郁雷,邱全山,劉自民,曹曲泉,顧驍,趙華

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)對我國能源結(jié)構(gòu)及能源利用方式提出了更高要求,隨著2021年煤價上漲和CEA碳排放控制的實(shí)施,國內(nèi)燃煤機(jī)組開始重新考慮摻燒生物質(zhì)燃料。生物質(zhì)燃料是以農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)三剩物為原材料,經(jīng)粉碎、烘干、成型,可在生物質(zhì)能鍋爐直接燃燒的新型清潔燃料[1],是世界上第四大能源,其主要特點(diǎn)是儲量豐富、可再生、清潔[2-3],能有效降低煙氣中SO2等污染物濃度,且實(shí)現(xiàn)CO2零排放[4]。生物質(zhì)耦合發(fā)電主要有間接耦合、并聯(lián)耦合和直燃耦合三種技術(shù)路線[5],僅需對機(jī)組適當(dāng)改造,就可實(shí)現(xiàn)CO2快速減排,促進(jìn)鍋爐側(cè)燃料靈活性轉(zhuǎn)變[6],兼具經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與社會等綜合效益,可緩解日益突出的能源短缺與環(huán)境惡化問題。國家能源局、環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點(diǎn)工作的通知》,要求依托現(xiàn)役煤電高效發(fā)電系統(tǒng)和污染物集中治理設(shè)施,兜底消納生物質(zhì)資源,促進(jìn)煤電的低碳清潔發(fā)展。我國《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出要開展燃煤與生物質(zhì)耦合發(fā)電[7],近年來我國農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)逐漸趨于成熟,2021年1月1日起,我國生物質(zhì)發(fā)電已從固定電價轉(zhuǎn)向競價上網(wǎng)模式[8]。

本文開展自備電廠煤粉鍋爐直燃耦合摻燒生物質(zhì)試驗(yàn),僅需增加生物質(zhì)顆粒料倉及配套輸送設(shè)施,或利用現(xiàn)有料倉,對電廠設(shè)備的改動極小,是一條相對而言經(jīng)濟(jì)代價最低、技術(shù)難度最小、最適宜推廣應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)CO2大量減排的技術(shù)途徑。用生物質(zhì)替代部分煤炭,在保證鋼鐵企業(yè)能源需求的同時,又能降低煤粉鍋爐發(fā)電煤耗,實(shí)現(xiàn)可再生能源的利用和CO2減排,對企業(yè)降污減碳作用明顯。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 生物質(zhì)顆粒基本性能

摻燒用生物質(zhì)顆粒為直徑6 mm～8 mm的圓柱狀雜木顆粒,如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)顆粒

生物質(zhì)顆粒與動力煤的工業(yè)分析與熱值結(jié)果見表1,生物質(zhì)顆粒的熱值與動力煤相當(dāng),揮發(fā)分偏高,硫含量較低,生物質(zhì)顆?；曳只瘜W(xué)成分主要為K2O和SiO2。

表1 生物質(zhì)顆粒與動力煤的工業(yè)分析與熱值

使用微機(jī)差熱天平,對生物質(zhì)顆粒的燃燒性進(jìn)行測定,得到熱重曲線(TG)、微分熱重曲線(DTG)和差熱分析曲線(DTA),并與其他煤種對比,結(jié)果如圖2～圖3所示。在100 ℃左右出現(xiàn)一個較小的失重峰和吸熱峰,是生物質(zhì)顆粒中的水分釋放。在340 ℃附近出現(xiàn)明顯的失重峰,是由于生物質(zhì)顆粒中大量揮發(fā)分劇烈燃燒所致。在400 ℃～570 ℃之間又有一個不明顯的失重峰,是生物質(zhì)顆粒中固定碳燃燒導(dǎo)致[9],由于生物質(zhì)顆粒固定碳含量明顯低于揮發(fā)分含量,該失重峰明顯小于揮發(fā)分失重峰。由圖3對比可知,生物質(zhì)顆粒的初始燃燒溫度(237 ℃)和燃盡溫度(574 ℃)最低,燃燒性能較其他煤種好。燃燒性與揮發(fā)分含量有一定關(guān)系,一般而言,揮發(fā)分含量越大,其燃燒性越好。生物質(zhì)顆粒因其揮發(fā)分含量高,結(jié)構(gòu)疏松、空隙發(fā)達(dá),燃燒速率快,易于燃燒。在生產(chǎn)應(yīng)用中應(yīng)采取相應(yīng)措施,防止其自燃。

