燃煤电厂锅炉混燃生物质的应用研究.pdf

分类号学校代码1 0 0 7 9 密级 华北电力大学 硕士，学位论文 题目 燃煤电厂锅炉混燃生物质的应用研究 英文题目S t u d yo nC o ．f i r i n gC o a la n dB i o m a s s i nC o a l F i r e dU t i l i t yB o i l e r 研究生姓名安敬学专业热能工程 研究方向高效清洁燃烧技术及环境污染控制 导师姓名阎维平职称教授 2 0 0 9 年1 2 月1 8 日 P ’，，” ／ 0-▲■r ◆ 土 尸 I ㈣㈣哕 明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文燃煤电厂锅炉混燃生物质 的应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名蔓邀￡耋日期 学位论文作者签名幺亟 参日 期 2 ．o l oI 弓。I 手 关于学位论文使用授权的说明 ‘● 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即①学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被 查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名导师签名 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 大规模、清洁、高效利用生物质能的发展要求有望使大容量、高参数煤粉炉混 烧生物质成为可行途径。本文基于实际工程、理论计算、实验室试验三方面对生物 质与煤混烧进行研究。介绍了国内某燃煤电站3 0 0 M W 煤粉炉混烧生物质的破碎、 输送与燃烧系统，并计算分析了该电站混烧稻壳对锅炉效率的影响。利用高温气体 携带管式炉测试了掺混比、过量空气系数对N O x 、S 0 2 的排放规律的影响，并利用 热重分析法对煤与生物质的混燃特性进行试验研究。研究成果可为大型燃煤电站混 烧生物质提供一定的技术和数据支持。 关键词生物质，混烧，污染物排放特性，热重分析 A B S T R A C T T h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t so fL a r g e - s c a l e ，c l e a n ，h i g he f f i c i e n tu t i l i z a t i o no f b i o m a s si se x p e c t e dt oe n a b l et h eC O - f i r i n gc o a la n db i o m a s si nl a r g ec a p a c i t y ，h i g h p a r a m e t e rp u l v e r i z e dc o a lb o i l e ra saf e a s i b l ew a y ．B a s e do nt h r e ea s p e c t so fp r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dl a b o r a t o r yt e s t s ，C O f i r i n gc o a la n db i o m a s si s a n a l y z e d ．C r u s h i n g ，c o n v e y i n ga n d c o m b u s t i o ns y s t e m so fC O f i r i n gb i o m a s sa r e i n t r o d u c e di nad o m e s t i c3 0 0 M W p u l v e r i z e dc o a lb o i l e r ，A n dt h ei n f l u e n c e so fC O - f i r i n g r i c eh u s ka n dc o a li nt h i sp u l v e r i z e dc o a lb o i l e ro nb o i l e rt h e r m a le f f i c i e n c ya r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e d ．