生物质混燃技术在煤粉炉上存在的潜在风险(徐金苗)

1、 生物质混燃技术生物质混燃技术 在煤粉炉上存在的潜在风险在煤粉炉上存在的潜在风险徐金苗徐金苗 福建福建厦门厦门20122012年年4 4月月2727日日 E-mail: 目 录一、全球生物质混燃技术工程应用情况二、潜在技术风险及风险等级分析三、未燃尽碳影响四、对SCR影响五、对FGD影响六、对ESP性能及灰的资源化利用影响七、结论1/27目 录一、全球生物质混燃技术工程应用情况二、潜在技术风险及风险等级分析三、未燃尽碳影响四、对SCR影响五、对FGD影响六、对ESP性能及灰的资源化利用影响七、结论2/27图1.1 全球使用生物质混燃技术的煤粉炉数量1 原始数据来源： IEA.http:/www

2、.ieabcc.nl/database/cofiring.php.2011.10.17全球共计217个生物质混燃电站，其中102个CFB/BFB锅炉、14个链条炉、101个煤粉炉3 /27（约占47%）图1.2 全球燃烧不同生物质燃料的电站数量分布（包括全部锅炉类型）1 原始数据来源： IEA.http:/www.ieabcc.nl/database/cofiring.php.2011.10.174 /27表1.1煤粉炉内混燃燃料在不同国家的区别（截止2011年10月）1 原始数据来源： IEA.http:/www.ieabcc.nl/database/cofiring.php.2011.10

3、.17国家采用混燃技术的煤粉炉数量混燃的生物质燃料美国29木材(18)+柳枝稷(3)+锯屑 (3)+工业废弃物(3)+农业废弃物(1)+垃圾衍生燃料(1)+未知(1) 英国16木材(4)+木材与其它的混合物(3)+谷类加工废弃物(1)+淤泥(1)+各种各样的混合物(7) 芬兰10未知 澳大利亚8木材废弃物(8) 加拿大7木材(3)+谷物(3)+木材与谷物的混合物(1) 荷兰6木质颗粒物(6) 意大利6未知德国4*木材(1)+稻草(1)+淤泥(1)+木材与稻草的混合物(1) 丹麦4稻草(2)+木质颗粒物(2) 瑞典3木材(3) 比利时1未知奥地利1未知中国3秸秆（2）+淤泥(1)5 /27对于生

4、物质混燃技术的推广更适合在已有的煤粉炉上（或CFB）进行改造：1、在相同的CO2减排目标下，在已有煤粉炉上改造所需要的工作量、成本要更少；2、当地可以利用的生物质燃料的量是随时间变化的，生物质燃料的市场价格也是不断变化的， 无法保证纯燃电站100%生物质燃料的需求；3、由于生物质能量密度低，收集半径过大后，需要较高的运输成本，纯燃生物质电站的装机容量和效率都受到了限制。6/27目 录一、全球生物质混燃技术工程应用情况二、潜在技术风险及风险等级分析三、未燃尽碳影响四、对SCR影响五、对FGD影响六、对ESP性能及灰的资源化利用影响七、结论7 /27表2.1 与生物质混燃技术不同风险问题有关的文献

5、数量（截止2011年10月）1 原始数据来源： IEA.http:/www.ieabcc.nl/database/cofiring.php.2011.10.17风险类型文献数百分比重（%）关于各种风险的综述3817.5生物质预处理、搬运、投料188结渣、积灰7736腐蚀4320未燃尽碳178SCR失活125.5静电除尘器,细颗粒排放73FGD10.5飞灰利用31.5GGH及烟囱00生物质的预处理和投料问题在工程应用中都比较重视；最大的风险是积灰、腐蚀；未燃尽碳、SCR设备性能、电除尘器性能、飞灰利用、烟气脱硫等问题容易被忽视而且在学术界和工程上有不同的看法。结论：8 /27目 录一、全球生物质

6、混燃技术工程应用情况二、潜在技术风险及风险等级分析三、未燃尽碳影响四、对SCR影响五、对FGD影响六、对ESP性能及灰的资源化利用影响七、结论可能更多是一个基础性研究问题实际工程中很受重视，但并不严重而且可控9 /273.1 风险程度分析电站电站机机组组号号容量容量/MW措施措施效果效果丹麦 Studstrup电厂一号150混燃比低于20%1、混燃的煤粉炉正常运行2、腐蚀稍微有所增加3、积灰污染可控4、飞灰可资源化利用丹麦 Studstrup电厂四号/在一号机组经验基础上采取了：1、合理布置燃烧器2、优化生物质给料速度1、烧失量达到了与纯燃煤时相同的水平2、锅炉产生的底灰全部卖给砖厂再次利用波