圖2 生物質(zhì)顆粒的燃燒性試驗(yàn)曲線

圖3 不同燃料的燃燒失重曲線

1.2 工藝流程

生物質(zhì)顆粒通過汽運(yùn)卸料至地下受料槽,并輸送至筒倉存放,筒倉內(nèi)的生物質(zhì)顆粒通過筒倉給煤機(jī)定量卸出,按生物質(zhì)顆粒為總?cè)剂腺|(zhì)量的4%～6%與動力煤混合,經(jīng)磨煤機(jī)混合碾磨成粉末后由一次風(fēng)送入煤粉倉儲存,最后由給粉機(jī)輸送至煤粉鍋爐燃燒發(fā)電,如圖4所示。

圖4 煤粉鍋爐摻燒生物質(zhì)工藝流程

1.3 安全性分析

由于生物質(zhì)顆粒初始燃燒溫度低、揮發(fā)分高的特性,在磨煤機(jī)與動力煤混合碾磨過程中需要合理控制磨煤機(jī)運(yùn)行溫度,防止磨煤機(jī)爆燃,試驗(yàn)中控制磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫≤100 ℃,出口風(fēng)溫≤80 ℃,磨中溫度≤300 ℃。

配煤研磨后的生物質(zhì)進(jìn)入煤粉倉儲存,由于在煤粉倉內(nèi)存放時間較長,高揮發(fā)分的生物質(zhì)可能發(fā)生溫度升高氧化自燃,因此在煤粉倉的上部設(shè)置了保安氮?dú)馊肟诠艿?用氣動球閥控制,與煤粉倉內(nèi)氧氣含量和溫度連鎖。當(dāng)煤粉倉內(nèi)氧氣含量或溫度超過安全值后,氣動球閥開啟,從頂部向煤粉倉內(nèi)噴入氮?dú)?防止煤粉倉內(nèi)所存生物質(zhì)發(fā)生自燃、爆炸。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 摻燒對入爐煤煤質(zhì)的影響

生物質(zhì)摻燒期間與摻燒前后期的入爐煤煤質(zhì)分析化驗(yàn)結(jié)果見表2,本次試驗(yàn)用生物質(zhì)顆粒揮發(fā)分為74.84%、灰分為6.78%,因此試驗(yàn)期間入爐煤揮發(fā)分略有上升、灰分略有下降,煤粉細(xì)度和干燥基低位熱值均在正常水平,入爐煤煤質(zhì)總體未見明顯異常。

表2 入爐煤煤質(zhì)分析結(jié)果

2.2 摻燒對鍋爐燃燒情況的影響

摻燒期間,鍋爐運(yùn)行狀況未見明顯變化,對設(shè)備影響也未發(fā)現(xiàn)。鍋爐后端除塵器、脫硫脫硝設(shè)備的運(yùn)行狀況、設(shè)備狀況均未見明顯變化。摻燒對污染物(SO2、NOx)排放及鍋爐煤耗的影響如圖5所示,由圖5可知,摻燒后鍋爐煙氣SO2排放濃度由平均12 mg/L下降至10.53 mg/L,NOx排放濃度由平均25 mg/L下降至23.43 mg/L,鍋爐煤耗由388.54 g/(kW·h)下降至369.88 g/(kW·h)。SO2排放濃度主要受燃料中硫含量影響,本次試驗(yàn)用生物質(zhì)顆粒硫含量為0.14%,動力煤硫含量為0.49%,因此燃燒后煙氣中SO2濃度有所下降。生物質(zhì)摻燒中可能在局部還原氣氛下產(chǎn)生大量的NH4和CH4等基團(tuán),將煤粉燃燒生成的NOx還原成N2或HCN,同時摻燒生物質(zhì)后爐膛煙溫整體下降,使得煙氣中NOx濃度有所下降[10-11]。以本試驗(yàn)3臺220 t煤粉鍋爐摻燒比例5%的生物質(zhì)顆粒計算,預(yù)計每年可替代用煤9 900 t,以每完全燃燒1 t煤產(chǎn)生1.96 tCO2計算,每年可減少CO2排放量1.94萬t。

