燃煤锅炉掺烧生物质气运行效率及污染物排放模拟

张小桃，李柯颖，赵伟，黄勇

（华北水利水电大学，郑州450011）

　　摘要：为解决生物质直燃给锅炉带来的运行问题，以及燃煤锅炉掺烧秸秆气对运行性能以及污染物排放的影响，建立了秸秆气化及秸秆气与煤混合燃烧模型，且对模型的气化过程与燃烧过程进行了合理验证。为保证锅炉稳定运行，设置进入锅炉系统的总热值不变，在不同秸秆含水率、秸秆气掺烧比例及炉膛过量空气系数下，研究锅炉运行性能及污染物排放变化规律。结果表明：与纯煤燃烧相比，当掺烧比和含水率从10%增大到30%，混燃温度降低，最大降幅为89.3℃；在5%～30%秸秆含水率及10%～30%秸秆气掺烧比例下，空气预热器出口处排烟体积、排烟密度、排烟质量均有变化，掺烧后锅炉效率变化范围为92.72%～93.71%，系统效率变化范围为88.75%～92.62%；空气预热器出口处烟气中NO与SO₂排放浓度随掺烧比增大均减小，10%掺烧比例条件下，过量空气系数增大，NO排放浓度先增大后稍有下降，SO₂排放浓度减小。该研究为实现生物质的合理应用并减小已有燃煤电厂的污染物排放提供了理论依据。

　　0引言

　　燃煤锅炉掺烧生物质气可以为生物质的大规模利用提供条件，减小污染物排放，但又会对锅炉运行，如锅炉效率与尾部受热面带来一定的影响。目前，生物质气化技术已经比较成熟并且有很多的应用。Gagliano等^[1-3]通过模拟生物质的气化过程，证明了模型的合理性；Laxmi等^[4-7]均研究了生物质在不同气化氛围下的气化结果。秦恒飞等^[8-12]利用试验分析生物质气化过程对气化效果的影响，得到了气化最优方案。金亮等^[13]利用生物质固定床气化技术，获得了较高气化效率。毛健雄^[14]表明生物质气化后合成气的热值主要取决于生物质的含水率。在生物质与煤的混合燃烧方面，马爱玲等^[15]通过研究煤与生物质在不同掺烧比例下的混合燃烧特性，表明生物质添加量越大，燃烧性能改善越显著。

　　刘翔等^[16]研究认为草本类生物质与烟煤混烧降低了着火温度。谭巍等^[17-19]通过试验研究了生物质与煤的混合掺烧过程，发现共燃后炉膛放热更均匀、燃烧更稳定，且掺烧比例越大改善程度越佳；Sun等^[20-21]通过常速原理取样的试验方法与数值模拟法验证了生物质与煤混燃后随掺烧比的增大飞灰量减小；陈海平等^[22]认为掺烧生物质易造成锅炉主燃烧区结渣，受热面腐蚀，从而降低锅炉燃烧效率；Tae-Young等^[23]经模拟发现生物质与劣质煤混燃降低了电站效率；Dong等^[24]在电站锅炉的基础上研究了生物质气与煤混燃避免了锅炉腐蚀问题并改变了灰特性。

　　宋前进等^[25-27]通过模拟表明生物质或生物质气与煤混燃后，随掺烧比的增大，NO_x、SO_x排放浓度均减小，且掺烧比越大减排效果越明显。生物质在气化炉内气化产生的低热值燃气，通过热燃气输送管道送入锅炉燃烧室与煤混合燃烧，由于气化产生的燃气温度为600～700℃，在此温度下焦油不会凝结，以气态的形式存在，不会在燃气输送管道中冷凝和粘附，且焦油在锅炉内完全燃烧，不会对锅炉产生影响[28-29]，因而本论文针对生物质气与煤混合燃烧进行研究。

　　论文利用AspenPlus软件对生物质气化过程、生物质气与煤混燃过程以及尾部受热面和空气预热器中的介质与烟气传热的过程进行模拟及模型验证，研究生物质含水率、生物质气掺烧比及锅炉炉膛过量空气系数对混合燃烧过程、锅炉运行性能以及污染物排放的影响，进而为生物质气的合理利用提供依据。

