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王愛軍，韓偉哲，武藝超，劉昊明，張小桃
（華北水利水電大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州450045）
摘要：為分析煤粉爐摻燒生物質(zhì)氣對(duì)耦合鍋爐運(yùn)行性能的影響，基于660MWe燃煤鍋爐和30t/h生物質(zhì)氣化爐，搭建生物質(zhì)氣化耦合燃煤鍋爐系統(tǒng)模型。在額定工況下，選取松木、木屑、污泥3種生物質(zhì)，研究氣化過程；并將最佳氣化條件下得到的生物質(zhì)氣引入鍋爐進(jìn)行混合燃燒，研究不同生物質(zhì)氣對(duì)鍋爐運(yùn)行及燃燒產(chǎn)物的影響規(guī)律。結(jié)果表明，生物質(zhì)氣化熱效率在最佳空燃比下均可達(dá)90%以上。與純煤燃燒工況相比，耦合工況的爐膛燃燒溫度均有所下降，最高下降9.43℃；生物質(zhì)氣摻燒使鍋爐效率略下降，而耦合系統(tǒng)的生物質(zhì)利用效率均可達(dá)84%以上；且耦合燃燒減少了CO2排放量，其中松木氣摻燒時(shí)CO2減排量最大，為2.62×105t/a。耦合系統(tǒng)中NOx生成量與爐膛燃燒溫度和生物質(zhì)氣中CH4含量明顯相關(guān)，其中木屑?xì)怦詈先紵傻腘Ox質(zhì)量濃度下降最多，為167.16mg/m³；而SOx生成與生物質(zhì)成分密切相關(guān)，其中松木氣耦合燃燒生成的SOx質(zhì)量濃度最低，相比純煤燃燒下降330.22mg/m³（標(biāo)況下）。
0引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長，各項(xiàng)建設(shè)取得重大成就，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境矛盾日益突出。其中，燃煤電廠排放的NOx和SOx會(huì)造成大氣污染，是PM2.5的主要來源之一[1]。因此，為保護(hù)大氣環(huán)境，我國相繼出臺(tái)了一系列法律法規(guī)對(duì)工業(yè)企業(yè)污染物排放進(jìn)行管理。溫室氣體造成的全球變暖問題越來越受到重視。我國在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)承諾力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。而我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源消費(fèi)仍處于上升階段，燃煤發(fā)電占比較大，2021年燃煤發(fā)電量占比為62.6%。實(shí)行綠色低碳技術(shù)，控制CO2排放任務(wù)艱巨。
生物質(zhì)作為一種清潔零碳排放的可再生能源，替代一部分煤在鍋爐爐膛燃燒用于發(fā)電，不僅可減少碳排放，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提供一種途徑，同時(shí)在耦合燃燒過程中形成的污染物NOx、SOx更少[2]，有利于煤的潔凈燃燒，環(huán)境效益更好。FOUAD等[3-4]分別采用敏感性分析與技術(shù)性評(píng)估方法，對(duì)生物質(zhì)在美國、歐洲、日本等燃煤電廠的應(yīng)用可行性進(jìn)行評(píng)估，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境3方面證明耦合燃燒的可行性。
