第30卷第14期300mw 燃煤机组混燃秸秆成型燃料的试验研究.pdf

第 30 卷 第 14 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.30 No.14 May 15, 2010 2010 年 5 月 15 日 Proceedings of the CSEE 2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1 文章编号0258-8013 2010 14-0001-06 中图分类号TK 223 文献标志码A 学科分类号470⋅20 300 MW 燃煤机组混燃秸秆成型燃料的试验研究 王学斌，谭厚章，陈二强，牛艳青，刘洋，刘正宁，徐通模 西安交通大学能源与动力工程学院，陕西省 西安市 710049 Experimental Research on Co-firing of Molding-straw in 300 MW Coal-firing Utility Furnace WANG Xue-bin, TAN Hou-zhang, CHEN Er-qiang, NIU Yan-qing, LIU Yang, LIU Zheng-ning, XU Tong-mo School of Energy and Power, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China ABSTRACT Molding-biomass has been utilized in a 300 MW pulverized coal furnace, and biomass was ground using the existing mill system, without any apparatus addition. The possibility of biomass grinding and the security of mill operating was analyzed, and the effects of biomass-cofiring on combustion flame, furnace temperature profile, furnace efficiency and pollution emission were also investigated. Results show that, roller mills and direct blowing puverizing system can be used to grind molding-biomass and to transport biomass particles. During the processes of biomass co-firing, the flame of biomass injector is stable. Both outlet temperaure of furnace and air preheater decreases after the biomass injection. When the pulverized coal furnace is operated under the biomass co-firing condition, the furnace efficiency is lowered. NOx and SO2 emission also decreases with the biomass quantity increasing. The results would provide a guidance for biomass co-firing on the exsiting pulverized coal furnace in China. KEY WORDS biomass co-firing; molding-straw; furnace efficiency; mill; NOx 摘要 该文利用已有制粉系统对成型生物质进行磨制并送入 炉内燃烧，在 300 MW 煤粉炉内实现了生物质的规模化利 用。 试验对生物质可磨性及磨煤机安全性进行分析； 研究生 物质混燃对火焰、温度、锅炉效率及污染物排放的影响。