生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)研究

生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)研究摘要：本文介紹了生物質(zhì)燃料特性及生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀。對生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了其對鍋爐運(yùn)行的影響，同時(shí)展望了我國生物質(zhì)利用發(fā)展趨勢。引言利用生物質(zhì)能發(fā)電，不僅可以開發(fā)新能源，節(jié)約煤炭，改善我國能源結(jié)構(gòu)，減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護(hù)環(huán)境，而且可以充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，增加農(nóng)民收入，增強(qiáng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和生存能力，具有重要意義。本文介紹了生物質(zhì)燃料特性及生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀。對生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了其對鍋爐運(yùn)行的影響，同時(shí)展望了我國生物質(zhì)利用發(fā)展趨勢。1生物質(zhì)燃料特性生物質(zhì)包括一切直接或間接利用植物光合作用而形成的有機(jī)物質(zhì)。本文所說的生物質(zhì)均指農(nóng)作物秸桿和農(nóng)業(yè)加工殘余物以及林木和林業(yè)加工剩余物等生物質(zhì)，不包括有機(jī)污水、生活垃圾及禽畜糞便。從物理本質(zhì)上來說，生物質(zhì)是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、無機(jī)物和水組成的[1]。從化學(xué)元素來說，其包含C、H、O、N、S，水和灰分。與燃煤相比，生物質(zhì)燃料具有自身的特點(diǎn)：1)木本燃料的生物活性較高，可能引起料堆發(fā)熱并損失干物質(zhì)，且貯藏點(diǎn)的含塵量和孢子含量很高，在燃料儲(chǔ)運(yùn)過程中會(huì)引起健康和安全問題。2)生物質(zhì)燃料可燃基揮發(fā)分含量在70%以上，干燥后具有很好的著火特性，燃點(diǎn)大概400℃左右。3)生物質(zhì)S和N含量較低，代替部分燃煤可減少SO2和NOx的排放。4)灰中的K、Na含量相對較高，灰熔點(diǎn)大概在800－1000℃，高溫下堿金屬析出容易導(dǎo)致飛灰團(tuán)聚和受熱面結(jié)渣。5)部分生物質(zhì)Cl含量相對較高，燃燒釋放出高濃度HCl進(jìn)入鍋爐尾氣會(huì)引起受熱面高溫腐蝕。2生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀現(xiàn)有的生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)主要有兩種類型，一種是生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)，即將生物質(zhì)作為唯一燃料，采用水冷振動(dòng)爐排或循環(huán)流化床燃燒生物質(zhì)發(fā)電[2]。生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)存在制造成本高、發(fā)電效率低、燃料適應(yīng)性差、受熱面結(jié)焦、腐蝕等問題。另一種利用生物質(zhì)發(fā)電的技術(shù)為生物質(zhì)氣化與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)[3]，即將生物質(zhì)氣化后帶有可燃?xì)怏w的煙氣送入燃煤鍋爐進(jìn)行耦合發(fā)電。生物質(zhì)氣化燃煤耦合發(fā)電技術(shù)存在氣化裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行控制難度大、投入成本高、焦油析出導(dǎo)致閥門堵塞等安全問題。3生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)將生物質(zhì)燃料破碎后送入燃煤鍋爐進(jìn)行混合發(fā)電是一種新的高效利用生物質(zhì)能的方法。本文介紹了一種生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，即生物質(zhì)顆粒制備系統(tǒng)，生物質(zhì)顆粒輸送系統(tǒng)，生物質(zhì)顆粒燃燒及煙氣凈化系統(tǒng)，如圖1所示。

3.1生物質(zhì)顆粒制備系統(tǒng)生物質(zhì)原料由特殊的生物質(zhì)破碎機(jī)完成初步加工后，燃料粒徑變?yōu)?－6cm，大約失掉5%的水分，密度約400kg/m3。破碎后的燃料經(jīng)過一級螺旋輸料機(jī)進(jìn)入蒸汽干燥器內(nèi)，將燃料水分干燥至12%以下，以便于進(jìn)一步粉碎。干燥后的燃料經(jīng)過二級螺旋輸料機(jī)進(jìn)入粉碎機(jī)內(nèi)，通過錘刀切割和高速氣流沖擊作用將生物質(zhì)制成粒徑約5mm的顆粒，送至粉料倉儲(chǔ)存，中儲(chǔ)倉的設(shè)置能夠保證生物質(zhì)制粉設(shè)備長期在額定工況下運(yùn)行，同時(shí)滿足機(jī)組升降負(fù)荷控制燃料量的要求。3.2生物質(zhì)顆粒輸送系統(tǒng)成型的生物質(zhì)顆粒經(jīng)過輸粉機(jī)進(jìn)入錐形粉斗內(nèi)，通過螺旋卸料閥將所需的燃料顆粒送入管道內(nèi)，利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣力輸送。