50MW循环流化床生物质锅炉一氧化碳减排研究

麦晓峰

摘 要：本文结合湛江生物质发电有限公司50 MW生物质锅炉的运行情况，通过5个月的一氧化碳减排试验，找到了影响一氧化碳排放的关键因素，解决了公司自投运以来燃烧不经济的问题，为公司创造了良好的经济效益。此外，提出了适用于生物质锅炉的一氧化碳低排放和稳定燃烧的建议，对维持生物质锅炉的良好工况、延长机组运行周期具有重要作用，可为生物质锅炉稳定运行提供可借鉴的经验。

关键词：生物质锅炉;一氧化碳减排;运行周期

中图分类号：S181文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0143-03

Abstract： Combined with the operation of 50 MW biomass boiler in Zhanjiang bio Power Generation Co.， Ltd.， through five months of carbon monoxide emission reduction test， find out the key factors affecting carbon monoxide emission， solve the problem of uneconomical combustion since the company put into operation， and create good economic benefits for the company. At the same time， the suggestion of low carbon monoxide emission and stable combustion for biomass boiler is put forward， which plays an important role in maintaining the good working condition of biomass boiler and prolonging the operation cycle of unit， and provides reference experience for stable operation of biomass boiler.

Keywords： biomass boiler;carbon monoxide emission reduction;operation cycle

生物質燃料以树皮和木质燃料为主，随地理位置的变化和区域的产业链的差异有所改变。生物质燃料种类繁多且特性各异，存在燃料流动性多变、入炉燃料热值和水分不稳定的情况，引起燃烧不稳定和不充分的问题[1]。燃烧不充分将大幅增加一氧化碳排放量，降低机组的经济性;燃烧不稳定将导致机组参数波动，降低机组的安全性。因此，研究影响生物质锅炉一氧化碳排放量的因素，并改善燃烧方法，实现生物质锅炉高效燃烧，对提高生物质锅炉的经济性和安全性具有重要意义。

为了研究工业规模生物质锅炉在运行中影响一氧化碳排放量的因素，为工业生产提供切实依据，以50 MW生物质直燃发电锅炉为平台，进行了工业规模生物质锅炉的一氧化碳减排研究。

1 研究背景

本文研究的50 MW生物质直燃发电锅炉为华西能源工业股份有限公司生产的型号为HX220-9.8-IV1型的高温、高压、单汽包、汽水自然循环、平衡通风的循环流化床锅炉。锅炉的额定蒸发量为220 t/h，额定蒸汽出口压力为9.8 MPa，额定蒸汽出口温度为540 ℃。设计燃料为桉树的皮、叶、根、枝，木材边角料，甘蔗渣和其他农林废弃物。锅炉对燃料的颗粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm。

生物质燃料种类繁多，结构各异，难以实现锅炉平稳给料。生物质燃料普遍热值偏低，一般为1 700～2 500 cal/g，易造成50 MW的生物质锅炉无法达到额定出力。湛江生物质发电厂的机组于2011年投产，经过探索后实现了满负荷运行。长期以来，锅炉稳定运行时，炉膛氧量系数常保持在0.5%～1.0%。这是一种受到了投产初期技术不成熟的经验影响的运行方式，也是一种为带满负荷但牺牲了一定的燃烧经济性的运行方式。

生物质发电厂的燃料成本是经营成本的主要部分。通过探索减少生物质锅炉一氧化碳排放量的方法，实现生物质锅炉燃料充分燃烧，可以有效降低生物质锅炉的不完全燃烧损失，提高机组经济性，减少生物质燃料耗用率，对改善生物质发电厂的经济效益具有显著的积极作用[2]。所以，湛江生物质发电厂的一氧化碳减排研究势在必行且意义重大。

2 研究方法

生物质燃料的水分和热值受雨水天气影响较大。一般而言，秋冬季节是南方生物质电厂发电的黄金时期。此季节雨水少，生物质燃料水分低、热值高，质量较为稳定[3]。南方4—9月多为雨季，故选取2020年10月至次年2月作为试验周期。试验的主要目的是寻找生物质锅炉最佳的氧量系数。由于二氧化硫和氮氧化物的测量值与氧量的关系较大，因此试验必须在确保环保参数（二氧化硫和氮氧化物）不超过限值的前提下进行，以保障生物质发电厂的环保安全。