生物質(zhì)可采用直接耦合方式在煤粉爐內(nèi)燃燒。RUBEN等[5]以松木為研究對(duì)象進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明生物質(zhì)與煤在較低比例下?lián)綗苡行Ц纳迫剂系娜紵^程和鍋爐性能。但生物質(zhì)在燃煤鍋爐中燃燒時(shí)，爐膛燃燒溫度降低。楊臥龍等[6-7]對(duì)燃煤與生物質(zhì)直接混燒技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)綜述，詳細(xì)介紹了該技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展水平、國外工程及政策激勵(lì)經(jīng)驗(yàn)、存在的技術(shù)問題及解決措施，并分析了其在我國的發(fā)展障礙和前景。李少華等[8]研究了某350MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，證明燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)在機(jī)組效率、投資運(yùn)行成本等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，是目前較合適的燃煤機(jī)組碳減排及生物質(zhì)能利用方式。上述相關(guān)研究表明，燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)燃燒在政策、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行。
直接耦合燃燒方式會(huì)帶來鍋爐運(yùn)行及易結(jié)渣等問題。JULIAN等[9]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)摻燒量增大會(huì)引起過熱器溫度大幅變化。劉家利等[10]闡明了大型煤粉電站鍋爐摻燒生物質(zhì)時(shí)，生物質(zhì)成分、灰熔融溫度和堿性氧化物對(duì)鍋爐結(jié)渣、沾污和腐蝕等影響。張曉航[11]對(duì)秸稈和燃煤混合燃燒的積灰結(jié)渣性進(jìn)行分析，并獲得不同秸稈含量下積灰結(jié)渣傾向性參數(shù)。
生物質(zhì)與燃煤鍋爐可采用間接耦合方式運(yùn)行。通過氣化裝置對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行氣化處理，再將氣化獲得的生物質(zhì)氣通入燃煤鍋爐與煤粉混合燃燒，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣化與燃煤鍋爐的間接耦合[12-13]。KALISI等[14]研究了生物質(zhì)氣化后間接與煤粉耦合燃燒過程，認(rèn)為與生物質(zhì)、煤粉直接共燃相比，間接耦合對(duì)煤粉鍋爐的影響較小。吳國強(qiáng)等[15]對(duì)生物質(zhì)氣化裝置耦合燃煤鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電對(duì)鍋爐燃燒安全性能及正常運(yùn)行影響較小。
農(nóng)業(yè)廢棄物是生物質(zhì)主要來源之一。IDOWU等[16]以農(nóng)業(yè)廢棄物為生物質(zhì)原料，得到了生物質(zhì)含水率和生物質(zhì)氣熱值之間的關(guān)系。金亮等[17]、趙京等[18]對(duì)生物質(zhì)的氣化過程進(jìn)行研究并獲得了最高氣化效率參數(shù)。王一坤等[19]研究了摻燒生物質(zhì)氣對(duì)燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)摻燒生物質(zhì)氣會(huì)導(dǎo)致理論燃燒溫度降低、鍋爐熱效率下降。徐皓鵬等[20]研究了稻殼、麥稈和稻稈混合原料氣化氣與煤粉混燃對(duì)鍋爐燃燒特性及污染物生成特性的影響。結(jié)果表明混燃生物質(zhì)氣可顯著降低鍋爐污染物排放。