研 究表明 辊式磨煤机和直吹式制粉系统， 可用于成型生物质 的磨制输送； 生物质燃烧器喷口火焰稳定； 生物质混燃工况 下的炉膛上部温度分布和排烟温度，均比纯烧煤粉时更低； 煤粉炉在混燃生物质的工况下运行时，锅炉效率略有下降； 基金项目国家自然科学基金资助项目50976086；国家重点基础 研究发展计划项目973 项目2005CB221206。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China50976086;The National Basic Research Program of China973 Program2005CB221206． 生物质混燃相对于纯烧煤粉，NOx和 SO2均有所降低。该文 研究对生物质在我国现有大容量煤粉炉上的直接混燃具有 指导意义。 关键词生物质混燃；成型秸秆燃料；锅炉效率；磨煤机； NOx 0 引言 温室效应的加剧使 CO2减排成为人类更加关 注的焦点， 而生物质被广泛认为是一种 CO2零排放 的燃料，由于生物质燃料中的钾、氯含量高，直接 燃烧会产生严重的结渣和腐蚀，而将生物质与煤粉 混燃则可以消除该问题的出现[1-2]。 因此国际上提出 将生物质在大容量机组中与煤混燃，从而实现大规 模利用生物质燃料发电以减排 CO2的方案[3-10]。 在现有的大容量燃煤机组上混燃生物质可利用 电厂现有设备，燃用价格相对低廉的生物质还能降 低电厂的燃料费用，从而提高电厂的经济效益[7-9]； 同时由于高挥发分的生物质更易着火，可在一定程 度上缓解煤粉着火的不稳定性问题[9]；将高挥发分 的生物质作为再燃燃料送入主燃区下游，还可实现 NOx的还原[11-15]。 在传统燃煤机组中混燃生物质已在欧美各国进 行了大量试验研究，并得到推广和应用，但由于生 物质燃料特性及锅炉结构系统的差异，关于生物质 混燃对磨煤机安全性、污染物排放及系统经济性分 析方面的结论并不统一[4,7,9,16]。因此如要在我国大 型电站煤粉炉内混燃生物质，则有必要根据我国生 物质燃料特性及机组结构等进行混燃方案的设计。 本文提出了一套新的生物质利用模式首次在 国内某 300 MW 机组上，不增加电厂任何设备和固 定投资，利用已有磨煤机对生物质成型燃料进行磨 2 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷 制，并送入炉内进行燃烧，实现生物质的规模化利 用。通过试验对生物质的可磨性及磨煤机的安全性 进行分析；研究生物质混燃对炉内火焰特性、烟气 温度、锅炉效率以及 SO2和 NOx排放的影响。 1 试验装置及方法 1.1 设备概况和燃料特性 试验锅炉为东方锅炉厂设计制造的 DG1025/ 18.3–9Ⅱ 锅炉，300 MW 负荷对应实际燃料消耗量 为 137.85 t/h，采用同心反切的四角切圆燃烧方式。 燃烧器为 AF 6 层直流摆动式煤粉燃烧器，分 3 组布置，均等配风。每组有 2 个一次风喷口，一 台磨煤机带一层一次风喷口，上层燃烧器顶部增 设了一层燃尽风喷嘴。本炉配有 6 台北京电力修 造总厂生产的ZGM–95G型中速磨煤机和正压直吹 式燃烧系统。 试验用主燃料为甘肃华亭烟煤；掺烧燃料为 成型生物质，该型生物质燃料为秸秆经破碎后用 压型机械压制而成，表 1 为燃料的工业分析和元素 分析，生物质成型燃料的灰分偏高，是由加工过 程中黏合剂的添加导致。成型生物质燃料的密度为 1.18 g⋅cm−1。 表 1 试验用燃料的工业分析和元素分析 Tab. 1 Proximate and ultimate analysis of tested fuel 工业分析 元素分析 燃料 低位发热 量/MJ⋅kg−1 Mar Vdaf AarCar Har Oar NarSar 煤 18.7 18.5 35.5 17.6 52.5 3.03 9.96 0.51 0.64 生物质 12.2 12.6 79.3 28.3 34.4 3.08 30.6 1.50 0.32 1.2 试验工况及数据采集分析 本试验锅炉的 AF 6 层燃烧系统，只有 AE 层频繁利用，备用的 F 组长期空置，因此利用 F 层 制粉系统进行生物质的磨制和燃烧。