T h ei n f l u e n c e so fb l e n d i n gr a t i oa n de x c e s sa i rr a t i oo nt h e e m i s s i o nb e h a v i o r so fN O x ，S 0 2a r ec a r r i e do u ti nah i g ht e m p e r a t u r ee n t r a i n e d - f l o w t u b er e a c t o r ；T h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fC O - f i r i n gc o a l a n db i o m a s si sm a d eu s i n gt h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s ．T h er e s u l t sc a np r o v i d e t e c h n o l o g ya n dd a t as u p p o r tf o rC O - f i r i n gc o a la n d b i o m a s si nl a r g e s c a l ep o w e rp l a n t s ． A nJ i n g - x u e T h e r m a lP o w e rE n g i n e e r i n g D i r e c t e db yP r o f ．Y a nW e i - p i n g K E Y W O R D S b i o m a s s ，c o f i r i n g ，p o l l u t a n te m i s s i o n ，t h e r m a lg r a v i m e t r i ca n a l y s i s 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 。 第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题的研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外利用生物质能的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．3 生物质与煤混燃发电及存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．4 本文研究的主要内容和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 ．1 本文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．2 本文研究方案及难点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．3 本文研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 第二章燃煤电站掺烧生物质的实际工程分析与理论计算⋯．．．⋯．．6 2 ．1 燃煤电站掺烧生物质实施背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2 掺烧现场机组设备介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 ．1 锅炉概况⋯⋯．’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 ．2 掺烧稻壳时稻壳输送系统与燃烧系统介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．3 掺烧生物质时关键技术问题与分析．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3 ．1 生物质粉料的合理输送浓度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 ．2 稻壳或稻秆中S 与C 1 对锅炉受热面腐蚀的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 ．3 锅炉运行数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．4 燃煤电站掺烧生物质对锅炉效率影响的计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．4 ．1 燃煤电站掺烧稻壳计算背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4 ．