7、兰Skawina电厂/1、混燃对给料系统和锅炉系统的正常运行并未构成影响2、混燃时的锅炉效率与燃煤时锅炉效率没有区别，仅低了0.3个百分点山东某电厂/3001、生物质粒径范围为0.012mm2、混燃比按质量计为1030%，按能量计为6.7621.9%1、随着混燃比的增加飞灰中未燃尽碳增加2、锅炉效率略微下降3、总体来讲混燃并未对未燃尽碳造成较大影响12. Zuwala, J., Full-scale co-firing trial tests of sawdust and bio-waste in pulverized coal-fired 230t/h steam boiler. Bioma

8、ss and Bioenergy, 2010. 34(8): p. 1165-1174.10. Pedersen, L.S., et al., Full-scale co-firing of straw and coal. Fuel, 1996. 75(13): p. 1584-1590.10 /273.2 影响因素分析总体而言，混燃生物质可以改善燃料燃烬效果，但也受一些因素限制：a、燃料颗粒的尺寸大小b、停留时间c、水分d、生物质种类图3.2 煤与生物质混合燃料的燃尽率图3.1 典型生物质燃料颗粒（柳枝稷）的燃烧历程15. Robinson, A.L., Interaction betwee

9、n coal and biomass when co-firing. Twenty-Seventh symposium on combustion/The combustion institute, 1998: p. 1351-1359.e、混燃比11 /273.3 风险防御措施u生物质种类：密度的差异会明显影响挥发分析出和焦炭的燃烧u颗粒大小：颗粒越小越好；考虑研磨制备，有一经济颗粒尺寸，一般13mmu炉温与停留时间：负荷变化的工况需注意u水分：通常在30%以内，最好小于15%，超40%要预干燥u局部含氧量：个别燃烧器投生物质，存在优化配风问题u生物质、煤、空气的充分混合u混燃比：未燃尽碳与

10、之无直接关系17. Loo, S.v., The handbook of biomass combustion and co-firing. 2008.12 /27目 录一、全球生物质混燃技术工程应用情况二、潜在技术风险及风险等级分析三、未燃尽碳影响四、对SCR影响五、对FGD影响六、对ESP性能及灰的资源化利用影响七、结论很多文献提到了脱硝设备将面临潜在的风险，但缺乏详细的煤粉炉SCR运行数据时常进行有效的烟尘吹扫可以保证催化剂的清洁13 /274.1 粉尘浓度对催化剂失效有重要影响uStudstrup电厂试验结果：高粉尘区催化剂活性约每1000小时降低8%；低粉尘区催化剂活性约每1000小

11、时降低6.5%。大多数颗粒将沉积在催化剂通道入口位置飞灰在催化剂表面增加了5 m的厚度，二氧化硅、硫、铝是其主要成分，钾盐和磷酸盐的量也很大uMasned热电联产试验结果：催化剂每天失效1.1%的速度活性位中毒和外表面的物理沉积封闭对催化剂失效都有贡献22. Zheng, Y., A.D. Jensen, and J.E. Johns, Deactivation of V2O5-WO3-TiO2 SCR catalyst at a biomass-fired combined heat and power plant. Applied Catalysis B: Environmental, 2

12、005. 60: p. 253-264.14 /274.2 SCR催化剂失活机理化学中毒有效活性位减少钾盐、Na、磷酸盐、Ca等催化剂表面沉积的粉尘占据活性位活性位转化频率降低可到达的微孔数的减少催化剂表面沉积是主导机理15 /274.3 风险防御措施uSCR反应模块最好安装在低粉尘环境区域；u对SCR催化剂模块要经常进行吹扫防止产生严重的粉尘沉积；u对于催化剂活性的提高，可以采用催化剂再生手段， 如用硫酸盐溶液、硫酸、NH4Cl等进行清洗；u要注意生物质种类选择和SCR的设计，对于含碱金属高的 生物质要适当调低混燃比26。26. Strege, J.R., et al., SCR deact

13、ivation in a full-scale cofired utility boiler. Fuel, 2008. 87: p. 1341-1347.16 /27目 录一、全球生物质混燃技术工程应用情况二、潜在技术风险及风险等级分析三、未燃尽碳影响四、对SCR影响五、对FGD影响六、对ESP性能及灰的资源化利用影响七、结论有生物质灰对石灰石反应活性降低的报道，但还没有证据证明生物质对FGD设备的运行有负作用。生物质混燃对烟气脱硫性能影响较小17 /275.1 混燃过程中与SO2相关的特性1、混燃可以减少SO2总的生成量2、混燃后的灰对石灰石脱硫反应基本没有影响混燃时由于S的输入量减少有一部

