畢武林，費芳芳

（廣東粵電湛江生物質發電有限公司，廣東湛江524300）

　　摘要：為了研究生物質流態化燃燒過程中的自固硫特性，在工業規模循環流化床燃燒裝置上通過外加硫改變生物質燃料含硫量，研究不同硫含量情況下生物質燃料燃燒過程煙氣SO₂和灰渣中硫含量的變化規律。研究結果表明，生物質燃料燃燒過程中堿性灰渣的固硫能力存在一定程度過剩，絕大部分的生物質帶入的硫可以被固留在灰渣中。通過硫平衡計算，50MW生物質直燃發電鍋爐自固硫率可達80%以上，可為生物質直燃項目硫氧化物排放準確評估提供參考。

　　0引言

　　生物質能是一種分布廣泛、儲量豐富的可再生能源，且具有轉化利用形式靈活、利用過程污染排放低、CO₂近零排放的特性，在世界各國能源結構調整中的作用日益突出。目前，生物質直燃發電是生物質能大規模利用技術中產業化程度最高、最為成熟的技術[2]，相對于風能、太陽能等可再生能源發電技術，生物質直燃發電具有利用小時數高、電能品質優等特點，在我國電力結構改革中起到越來越重要的作用。2003年國家發改委先后批復江蘇如東、山東單縣和河北晉州3個國家級生物質直燃發電示范項目，2006年12月采用丹麥水冷振動爐排引進技術的山東單縣生物質發電項目投入商業運行，成為我國第一個投產的國家級生物質直燃發電項目，2011年11月廣東湛江2×50MW生物質直燃發電項目投產，是目前世界上已投產的單機容量和總裝機容量最大的生物質直燃發電廠，截止2017年10月，我國已投產生物質直燃發電廠248個，裝機容量達1105.4萬kW。

　　生物質燃料含硫量普遍較低，遠低于燃料煤。典型的木本生物質燃料含硫量（干燥無灰基）一般都在0.1%以下，但是也有一些草本生物質燃料含硫量（干燥無灰基）較高，如油菜秸稈中的含硫量高達0.3%[3]。為了研究生物質燃料燃燒過程硫的釋放特性，便于在燃燒過程中加以控制，很多研究者做了大量的研究，研究結果表明，生物質燃料的灰分中由于含有大量的Ca、Na和K等堿性物質，在燃燒過程中會對硫的析出產生一定的影響，使生物質燃料表現出一定的自固硫特性[4-6]。基于生物質燃料自固硫特性研究大部分是在試驗室，例如KNUDSEN等[5]在固定床試驗臺上進行的工作。流態化燃燒特性以及涉及氣固相反應自固硫過程和燃燒設備的尺寸維度密切相關。

　　為了研究工業規模鍋爐生物質燃燒過程自固硫特性，為工業實踐評估該效應提供切實依據，本文中以50MW生物質直燃發電鍋爐為平臺，進行工業規模鍋爐生物質燃料燃燒過程自固硫特性的研究。

　　1試驗

　　1.1生物質燃料特性

　　試驗燃料主要采用湛江地區的桉樹皮、桉樹根、桉樹枝葉和甘蔗渣等農林廢棄物，為了避免不同品種燃料含硫量不同對試驗結果造成影響，試驗前基于長期運行數據所獲取的穩定的摻混比例對各種燃料進行充分混合，整個試驗周期內確保試驗用燃料摻混情況不發生變化。取混合燃料樣進行燃料特性分析，如表1所示，混合燃料含硫量為0.05%，低位熱值為8.48MJ/kg。

　　混合燃料灰成分分析結果如表2所示。

　　由表2可知灰中Ca和K等堿金屬、堿土金屬的含量都較高，從而可能會對生物質燃料燃燒過程硫的釋放產生較為顯著的影響。為了考察生物質燃料中含硫量變化的工況，研究中還采用在燃料中均勻混入一定量單質硫的方法進行試驗模擬，并通過檢測煙氣中硫氧化物排放濃度的方法評估灰相在循環流化床燃燒條件下的爐內自固硫效果。

　　1.2試驗用循環流化床鍋爐

　　本研究采用的燃燒設備為220t/h純燃生物質燃料循環流化床鍋爐，鍋爐主要參數如表3所示，為高溫、高壓參數（540℃、9.8MPa）。采用分級配風技術，一次風由爐底布風板進入，主要作用是提供燃料著火初期所需氧量和保證爐內物料流化；二次風由給料口上方給入，主要作用是提供燃料燃燒和燃盡所需的氧量。在爐膛出口布置兩臺絕熱式旋風分離器，主要作用是將未燃盡顆粒分離下來返回爐膛繼續燃燒，提高燃燒效率，同時返料灰還具有調節床溫的作用。

　　1.3試驗方法

　　本試驗基準工況采用桉樹皮、桉樹根、桉樹枝葉、甘蔗渣和橡膠木等以固定比例混合的混合燃料，混合燃料的含硫量為0.05%。對比工況通過外部添加單質硫逐漸改變入爐生物質燃料的含硫量，硫添加設備如圖1所示。該設備安裝在爐前給料系統，由硫儲存倉、變頻控制的給料閥和壓縮空氣輔助系統組成，儲存倉內的硫通過變頻控制的給料閥加入至生物質燃料二級給料機頭部，生物質燃料在螺旋輸送過程中與硫充分混合后經下料管進入爐內燃燒。