2 输送稻壳风温的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．4 ．3 计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．5 计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．5 ．1 对炉膛辐射换热及炉膛出口烟气温度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．5 ．2 对水蒸汽容积份额及飞灰浓度的影响⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．1 3 2 ．5 ．3 对排烟温度和锅炉效率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 第三章煤与生物质混烧污染物排放特性实验研究⋯．⋯⋯．．．．．．15 3 ．1 试验目的⋯⋯⋯⋯．；⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．2 携带炉实验系统及实验工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．2 ．1 实验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 I 华北电力大学硕 学位论文目录 3 ．2 ．2 给粉系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 ．3 携带炉系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．2 ．4 烟气取样和分析系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．2 ．5 实验工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．3 单一煤、生物质及其煤与生物质混烧时的N O x 排放特性的实验研究⋯⋯．．1 8 3 ．3 ．1 出口烟气中含氧量对N O 。排放特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．3 ．2 生物质掺混比对N O x 排放特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．4 单一煤、生物质及其煤与生物质混烧时的S 0 2 排放特性的实验研究⋯⋯．．2 4 3 ．4 ．1 出口烟气中含氧量对S 0 2 排放特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．4 ．2 生物质掺混比对S 0 2 排放特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．5 生物质与煤掺混析出机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．5 ．1 生物质与煤掺混时N O 。的析出机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．5 ．2 生物质与煤掺烧时S 0 2 的析出机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 第四章煤、生物质及其混合燃料燃烧特性的热重实验研究．．．⋯．3 6 4 ．1 实验原理与目的⋯⋯．‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．3 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 ．1 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 ．2 实验结果分析⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．4 生物质促进煤燃烧的机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 第五章结论与展望．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．5 1 5 ．1 主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 参考文献．