送粉管道上設(shè)置有快關(guān)閥，當(dāng)鍋爐緊急停爐時(shí)可迅速切斷生物質(zhì)燃料，保證鍋爐安全運(yùn)行;管道上還設(shè)置有風(fēng)速測量裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整風(fēng)粉混合物的速度，防止堵粉;管道上還設(shè)置有溫度傳感器，將物料溫度控制在70℃以下，防止發(fā)生燃料自燃;送粉管道的末端設(shè)置有氣動(dòng)球閥，可對燃料入爐量進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)管道發(fā)生堵粉時(shí)，可通過管道上設(shè)置的清堵壓縮空氣及時(shí)吹掃，保證給粉的連續(xù)性和穩(wěn)定性。3.3生物質(zhì)顆粒燃燒及煙氣凈化系統(tǒng)生物質(zhì)顆粒最終通過布置于送粉管道末端的燃燒器進(jìn)入爐膛內(nèi)燃燒，在此過程中，由送風(fēng)機(jī)提供的二次風(fēng)經(jīng)空預(yù)器加熱后送入燃燒器，由此進(jìn)入爐膛內(nèi)，以補(bǔ)充燃料燃燒需要的氧量。煤粉鍋爐爐膛內(nèi)平均溫度比水冷振動(dòng)爐排鍋爐和流化床鍋爐要高，有利于生物質(zhì)燃料的著火和燃盡，提高了其燃燒效率。運(yùn)行時(shí)嚴(yán)格控制生物質(zhì)燃料摻燒量，其輸入熱不超過爐膛總輸入熱的5%，煤粉燃燒產(chǎn)生的大量煙氣能夠稀釋生物質(zhì)中K2O、Na2O等堿金屬氧化物及HCl的濃度，有效解決生物質(zhì)灰結(jié)焦和受熱面腐蝕問題。燃料燃燒生成的煙氣在爐膛內(nèi)流動(dòng)至脫硝裝置，大量NOx被還原，可將出口NOx控制在50mg/Nm3以下。之后煙氣經(jīng)過空預(yù)器將熱量傳遞給一次風(fēng)和二次風(fēng)，隨后進(jìn)入除塵器將大部分粉塵除去，再通過引風(fēng)機(jī)后進(jìn)入脫硫裝置，凈化后的煙氣最后通過煙囪排入大氣。4生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電對鍋爐運(yùn)行的影響4.1對鍋爐污染物排放的影響植物利用光合作用將環(huán)境中的CO2吸收后釋放出O2，在生物質(zhì)燃燒過程中，C轉(zhuǎn)化為CO2釋放出來，對于環(huán)境來說，并沒有增加CO2排放量。因此，可認(rèn)為生物質(zhì)燃燒時(shí)CO2為零排放。通常生物質(zhì)中S含量小于0.13%，相比燃煤要低，以生物質(zhì)代替部分燃煤可減少SO2的排放量。燃料燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生NOx，根據(jù)NOx的生成機(jī)理及含量主要分為兩種類型：燃料型NOx和熱力型NOx。燃料中的N與O結(jié)合形成燃料型NOx，通常生物質(zhì)中N含量相比燃煤要低，以生物質(zhì)代替部分燃煤可減少燃料型NOx的生成。在高溫火焰中，空氣中氮在高溫下氧化產(chǎn)生NOx，研究表明影響熱力型NOx生成量的主要因素是爐內(nèi)溫度，當(dāng)溫度低于1800K時(shí)，熱力型NOx生成量比較低，溫度高于1800K以后，熱力型NOx增加很快，溫度每增加100K，熱力型NOx生成反應(yīng)速度將增加6～7倍。由于生物質(zhì)燃料熱值較低，燃燒時(shí)火焰中心溫度較低，可減少熱力型NOx的生成。4.2對鍋爐q2的影響排煙熱損失(q2)指煙氣離開鍋爐末級受熱面時(shí)帶走的部分熱量，是鍋爐最主要的熱損失，q2主要取決于排煙溫度和煙氣量的大小。煤粉燃燒為發(fā)光火焰，輻射特性主要依靠炭黑粒子及三原子氣體，其中炭黑粒子輻射熱量占大部分。鍋爐摻燒生物質(zhì)后，C含量相對減少，同時(shí)燃燒溫度低于煤粉燃燒溫度，所以生物質(zhì)顆粒燃燒火焰輻射能力弱，摻燒生物質(zhì)代替一部分燃煤后將降低爐膛吸熱量。同時(shí)由于生物質(zhì)熱值較低，摻燒時(shí)會(huì)導(dǎo)致單位輸入熱量對應(yīng)的煙氣量增加，火焰高溫區(qū)上移，爐膛出口及對流受熱面煙溫升高，排煙溫度及煙氣量增加，從而導(dǎo)致q2增加。4.3對鍋爐q4的影響機(jī)械不完全燃燒熱損失(q4)指固體炭顆粒在爐內(nèi)未完全燃燒即隨飛灰和爐渣一同排出爐外而造成的熱損失，由飛灰不完全燃燒熱損失和爐渣不完全燃燒熱損失兩部分組成。q4反映了煤炭燃燒的完全程度，是影響鍋爐熱效率的重要指標(biāo)。鍋爐降低飛灰燃盡損失的主要手段是給予煤粉顆粒充分的燃盡時(shí)間和燃燒所需的氧量，簡單來說就是增加煤粉顆粒在高溫區(qū)的停留時(shí)間和煤粉燃燒配風(fēng)充分。由于生物質(zhì)燃料水分大、熱值低，當(dāng)摻燒生物質(zhì)顆粒后鍋爐煙氣量增加，爐內(nèi)溫度水平降低，將會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)趨勢：煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間縮短、煤粉的化學(xué)反應(yīng)速度降低、生物質(zhì)燃燒搶占煤粉顆粒燃燒所需的氧量。因此，總體來說對于煤粉顆粒的燃盡是不利的，q4將有增加的趨勢。5結(jié)論生物質(zhì)顆粒與燃煤直接混合發(fā)電是一種高效、清潔的利用生物質(zhì)能發(fā)電的技術(shù)。相比于生物質(zhì)直燃發(fā)電及生物質(zhì)氣化與燃煤耦合發(fā)電，其具有更強(qiáng)的燃料議價(jià)能力和更低的建造、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用。用生物質(zhì)顆粒代替部分燃煤會(huì)對原鍋爐燃燒效率產(chǎn)生一定影響，但可降低CO2、SO2、NOx的排放。生物質(zhì)與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)符合國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的大方向，順應(yīng)市場需求，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)將成為生物質(zhì)利用的重