生物質(zhì)種類、氣化方式、條件以及耦合混燃比不同時(shí)，對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)、污染物生成的影響存在差異。筆者選用我國北方特有的林業(yè)廢棄物松木、木屑和城市污泥為原料，進(jìn)行間接耦合燃燒對(duì)比研究，分析不同特性生物質(zhì)對(duì)鍋爐運(yùn)行性能、碳減排和污染物減排效果的影響。選取國產(chǎn)660MWe燃煤鍋爐，氣化爐處理生物質(zhì)能力為30t/h，采用空氣氣化。利用Aspen Plus軟件對(duì)生物質(zhì)氣化過程、生物質(zhì)氣耦合燃煤鍋爐燃燒過程進(jìn)行模擬。以純煤燃燒工況為基礎(chǔ)，分析不同種類的生物質(zhì)氣摻燒對(duì)爐膛燃燒溫度、排煙溫度、煙氣成分以及污染物排放的影響。分析耦合燃燒工況下運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律，得到最佳的運(yùn)行條件，為耦合燃燒提供理論支持。
1生物質(zhì)氣化與燃煤鍋爐耦合過程分析與模擬
生物質(zhì)氣化與燃煤鍋爐耦合過程包括生物質(zhì)氣化過程和生物質(zhì)氣與煤粉耦合燃燒過程，如圖1所示。生物質(zhì)經(jīng)干燥、裂解，在缺氧條件下進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，最后生成可燃生物質(zhì)氣。生物質(zhì)氣在分離器中與生物質(zhì)灰分離后，進(jìn)入冷卻器降溫至450℃左右，然后進(jìn)入爐膛與煤粉一起發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成的煙氣經(jīng)過鍋爐尾部受熱面如過熱器、再熱器、省煤器與空氣預(yù)熱器后排到大氣。運(yùn)用化工軟件Aspen Plus對(duì)生物質(zhì)氣耦合燃煤系統(tǒng)搭建模型。鍋爐尾部受熱面的換熱過程由3個(gè)換熱模塊（HEATER）與2個(gè)混合模塊（MIX）構(gòu)成。換熱模塊HEATER用于模擬過熱器、再熱器、省煤器與水或水蒸氣之間的換熱過程；氣化過程和鍋爐爐膛燃燒過程利用RGIBBS模塊，此模塊基于化學(xué)平衡和相平衡原理，用于固體氣化和燃燒過程的仿真研究[21-22]。
1.1耦合系統(tǒng)性能指標(biāo)
生物質(zhì)氣化耦合燃煤鍋爐系統(tǒng)，一方面，利用原有大型燃煤發(fā)電機(jī)組效率高的特性，可提高生物質(zhì)利用效率；另一方面，生物質(zhì)氣摻燒會(huì)影響鍋爐運(yùn)行，需分析生物質(zhì)氣摻燒后鍋爐的運(yùn)行性能指標(biāo)及燃燒產(chǎn)物變化規(guī)律。
1.2耦合系統(tǒng)燃燒產(chǎn)物的生成機(jī)理
由于生物質(zhì)氣代替了部分煤粉，而生物質(zhì)被認(rèn)為是零排放，根據(jù)燃煤減少量，可進(jìn)一步估算CO2減排量M（CO2），計(jì)算公式為
燃料燃燒后生成的污染物NOx包括NO、N2O、和NO2等，主要由空氣中的N2和燃料中的N與O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成，其生成濃度與燃料、燃燒氣體含氮量和燃燒溫度等密切相關(guān)。首先，生物質(zhì)的氮含量較低，代替煤可減少燃料型NOx的生成。其次，燃燒溫度大于1400℃時(shí)，NOx濃度迅速升高，降低燃燒溫度能有效減少NOx生成，而燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)氣燃燒通常會(huì)降低爐膛溫度，從而減少NOx的生成量。另一方面，生物質(zhì)氣化氣中含焦油和CH4等，具有脫硝作用[23]，能將NO還原為N2，進(jìn)一步減少煙氣中的NOx。SOx生成機(jī)理：燃料中硫元素氧化為SO2，SO2在高溫與O2充足情況下進(jìn)一步氧化為SO3。生物質(zhì)中硫元素含量較低，生物質(zhì)代替煤可降低煙氣中SO3。