　　1生物质气与煤混合燃烧流程及理论基础

　　1.1秸秆气与煤混燃流程

　　秸秆气与煤混燃过程主要包括：1）秸秆的气化过程：将秸秆与空气加入气化炉进行气化，气化后生成含有一定可燃成分的秸秆气与秸秆灰。2）秸秆气与煤的混燃过程：秸秆气与煤在燃煤锅炉里混合燃烧。由于秸秆气的特性与煤不同，掺烧秸秆气后将会对锅炉炉膛内的燃烧过程以及尾部受热面的传热等造成影响。3）尾部受热面热交换过程：尾部受热面部分由换热器作为冷却器，将烟气在通过过热器、再热器、省煤器所传递给蒸汽和水的热量设置为此处的热负荷。秸秆气化与煤混燃及尾部受热面换热过程流程图如图1所示。

　　1.2研究对象

　　国内某电厂330MW燃煤锅炉机组，锅炉为亚临界、自然循环、单炉膛四角切圆燃烧。

　　秸秆先在循环流化床气化炉中进行气化，气化产生的秸秆气直接通入煤粉炉中燃烧。基于330MW锅炉，10%秸秆气掺烧比工况选用2个气化炉，其生物质处理量为10t/h的气化装置，产气量约20000m³/h，燃气热值约为3000kJ/kg，同样的20%、30%秸秆气掺烧比工况分别使用4、6个这样的气化炉。煤种选择平顶山烟煤，生物质种类选取秸秆，燃料成分分析如表1所示。

　　1.3秸秆气与煤混燃理论基础

　　在额定工况下，基于输入锅炉总热量不变，秸秆气掺烧比是秸秆气携带的热量占总输入锅炉热量的比值如式（1）所示。

　　首先，在仿真过程中，炉膛内的过量空气系数取1，尾部受热面在炉膛出口和省煤器出口分别考虑了漏风。主要包括以下工况：纯煤工况，作为对比分析的基础工况；秸秆气掺烧比例分别为10%、20%、30%；秸秆含水率分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%。计算得到的最佳空燃比条件下秸秆气中各组分的体积分数随秸秆含水率变化趋势如图2所示。生物质气的主要可燃成分为H₂、CO、CH₄，秸秆含水率从5%变化到30%，秸秆气的低位热值从5999.7kJ/Nm³变化到4592.2kJ/Nm³，即含水率越大，秸秆气的低位热值越小，主要是因为CO成分的减小，此结论与Vladimirs等^[31]得出的结论一致。

　　其次，在10%秸秆气掺烧比例工况下，改变过量空气系数，分别取1、1.05、1.1、1.15、1.2、1.25，用于研究过量空气系数与秸秆含水率对混燃后炉膛燃烧温度及空气预热器出口处烟气中污染物排放的变化规律。

　　0%～30%秸秆气掺烧比例与5%～30%秸秆含水率工况下，保证输入锅炉总热量不变，燃烧所需秸秆与煤的质量流量及秸秆气与煤在炉膛中共同燃烧所需要的空气质量流量如图3所示。

　　由图3a可知，要满足锅炉总输入热不变，替代相同质量流量的煤进入锅炉燃烧，即产生同样热量的条件下，秸秆含水率越大，燃烧所需的秸秆质量流量越大。燃料燃烧所需空气质量流量如图3b可知，与纯煤燃烧相比，掺入秸秆气燃烧后，供燃料燃烧所需的空气量下降；在相同掺烧比例条件下，秸秆含水率对燃料燃烧所需空气量的影响很小。

　　2模型验证

　　2.1气化过程模型验证

　　秸秆气化后燃气成分引用的是于杰等[32]的试验结果，以空气为气化剂、在循环流化床气化炉中进行气化试验。气化成分中影响燃气热值的成分主要为CO、H₂、CH₄，通过表2对比可知模拟值相较试验值，H₂、CO的体积分数增大，而CH₄体积分数减小，这是由于模拟过程较试验过程理想，C+CO₂=CO反应更为彻底，从而CO₂体积分数减小，CO体积分数增大，进而与H₂反应生成CH₄的C量减少，引起了H₂体积分数的增大与CH₄体积分数的减小，而模拟参数最终得到的秸秆气热值与试验值相比仅相差5%，从而验证了气化模型的合理性。

　　2.2炉膛燃烧及尾部受热面热交换过程模型验证

　　依据孔振华^[33]对330MW锅炉的试验数据，在纯煤燃烧工况下，对330MW锅炉运行参数的模拟值与试验值进行比较，运行过程中的相关参数均相差不大，如省煤器出口氧量：试验值为3.6%，模拟值为3.45%；空气预热器入口烟温：试验值为323.5℃，模拟值为311.3℃；锅炉效率：试验值为92.27%，模拟值为92.94%。省煤器出口氧含量与空气预热器入口处烟温的模拟计算值相对于试验值均有少量下降，这是因为模拟的过程较为理想，燃烧更加充分，所以氧含量减小，锅炉尾部受热面所吸收的热量更多，到空气预热器出口处的烟气温度有所下降，锅炉效率与试验值相比也会略有上升。