　　試驗中從硫添加量為0的混合生物質燃料開始，利用變頻器控制硫的添加量，每個試驗工況提高入爐燃料含硫量0.03%，試驗共進行9個工況，研究煙氣、灰渣中硫的變化規律，并通過硫平衡計算固硫率。

　　2結果與討論

　　2.1 SO₂排放規律

　　試驗期間采用西門子U-23氣態污染物連續監測儀（CEMS）對煙氣中SO₂濃度進行監測，隨著燃料含硫量的增加，煙氣中SO₂的排放規律如圖2所示。

　　由圖2可知，當燃料中含硫量在0.17%以下時，隨著燃料中含硫量的增加，煙氣中SO₂濃度并無明顯變化，始終維持在13mg/m³左右，顯然，生物質燃料中K、Na和Ca等堿性物質與SO₂發生硫酸鹽化反應將SO₂固留在灰渣等固相燃燒產物中是主要原因，而循環流化床鍋爐強烈的氣固相混合和較長的接觸時間也會增加灰渣中堿性物質與SO₂的反應，增加其固硫率[3-6]。當燃料中的含硫量超過0.17%后，隨著燃料含硫量的增加，煙氣中SO₂的濃度也明顯增加，當燃料含硫量增加至0.29%時，煙氣中SO₂濃度達到89.1mg/m³。

　　2.2灰渣中含硫量的變化規律

　　為了研究滯留在固相中硫的具體情況，對試驗期間每一工況的飛灰和底渣流量進行統計并分別進行含硫量測試，通過匯總計算獲取鍋爐各工況穩定運行期間灰渣平均含硫量數據，結果如圖3所示。

　　由圖3可知，當燃料中含硫量在0.2%以下時，隨著燃料中含硫量的增加，灰渣中S含量增加明顯；而當燃料中含硫量超過0.2%以后，隨著燃料含硫量的增加，灰渣中的S含量增加趨勢顯著放緩，基本維持在1%左右，這一規律與煙氣中SO₂濃度變化規律剛好相反。有理由認為，在當前燃料灰分特性情況下，當燃料含硫量在0.2%以下時，在循環流化床鍋爐充分的氣固相接觸混合條件下，SO₂與堿性物質反應被固留在灰渣中，當燃料含硫量達到一定程度后，隨著堿性物質反應達到飽和，其固硫能力達到極限，多余的SO₂仍以氣態污染物的形式排放。

　　2.3硫平衡計算

　　根據上述試驗結果，分別以燃料中計算含硫量0.05%、0.17%、0.23%以及0.29%作為四個運行工況（工況1~4），結合各工況的燃料用量及各項運行參數，進行硫平衡計算，結果如表4所示。

　　由計算結果可見，以煙氣中的氣態硫和灰渣中固相硫計算燃燒過程硫元素質量平衡的偏差在-5%左右，該偏差可能是針對灰渣的含硫量檢測方法不能檢出在燃燒過程中可能進入穩定的惰性硫酸鹽或者含硫硅酸鹽物質內的少部分硫而導致的。由表4可見，在未添加額外硫的低硫工況中，該研究所用生物質燃料灰組分特性條件下的循環流化床燃燒過程中，灰中的堿性物質相對過量，足以通過自固硫效應將絕大多數的硫捕獲并留存在灰渣中，此時13mg/m³左右的硫氧化物排放濃度受控于溫度、氣氛、停留時間和接觸界面等氣固反應條件，在燃料中硫含量增加過程中增加的幅度很小，基本維持恒定；自固硫率隨著燃料中硫分增加而增加，從75%提升到80%以上。當燃料硫分超過0.19%，爐內自固硫反應的控制因素發生變化，灰相中堿性物質作為脫硫反應物的供應短缺成為主要制約因素，此時，灰渣中含硫物質水平接近或達到極限值，隨著燃料含硫量進一步增加，煙氣中的硫氧化物濃度迅速提升，而自固硫率則顯著下降。上述研究說明，對于含鈣、鉀等較高而含硫較低的樹皮類生物質，灰相中的含堿物質足以憑借流態化燃燒過程優異的氣固相反應條件達到相當高的自脫硫率，從而實現極低的硫氧化物排放濃度；另一方面，自脫硫能夠應對的燃料硫存在一個極值，含硫量高于極值后，自脫硫率會迅速降低，硫氧化物的排放濃度亦會快速增加。

　　3結論

　　在50MW工業規模生物質直燃循環流化床鍋爐上探索生物質燃料燃燒過程的自固硫特性。試驗發現由于生物質燃料燃燒產物中含有較多的K、Na和Ca等堿性物質，及循環流化床鍋爐優良的氣固相接觸、混合反應條件，在工業規模循環流化床鍋爐上生物質燃料燃燒過程中具有較高的自固硫能力，不但可以以較高的效率捕獲燃料自身帶入的硫分，還有能力對外加硫分實施高效固硫。本實驗獲得了生物質灰渣中堿性物質自脫硫能力的極限，可為工程領域生物質流態化燃燒過程硫排放評估提供參考。