通過Aspen模擬完成生物質(zhì)氣與燃煤耦合摻燒。排煙出口處，可得到煙氣中污染物體積分?jǐn)?shù)及煙氣體積流量。根據(jù)火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)，污染物生成質(zhì)量濃度C為
1.3耦合燃燒過程模擬
采用30t/h循環(huán)流化床爐，基本運(yùn)行參數(shù)為：生物質(zhì)和氣化空氣的溫度與壓力均設(shè)定為25℃和101kPa，冷卻器出口溫度為450℃。選取某超臨界660MWe鍋爐為研究對(duì)象，固定好660MWe鍋爐受熱面后進(jìn)行校核計(jì)算。鍋爐運(yùn)行基本參數(shù)：過熱蒸汽流量為1968600kg/h；再熱蒸汽流量為1653100kg/h；過熱蒸汽壓力為29.3MPa；鍋爐計(jì)算熱效率為94.3%。生物質(zhì)氣化采用3種生物質(zhì)，即松木、木屑、污泥[24-25]。燃煤選取義馬煙煤[26]，3種生物質(zhì)及義馬煙煤的工業(yè)分析及元素分析見表1。最佳空燃比下3種生物質(zhì)氣的特性參數(shù)見表2。
2結(jié)果分析
2.1生物質(zhì)氣化性能
氣化過程的空燃比為0.7~2.2，通過軟件模擬和計(jì)算得到松木、木屑和污泥3種生物質(zhì)的氣化熱效率隨空燃比變化曲線，如圖2所示。
由圖2可知，3種生物質(zhì)的氣化熱效率變化規(guī)律大致相同，隨空燃比增加先增大后減小。因生物質(zhì)中元素含量不同，最佳空燃比也有差異。空燃比達(dá)1.3時(shí)，木屑?xì)饣療嵝首畲螅瑸?1.56%；空燃比達(dá)1.9時(shí)，松木氣化熱效率最大，為93.05%；空燃比達(dá)2.0時(shí)，污泥氣化熱效率最大，為91.58%。
3種生物質(zhì)最佳空燃比下，生物質(zhì)氣特性參數(shù)見表2，可知由于污泥中N元素含量高于松木和木屑，因此生物質(zhì)氣氣體成分中，污泥氣中N2含量高于松木氣和木屑?xì)狻Ｄ拘細(xì)庵蠧H4含量高于松木氣和污泥氣。松木氣氣體產(chǎn)率最高，為2.70m³/kg（標(biāo)況下）。
2.2生物質(zhì)氣耦合燃煤鍋爐運(yùn)行性能
生物質(zhì)質(zhì)量流量均為30t/h，爐膛過量空氣系數(shù)設(shè)定為1.1。在此情況下模擬生物質(zhì)氣與煤粉耦合燃燒過程，分析鍋爐性能參數(shù)的變化，結(jié)果見表3。工況1為純煤燃燒，工況2為松木氣摻燒，工況3為木屑?xì)鈸綗r4為污泥氣摻燒。
由表3可知，3種生物質(zhì)氣按照熱量計(jì)算的摻燒比例分別為8.89%、6.19%、8.24%，因木屑?xì)獾臀粺嶂岛蜌怏w產(chǎn)率低于松木氣和污泥氣，所以木屑?xì)鈸綗仍谌咧凶畹汀Ｅc純煤燃燒工況相比，生物質(zhì)氣摻燒時(shí)爐膛燃燒溫度低于純煤燃燒，結(jié)合表2中木屑?xì)庵蠬2O體積分?jǐn)?shù)高于松木氣和污泥氣中H2O體積分?jǐn)?shù)，因此木屑?xì)鈸綗臓t膛溫度降值最大，為9.43℃。松木氣摻燒和木屑?xì)鈸綗呐艧煖囟认啾燃兠喝紵謩e上升了0.75、2.67℃；而污泥氣摻燒排煙溫度下降0.36℃。與純煤工況相比，松木氣摻燒和木屑?xì)鈸綗呐艧燇w積有所上升，所以松木氣摻燒和木屑?xì)鈸綗腻仩t熱效率略下降，但耦合系統(tǒng)中生物質(zhì)利用系統(tǒng)效率均可達(dá)84%以上。其中松木氣的氣體產(chǎn)率在三者中最高，利用效率最大，為85.61%。
2.3生物質(zhì)氣耦合燃煤鍋爐產(chǎn)物