根据原有的氧量系数，逐步增大生物质锅炉的氧量系数，并对一氧化碳排放量进行统计分析。同时，为了确保试验的准确性，对机组运行有以下要求：①机组工况良好，各辅机工况良好，能满足试验的参数调整需要;②保持机组在满负荷50 MW附近运行;③各种生物质燃料的配比相同，且各种生物质燃料混合均匀;④由具备良好的燃烧调整水平的运行人员调整。

3 研究结果及测算

为了确保一氧化碳减排试验的准确性，通过分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）收集数据后，剔除机组的停运时间，并将每个月的一氧化碳排放总量按照30天进行折算，结果如表1所示，其中氧量和飞灰含碳量为日均值。

3.1 一氧化碳排放总量

从表1数据可知，当锅炉氧量系数达到2%以上时，一氧化碳的减排效果十分明显（变化趋势可参考图1的一氧化碳-氧量变化趋势图）。对比2020年10月和2021年1月的数据可知，锅炉的氧量增加了1.09%，但一氧化碳排放总量减少了288.77 t，相当于减排了36.48%的一氧化碳。如果以入炉生物质燃料平均热值为2 500 cal/g进行折算，一个月减排的一氧化碳相当于279 t生物质燃料。换算为全年，则一台50 MW的生物质锅炉通过调整氧量可以少使用3 348 t生物质燃料，预估一台50 MW的生物质锅炉全年减少燃料成本超过100万元。

减排的一氧化碳完全燃烧的热量为（288.77×1 000×22.4÷28×3 018）kcal，即697 206 288 kcal，折算为生物质燃料的总量为（697 206 288÷2 500÷1 000）t，即279 t。

其中：一氧化碳热值为3 018 kcal/Nm3;22.4÷28是一氧化碳的质量和体积的换算系数。

3.2 飞灰含碳量

从表1数据可见，当锅炉氧量系数达到2%以上时，飞灰含碳量明显下降，下降数值为4%～6%，下降幅度约50%。这意味着锅炉的不完全燃烧损失减少，锅炉热效率明显提高。同时，从图2的飞灰可燃物-氧量变化趋势图可看出，氧量系数达到2%后，即使再提升氧量系数，减少飞灰含碳量的效果已不再明显。

3.3 一氧化碳减排试验的结果

通过一氧化碳的减排试验，湛江生物质发电厂发现以往维持锅炉氧量系数为0.5%～1.0%的运行方式经济效益较差，因此要求运行人员维持锅炉氧量系数在2%～3%运行。经过5个月的试验探索，只要通过合理的上配料将入炉热值和水分控制在合适范围内，就可以实现锅炉满负荷稳定运行。初步测算，湛江生物质发电厂的两台机组将于2021年减少200万元以上的燃料成本，有效提高了公司的经济效益。

4 生物质锅炉运行建议

4.1 维持锅炉氧量系数在2%～3%

试验结果表明，湛江生物质发电厂的锅炉维持在2%～3%的氧量系数最合适，既能保持良好的燃烧经济性，又能防止锅炉出现其他问题。当锅炉的氧量系数低于2%时，锅炉的一氧化碳排放量和飞灰含碳量快速上升，燃烧的经济性明显降低。此外，未燃尽的飞灰和一氧化碳会使锅炉的燃烧整体后移，容易出现低温过热器区域超温，进而引起低温过热器堵灰，导致机组被迫停运。所以，生物质锅炉的氧量系数不宜低于2%。

理论上，氧量系数进一步提高，锅炉内的燃料将燃烧得更加充分[4]。但实际运行中，由于烟气中氮氧化物和二氧化硫的测量数值与烟气中的氧量直接相关，当氧量系数高于3%时，烟气中氮氧化物的折算值浓度将大幅提升，十分接近国家的排放标准（200 mg/m3）。生物质锅炉常在给料环节出现卡料和堵料问题，将进一步增大锅炉的氧量系数，使氮氧化物超限的问题更为突出。此外，根据日常对一氧化碳参数的监视情况，进一步增加氧量至3%以上时，锅炉一氧化碳减排的效果将不再明显。所以，在实际运行中，生物质锅炉的氧量系数不建议超过3%。