该方案可以充 分保证 F 层生物质燃烧系统对 AE 层煤粉燃烧系 统不产生任何影响。如果将生物质和煤加入同一磨 煤机，则有可能因为少量生物质的加入影响占大部 分的煤的磨制质量，影响机组的正常运行。 试验过程中，首先将 F 层制粉系统内残余的煤 清空，再将生物质送入 F 层煤仓，经过磨煤机磨制 后，直接送入炉膛燃烧。 试验过程中控制生物质的给料为当前总燃料 质量的 1030对应混燃生物质的热量输入比例 为 6.7621.9， 试验均在 250 MW 的稳定负荷下 进行。煤粉通过 AD 层制粉系统送入炉膛，生物 质燃料通过 F 层制粉系统送入。F 层磨煤机入口温 度不超过 90 ℃，出口温度低于 50 ℃，保证配风系 统的各挡板开度值不变，并控制炉膛出口氧量 4 左右，表 2 为所测试试验工况，其中工况 3 为给料 量 24 t/h 时，减小 F 层一次送风量时的工况。 表 2 混燃试验测试工况 Tab. 2 Experiment test working conditions of biomass co-firing 工况编号 参数 0 1 2 3 4 负荷/MW 250 250 250250 生物质量/t/h 12 24 24 30 F 层一次风量/m3/s21.74 19.37 15.9918.70 F 磨煤机入口风温/℃78 83 86 84 F 磨煤机出口风温/℃ 纯燃煤 粉工况 250 MW， AE 磨运 行，E 磨给 煤量 17 t/h 48 43 42 43 待工况稳定后，对 F 磨煤机出口生物质粉料进 行取样，用 Mastersizer 2000 型激光粒度仪对其粒 径分布进行测试，仪器精度1测量值；烟道出 口烟气中NOx和SO2浓度由Testo350型烟气分析仪 进行检测，分辨率 110−7，仪器精度5测量值； 炉膛内温度由 Raytek–3iLRL3 型红外测温仪测量， 分辨率 1 ℃，仪器精度1测量值，温度测点分 别位于炉膛 34、37 及 48.3 m 平台处，每一个高度 的炉膛截面选取 4 个测点，取其平均值作为炉膛在 该高度处的温度。 2 试验结果及分析 2.1 生物质的可磨性及磨煤机安全性分析 生物质混燃利用过程中的难题集中在对生物 质的安全经济性输送、破碎以及如何避免生物质磨 制过程中的自燃[7,17]。在现有磨煤机系统上进行生 物质的磨制时，如生物质给料量过大，易导致磨煤 机电流超标而影响磨煤机性能，造成一次风管道堵 塞，影响系统安全运行。 Foster Wheeler 公司在 Kingston 和 Colber 电站 四角切圆炉内的生物质混燃测试结果则表明由于 生物质未采用压型料，磨煤机很难将生物质磨制为 和煤粉同样的粒径，生物质最大输入量仅可达 5， 当煤粉炉内混燃生物质的比例大于 510时，则 需要另外配套独立的生物质处理及给料系统[18]。 图 1 为磨煤机磨制前后的生物质燃料，图 1a 为磨制前的原生物质型料， 质地坚硬， 可磨性较强， 图 1b为磨制后的生物质粉料，粒径较细，表明能 够利用原有的磨煤机系统进行生物质型料的磨制。 图 2 为生物质投料量及 F 层一次风量对磨煤机 电流的影响。可见，当 F 层磨煤机的生物质给料量 第 14 期 王学斌等300 MW 燃煤机组混燃秸秆成型燃料的试验研究 3 a 磨制前 b 磨制后 图 1 磨煤机前后生物质的形貌特性 Fig. 1 Fuel characteristics before and after mill 45 35 25 15 5 1 2 3 4 工况 电流/A 最大电流 112 t/h，F 一次风最大；224 t/h，F 一次风量最大； 324 t/h，F 一次风量最小；430 t/h，F 一次风量最大。 图 2 生物质给料量与一次风量对磨煤机电流的影响 Fig. 2 Effect of biomass and air quantity on mill current 为 12 和 24 t/h，一次风量正常20 m3/s送粉时，F 磨 煤机电流为 33 和 37 A，且表 2 中磨煤机进出口风 温均控制在 90 ℃以下，磨煤机运行安全。 当生物质给料量继续增大至 30 t/h 时，磨煤机 电流很快升高超过警戒电流 40 A， 并且磨煤机开始 出现堵塞现象，一次风量最高只能达到 18.70 m3/s， 导致该工况下的测试工作未能正常进行；当生物质 给料量维持在 24 t/h 时，减小 F 层的一次风量至 15.99 m3/s，磨煤机运行也缓慢持续升高达到 45 A。 