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．⋯5 3 致谢．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯．．5 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况．．．．．．．．．．⋯．．．⋯⋯．5 7 华北电力学硕士学位论文 1 ．1 课题的研究背景 第一章绪论 植物通过光合作用，每年存储了3 x 1 0 1 3 G J 的太阳能，并且将约2 0 0 0 亿吨二氧 化碳中的碳转化为碳水化合物，其存储的能量是目前世界能源消耗量的1 0 倍左右 【lJ 。随着人类文明的进步，生物质能的应用研究开发几经波折。欧洲木质能源的应 用研究在第二次世界大战前后达到高峰，但随着石油、煤化工的发展，生物质能的 应用研究逐渐趋于低谷。到2 0 世纪7 0 年代中期，由中东战争引发的全球性能源危 机，重新引起了人们对可再生能源，包括木质能源在内开发利用的重视【2 l 。在当今 环境问题同趋严重和石化能源的日益枯竭的趋势下，生物质能作为唯一可运输、可 储存的可再生能源，其高效转换和清洁利用日益受到全世界的重视。德国广泛采用 煤和生物质混合燃烧的技术，来获得电能和热解气等。据瑞士国家能源局统计的资 料显示，生物质能的有效利用，使瑞士矿物能源占总能耗的百分比由1 9 7 0 年的8 0 ％ 降为1 9 9 8 年的3 3 ％，而生物质能由9 ％增长到1 5 ％，且生物质能仍有快速增长的趋势 【3 】。英国建立了未来十年之内生物质能的发展目标，使国家电力1 0 ％的负荷来自生 物质能。欧盟在1 9 9 8 年白皮书上提出，到2 0 1 0 年生物质能利用将占能源消费总量 的1 2 ％，是1 9 9 8 年的5 ．6 ％的2 倍多【4 J 。我国也对生物质能源的研究非常重视，对沼 气发电、生物质气化、高效厌氧处理和生物质液体燃料技术等科研开发加大了资金 投入。生物质能与化石燃料相比，其挥发分和碳活性高，所含的S 、N 和灰分都远 比化石燃料低，利用过程中排放的S 0 2 、N O x 和灰渣少，且C 0 2 零排放。以生物质 代替部分化石燃料，既能将农林废弃物合理利用起来、改善环境质量，增加经济效 益，又能降低对化石燃料的依赖性。随着社会经济的发展，生物质能传统的炉灶直 燃方式必将被其他清洁、高效的利用方式取代，并广泛应用于工业生产、社会生活 的各个领域，在未来的能源体系中将占据重要地位【5 6 】。 1 ．2 国内外利用生物质能的现状 目前，许多国家纷纷开展了生物质与煤混燃发电的研究【| 7 1 ，其中美国和欧洲在 这方面的研究较深入，并建立了许多示范工厂，而我国在这方面的研究则相对较少。 北欧的一些国家生物质与煤混燃发电已经有1 0 余年的历史，世界上第一座秸秆生 物燃烧发电厂于1 9 8 8 年在丹麦投产，目前，丹麦已建成1 0 0 多家秸秆发电厂，秸 秆发电量占全国总发电量的2 4 ％【8 l 。其中，始建于1 9 9 0 年的丹麦哥本哈根A V E D O R E 电厂，原发电设备热输出功率为4 4 0 M W ，燃料为天然气和油，其热电联产工程规 模和技术水平是世界最先进的，2 0 0 2 年，该厂又增加了热功率为1 5 0 M W 的生物质 1 华北电力大学硕士学位论文 发电设备，采用天然气 油 与5 0 ％麦秸混合燃烧工艺，每小时秸秆消耗量为2 5 吨， 农业秸秆主要来源于芬兰和丹麦。生物质的水分含量用超声波测定，控制在2 5 ％左 右。该系统的锅炉高7 0 m ，炉温达到5 8 3 ℃，产生2 4 “ - - 2 9 ．4 M P a 的超临界水平的蒸 汽，发电功率1 6 ．5 M W ，能源效率达9 0 ％。由于欧洲国家的农场大多规模较大，农 业规模化经营，收集、储存、运输秸秆比较容易，因而在秸秆发电厂的原料供应上 已经形成从大农场收集、捆扎、运输和储存的程序化，是政府鼓励和扶持的项目。 丹麦各电力组织为此规划筛选了一批研究项目，并重点对下述项目进行了．研究① 煤粉锅炉和循环流化床锅炉中的混合燃料的燃烧，即煤、秸秆和木屑等的混合燃烧； ②燃烧秸秆和木屑的锅炉与大型燃煤锅炉并联运行发电供热的研究。在研究领域方 面，国外相关研究课题主要集中在燃煤锅炉掺烧生物质氯腐蚀【9 1 、燃烧方式【l o 】、生 物质预处理⋯】、火焰结构【1 2 】等方面，而国内研究大都集中在生物质电厂锅炉的直接 燃烧、燃料特性、灰分分析等方面【1 3 1 5 J 。 2 0 0 5 年1 2 月1 6 日，我国首台煤粉秸秆混燃发电机组在山东枣庄华电国际十里 泉发电厂成功投产【l6 1 。作为国内第一个老机组改造的生物质能发电项目，具有前瞻 性、推广性。