15 MW生物质循环流化床NOx和温室气体排放特性

孙锦余,刘晓伟,戴高峰,赵小军,郑仕杰,薛东发,RAHMAN Ur Zia,王学斌

(1.南电能源综合利用有限公司,广东 广州 510670;2.西安交通大学 能源与动力工程学院,陕西 西安 710049;3.中广核研究院有限公司,广东 深圳 518000)

0 引 言

生物质是可再生能源,能替代化石能源减缓能源危机,在电网调峰中将承担重要作用,生物质清洁高效利用对于我国实现碳达峰、碳中和目标和实现我国能源结构绿色低碳转型具有重要意义[1]。2021年我国生物质资源产量约合4.2亿t标煤,而目前有效利用量较低[2]。农林生物质主要利用方式包括直接燃烧、化学转化等[3]。直燃发电技术能大规模利用生物质能,是生物质主要利用途径。

生物质燃烧过程产生NOx、SOx、粉尘等污染物,据估计,2017年我国农林生物质直燃过程NOx排放量达29 516 t,SO2排放量达14 192.1 t[4]。由于生物质含S量较低,生物质电厂不需投产脱硫设备,通过简单方法即可实现低硫排放。NOx成为目前生物质电厂急需解决和关注的对象。生物质脱硝方法有低氮燃烧技术、选择性非催化还原(SNCR)、选择性催化还原技术(SCR)、新型脱硝技术等。低氮燃烧技术包括低过量空气系数燃烧、空气分级、燃料再燃、低NOx燃烧器、烟气再循环等[5],此类方法操作简单,脱硝效率最高达50%,缺点是会造成灰渣可燃物比例上升、锅炉效率下降。选择性非催化还原(SNCR)方法采用氨水或尿素溶液喷入炉膛脱硝,投资运行费用低,缺点是电厂燃用生物质水分较大,实际炉温低于SNCR最佳脱硝温度区间,因此SNCR脱硝效率较低。SCR技术脱硝效率达80%,主要缺点是投资运行成本高,由于生物质碱金属含量极高,使SCR催化剂失活。新型脱硝技术包括高分子脱硝技术(PNCR)、液态生物钙脱硝技术(B-SNCR)、臭氧脱硝技术等,工业化应用较少[6]。

由于大多数电厂采用低过量空气系数燃烧和空气分级方法协同控制NOx排放,导致生物质燃料在主燃区燃烧不充分,锅炉出口CO和CH4体积分数较高,且炉内NOx前驱体NH3和HCN生成较多。NH3生成途径包括生物质中氨基酸或蛋白质释放的氨基;焦油氮及半焦氮二次反应;HCN在炭表面的水解转化[7]。HCN来源于一次热解燃料氮分解成环酰胺、环酰胺裂解成HCN,这是HCN主要生成途径;高温下焦油氮及半焦氮热裂解[8]。与煤相比,生物质不完全燃烧易生成较多NH3,且随含氮量增加,NH3释放量增加[9];随温度升高,NH3释放量先升后降[10]。NH3和HCN等前驱体再进一步燃烧生成NOx。

此外,生物质燃烧排放CO2、CH4、N2O等温室气体[11]。由于植物碳来源于光合作用吸收大气中CO2,因此生物质也被视为零碳能源。然而,生物质燃烧产生的CO2排放具有大量、短期、局地特征,而被植被后续固定是一个缓慢过程,因此生物质的CO2排放引起关注[12]。此外,N2O全球变暖潜能值(GWP)是CO2的298倍,CH4的GWP是CO2的34倍[13],认识电厂N2O和CH4排放特性对生物质电厂的温室气体减排具有重要意义[14]。

农林生物质直燃发电的主要类型有水冷振动炉排和循环流化床。由于循环流化床燃料适应性好,能处理不同尺寸、水分、热值的生物质,具有较高的燃烧效率和较低的污染物排放,近年来应用广泛[15]。生物质循环流化床的燃烧调整试验较多。费芳芳等[16]在50 MW循环流化床上开展了燃烧调整试验,结果表明降低一次风量和运行氧量可降低NOx排放。王鹏等[17]对某50 MW循环流化床进行燃烧优化调整试验,研究了降低一次风比例,调整上下二次风门挡板开度、锅炉床压等方法对锅炉NOx和锅炉效率的影响。然而,目前对生物质循环流化床燃烧过程中N2O、CH4等组分排放还未见大量报道。因此,有必要对生物质循环流化床的NOx和温室气体排放特性进行研究。

笔者对某15 MW生物质循环流化床的温室气体(CO2、CH4、N2O)和NOx(NO、N2O)进行测量,研究了床压、一二次风比、前后墙二次风比、废木料掺烧比例的影响,以期得到综合控制生物质循环流化床锅炉NOx和温室气体排放的手段。