　　省煤器出口氧量的监测，即氧量偏差问题，对于监视炉膛燃烧、降低飞灰含碳量、提高锅炉效率具有十分重要的意义。陈辉等^[34]对锅炉省煤器出口氧量出现偏差的原因进行了分析，对试验值与模拟值进行了比较，有效地证明了模拟过程的真实性。空气预热器入口烟温对排烟温度的控制与低温受热面腐蚀的影响有研究意义，从而以此参数作为模型验证的重要数据之一。

　　3结果与分析

　　掺烧秸秆气后，炉膛燃烧温度，尾部受热面传热过程，烟气量、排烟温度、锅炉效率以及污染物生成均发生变化。仿真结果分析如下。

　　3.1炉膛燃烧温度

　　在炉膛内过量空气系数为1的条件下，炉膛燃烧温度变化如图4所示。纯煤燃烧时炉膛温度最高为1833.5℃；不同秸秆含水率工况下，炉膛燃烧温度随掺烧比的变化规律相同，均随掺烧比的增大而减小，且含水率越大，燃烧温度下降幅度越大；相同秸秆气掺烧比例工况下，秸秆含水率越大，炉膛燃烧温度越低。经计算，秸秆气热值较平顶山煤热值低，从而引起燃烧不稳定，导致炉膛燃烧温度下降，且秸秆含水率越大，秸秆气的热值越小，所以炉膛燃烧温度随秸秆含水率的增大而减小。

　　如图4a所示，掺烧工况混燃温度与纯煤燃烧温度相比，在过量空气系数为1，且30%秸秆含水率与30%秸秆气掺烧比例工况下，炉膛燃烧温度最大降低了89.3℃。

　　如图4b所示，随过量空气系数的增大，炉膛燃烧温度下降，如10%秸秆含水率与10%秸秆气掺烧比例工况下，过量空气系数从1变化到1.25，纯煤燃烧温度下降了236℃，而混燃温度最大下降了227℃，这与曾研究过的结论^[35]一致：在过炉膛内量空气系数接近1时，炉膛燃烧温度最高，因而过量空气系数大于1时炉膛温度开始降低。

　　3.2锅炉运行性能

　　考虑锅炉漏风的情况下，空气预热器出口的排烟体积流量（标准状况）、排烟密度（标准状况）及排烟质量流量的变化过程如图5所示。

　　此处的排烟体积为标准状况（0℃、1atm）下空气预热器出口烟气的体积流量。由图5a可知，各秸秆含水率工况下，排烟体积流量随掺烧比例的增大均减小，与纯煤燃烧相比，10%秸秆含水率与30%秸秆气掺烧比例工况下，排烟体积流量下降最大为2.77×10⁴Nm³/h；相同掺烧比例下，排烟体积流量随秸秆含水率的增大稍有上升。由于烟气容积的大小取决于燃料的水分、过量空气系数及各处漏风量^[36]，此处设置各漏风处的漏风系数一定，掺烧比例增大，混燃过程所需总理论空气量减小，漏风量减小，因而，掺烧比例增大，排烟体积流量减小；燃料含水率的增大减小了烟气量的生成，但水分的增大又使得燃料消耗量上升，从而总的烟气量随含水率的增大而增大^[37]。

　　如图5b中，标准状况下的排烟密度均随掺烧比例的增大而增大，且相同掺烧比例下，秸秆含水率越大，排烟密度越大，这是因为秸秆所含水分除部分参与了反应，但仍有一些以水蒸气的形态存在于烟气中，因而增大了排烟密度，且在30%秸秆含水率与30%秸秆气掺烧比例工况下，取得最大排烟密度1.46kg/Nm³。

　　排烟温度是影响锅炉效率的主要因素之一，同时也是评价锅炉运行的重要参数^[38]。随着掺烧比例的增加，10%、20%、30%秸秆含水率工况下的排烟温度变化趋势如图6所示。