14、分S元素以硫酸钾盐的形式被固定脱除细粉尘进入到烟气脱硫设备之后可能会较多地抑制石灰石的溶解率，影响其活性实验室结果显示稻草灰对生石灰的活性有很强的负面影响10从AMV3电厂的运行经验来看，没有发现石灰石反应受到影响长时间、非稳定工况、特殊工况下是否有影响也还有待研究证实。3、混燃对脱硫产物石膏的质量无影响10. Pedersen, L.S., et al., Full-scale co-firing of straw and coal. Fuel, 1996. 75(13): p. 1584-1590.27. Miljo, F., Reactivity analysis (VKE), Inte

15、ral report, Danmark (in Danish). 1994.18 /275.2 风险防御措施u提高除尘器性能，降低细粉尘排放进入烟气脱硫环节的量。u生物质混燃时，推荐草本生物质的最大混燃比为20%； 木本生物质的混燃比则可以适当放大一些。u生物质混燃时，掺烧的生物质量越多产生的烟气量则越大， 烟气的体积流量要与烟气脱硫设备、除尘器的容量相匹配。19 /27目 录一、全球生物质混燃技术工程应用情况二、潜在技术风险及风险等级分析三、未燃尽碳影响四、对SCR影响五、对FGD影响六、对ESP性能及灰的资源化利用影响七、结论对混燃时电除尘器影响的研究仅限一些模拟试验台研究，工业应用的试验

16、数据相当少。混燃对电除尘器的运行没有负面影响灰的资源化利用不存在技术问题20 /276.1 从实际运行经验来看，混燃对除尘器的影响不大机组机组试验结果试验结果结论结论芬兰Naantali三号热电联产机组281、电除尘器一电场的运行电压、电流、效率与其纯燃煤时的指标一样2、在相同电流下，混燃木屑时对应的电压比纯燃煤要稍低3、混燃与纯燃两种情况下击穿电压在同一水平。4、混燃比纯燃时烟尘的排放量更低混燃对于电除尘器的性能没有什么大的影响，美国纽约一电厂29混燃木本生物质之后对电除尘器没有产生任何影响同上瑞典Vsthamnsverket电厂31、混燃比纯燃煤的粉尘排放量要多2、增大引风机容量3、电除尘

17、器则未改造，利用原来自身裕量来满足烟气量的增大对于电除尘器而言，只要在选型时考虑了其烟气量的变化，除尘效率和排放浓度不会受到大的影响28. Savolainen, K., Co-firing of biomass in coal-fired utility boilers. Applied Energy, 2003. 74: p. 369-381.29. Wiltsee, G., Lessons learned from existing biomass power plants. February 2000.3. Blasiak, W. FUEL SWITCH FROM FOSSIL TO

18、100 % BIOMASS ON TANGENTIAL FIRED PC BOILER. in POWER-GEN Europe. 2008. Milan, Italy.21 /276.1 灰的资源化利用中存在的潜在风险欧洲 EN450标准（最严格）： 飞灰必须是来源于烟煤或者无烟煤；美国ASTM标准C618： 要求水泥中添加的飞灰必须完全来自于煤的燃烧产物。中国标准： ？文献32,33表明建桥梁所需的水泥中添加10%的稻草灰后能满足各种指标的要求文献35对水泥中添加生物质灰和煤灰产生的影响进行了系统研究，其中涉及C类飞灰（来源于亚烟煤）、F类飞灰（来源于烟煤）、草本生物质灰和木本生物质灰的混

19、合灰。实验结果表明，随着草本生物质灰量的增加充气剂的量也增加；在第一个月含各种飞灰的水泥的抗压强度与含煤灰水泥的强度差不多，但是在后期（两个月之后）由于添加了各种飞灰抗压强度得到加强。32. Hansen, K.W., P. Overgaard, and O.H. Larsen, Co-fring coal and straw in a 150MWe power boiler experiences. Biomass & Bioenergy, 2000. 19: p. 395-409.33. Hansen, W. and P. Hansen, Characterisation of fly ash from co-combustion of biomass in a pulverized coal-fired power boiler, in 9th biomass conference. 1998.35. Wang, S., et al., Biomass fly ash in concrete, in Science in thermal and chemical biomass conversion. 2004: Victoria, BC, Canada226.2 风险防御措施1、设计时要确保风机和电除尘器的容量能够满足不同燃料对烟气流量的变化。2、基于上述文献