生物質混燃技術在煤粉爐上存在的潛在風險(徐金苗)

1、 生物質混燃技術生物質混燃技術 在煤粉爐上存在的潛在風險在煤粉爐上存在的潛在風險徐金苗徐金苗 福建福建廈門廈門20122012年年4 4月月2727日日 E-mail: 目 錄一、全球生物質混燃技術工程應用情況二、潛在技術風險及風險等級分析三、未燃盡碳影響四、對SCR影響五、對FGD影響六、對ESP性能及灰的資源化利用影響七、結論1/27目 錄一、全球生物質混燃技術工程應用情況二、潛在技術風險及風險等級分析三、未燃盡碳影響四、對SCR影響五、對FGD影響六、對ESP性能及灰的資源化利用影響七、結論2/27圖1.1 全球使用生物質混燃技術的煤粉爐數量1 原始數據來源： IEA.http:/www

2、.ieabcc.nl/database/cofiring.php.2011.10.17全球共計217個生物質混燃電站，其中102個CFB/BFB鍋爐、14個鏈條爐、101個煤粉爐3 /27（約占47%）圖1.2 全球燃燒不同生物質燃料的電站數量分布（包括全部鍋爐類型）1 原始數據來源： IEA.http:/www.ieabcc.nl/database/cofiring.php.2011.10.174 /27表1.1煤粉爐內混燃燃料在不同國家的區(qū)別（截止2011年10月）1 原始數據來源： IEA.http:/www.ieabcc.nl/database/cofiring.php.2011.10

3、.17國家采用混燃技術的煤粉爐數量混燃的生物質燃料美國29木材(18)+柳枝稷(3)+鋸屑 (3)+工業(yè)廢棄物(3)+農業(yè)廢棄物(1)+垃圾衍生燃料(1)+未知(1) 英國16木材(4)+木材與其它的混合物(3)+谷類加工廢棄物(1)+淤泥(1)+各種各樣的混合物(7) 芬蘭10未知 澳大利亞8木材廢棄物(8) 加拿大7木材(3)+谷物(3)+木材與谷物的混合物(1) 荷蘭6木質顆粒物(6) 意大利6未知德國4*木材(1)+稻草(1)+淤泥(1)+木材與稻草的混合物(1) 丹麥4稻草(2)+木質顆粒物(2) 瑞典3木材(3) 比利時1未知奧地利1未知中國3秸稈（2）+淤泥(1)5 /27對于生

4、物質混燃技術的推廣更適合在已有的煤粉爐上（或CFB）進行改造：1、在相同的CO2減排目標下，在已有煤粉爐上改造所需要的工作量、成本要更少；2、當地可以利用的生物質燃料的量是隨時間變化的，生物質燃料的市場價格也是不斷變化的， 無法保證純燃電站100%生物質燃料的需求；3、由于生物質能量密度低，收集半徑過大后，需要較高的運輸成本，純燃生物質電站的裝機容量和效率都受到了限制。6/27目 錄一、全球生物質混燃技術工程應用情況二、潛在技術風險及風險等級分析三、未燃盡碳影響四、對SCR影響五、對FGD影響六、對ESP性能及灰的資源化利用影響七、結論7 /27表2.1 與生物質混燃技術不同風險問題有關的文獻

5、數量（截止2011年10月）1 原始數據來源： IEA.http:/www.ieabcc.nl/database/cofiring.php.2011.10.17風險類型文獻數百分比重（%）關于各種風險的綜述3817.5生物質預處理、搬運、投料188結渣、積灰7736腐蝕4320未燃盡碳178SCR失活125.5靜電除塵器,細顆粒排放73FGD10.5飛灰利用31.5GGH及煙囪00生物質的預處理和投料問題在工程應用中都比較重視；最大的風險是積灰、腐蝕；未燃盡碳、SCR設備性能、電除塵器性能、飛灰利用、煙氣脫硫等問題容易被忽視而且在學術界和工程上有不同的看法。結論：8 /27目 錄一、全球生物質

6、混燃技術工程應用情況二、潛在技術風險及風險等級分析三、未燃盡碳影響四、對SCR影響五、對FGD影響六、對ESP性能及灰的資源化利用影響七、結論可能更多是一個基礎性研究問題實際工程中很受重視，但并不嚴重而且可控9 /273.1 風險程度分析電站電站機機組組號號容量容量/MW措施措施效果效果丹麥 Studstrup電廠一號150混燃比低于20%1、混燃的煤粉爐正常運行2、腐蝕稍微有所增加3、積灰污染可控4、飛灰可資源化利用丹麥 Studstrup電廠四號/在一號機組經驗基礎上采取了：1、合理布置燃燒器2、優(yōu)化生物質給料速度1、燒失量達到了與純燃煤時相同的水平2、鍋爐產生的底灰全部賣給磚廠再次利用波