　　各秸秆含水率工况下，随掺烧比例的增大，排烟温度变化趋势如下：10%秸秆含水率工况下，排烟温度先减小后增大；20%、30%秸秆含水率工况下，排烟温度均升高；在相同掺烧比例下，秸秆含水率越大，排烟温度越高，含水率从30%变化到10%，排烟温度最大上升了7.54℃，这是由于燃料中含水率越大，烟气中水蒸气带走的热量越多，引起了排烟温度的增大。其中，纯煤燃烧工况下排烟温度为123.95℃，在所有研究工况中，10%秸秆含水率与10%秸秆气掺烧比例工况下排烟温度最低，与纯煤燃烧工况相比下降了1.87℃；在30%秸秆含水率与30%秸秆气掺烧比工况下排烟温度最高，与纯煤燃烧工况相比上升了11.78℃。

　　如表3中列出5%~30%秸秆含水率工况下，秸秆的气化热效率；5%~30%秸秆含水率与0%~30%秸秆气掺烧比例工况下，秸秆气与煤粉掺烧后，锅炉尾部受热面空气预热器出口处烟气的主要成分：如N₂、H₂O、CO₂成分的体积分数、相应成分下所对应的锅炉效率以及系统效率。如表3所示，秸秆含水率越大，相应最佳空燃比条件下所得秸秆气温度越低，进而秸秆气显热降低，引起气化热效率减小，经公式（9）计算，秸秆含水率从5%变化到30%，气化热效率从98.84%减小到95.72%。

　　烟气中N₂所占比例最大，纯煤燃烧工况下N2的体积分数为75.30%，经掺烧后变化范围为71.29%～74.72%，而H₂O的体积分数最小，纯煤燃烧工况下H₂O的体积分数为6.55%，经掺烧后变化范围为7.13%～10.91%。

　　秸秆气与煤粉掺烧后，不仅会引起烟气成分的变化，也会引起锅炉效率与系统效率的变化，在所有研究工况下，锅炉效率变化范围为92.72%～93.71%，系统效率变化范围为88.75%～92.62%。生物质气与煤掺烧和纯煤燃烧相比，飞灰量减小，降低了锅炉的机械不完全燃烧热损失，而随掺烧比例的增大，排烟温度升高，增大了排烟热损失，从而引起了锅炉效率的波动，进而系统效率也发生了变化。

　　3.3污染物排放

　　秸秆含水率与秸秆气掺烧比例增大，炉膛燃烧温度减小，空气预热器出口处烟气中的污染物排放浓度发生变化。NO_x主要成分是NO、NO₂和N₂O，且NO₂与N₂O相对于NO含量较少，因而NO浓度变化趋势可以反映整个NO_x的总变化趋势。其中，NO₂与N₂O在所有研究工况中，排放浓度变化范围分别为0.08～0.39mg/Nm³与0.04～0.10mg/Nm³，与纯煤燃烧工况相比，最大减小了0.38mg/Nm³与0.08mg/Nm³。10%、20%、30%秸秆含水率工况下，NO与SO₂排放浓度随掺烧比例变化趋势；掺烧比例为10%时，纯煤燃烧工况、10%、20%、30%秸秆含水率工况下，NO与SO₂排放浓度随炉膛过量空气系数变化趋势如图7所示。

　　从图7a、7c可以看出，NO与SO₂的排放浓度均随掺烧比例的增大而减小，与纯煤燃烧工况相比（NO、SO₂的浓度分别为1618.2、1320.4mg/Nm³），在30%秸秆含水率与30%秸秆气掺烧比例处，NO与SO₂排放浓度分别减小了1052.6mg/Nm³、219.8mg/Nm³。由于秸秆的含硫量与含氮量要远低于煤，且秸秆气中的焦油在炉膛中再燃会将NO_x还原^[39]，从而掺烧秸秆气后减小了烟气中NO与SO₂的排放浓度。

　　如图7b所示，NO排放浓度随过量空气系数的增大，先迅速上升后缓慢减小，在30%秸秆含水率工况下，NO排放浓度在炉膛过量空气系数为1.15～1.2处取得最大值；相同过量空气系数下，秸秆含水率越高NO排放浓度越低。

　　炉膛内过量空气系数较小时，快速型NO_x生成量较高，此时的燃烧温度较高，热力型NO_x生成量较大，而燃料型NO_x随过量空气系数的增大，变化趋势为先增大后趋于平缓，因而，随过量空气系数的增大，NO_x排放浓度上升，且上升幅度逐渐减小，在过量空气系数接近1.2时，对应的炉膛燃烧温度接近1600℃，如图4b所示，此时热力型NO_x生成量相比于高温下的生成量极小，由于空气量过多稀释了NO_x，从而NO_x排放浓度随后缓慢减小。