4.2 燃料规格合适并混合均匀

生物质锅炉对燃料的颗粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm，但在实际运行中由于生物质燃料种类繁多和破碎机的破碎效果不佳，实际入炉燃料的规格在40～500 mm不等。生物质燃料规格越大，生物质燃料的流动性越差，越难实现锅炉连续给料，对运行人员的要求越高，也越难维持锅炉的氧量系数在2%～3%。

建议生物质电厂从燃料进厂环节开始控制燃料质量和规格，及时排除燃料中的杂质，并要求燃料规格在150 mm以内。此外，及时维护破碎机和给料机，使其在良好的工况下运行。在上配料环节，可以根据不同燃料品种的特性进行混合，实现取长补短的效果，最终使燃料具有良好的流动性，更有利于运行人员调控锅炉的氧量系数。

4.3 控制入炉燃料的水分含量

生物质燃料的水分受品种和雨水天气影响较大。一般树皮类燃料的水分范围在30%～50%;树头、木边皮和木尾水分较稳定，约35%;建筑废料和木材加工副产品的水分约18%。在4—9月的雨季，所有品种的生物质燃料的水分均增加，其中树皮类燃料的水分增加最为明显。在干燥的秋冬季节，所有生物质燃料的水分均比其他季节低。

生物质燃料的水分对生物质锅炉的氧量系数和燃烧的稳定性具有重要影响。当入炉燃料水分高时，湿燃料将快速吸收炉内氧气，但未能马上燃烧，炉内燃料就在富氧和缺氧之间反复波动，导致一氧化碳和所有环保参数均显著升高。所以，在配料环节控制好入炉燃料的水分十分关键。一般控制入炉燃料的水分在35%、热值在2 500 cal/g，较适合50 MW的生物质锅炉，既能实现机组带满负荷运行，又能减少参数波动，实现机组的安全稳定运行。

4.4 维持锅炉良好的流化状态

循环流化床锅炉的稳定运行必须建立在良好的流化状态下，其中生物质循环流化床锅炉也不例外。实践中，一氧化碳的生成量与锅炉的一次风量和床层压力没有明显的关联。只要锅炉的流化状态良好，控制好锅炉的氧量系数，一氧化碳的排放量就会降低。但是，如果锅炉的流化状态较差，会使燃烧产生剧烈的波动。此时，一氧化碳排放量和环保参数异常升高。

实际运行中，运行人员可以通过观察流化床的床层压力波动情况和床温分布情况对锅炉的流化状态进行判断。如果床温分布偏差较大，表示炉内流化正在恶化;如果床层压力波动幅度较大，表示炉内流化状态已经较差。遇到以上情况，可以通过增大一次风量进行改善，并根据床层压力适当增加排渣量。此外，还能通过置换床料的办法改善锅炉的流化状态[5]。经过长周期试验，湛江生物质发电厂发现每天在锅炉中添加一定量的床料或经过筛分的炉渣，对维持锅炉良好的流化状态有显著作用。

5 结语

立足于湛江生物质发电公司50 MW的循环流化床锅炉，通过5个月的一氧化碳减排试验，得出了维持生物质锅炉氧量系数在2%～3%运行的结论，并将其应用到实际生产中，解决了湛江生物质发电公司自投产以来燃烧不经济的问题，有效降低了一氧化碳的年度排放总量。同时，提出了减少生物质锅炉一氧化碳排放量的建议，为生物质发电厂提供有效、可借鉴的经验。

参考文献：

[1]蔡勖.国内生物质发电现状及应用前景[J].科学技术创新，2019（28）：195-196.

[2]黄忠友.试析生物质发电发展现状及前景[J].科技风，2019（2）：185.

[3]王羽晶.经济开发区生物质发电建设项目经济性评价[J].科技和产业，2016（10）：107-110.

[4]袁廷刚.降低生物质电厂能耗方法的初探[J].電工技术，2019（11）：141-142.

[5]吴金卓.生物质发电技术和经济性研究综述[J].森林工程，2012（5）：102-106.