因此，在进行生物质型料的磨制时，应保证生 物质给料量不能过大，并且在较大的生物质给料量 时应控制磨煤机的风量开大，否则易出现磨煤机电 流偏高以及堵管等安全问题。 图3 为不同生物质给料量对磨煤机磨制的生物 质粉料粒径分布的影响。由图可见成型生物质燃 料经辊式磨煤机磨制后的粒径为 102 000 μm； 随着 给料量的增大，磨制效果下降，生物质粉料的粒径 逐渐增大。 当生物质给料量 30 t/h 时，生物质粉料主要为 1002 000 μm 的大颗粒；给料量降至 24 t/h 时， 100 μm以下的颗粒约占30； 而当给料量降至12 t/h 时，粒径小于 100 μm 的颗粒量与大于 100 μm 的颗 粒量各占总粉料的 50。投料量分别为 12、24、 10100 1 000 粒径/mm 分布密度/ 7 5 3 1 0 6 4 2 工况 1，12 t/h 工况 2，24 t/h 工况 4，30 t/h 图 3 生物质给料量对生物质粉料粒径分布影响 Fig. 3 Effect of feeding quantity on size distribution of biomass particles 30 t/h 时对应的 d0.5分别为 92、240、438 μm。 实际运行时， 磨煤机的电耗是衡量磨煤机经济 型的重要参数，因此进一步对工况 0 和工况 2 的 上层磨煤机电耗进行了计算。结果表明磨煤机 磨制总热量输入与煤相等的压型生物质时的电耗 为 20.2 kW⋅h/t煤， 略高于磨制煤的电耗 17.7 kW⋅h/ t煤。 2.2 生物质混燃对炉膛火焰及温度分布的影响 图 4 为生物质混燃量为 12 和 24 t/h 时，F 层生 物质喷口燃烧火焰，可见生物质喷口火焰燃烧稳定。 a 工况 1，12 t/h b 工况 2，24 t/h 图 4 不同生物质给料量时 F 层生物质喷口火焰 Fig. 4 Combustion flame out of biomass injector for different biomass quantity 当生物质给料量从 12 t/h 增至 24 t/h 时， 燃烧器 喷口处的黑浓区范围明显增大。用 R 型 Pt–Rh13/Pt 热电偶对 F 层 4 个燃烧器喷口处黑浓区的温度进行 测量，该区温度范围为 106175 ℃，这是由于生物 质粉料的送粉温度较低导致。 图 5 为当生物质混燃量从 0 t/h 至 12 t/h、 24 t/h 时，炉膛出口烟气温度和排烟温度的变化。可见 工况 2 与工况 0 相比，工况 2 炉膛出口烟温和排烟 温度略有降低，这是因为1）为保证生物质粉料 4 中 国 电 机 工 程 学 报 第 30 卷 磨制的安全性，生物质的磨煤机入口风温仅为 7886 ℃，低于煤粉的磨煤机入口风温 229 ℃；2） 生物质相对于煤粉的挥发分很高，固定碳含量低， 其着火更容易提前，使火焰中心下移，因此总体上 混燃工况下的炉膛出口温度和排烟温度更低。而对 于生物质混燃工况 1 和 2，生物质混燃量 24 t/h 时 的炉膛出口温度和排烟温度要高于混燃量 12 t/h 时 的温度这是由于 2 个工况下 AD 层各层给煤量 变化很小，主要的燃料变化集中反映在 F 层的生物 质给料量。由表 2 可见，工况 12 中当生物质混燃 量从12 t/h 增到24 t/h 时， F层的一次风量变化不大， 从而导致一次风中生物质粉料的浓度大幅提高，并 且由此导致了图 4 所示的喷口处黑浓区范围增大， 生物质着火推迟，因此，炉膛出口温度及排烟温度 随生物质量的增大而有所上升。 生物质混燃量/t/h 排烟温度/℃ 140 132 124 116 136 128 120 排烟温度 炉膛出口温度 −2 1422 2 6 10 18 26 1 120 1 116 1 112 1 108 1 104 1 100 炉膛出口温度/℃ 图 5 生物质混燃量对炉膛出口温度和排烟温度的影响 Fig. 5 Effects of biomass quantity on outlet temperature of furnace and air preheater 沿炉膛高度上的温度分布如图 6 所示，与图 5 所示的炉膛出口温度及排烟温度的变化规律一样 在炉膛上部的不同高度处，均是无生物质混燃的温 度最高，温度分布最低的是生物质混燃量为 12 t/h 的工况，总体炉膛上部温度水平的变化不明显。 