　　水分在燃烧过程中也参与了反应，将NO_x还原成了N₂，因而含水率越大NO排放浓度稍有下降。

　　如图7d所示，随过量空气系数的增大，SO₂排放浓度下降，且下降幅度逐渐减小。空气量的增多使燃烧在氧化的氛围中进行，有一部分SO₂被氧化为SO3，从而SO₂的排放浓度减小。SO₂排放浓度在炉膛过量空气系数为1.25处取得最小值，为1100.7mg/Nm³。此处结论与岑可法等[40]研究的污染物随过量空气系数变化规律一致。

　　4讨论

　　由于燃煤耦合生物质发电可充分利用燃煤电厂大容量、高蒸汽参数、高效率等优点，可在更大容量水平上使生物质发电效率达到如今燃煤电厂的最高水平^[41]。掺烧锅炉与原燃煤锅炉相比，锅炉燃烧效率发生变化，NO与SO₂排放浓度下降。

　　该文中模拟的锅炉原型为骏龙电厂1117t/h锅炉燃烧系统，模拟运行参数与原型一致。由于锅炉的稳定运行是大规模生物质合理应用于发电的大前提，因而设定进入锅炉系统的热值恒定，即在相同燃料含水率下输入系统的总热量恒定。经过对比模拟过程与试验过程的省煤器出口氧量、空气预热器入口烟温、锅炉效率等数据，证明模拟能有效地反映锅炉燃烧的真实状况。由于本文中主要讨论的是空气预热器出口处NO_x与SO₂排放随锅炉运行参数的变化规律，并非实际从烟囱排入大气的污染物排放浓度，因而在炉膛燃烧温度超过1500℃的情况下，本系统并未设置脱硫脱硝设备，而在实际锅炉的试验过程中，锅炉厂有设置脱硫脱硝设备，污染物最终排放可达到国家排放标准。燃料为烟煤时，燃煤锅炉的炉膛出口处过量空气系数推荐值为1.15～1.20^[42]，因而本文分别取炉膛过量空气系数为1、1.05、1.1、1.15、1.2、1.25进行分析。

　　由于秸秆贮藏与干燥等众多条件的影响，如吴娟娟等^[43]经试验得出玉米秸秆安全存储平衡水分在一定温度条件下的变化范围为15.48%～25.58%，如李在峰等^[44]试验得到干燥后的秸秆含水率为9.6%～14.6%，大多数人讨论的生物质含水率范围取在0%～30%^[45-46]或5%～30%^[47]之间，因而本文选取的秸秆含水率为5%～30%。由于相邻秸秆含水率下炉膛燃烧温度等运行参数与污染物排放浓度变化规律一致，且较为接近，因而取10%、20%、30%秸秆含水率作为代表。

　　5结论

　　1）最佳空燃比条件下所得秸秆气与煤粉混合燃烧后，炉膛燃烧温度下降，与纯煤燃烧工况相比，最大下降了89.3℃，且过量空气系数越大，炉膛燃烧温度越小。

　　2）秸秆含水率与秸秆气掺烧比例对空气预热器出口处烟气参数均有影响。相同掺烧比例下，秸秆含水率越高，标况下的排烟体积流量与质量流量越大，与纯煤燃烧工况相比，秸秆含水率为10%处，排烟体积流量下降最大为2.77×10⁴Nm³/h，而在秸秆含水率为30%处，最大排烟密度1.46kJ/Nm³。

　　3）随掺烧比例的增大，秸秆含水率对空气预热器出口处烟气温度与锅炉效率变化趋势有所影响。与纯煤燃

　　烧工况相比，10%秸秆含水率与10%秸秆气掺烧比例工况下，排烟温度下降了1.87℃，30%秸秆含水率与30%秸秆气掺烧比例工况下，排烟温度上升了11.78℃。在5%～30%秸秆含水率及10%～30%秸秆气掺烧比例条件下的所有工况中，气化过程与混合燃烧过程的整体系统效率变化范围在88.75%～92.62%之间，从而为秸秆的合理利用提供了可能。

　　4）随掺烧程度的加深，各秸秆含水率工况下空气预热器出口处NO与SO₂排放浓度减小，且NO减小幅度较SO₂明显，与纯煤燃烧相比，30%秸秆含水率与30%秸秆气掺烧比例工况下，NO与SO₂排放浓度减小量取得最大值，分别为1052.6mg/Nm³与219.8mg/Nm³；10%秸秆气掺烧比例工况下，过量空气系数越大，NO排放浓度先上升后稍有减小，SO₂排放浓度减小。