1 试 验

1.1 锅炉简介

测试某15 MW生物质循环流化床锅炉排放特性,锅炉系统如图1所示。该锅炉为高温高压、单汽包、自然循环、循环流化床燃烧方式,全悬吊结构。炉膛采用悬吊结构,炉膛分为下部密相区、上部稀相区2部分。锅炉安装有旋风分离器,尾部烟道依次布置高温过热器、低温过热器、省煤器、空气预热器、旋风除尘器、布袋除尘器、引风机、烟囱。

图1 循环流化床示意Fig.1 Schematic diagram of circulating fluidized bed boiler

一次风系统用风由一次风机提供分3路。第1路:经一次风空气预热器加热后的热风进入炉膛底部水冷风室,通过布置在布风板上的风帽使床料流化,并形成向上通过炉膛的气固两相流;第2路:从空预器后引一股热风用于炉前气力播料风;第3路:一部分未经预热的冷一次风作为给料机密封风。二次风分2排从前后墙送入。

锅炉额定工况下燃烧时,床温长期维持在820 ℃,空气过量系数为1.27。

1.2 燃料特性分析

该锅炉主要燃料为桉树皮、废木料。常规工况下,废模板掺烧比例为30%,桉树皮为70%。生物质燃料工业分析和元素分析见表1,桉树皮氮含量为0.55%,而废木料氮含量高达4.4%。2种主要燃料硫含量均极低。废木料的热值高于桉树皮。

表1 生质燃料工业分析和元素分析

1.3 测试方法及工况

在锅炉布袋除尘器前方尾部烟道布置烟气测点,采用Gasmet DX4000测量烟气中CO、CH4、NO、N2O、O2等浓度。研究运行床压、一二次风比、前后墙二次风开度、废木料掺烧比例等对循环流化床燃烧过程中污染物排放特性的影响,测试工况见表2。

表2 测试工况

基准工况床压为4 kPa,一次风为27 000 m3/h,二次风25 000 m3/h,运行床温为820 ℃,桉树皮和废木料掺烧比为7∶3。每次调整工况后,等待1～2 h至锅炉运行稳定,连续测量20 min烟气,计算得到烟气组分平均值,根据式(1)、式(2)将测得的烟气组分浓度折算为6% O2基准。

(1)

(2)

式中,M为所测污染物的相对分子质量,g/mol;T为温度,℃;P为压力,Pa;ρ为基准氧含量下大气污染物排放质量浓度,mg/m3;ρ′为实测大气污染物排放质量浓度,mg/m3;φ′(O2)为实测氧体积分数,%;φ(O2)为基准氧体积分数,%。

2 结果与讨论

2.1 床压对锅炉烟气排放特性的影响

运行床压对锅炉排放特性的影响如图2所示。随床压升高,NO和N2O下降。本试验中,升高床压由降低一次风量导致,一次风量降低,主燃区处于富燃料状态,生物质燃料发生不完全燃烧产生焦炭、挥发分等组分,由于风速下降导致焦炭和挥发分在富燃料区停留时间变长,有利于NO和N2O还原。

图2 床压对锅炉烟气排放特性的影响Fig.2 Effect of bed pressureon the pollutant emissions of the boiler

由图2可知,升高床压对降低NO排放效果有限,床压升高1 kPa,NO排放量仅降低4 mg/m3,考虑到流化效果和流化床锅炉运行的安全性,床压可适度降低。王鹏等[17]对某50 MW生物质循环流化床的燃烧调整试验表明,床压对NO的影响不显著。

对比各种含氮组分含量,发现该循环流化床中,运行床温为820 ℃时,N2O排放值极低。由于床压升高,燃料在富燃料区的停留时间变长,生物质热解将更加充分,因此生成较多CO,能还原NOx。N2O在所有工况下的排放值均较低,这是由于一次风较小,在主燃区处于强还原性气氛,生成的HCN无法在主燃区大量转化为NCO和N2O。

随运行床压升高,CO和CH4体积分数升高,这是由于床压升高后一次风量随之降低,生物质在密相区燃烧氧量低,燃烧不完全,因此CO和CH4体积分数较高,CO2体积分数降低。

2.2 一二次风配比对锅炉烟气排放特性的影响

总风量52 000 m3/h,前后墙二次风比为20∶60,废木料掺烧30%时,改变一二次风量相对比例,研究一二次风比对烟气排放特性的影响如图3所示。

图3 一二次风比对锅炉烟气排放特性的影响Fig.3 Effect of primary/secondary air ratio on the pollutant emissions of the boiler