目前，我国农作物秸秆年产量为6 ．6 亿吨，可作为能源用途的秸秆近 2 亿吨，可替代近1 亿吨的煤炭。但大量秸秆长期以来在农田旱直接焚烧，造成了 巨大的能源浪费和严重的环境污染【1 7 1 9 】。华电国际十里泉发电厂从丹麦B W E 公司 引进秸秆发电技术并由山东鲁电环保公司进行总体设计，对该厂5 号机组进行技术 改造。改造后的机组按年运行7 2 0 0 小时计算，每年将燃用1 0 ．5 万多吨秸秆，相当 于少燃烧7 ．5 6 万吨原煤。消耗“变废为宝”的秸秆还可为当地农民带来实惠，促进地 方农业经济发展，据预测，仅秸秆收购一项，每年农民可增加收入3 0 0 0 多万元。 此外，秸秆含硫量为0 ．1 2 ～0 ．1 8 ％，远小于含硫量为0 ．8 ％的煤炭，技术改造后的机组 每年可减少S 0 2 排放15 0 0 吨。 1 ．3 生物质与煤混燃发电及存在问题 ． 煤与生物质的混燃发电提供了一种可以提高生物质的利用效率和减少煤等化 石燃料污染物排放的新的燃烧方式，选择直接燃烧能减少S 0 2 、N O x 、C 0 2 等污染 物的排放，但这种燃烧方式的应用对锅炉的设计、改造、运行过程控制、燃烧技术、 燃料混合控制以及燃料的处理系统提出了新的要求，产生了新的问题。根据文献资 料，共燃过程中，存在的问题主要有以下几个方面1 2 0 】 ①生物质燃料的制备、储存和输送 由于生物质燃料具有低能量密度、水分含量高且具有强烈的亲水性以及纤维素 柔软坚韧等特性，因此对其运输、储存和制备影响较大。 华北电力大学硕士学位论文 ②结渣积灰 与煤相比，生物质灰中碱金属成分含量很高，且主要以活性成分的形式存在， 在火焰中易挥发出来而凝结在受热面上形成积灰和结渣。国外的经验表明，草本生 物质灰分中K 和C l 含量较高，当掺烧比例较大时，有引起锅炉积灰及其腐蚀的危 险。值得说明的是，实际应用中生物质掺混比一般不高，当掺混比较小时．，一般不 会发生受热面灰污问题。 ’ ⑨污染物排放 由于生物质的含硫量和含氮量较低，因此其S 0 2 和N O x 的排放量亦较低。经验 表明，实际N O 。排放量一般还会比按比例计算的数值低1 0 ％左右。这是因为生物质 挥发分高，析出和燃烧开始早，在火焰中形成一个富燃料区，引起燃烧分级而还原 部分N O 。，另外生物质的高水分会在一定程度上降低火焰温度从而也降低热力N O x 的生成。此外，生物质中碱金属成分在火焰中易挥发，并与燃煤烟气中S 0 2 等反应 生产硫酸盐，凝结后形成很细的飞灰，因而可能导致细灰排放在一定程度上的增加。 ④腐蚀 生物质中氯和碱金属含量比煤灰中高得多，它们在燃烧过程中挥发出来，在烟 气中生成氯化物而凝结在受热面上，引起受热面金属腐蚀。研究表明，当和煤混烧 时，由于烟气中的S 0 2 会和碱金属氯化物反应生成碱金属硫酸盐，其腐蚀性较氯化 物弱得多，．因此，会在一定程度上缓解这一腐蚀趋势。但是，。硫酸盐化反应般发 生在氧化性气氛下，而在处于还原性气氛的受热面上，碱金属氯化物是稳定的产物， 即使在氧化性气氛中而受热面温度较低时，硫酸盐化反应速度依然很慢。因此，在 共燃生物质特别是草本生物质时，碱金属氯化物的腐蚀需要关注。 ⑤粉煤灰利用 由于生物质灰分和普通粉煤灰的成分有显著的差异，因而生物质与煤混烧产生 的灰在进行综合利用时需考虑生物质灰对粉煤灰特性变化的影响。研究表明，与普 通粉煤灰相比，利用生物质与煤混燃后产生的粉煤灰生产混凝土时需要加入更多的 引气剂才能达到相同的抗冻性能，且随生物质配比的增加，所需引气剂的量也相应 增加。但其影响一般在可控范围之内，但当对混凝土质量要求很高时则应予以考虑。 ⑥燃料特性多变 由于一般很难保证一种生物质燃料的大量稳定供应，因此在系统改造设计和运 行时应充分考虑生物质特性变化大的特点。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 ．4 本文研究的主要内容和意义 1 ．4 ．1 本文研究的主要内容 ． 本文研究内容主要包括两个方面 ①国内某电厂生物质掺烧实际工程探讨及理论计算本论文理论联系实际， 根据国内某大型燃煤电站掺烧生物质的情况，重点介绍掺烧生物质时的破碎、输送 和燃烧系统；并对该电厂掺烧生物质进行理论计算，分析锅炉运行数据。 ②实验室进行煤与生物质掺烧污染物排放试验和热重试验在实验室内测定 煤与生物质混烧时过量空气系数、掺混比对N O x 、S 0 2 排放规律的影响；并用热重 试验台对煤与生物质掺混时燃烧特性进行分析。为大型燃煤电站掺烧生物质提供一 定的理论和数据支持。 生物质料仓 图1 - 1 燃煤电站掺烧生物质系统图 1 ．4 ．