7、蘭Skawina電廠/1、混燃對給料系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)的正常運行并未構成影響2、混燃時的鍋爐效率與燃煤時鍋爐效率沒有區(qū)別，僅低了0.3個百分點山東某電廠/3001、生物質粒徑范圍為0.012mm2、混燃比按質量計為1030%，按能量計為6.7621.9%1、隨著混燃比的增加飛灰中未燃盡碳增加2、鍋爐效率略微下降3、總體來講混燃并未對未燃盡碳造成較大影響12. Zuwala, J., Full-scale co-firing trial tests of sawdust and bio-waste in pulverized coal-fired 230t/h steam boiler. Bioma

8、ss and Bioenergy, 2010. 34(8): p. 1165-1174.10. Pedersen, L.S., et al., Full-scale co-firing of straw and coal. Fuel, 1996. 75(13): p. 1584-1590.10 /273.2 影響因素分析總體而言，混燃生物質可以改善燃料燃燼效果，但也受一些因素限制：a、燃料顆粒的尺寸大小b、停留時間c、水分d、生物質種類圖3.2 煤與生物質混合燃料的燃盡率圖3.1 典型生物質燃料顆粒（柳枝稷）的燃燒歷程15. Robinson, A.L., Interaction betwee

9、n coal and biomass when co-firing. Twenty-Seventh symposium on combustion/The combustion institute, 1998: p. 1351-1359.e、混燃比11 /273.3 風險防御措施u生物質種類：密度的差異會明顯影響揮發(fā)分析出和焦炭的燃燒u顆粒大?。侯w粒越小越好；考慮研磨制備，有一經濟顆粒尺寸，一般13mmu爐溫與停留時間：負荷變化的工況需注意u水分：通常在30%以內，最好小于15%，超40%要預干燥u局部含氧量：個別燃燒器投生物質，存在優(yōu)化配風問題u生物質、煤、空氣的充分混合u混燃比：未燃盡碳與

10、之無直接關系17. Loo, S.v., The handbook of biomass combustion and co-firing. 2008.12 /27目 錄一、全球生物質混燃技術工程應用情況二、潛在技術風險及風險等級分析三、未燃盡碳影響四、對SCR影響五、對FGD影響六、對ESP性能及灰的資源化利用影響七、結論很多文獻提到了脫硝設備將面臨潛在的風險，但缺乏詳細的煤粉爐SCR運行數據時常進行有效的煙塵吹掃可以保證催化劑的清潔13 /274.1 粉塵濃度對催化劑失效有重要影響uStudstrup電廠試驗結果：高粉塵區(qū)催化劑活性約每1000小時降低8%；低粉塵區(qū)催化劑活性約每1000小

11、時降低6.5%。大多數顆粒將沉積在催化劑通道入口位置飛灰在催化劑表面增加了5 m的厚度，二氧化硅、硫、鋁是其主要成分，鉀鹽和磷酸鹽的量也很大uMasned熱電聯產試驗結果：催化劑每天失效1.1%的速度活性位中毒和外表面的物理沉積封閉對催化劑失效都有貢獻22. Zheng, Y., A.D. Jensen, and J.E. Johns, Deactivation of V2O5-WO3-TiO2 SCR catalyst at a biomass-fired combined heat and power plant. Applied Catalysis B: Environmental, 2

12、005. 60: p. 253-264.14 /274.2 SCR催化劑失活機理化學中毒有效活性位減少鉀鹽、Na、磷酸鹽、Ca等催化劑表面沉積的粉塵占據活性位活性位轉化頻率降低可到達的微孔數的減少催化劑表面沉積是主導機理15 /274.3 風險防御措施uSCR反應模塊最好安裝在低粉塵環(huán)境區(qū)域；u對SCR催化劑模塊要經常進行吹掃防止產生嚴重的粉塵沉積；u對于催化劑活性的提高，可以采用催化劑再生手段， 如用硫酸鹽溶液、硫酸、NH4Cl等進行清洗；u要注意生物質種類選擇和SCR的設計，對于含堿金屬高的 生物質要適當調低混燃比26。26. Strege, J.R., et al., SCR deact

13、ivation in a full-scale cofired utility boiler. Fuel, 2008. 87: p. 1341-1347.16 /27目 錄一、全球生物質混燃技術工程應用情況二、潛在技術風險及風險等級分析三、未燃盡碳影響四、對SCR影響五、對FGD影響六、對ESP性能及灰的資源化利用影響七、結論有生物質灰對石灰石反應活性降低的報道，但還沒有證據證明生物質對FGD設備的運行有負作用。生物質混燃對煙氣脫硫性能影響較小17 /275.1 混燃過程中與SO2相關的特性1、混燃可以減少SO2總的生成量2、混燃后的灰對石灰石脫硫反應基本沒有影響混燃時由于S的輸入量減少有一部