由图3可知,随一二次风比增大,NO下降。一次风量增大,燃料在主燃区燃烧相对更充分,生成的CO和CH4减少,减弱NOx的还原作用,因此NO减少,说明降低二次风量有利于降低NO排放量。SAASTAMOINEN等[18]发现降低二次风量有利于降低NO排放量。

随一二次风比增大,CO和CH4体积分数先升高后降低。一次风量较低时,燃料在主燃区处于富燃料状态,在密相区产生高浓度CO和CH4,而较高二次风可氧化生成CO和CH4,因此CO和CH4排放量较低。一次风增大、二次风减少时,由于燃料在主燃区燃烧相对充分,因此CO和CH4排放量较低。

2.3 前后墙二次风比对锅炉烟气排放特性的影响

前后墙二次风比对锅炉烟气排放特性的影响如图4所示,可知随前后墙二次风开度比增大,NO质量浓度先升高后降低。固定前墙二次风,增大后墙二次风,即前后墙二次风比由20∶60增至20∶70时,NO升高,这是由于总开度增加导致总风量增大,燃烧相对充分,燃料氮更多转化为NO。

图4 前后墙二次风比对锅炉烟气排放特性的影响Fig.4 Effect of front/back wall secondary air ratio on the pollutant emissions of the boiler

随前后墙二次风开度进一步增大,NO降低,CO和CH4排放量均呈降低趋势,这是由于前墙二次风大时,靠近给料机一侧的挥发分燃烧状况变好,因此生成的CO和CH4减少,而炉膛内部物料混合燃烧状态较好,有利于主燃区NOx还原[19]。

前后墙开度风量相差较大时,如前后墙二次风开度比为20∶60或70∶20时,在炉膛一侧能更好形成还原性气氛,有利于降低NO排放。在实际运行中,可将前后墙的二次风开度设置相差较大。

2.4 废木料掺烧比例对锅炉烟气排放特性的影响

废木料掺烧比例对锅炉烟气排放特性的影响如图5所示,可知随废木料掺烧比例增加,NO先升高后降低。废木料氮含量高达4.4%,因此随废木料掺烧增加,燃料氮增多,NO排放量升高。废木料掺烧比例降至20%时,由于废木料热值较高,掺烧比例较低导致床温下降,促进废木料在主燃区热解过程中一次风不变时,该掺烧比例下物料给料量相对较大,氧量相对较低,因此限制了NO生成过程,NO生成较低。由于床温较低,CO氧化速率下降,CO排放量很高。废木料掺烧比例由30%增至50%时,由于废木料氮元素显著高于桉树皮,随氮含量增加,NH3释放量增加[9],因此可能生成的NH3和HCN量增加,有助于NO发生自发SNCR过程,降低NO排放。废木料掺烧50%时,运行床温上升,生成NO升高。同时CO和CH4排放量升高。

图5 废木料掺烧比例对锅炉烟气排放特性的影响Fig.5 Effect of the co-firing ratio of waste wood on the pollutant emissions of the boiler

2.5 常规污染物排放特性

对比不同工况下排放数据,发现某15 MW生物质循环流化床在额定负荷下、运行床温820 ℃时,试验工况内各污染物排放量为:NO 40～78 mg/m3,N2O 1.5～2.6 mg/m3,CO 2 500～7 300 mg/m3,CH4180～815 mg/m3,CO214.0%～17.5%。N2O排放可忽略不计,推测可能是高氮含量废木料掺烧导致生物质燃烧时产生大量NH3,有利于炉内发生NO还原反应,因此NO和N2O排放量均较低[20]。

循环流化床在较高温度下运行时,主要温室气体排放源是CH4,按照N2O全球变暖潜能值(GWP)是CO2的298倍,CH4的GWP是CO2的34倍计算[13],相当于烟气中CO2排放量增加0.6%～2.7%,需要引起关注。

3 结 论

1)生物质循环流化床的燃烧调整试验表明:升高床压,有利于降低NO排放,但会造成CO和CH4排放量升高;增大一二次风比,NO排放量有所降低;前后墙二次风比为7∶2时,NO排放量较低,CO和CH4排放量也较低;增大高氮含量废木料掺烧比例时,NO排放量先升高后降低。

2)采用低氧燃烧方法控制NOx排放导致实际燃烧过程中CO和CH4排放量升高,其中CH4作为温室气体需引起关注。燃烧调整试验中,CH4排放量达180～815 mg/m3,按温室气体排放因子折算,相当于烟气中CO2排放量增加0.6%～2.7%,需引起关注。

3)燃烧调整对NOx减排效果有限,大比例掺烧高氮含量废木料有助于降低NOx排放。