立噴燃工藝。生物質單獨粉碎后進入純燒生物質的燃燒器后入爐燃燒。該種工藝可分為2類，一類是建立獨立的生物質粉碎機和獨立的生物質燃燒器，燃燒器位于原鍋爐主燃燒器區，即獨立噴燃工藝1；另一類是利用電廠備用的磨煤機和對應的燃燒器燃用生物質，即獨立噴燃工藝2。
4）再燃工藝。類似獨立噴燃工藝，只是生物質噴入位置不同，生物質經粉碎機粉碎后送入鍋爐爐膛上部燃盡區的再燃燃燒器，可進一步降低爐內NOx生成濃度。
4種摻燒方案的工藝流程及技術特點的比對分析參見表4，綜合考慮技術可行性、經濟性及運行安全性，采用獨立噴燃工藝2，即利用鍋爐備用制粉系統使生物質在已投運機組上獨立摻燒的經濟性更高。當生物質比例低或摻燒時間短時，可考慮共磨摻燒方案，但需要嚴格控制生物質自燃，確保生物質摻燒的安全性。
3生物質直接摻燒存在問題及應對措施
由于生物質與常規燃煤的煤質特性及燃燒性能相差較大，且不同生物質之間的煤質特性差別也較大，因此大型煤粉電站鍋爐摻燒生物質時，需根據制粉系統及鍋爐設備特點，充分考慮摻燒煤種對機組運行性能的影響，重點考慮生物質的全水分、發熱量、灰熔融溫度和灰成分中Fe2O3、CaO、MgO和K2O等堿性氧化物灰成分對鍋爐效率、制粉系統出力、帶負荷能力及鍋爐的結渣、沾污和腐蝕等的影響。
3.1燃料制備、儲存和輸送
生物質燃料具有低能量密度、高親水性以及高纖維素等特點，對其運輸、儲存和制備影響較大。電廠直接采購成型生物質燃料更為經濟方便。需要注意的是在雨水天氣要避免成型生物質淋雨，否則成型生物質可能會軟化變形，影響輸送、磨制和后期燃燒，且會散發大量氣味，影響周圍環境。建議到廠后及時燃用，避免長時間堆放。
3.2結渣、沾污及腐蝕
生物質煤灰熔融溫度低且灰成分中K2O含量遠高于常規煤種，生物質中的活性K2O是引起結渣、沾污和腐蝕的主要原因[27]。
另外，部分生物質氯含量較高，且氯化物（主要是NaCl和CaCl2）均溶于水，在較低溫度下氯以HCl形式釋放，溫度升高時，釋放速度加速，進一步加劇沾污和腐蝕。因此，在摻燒生物質特別是高氯生物質時，堿金屬氯化物腐蝕需額外關注[28]。同樣，控制高氯生物質摻燒比例，避免與氯含量較高的煤種摻燒，可將受熱面的腐蝕控制在安全范圍。
3.3制粉系統分離器堵塞及自燃
生物質秸稈或稻殼等無法直接送入制粉系統，需新增一套生物質輸送及粉碎系統將其制成成型燃料，如十里泉電廠生物質摻燒改造，這將改變電廠現有設備，增加投資。生物質自身密度低，經粉碎后壓制成8~33mm顆粒狀，密度提高，但進入磨煤機破碎后，密度將大幅降低，部分較大顆粒未經充分磨制即被一次風帶走進入分離器，較長的纖維可能堵塞制粉系統進而影響制粉系統出力。當生物質給料量過大，可能造成一次風管道堵塞和磨煤機磨制困難。另外，生物質為極易著火燃料，當磨煤機進出口溫度較高時可引起自燃。
3.4其他問題
生物質揮發分極高，著火溫度較常規煤粉明顯偏低、著火提前[29]，可能引起燃燒器區溫度升高，造成燃燒器區結焦和燃燒器燒損。
部分生物質的全水分高，發熱量低，折算水分高，隨著生物質摻燒比例增加，爐膛燃燒溫度降低，爐膛輻射吸熱量降低，排煙溫度升高[26]。另外燃燒性能優良的生物質在爐內存在“搶風”問題，可能導致飛灰含碳量升高，降低鍋爐效率。
通常生物質中K和Ca等堿性成分高，堿金屬如果與催化劑表面接觸，能夠直接與活性位發生作用而使催化劑鈍化。
4摻燒生物質與鍋爐主機及輔機的適應性
4.1合適的生物質摻燒方式和摻燒比例
Hughes等[30]研究表明，如果直接磨制未成型的生物質，磨煤機很難將生物質磨至與煤粉同樣的粒徑，且由于生物質密度輕體積大，摻燒比例將大大受限。采用共磨工藝的英國Ferrybridge C電廠4×500MW單爐膛前墻燃燒自然循環煤粉爐，前墻配48臺低NOx煤粉燃燒器，其中2臺鍋爐于2004年改成共磨生物質混燒，但生物質混燒比不能超過3%，否則影響磨煤機出力、細度，甚至正常運行。英國Fiddlers Ferry電廠采用捶擊式磨煤機共磨燃煤和生物質，生物質摻燒比例可達20%。采用獨立噴燃工藝1的波蘭Ostroleka B電廠和獨立噴燃工藝2的寶雞二電廠生物質摻燒比例均控制在5%左右。Ferrybridge C電廠另外2臺機組鍋爐于2006年改成單獨的生物質處理、磨制及專門的生物粉旋流預燃室燃燒器，即獨立噴燃工藝1摻燒方式，6臺燃燒生物質的旋流預燃室燃燒器安裝在后墻，摻燒效果良好，混燒生物質比例可達20%?？梢姡瑩綗绞綄ι镔|的摻燒比例有明顯影響，需根據設備特點選擇合適的摻燒方式和摻燒比例，也可保證鍋爐效率不會大幅降低。