炉膛高度/m 温度/℃ 32 48 36 4044 1 360 1 280 1 200 1 120 1 320 1 240 1 160 1 080 工况 0，0 t/h 工况 1，12 t/h 工况 2，24 t/h 图 6 生物质混燃量对炉膛上部温度分布的影响 Fig. 6 Effects of biomass quantity on temperature profile of upper furnace 2.3 生物质混燃对锅炉效率的影响 不同生物质混燃量工况下的锅炉效率测试结 果如表 3 所示当煤粉炉在混燃生物质工况下运行 时，飞灰含碳量略升高，导致锅炉效率略下降。当 生物质混燃量为 12 t/h 时，锅炉效率下降 0.192； 当生物质混燃量 24 t/h 时，相对于工况 1 排烟温度 升高 7.5 ℃，从而锅炉效率下降达 0.524，这是由 于试验过程中大量生物质从最下游的 F 层输入导 致。因此实际运行中掺烧量不宜过高，且应从相对 下层如从 E 层燃烧器输入， 则可在一定程度缓解飞 灰含碳量升高的问题。 表 3 生物质混燃量对锅炉效率的影响 Tab. 3 Effects of biomass quantity on furnace efficiency 工况 参数 0 1 2 生物质混燃量/t/h 0 12 24 最上层磨煤机入口温度/℃ 229 E 78 F 83 F 飞灰含碳/ 0.179 0.474 0.519 炉渣含碳/ 1.393 1.438 1.269 排烟温度/℃ 135.5 125.5 133 锅炉效率/ 94.673 94.481 94.149 M. Sami[9]通过对生物质和煤粉湍流燃烧的数值 模拟，得到掺混比例对混合燃烧效率的影响公式， 认为燃烧效率变化与掺混的质量分数成线性关系 blendcoalb /1AYηη 式中ηblend为生物质混燃时的燃烧效率，；ηcoal 为纯烧煤粉时的燃烧效率，；Yb为生物质的掺混 质量分数，；A为常数。在本试验中，引用公式 1计算得到本试验A−0.034 74。 如本试验的一台机组在工况2下运行，以平均 掺烧量24 t/h，机组年运行5 000 h计算，混燃成型 生物质一年可替代用煤78 289 t， 同时减排温室气体 CO2达166 207 t。 2.4 生物质混燃对 NOx及 SO2排放特性的影响 生物质混燃量对NOx排放的影响如图7所示 随着生物质混燃量的增大，NOx的排放逐渐降低， 当生物质混燃量达24 t/h时，NOx排放降低约10。 由表1对煤和生物质的元素分析可见，该成型生物 质的含氮量并不低，但是由于生物质中的挥发分极 高并且生物质中的氮元素主要以氨基的形式存 在[4,16]。因此当生物质从最上层送入炉内，可能会在 局部还原性气氛环境下，热解过程产生大量CHi和 NHi等基团， 以再燃和热力脱硝的反应原理， 将AD 下层煤粉燃烧产生的NOx还原为HCN或N2[4,11,13,16]。 Gold[19]在 田 纳 西 流 域 管 理 局Tennessee Valley Authority电站煤粉炉内混烧生物质时的NOx排放 也有所减低，同时混燃生物质时的炉膛温度水平降 第 14 期 王学斌等300 MW 燃煤机组混燃秸秆成型燃料的试验研究 5 低了40 ℃， 因此其认为混燃生物质又可能抑制部分 热力型NOx的产生。 工况 ρNOx/mg/m3 0 1 2 250 150 50 200 100 0 ΔC NOx28 mg/m3 00 t/h；112 t/h；024 t/h。 图 7 生物质混燃量对 NOx排放量的影响 Fig. 7 Effects of biomass quantity on NOx concentration 图8所示为生物质混燃量对SO2排放的影响， 该SO2浓度在进入脱硫系统前的尾部烟道用烟气分 析仪测得。该图表明，生物质混燃的SO2排放浓度 略有降低，但不明显，最高降幅仅84 μL/L。