2 本文研究方案及难点 本文的研究方案主要在以下几个方面展开 ①本论文将联系实际工程，介绍国内某大型燃煤电站掺烧生物质时，生物质的 破碎、输送和燃烧系统；锅炉运行数据分析，存在的技术性难题。 ②对该燃煤电站掺烧生物质对锅炉效率的影响进行计算分析，并对掺烧生物质 对炉膛辐射换热、炉膛出口烟气温度、水蒸汽容积份额、飞灰浓度、排烟温度及锅 炉效率的影响进行了分析。 ③对煤与生物质掺烧时污染物的排放进行了测定，分别测定不同种类生物质、 ， 4 华J 匕电力大学硕士学位论文 过量空气系数与掺混比对N O x 、S 0 2 排放的影响规律。 ． ④对煤与生物质掺混时对N O x 、S 0 2 排放规律的影响进行机理性研究。 ⑤对煤、生物质及其混合燃料燃烧特性进行热重实验研究、分别测定了升温速 率、掺混比对煤与生物质掺混时燃烧特性的影响。 ⑥在热重实验的基础，分析生物质促进煤燃烧机理。 本文的研究难点主要在以下几点 ①本文重在探讨高效、大规模利用生物质的途径，在大型燃煤电站掺烧生物质 是一种可以实现的途径，但现在的技术条件下，本研究方法遇到了破碎、输送、燃 烧、粉煤灰利用等一些技术难题。 ②在分析生物质与煤掺烧对污染物排放的影响规律时，由于燃烧模型不同，会 产生不同的排放效果，限于实验条件，只能做出生物质与煤预混燃烧这一种燃烧方 式，对于其他燃烧方式，本文查阅了大量参考文献，但无法做出实验进行验证。 ③对煤、生物质及其混合燃料燃烧特性进行热重实验研究时，无法准确反应燃 煤电站锅炉内真实的燃烧情况，但能对其燃烧特性做出趋势性研究。 1 ．4 ．3 本文研究的意义 目前我国的能源利用和环境问题的矛盾很突出，一方面我国的能源短缺问题越 来越突出，尤其是近年来的电力燃煤供应紧张，引起了大范围的电荒，已经严重影 响到我困经济发展的势头，另一方面，我国的农民逐渐放弃了传统的炊事燃料，改 用优质的商品能源 如煤气等 ，原先主要用来炊事的农林废弃物大量的被遗弃在 野外，或者直接焚烧，造成资源的浪费；生物质能的有效利用既可以解决能源短缺 问题，也可以减缓环境污染，研究生物质能的利用具有重要的现实意义。 现有的生物质能利用方法中有很多的弊端，和传统的化石能源相比，没有市场 竞争的优势。效率低，技术不够成熟是主要的原因。当前我国的经济水平还相对落 后，大规模地投入资金建生物质发电厂不大现实。另外，直接建大型的生物质发电 厂还有生物质收集难、成本高等问题无法解决。本文提出了利用生物质在现有大型 燃煤电厂中进行混燃，可有效的解决生物质高效、大规模利用的难题，不用建立专 门的生物质电厂，能避免设备的再投资，直接利用原有设备即可，具有很重要的现 实意义。 5 华北电力人学硕士学位论文 第二章燃煤电站掺烧生物质的实际工程分析与理论计算 2 ．1 燃煤电站掺烧生物质实施背景 本文意在探讨现阶段大规模、高效率利用生物质的方法，根据实际工程研究在 大型燃煤电站中掺烧生物质的途径，本文以国内某发电公司下辖3 0 0 M W 燃煤机组 为研究对象，在确保机组安全、经济、环保运行的条件下，掺烧一定比例的稻壳或 稻秆，实现率先在国内3 0 0 M W 锅炉机组成功掺烧农业废弃物的目的，达到节约燃 煤、减少污染物排放、提高发电机组运行经济性的目标。 近年来，我国相继建设了数十座秸秆直燃发电站，发电机组容量一般小于 2 5 M W ，投资高达每千瓦2 万多元，发电效率不足2 5 ％，而且单位M w 装机容量的 占地面积远大于大型燃煤电站，每座2 5 M W 的生物质电站占地约1 5 0 亩，难以广泛 布局，而且还出现了燃料供应短缺问题。 。 现代化3 0 0 M W 、6 0 0 M W 火电厂的效率可高达3 8 “ - 4 0 ％，已在全国形成比较合 理、广泛的分布格局，直接掺烧一定比例的生物质，可以达到较高的发电效率，因 此，有望成为适合我国国情的大规模、清洁、高效利用生物质的可行途径。2 0 0 5 年 我国山东十里泉电厂引进丹麦B W E 公司的技术设备，对其5 号1 2 5 M W 机组锅炉进 行了掺烧黄秸秆的技术改造，取得了一定的经验，标志我国燃煤电站锅炉掺烧生物 质发电技术的起步。 2 ．2 掺烧现场机组设备介绍 ．该发电公司在3 0 0 M W 锅炉中掺烧生物质，下面将分别对该3 0 0 M W 燃煤机组 的锅炉概括、掺烧生物质的破碎、输送与燃烧情况进行简要介绍。 ． 2 ．2 ．1 锅炉概况 该锅炉为3 0 0 M w 亚临界控制循环锅炉，采用单炉膛冗型露天布置、全钢架悬 吊结构、一次中间再热、四角同心反切燃烧、摆动燃烧器调温、平衡通风、固态排 渣煤粉炉。炉前布置三台低压头炉水循环泵，炉后尾部布置两台三分仓容克式空气 预热器。炉顶采用全密封结构，并设置大罩壳。炉膛采用气密式膜式水冷壁，炉底 采用水封结构。水冷壁由炉膛四周及折焰角延伸侧墙组成。过热器主要由低温过热 器、分隔屏、后屏及末级过热器组成。