另外，受制粉系統出力、爐膛結渣沾污、催化劑失效等影響，同樣需要控制生物質摻燒比例，將燃煤與生物質混合物灰成分中的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等物質控制在較低水平。
推薦生物質摻燒在較高負荷進行，避免造成短時間內低負荷下生物質摻燒比例過高，對機組安全運行產生影響。
4.2與燃燒器的適應性
生物質單獨燃燒時著火距離短，可能出現燃燒器燒損，控制生物質燃料一次風溫度在較低值，在一定程度上可延遲著火，避免燃燒器燒損。此外，生物質燃燒溫度低于煤粉，同樣有利于避免燃燒器結焦和燒損。實際運行中，應加強生物質燃燒器噴口附近看火孔的監測，通過調整配風和制粉系統運行方式等手段保障設備正常運行。寶雞二電廠摻燒生物質期間控制措施得當，并未出現上述問題。與燃煤混合燃燒時，生物質先于煤著火，可能出現“搶風”現象，不利于煤粉的著火和燃盡，由于生物質摻混比例通常低于15%，上述問題可避免。無論采用共磨方案還是單獨燃燒方案，生物質燃料均與燃燒系統有較好的適應性，可通過摻配手段避免風險。
4.3與制粉系統的適應性
控制磨煤機進出口溫度可避免生物質燃料在磨煤機及一次風管內自燃。根據寶雞二電廠生物質摻燒經驗，磨入口一次風溫通常控制在100℃以內，以保證磨出口一次風溫不超過50℃，以40~45℃為宜，則不會出現生物質燃料自燃的情況。生物質單獨燃燒時該方法易實現，但當生物質與煤混合磨制時，如果仍采用該溫度控制方式，不利于煤粉著火，如果磨出口溫度過高，則有可能出現生物質自燃，不利于機組安全穩定運行。另外，一次風量需根據實際磨煤機運行情況進行調整，風量大小的原則即為確保磨煤機電流處于合理區間且不出現堵磨問題。
4.4結渣沾污及腐蝕防控
為避免入爐混合燃料的堿金屬含量過高，出現影響鍋爐安全運行的受熱面結渣、沾污及腐蝕問題，可通過生物質摻燒種類選取以及生物質摻燒比例控制有效避免，如麥稈K2O含量高達30%，不建議與煤灰中K2O含量偏高的神華煤摻燒，即使與低K2O煤種摻燒，也需控制摻燒比例。寶雞二電廠自2009年摻燒生物質至今，鍋爐檢修并未發現明顯沾污積灰及腐蝕問題，英國Fiddlers Ferry電廠4×500MW切向燃燒煤粉爐摻燒水分低于15%的廢木屑顆粒、煉制橄欖油的廢品等，生物質摻燒比例可達20%，未出現結渣和積灰問題，鍋爐可用率達95%，鍋爐效率只降低0.4%。英國Drax電廠6×660MW前后墻對沖燃燒鍋爐是世界上容量最大的生物質混燒電廠。其中3臺改造成有單獨生物質磨制和燃燒的摻燒方式，生物質混燒比例為10%的BMCR輸入熱量，鍋爐運行良好，未出現嚴重的結渣沾污及腐蝕。
4.5與輔機系統的適應性
不同生物質的煤質特性偏差較大，需根據具體工程進行脫硫、脫硝及除塵系統復核計算。生物質的硫含量較低，摻燒后爐內SO2生成濃度和總量會有所降低，對脫硫系統運行影響不大。影響燃燒NOx生成濃度的主要因素包括燃料自身的含氮量和燃料的燃燒性能，燃料燃燒性能優良時，可采用更為嚴格的低氮燃燒措施，進而將NOx生成濃度降低。盡管生物質的氮含量與常規煤種接近，但生物質的燃燒性能優于常規煤種，可采用更為嚴格的低氮措施降低爐內NOx生成濃度，且對于高水分低熱值的生物質，理論燃燒溫度較低，也為更低的NOx生成濃度控制創造了條件[31-32]。寶雞二電廠通過摻燒生物質降低了NOx生成濃度。
實爐試驗結果表明，飛灰量的增加對除塵器無太大影響，對飛灰品質幾乎沒有影響，說明除塵系統與生物質燃料的適應性較好，且不影響飛灰的綜合利用。
5結語
大型煤粉電站鍋爐直接摻燒生物質在技術上可行，摻燒比例主要受制粉系統限制。通過生物質種類優選，摻燒5%~10%生物質對大型煤粉電站鍋爐主機、燃燒系統、制粉系統及其他輔機系統運行無明顯影響。電站煤粉鍋爐適宜摻燒成型生物質燃料，并在機組較高負荷（70%以上）下進行，采用獨立噴燃工藝2摻燒生物質最為簡單經濟，即利用鍋爐備用制粉系統和燃燒器實現生物質獨立摻燒。為了防止燒損生物質燃燒器，要求磨制生物質燃料的磨煤機進口風溫在100℃以內，以保證磨出口一次風溫不超過50℃，以40~45℃為宜。在大容量高參數的煤粉鍋爐上直接摻燒生物質具有投資和占地面積少、設備改造少或無、熱效率高、摻燒不受季節影響等優勢，具有推廣前景，目前制約其大規模推廣應用的主要原因是生物質不受人工干預的準確計量。
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