圖5 摻燒對污染物排放及鍋爐煤耗的影響

2.3 問題改善

生物質(zhì)顆粒在汽運(yùn)卸料和筒倉下料過程中會出現(xiàn)較大粉塵,如圖6所示,原因?yàn)樯镔|(zhì)顆粒在運(yùn)輸及倉內(nèi)擠壓過程中較易出現(xiàn)粉化,針對此問題,對生物質(zhì)顆粒制備和運(yùn)輸環(huán)節(jié)采取以下措施進(jìn)行優(yōu)化：

圖6 地面粉塵

1)生物質(zhì)顆粒加工過程中添加少量木質(zhì)素,促進(jìn)生物質(zhì)軟化、塑變,提高膠合性,降低粉塵產(chǎn)生。

2)生物質(zhì)顆粒造粒機(jī)出料口增加1 mm孔徑的振動篩,通過振動篩除去1 mm以下物料,同時將強(qiáng)度較低的生物質(zhì)顆粒震碎篩走。

3)縮短發(fā)貨前倉儲周期,降低顆粒膨脹率,減少因膨脹產(chǎn)生的碎粉。

4)生物質(zhì)顆粒卸貨及下料倉等有落差產(chǎn)生的料口加裝噴霧裝置,濕潤顆粒表面,避免揚(yáng)塵。

測量優(yōu)化前后的生物質(zhì)顆粒耐壓強(qiáng)度如表3所示,優(yōu)化后的生物質(zhì)顆粒耐壓強(qiáng)度(平均值)由924.96 N上升至1 115.98 N。生物質(zhì)顆粒耐壓強(qiáng)度測量目前無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)橥瑸橹鶢铑w粒,本測量參照《脫硫脫硝用煤質(zhì)顆粒活性炭試驗(yàn)方法》(GB/T 30202.3—2013)第3部分耐磨強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度。采取優(yōu)化措施后,可有效減少粉化現(xiàn)象。

表3 生物質(zhì)顆粒耐壓強(qiáng)度改善

3 結(jié)語

1)本文在自備電廠230 MW發(fā)電機(jī)組的220 t煤粉鍋爐上進(jìn)行了生物質(zhì)直燃耦合摻燒試驗(yàn),得出在摻燒質(zhì)量比4%～6%的情況下對制粉儲料系統(tǒng)、入爐煤煤質(zhì)、鍋爐主機(jī)、煙氣處理系統(tǒng)無明顯影響。

2)針對220 t煤粉鍋爐的制粉儲料系統(tǒng),在本文的摻燒比例下,需控制磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫≤100 ℃,出口風(fēng)溫≤80 ℃,磨中溫度≤300 ℃,煤粉倉內(nèi)應(yīng)進(jìn)行氧氣含量和溫度監(jiān)測,設(shè)置氮?dú)獯祾哐b置。

3)摻燒生物質(zhì)可使煤粉鍋爐煙氣中SO2和NOx排放濃度有所降低,以本試驗(yàn)3臺220 t煤粉鍋爐摻燒比例5%計算,預(yù)計每年可替代用煤9 900 t,減少CO2排放量1.94萬t。

4)通過優(yōu)化生物質(zhì)顆粒制備和運(yùn)輸環(huán)節(jié),可有效提高生物質(zhì)顆粒耐壓強(qiáng)度,減少顆粒粉化現(xiàn)象。