分隔屏与后屏布置在炉膛上部出口处，末级 过热器布置于延伸斜烟道上，低温过热器布置于尾部烟道内。再热器由墙式辐射再 热器、屏式再热器和末级再热器组成，墙式辐射再热器布置于炉膛上部前墙和两侧 ● ● 6 华北电力大学硕士学位论文 ● 墙前部，在折焰角及延伸墙斜烟道上部依次布置了屏式再热器和末级再热器。省煤 器为单级，布置于低温过热器下部。设计煤种为山西潞安贫煤，现阶段各种煤种混 合燃烧。制粉系统为中间储仓式制粉系统，采用热风送粉。 额定工况下，给水温度为2 7 3 ．3 3 ℃，过热蒸汽压力为1 7 ．3 0 M P a ，过热蒸汽温度 为5 4 0 ．5 6 。C ，主蒸汽流量为9 0 7 ．0 6 t ／h ；燃料消耗量为1 3 1 ．4 3 t ／h ，锅炉低位热效率为 9 0 ．0 3 ％；一次风进出口温度为2 6 ．7 ／3 6 1 ．7 4 C ，二次风进出口温度为2 2 ．8 ／2 3 7 ．0 6 。C ，排 烟温度为1 2 8 ．0 0 ℃。 2 ．2 ．2 掺烧稻壳时稻壳输送系统与燃烧系统介绍 ’系统由一次风机、谷壳仓、卸灰器、混合器、一次风管道、风谷壳混合管道、 燃烧器及附属阀门、压力表、窥视管、风速测点等组成。谷壳卸在3 号、4 号炉引 风机室之间的料场，谷壳由机械运送至谷壳仓处，由人工或皮带运送至谷壳仓，谷 壳仓中的谷壳通过卸灰器卸入混合器中。由一次风机出1 2 1 母管上接0 3 7 7 管道至混 合器前，管道上安装阀门及压力表对风量进行控制。一次风吹动混合器中的谷壳通 过两路风、谷壳混合管道 0 2 0 3 分别送入撑1 、3 角谷壳燃烧器入炉膛燃烧。捍1 、3 一’ 角谷壳燃烧器安装在第7 层二次风喷嘴处，原二次风喷嘴拆除，用油喷嘴改造而成 的谷壳燃烧器替代。风、谷壳混合管道上安装有阀门、风速测点、窥视管等，．可通。 过风速测量及阀门来控制进入炉膛的谷壳量，并调节进入j 5 f 1 、3 角的谷壳量大致相 同，通过窥视管可监视谷壳的输送情况，目前为冷风输送生物质。图2 ．1 为该机组 锅炉稻壳掺烧系统的系统图。 ’ ||} 捕 图2 - 1 掺烧稻壳系统图 7 华北电力大学硕十学位论文 2 ．3 掺烧生物质时关键技术问题与分析 2 ．3 ．1 生物质粉料的合理输送浓度 由于在电站煤粉锅炉的生物质掺烧是采用悬浮燃烧的方式，因此，其输送的浓 度，即单位体积的空气携带的粉状燃料的质量，就成为燃烧系统设计的一个关键技 术参数，浓度过低，则生物质着火不集中，不能形成高温火焰，影响燃烧效率，且 输送量小；而浓度过高，则可能出现管道堵塞。目前，该参数尚没有可以依据的标 准或规范，必须通过现场试验得到。根据国内外的运行经验，在不发生堵管的条件 下，尽量选取较高的浓度是有利的。 由于稻壳颗粒小，不必再破碎，因此，在掺烧实验中运行稳定，可以得到稻壳 的合理输送浓度。但是，在掺烧秸秆中，由于破碎尺寸未达到要求，因此，尚未得 到可靠数据。 ， 在输送系统测定了输送稻壳的浓度，首先确定给料仓中的料量，控制卸料器的 凋速电机的转速，从而控制给料的速度，由于输送风的参数一定，观察在不同输送 浓度的输送效果，当输送浓度达到1 ．2 ～1 ．3 k g ／N m 3 ，在混合器后的直管道中产生堵 塞现象。降低卸灰器的电机的转速，当输送浓度达到0 ．9 ～1 k g ／N m 3 时，没有堵塞现 象发生。因此，在和稻壳处于同一粒径范围的生物质输送系统的设计中，推荐输送 浓度为0 ．9 “ - - - 1 k g ／N m 3 。 2 ．3 ．2 稻壳或稻秆中S 与C l 对锅炉受热面腐蚀的影响 稻壳或稻秆具有的主要优点是S 含量低，远低于煤中的S 含量，因此，燃煤锅 炉掺烧稻壳或稻秆后，S 含量降低，S 对锅炉高温腐蚀影响的趋势减小。农业废弃 物C l 含量高 本项目尚未测定C l 含量 ，远高于煤中的C l 含量。稻壳或稻秆中C l 对锅炉水冷壁受热面管的腐蚀影响值得关注。 水冷壁区域气氛是氧化气氛与还原气氛交替出现。由于在燃烧器区域通常欠氧 燃烧，炉膛壁面附近C O 含量增加，具有引起水冷壁管金属腐蚀的潜在可能性。注 重监视燃烧器区域炉壁附近的氧浓度 维持0 2 19 6 ～2 ％ 与C O 的浓度 维持C O 图3 - 5 含氧量为1 ．9 ％ 051 0 5∞筠 生物质掺混比，％ 能量比 喜 蠹 茎 O51 0侣∞葛 生物质掺混比，％ 能量比 图3 - 6 含氧量为3 ．5 ％ 05∞ 5∞为 生物质I 参棍比，％ 能量比 点。． 。。。。二 图3 7 含氧量为4 ．8 ％图3 8 含氧量为6 ％ 图3 - 9 含氧量为7 ％ O5 O ●∞为 生物质掺棍比，’‘‘能量比 图3 1 0 含氧量为7 ．9 ％ 图3 ．5 - - 一图3 ．