14、分S元素以硫酸鉀鹽的形式被固定脫除細粉塵進入到煙氣脫硫設備之后可能會較多地抑制石灰石的溶解率，影響其活性實驗室結果顯示稻草灰對生石灰的活性有很強的負面影響10從AMV3電廠的運行經驗來看，沒有發(fā)現石灰石反應受到影響長時間、非穩(wěn)定工況、特殊工況下是否有影響也還有待研究證實。3、混燃對脫硫產物石膏的質量無影響10. Pedersen, L.S., et al., Full-scale co-firing of straw and coal. Fuel, 1996. 75(13): p. 1584-1590.27. Miljo, F., Reactivity analysis (VKE), Inte

15、ral report, Danmark (in Danish). 1994.18 /275.2 風險防御措施u提高除塵器性能，降低細粉塵排放進入煙氣脫硫環(huán)節(jié)的量。u生物質混燃時，推薦草本生物質的最大混燃比為20%； 木本生物質的混燃比則可以適當放大一些。u生物質混燃時，摻燒的生物質量越多產生的煙氣量則越大， 煙氣的體積流量要與煙氣脫硫設備、除塵器的容量相匹配。19 /27目 錄一、全球生物質混燃技術工程應用情況二、潛在技術風險及風險等級分析三、未燃盡碳影響四、對SCR影響五、對FGD影響六、對ESP性能及灰的資源化利用影響七、結論對混燃時電除塵器影響的研究僅限一些模擬試驗臺研究，工業(yè)應用的試驗

16、數據相當少。混燃對電除塵器的運行沒有負面影響灰的資源化利用不存在技術問題20 /276.1 從實際運行經驗來看，混燃對除塵器的影響不大機組機組試驗結果試驗結果結論結論芬蘭Naantali三號熱電聯產機組281、電除塵器一電場的運行電壓、電流、效率與其純燃煤時的指標一樣2、在相同電流下，混燃木屑時對應的電壓比純燃煤要稍低3、混燃與純燃兩種情況下擊穿電壓在同一水平。4、混燃比純燃時煙塵的排放量更低混燃對于電除塵器的性能沒有什么大的影響，美國紐約一電廠29混燃木本生物質之后對電除塵器沒有產生任何影響同上瑞典Vsthamnsverket電廠31、混燃比純燃煤的粉塵排放量要多2、增大引風機容量3、電除塵

17、器則未改造，利用原來自身裕量來滿足煙氣量的增大對于電除塵器而言，只要在選型時考慮了其煙氣量的變化，除塵效率和排放濃度不會受到大的影響28. Savolainen, K., Co-firing of biomass in coal-fired utility boilers. Applied Energy, 2003. 74: p. 369-381.29. Wiltsee, G., Lessons learned from existing biomass power plants. February 2000.3. Blasiak, W. FUEL SWITCH FROM FOSSIL TO

18、100 % BIOMASS ON TANGENTIAL FIRED PC BOILER. in POWER-GEN Europe. 2008. Milan, Italy.21 /276.1 灰的資源化利用中存在的潛在風險歐洲 EN450標準（最嚴格）： 飛灰必須是來源于煙煤或者無煙煤；美國ASTM標準C618： 要求水泥中添加的飛灰必須完全來自于煤的燃燒產物。中國標準： ？文獻32,33表明建橋梁所需的水泥中添加10%的稻草灰后能滿足各種指標的要求文獻35對水泥中添加生物質灰和煤灰產生的影響進行了系統(tǒng)研究，其中涉及C類飛灰（來源于亞煙煤）、F類飛灰（來源于煙煤）、草本生物質灰和木本生物質灰的混

19、合灰。實驗結果表明，隨著草本生物質灰量的增加充氣劑的量也增加；在第一個月含各種飛灰的水泥的抗壓強度與含煤灰水泥的強度差不多，但是在后期（兩個月之后）由于添加了各種飛灰抗壓強度得到加強。32. Hansen, K.W., P. Overgaard, and O.H. Larsen, Co-fring coal and straw in a 150MWe power boiler experiences. Biomass & Bioenergy, 2000. 19: p. 395-409.33. Hansen, W. and P. Hansen, Characterisation of fly ash from co-combustion of biomass in a pulverized coal-fired power boiler, in 9th biomass conference. 1998.35. Wang, S., et al., Biomass fly ash in concrete, in Science in thermal and chemical biomass conversion. 2004: Victoria, BC, Canada226.2 風險防御措施1、設計時要確保風機和電除塵器的容量能夠滿足不同燃料對煙氣流量的變化。2、基于上述文獻