生物質(zhì)氣耦合燃煤鍋爐，煙氣成分主要包括H2O、O2、CO2及污染物NOx、SOx。生物質(zhì)氣摻燒與純煤燃燒中H2O、O2、CO2等主要煙氣成分對(duì)比如圖3所示。
由圖3可知，3種生物質(zhì)氣摻燒和純煤燃燒相比，H2O、O2、CO2體積成分相差不大，分別占比8.0%、4.7%、13.3%。CO2是造成全球變暖的主要溫室氣體，通過生物質(zhì)氣摻燒可大大降低CO2排放量。CO2由煤和生物質(zhì)中的碳氧化形成，由于生物質(zhì)的可再生特性，其產(chǎn)生的碳可視為零。其中松木氣熱值和氣體產(chǎn)率最大，因此松木氣耦合摻燒減排CO2效果最好。年利用時(shí)間按5000h計(jì)算，松木氣摻燒可減排CO2約2.62×105t/a，木屑?xì)鈸綗山档虲O2排放1.87×105t/a，污泥氣摻燒可降低CO2排放2.33×105t/a，效果可觀。
生物質(zhì)氣摻燒和純煤燃燒生成的污染物體積分?jǐn)?shù)對(duì)比見表4。
生物質(zhì)氣摻燒和純煤燃燒生成的NOx中，主要成分為NO，占比約99.94%。相比純煤燃燒，生物質(zhì)氣摻燒生成的NOx濃度均有所下降。木屑?xì)鈸綗腘Ox生成濃度最低，相比純煤燃燒減少167.16mg/m³。煤粉爐中NOx的來源主要為燃料型NOx[27]，其次為熱力型NOx。燃料型NOx生成濃度與燃煤消耗和煤中N元素含量有關(guān)。由于生物質(zhì)氣代替一部分燃煤燃燒，因此燃料型NOx生成量降低；而生物質(zhì)中N元素在氣化中轉(zhuǎn)化為NOx的含量極少，由此引入NOx含量可忽略不計(jì)。且在生物質(zhì)氣和煤混合燃燒過程中，NOx會(huì)與生物質(zhì)氣中還原性氣體CH4、H2與CO反應(yīng)，被進(jìn)一步還原為N2[28-29]，從而使生成的NOx進(jìn)一步減少。另一方面生物質(zhì)氣摻燒會(huì)引起爐膛溫度不同程度降低，溫度大于1800K時(shí)，NOx生成與爐膛燃燒溫度有較強(qiáng)正相關(guān)性。對(duì)比4種不同工況的爐膛燃燒溫度，爐膛燃燒溫度越低，NOx含量越低，這與熱力型NOx生成機(jī)理一致。
SOx主要成分為SO2，因SO2需在高溫和O2充足情況下才能進(jìn)一步氧化為SO3。因此，燃燒過程中因O2含量低導(dǎo)致生成的SO3含量相較SO2極小。相比純煤燃燒，松木氣和木屑?xì)鈸綗傻腟Ox體積分?jǐn)?shù)有所下降，但污泥氣摻燒生成的SOx濃度無明顯變化。燃料中硫的析出受溫度、氣氛、停留時(shí)間、加熱速度、燃料特性等因素影響，其中溫度對(duì)硫析出的影響最顯著。爐膛溫度達(dá)1000℃時(shí)硫的析出率達(dá)90%左右。因此煙氣中SO2生成量與燃料中S元素含量和燃料耗量有直接關(guān)系。煤中硫含量較高，松木和木屑中硫含量接近0，而污泥中S元素含量比煤中略低。因此，松木氣摻燒生成的SOx質(zhì)量濃度下降最多，約330.22mg/m³。
3結(jié)論
1）生物質(zhì)種類不同，最佳空燃比不同。在最佳空燃比的氣化條件下，松木氣化熱效率達(dá)93.05%，在3種生物質(zhì)中最高。
2）生物質(zhì)氣化與煤粉耦合燃燒，對(duì)鍋爐效率影響較小。對(duì)比3種生物質(zhì)氣耦合燃燒性能，發(fā)現(xiàn)鍋爐效率均略下降，但耦合系統(tǒng)中生物質(zhì)利用系統(tǒng)效率均達(dá)84%以上。松木氣利用效率最大，為85.61%。
3）利用生物質(zhì)氣與煤粉耦合燃燒可降低污染物NOx、SOx氣體生成量，減少溫室氣體CO2排放量。在松木氣、木屑?xì)狻⑽勰鄽鈸綗詈现校赡練馀c煤粉摻燒對(duì)SOx、CO2減排效果較顯著。木屑?xì)馀c煤粉摻燒對(duì)污染物NOx的減排效果最顯著。
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