1 0 列出了在炉膛出口同一含氧量的基础上，不同生物质掺混比对 N O 。排放规律的影响。对上图进行分析，从不同种生物质之间来看，松木屑与煤掺 混时，N O x 的排放量是最高的，麦秆是最低的；然而，从元素分析表中我们可以看 出，松木屑的含氮量是最低的，麦秆的含氮量是最高的，实验结果显示，含氮量最 高的麦秆掺混N O 。排放量反而最低，含氮量最低的松木屑掺混N O x 排放量反而最高。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 对单一生物质松木屑来分析，在含氧量为1 ．9 ％时，N O 。排放量最低点出现在2 5 ％处， 最高点出现在1 0 ％处，而不是出现在0 ％处；在含氧量为3 ．5 ％、4 ．8 ％、6 ％处时，N O x 排放量最低点出现在O ％处，最高点出现在1 0 ％处，4 ．8 ％、6 ％处时，2 0 ％比例处反而低 于2 5 ％比例处；在含氧量为7 ％时，N O x 排放量最低点出现在2 0 ％处，最高点出现在 2 5 ％处。对单一生物质稻壳来分析，在含氧量为1 ．9 ％时，N O x 排放量最低点出现在 2 5 ％处，最高点出现在1 5 ％处，而不是出现在O ％处；3 ．5 ％、4 ．8 ％、6 ％时N O 。排放量最 低点出现在2 0 ％处；7 ％、7 ．8 ％时N O 。排放量最低点出现在1 5 ％处；对单一生物质麦秆 来分析，在含氧量为1 ．9 ％时，N O x 排放量最低点出现在1 5 ％处，最高点出现在5 ％处， 也不是出现在O ％处；3 ．5 ％、4 ．8 ％、6 ％、7 ．8 ％时，N O x 排放量最低点出现在2 0 ％处，2 5 ％ 处的N O 。排放量比2 0 ％处的略高，最高点则是出现在不同的比例处。 ’ 根据上述分析，可以得出，随着生物质掺混比的增加，N O x 排放量并不是逐渐 降低的，生物质掺混比对减少N O x 排放量影响不大。随着生物质掺混比的增加，N O 。 排放量忽高忽低，没有规律性。说明直接掺混生物质不能有效减排N O x ；因此，生 物质与煤直接掺混燃烧对降低燃烧过程中N O 。的排放作用会因生物质本身的含N 量、煤种 灰成分 以及燃烧方式的不同而差别较大。 对于生物质与煤直接掺混燃烧对N O 。的排放影响，本节查阅了大量的参考文献 [ 2 5 - - ’。2 6 ] ，根据K a t eW a t e ．H a n s e n 等人的研究结果，生物质中的氮含量随生物质的种类 不同而不同，在K a t eW a t e H a n s e n 所做的试验中，生物质氮元素含量的平均值为 0 ．3 5 9 ／M J ，煤种的氮含量为0 ．6 1 9 ／M J ，但是当掺烧2 0 ％的生物质时，却很难检测出 污染物N O 、的不同之处。由此发现，N O 。排放是燃料和空气共同作用的结果，氧浓 度和燃烧条件的变化会对N O x ．排放起到决定性作用，而生物质本身起的作用不大 睇7 | 。在K a t iS a v o l a i n e n 的研究结果中，木屑中氮元素含量很低，并且木屑中挥发份 很高，这就意味着煤粉掺烧生物质时N O 。排放量可能会很低。然而，如果木屑中水 分较高，将会推迟煤粉着火温度，N O 排放量相对于燃烧纯煤来说，掺烧生物质时 可能会更高I z 引。在G ．S k o d r a s 等人的研究结果中，N O x 排放依赖于运行条件，而不 受燃料中氮含量多少的影响，这种现象对M D F 中密度纤维粉 来说更加明显，尽 管它含有最高的氮含量，然而，N O x 排放最高的点却出现在低氮含量混合燃料处， 而此时该处过量空气系数却处于最大值。N O x 最低值出现在高氮含量处，而此处过 量空气系数处于最小值，由此可以看出，N O x 排放量受过量空气系数的影响起到决 定性的作用，而受生物质掺混比的影响很小【2 9 1 。在J o s e p hJ ．B a t t i s t aJ r 等人的文章 中提到，共燃生物质和煤共燃可以减排N O 至1 0 ～3 0 ％，然而，N O x 减排量是由锅炉 类型，煤种，生物质类型，燃烧技术所决定，该文中做了废木片掺混比与N O x 排放 量的关系曲线图，发现N O x 排放量与生物质掺混比没有关系【3 0 】。在D ．a ．T i l l m a n 的 文章中提到，N O 排放的高低依赖于燃烧运行条件，而不受混合燃料氮含量的影响 ● 2 2 华北电力大学硕士学位论文 S i e g e le ta l 在5 0 0 K W 粉状燃料测试单元中混燃了稻草，谷物和煤，得出了相似 的研究结果。当高掺混比 6 0 ％ 时，在环形管中喷射煤粉会导致N O x 排放量的降低， 然而，采用中心喷射煤粉却会导致N O x 排放量的增加