由表1 可见，生物质含硫量约为煤含硫量的一半，因此一 定负荷下炉膛整体的硫输入量降低，但由于生物质 掺混比例较小，因此导致生物质混燃过程中SO2含 量略有降低[19]。 工况 ρSO2/μL/L 0 1 2 ΔCSO284 μL/L 1 200 800 400 1 000 600 0 200 00 t/h；112 t/h；024 t/h。 图 8 生物质混燃量对 SO2排放量的影响 Fig. 8 Effects of biomass quantity on SO2 concentration 3 结论 本文在国内某300 MW机组上，不增加电厂任 何设备，利用已有磨煤机对生物质成型燃料进行磨 制，并送入炉内燃烧。通过试验对生物质的可磨性 及磨煤机的安全性进行了分析；研究了生物质混燃 对炉内火焰特性、烟气温度、锅炉效率以及SO2和 NOx排放的影响，得到以下结论 1）ZGM–95G型辊式中速磨煤机，直吹式制粉 系统，可用于成型生物质燃料的磨制及生物质粉料 的输送；磨煤机的生物质给料量存在一上限值，同 时为使磨煤机安全运行，磨制生物质的磨煤机风量 不能太小。成型生物质燃料经辊式磨煤机磨制后的 粒径为102 000 μm， 随着生物质给料量的增加， 生 物质粉料的粒径增大。 2）生物质混燃过程中，生物质燃烧器喷口火 焰稳定；生物质混燃工况下的炉膛上部温度分布和 排烟温度，均比纯烧煤粉时更低。 3）煤粉炉在混燃生物质的工况下运行时，飞 灰含碳量略有升高，锅炉效率略有下降。本试验过 程中纯烧煤粉时的锅炉效率为94.673；当生物质 混燃量为12和24 t/h时， 锅炉效率分别对应94.481 和94.149。 4）随着生物质混燃量的增大，NOx的排放逐 渐降低试验过程中当生物质混燃量达24 t/h时， NOx排放降低约10。生物质混燃的SO2排放浓度 略有降低， 但不明显， 实验过程中最高降幅84 μL/L。 5）当机组在250 MW运行，以平均掺烧量 24 t/h，机组年运行5 000 h计算，在一台机组混燃 成型生物质就可替代用煤78 289 t/年，同时减排温 室气体CO2达166 207 t/年。 参考文献 [1] 董信光，李荣玉，刘志超，等．生物质与煤混燃的灰分特性分析 [J]．中国电机工程学报，2009，2926118-124． Dong Xinguang， Li Rongyu， Liu Zhichao， et al． Investigation on the ash characteristic during co-firing of coal and biomass[J]． Proceedings of the CSEE，2009，2926118-124in Chinese． [2] 宁新宇，李诗媛，吕清刚，等．秸秆类生物质与石煤在流化床中 的混烧与黏结机理[J]． 中国电机工程学报， 2008， 2829 105-110． Ning Xinyu，Li Shiyuan，L Qingang，et al．Study on co-firing and agglomeration mechanism of stalk biomass and stone conal in fluidized bed[J]． Proceedings of the CSEE， 2008， 2829 105-110in Chinese． [3] Molcan P， Lu Gang， Bris T L， et al． Characterisation of biomass and coal co-firing on a 3MWth combustion test facility using flame imaging and gas/ash sampling techniques[J]．Fuel，2009，8812 2328-2334． [4] Harding N S， Adams B R． Biomass as a reburning fuel a specialized cofiring application[J]．Biomass and Bioenergy，2000，196 429-445． [5] Broek R V D, Faaij A, Wijk A V. 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