生物质与煤混合燃料的燃烧特性及NOx的物排放特性

1、生物质与煤混合燃料的燃烧特性及NO对勺排放特性董信光1,董建1,刘豪杰1,程世庆2（1.山东电力集团公司电力科学研究院山东济南25002;2山东大学能源与动力学院山东济南250062）摘要：用多种生物质与我省主要动力煤种掺配成混合燃料在热重分析仪上进行燃烧试验，找出生物质在不同掺配比下混合燃料的燃烧特性；利用管式锅炉和烟气分析仪进行了生物质混合燃烧料的NO病排放特性的试验研究，找出了生物质混合燃料在各种掺配比和不同影响条件下的NOX勺排放规律，并大型电站锅炉上进行实际掺烧和运行方式的优化试验，为生物质在大型电站锅炉上掺烧提供了具有实际意义的借鉴和依据。关键词：生物质；混合燃料；燃烧特性；NOx

2、排放特性CharacteristicsofcombustionandNOxemissiononco-firingofbiomasswithcoalTheexperimentofco-firingofafewkindsofbiomasswithcoalontheGTC,thecombustioncharacteristicsofdifferentratioofbiomasswasfounded,NOxemissioncharacteristicswasgottenonthetubeboilerandgasanalyzer,practicalco-firingandoperating-optimu

3、mwasconductedonpowerstationboiler,whichcanbereferredwhenbiomassandcoalareco-combusted.Biomass,blendsofbiomassandcoal,combustioncharacteristic,NOxemissioncharacteristic引言生物质燃料尤其是草本类生物质作为一种可再生的能源，由于其储量大、易获得、利用方式多等特点，被充分地研究和关注。但其能量密度低、大批量预处理困难，使其单独燃烧和气化发电这两种大规模利用的主要方式难于实现且发电效率低1-2。而煤与生物质的混燃，可实现生物质燃料的大量

4、、高效利用。因而对于生物质与煤混燃研究很多，研究方法大都是采用热重分析仪单独对不同类型的生物质研究3-4,这些研究对于生物质燃烧的机理十分必要，但是生物质大量的应用并替代一部分石化燃料仅仅靠这些研究显然不够，因此我们必须在这些基础性研究的平台上，进行现场的实验研究，找出生物质在大型电站锅炉上进行混燃的规律性为广泛开展生物质与煤混燃提供经验和依据。1生物质和煤的成分分析试验生物质样品包含秸秆类、木质类和工业废料，具体为麦秆、玉米秆、稻秆、花生壳、棉秆、杨木屑、木质素、造纸废液颗粒、纤维素、废橡胶和酒糟。煤样选择一种烟煤LY,一种无烟煤HZ,一种木!煤LK。由于我国还没有生物质工业分析的相关标准，

5、生物质的工业分析方法参照ASTME870-82（1998）,煤的工业分析方法参照我国标准GB/T212-2001。工业分析结果如表5.1所示。表1试样的工业分析结果样品标识工业分析（W/%ad）兀素分析（W/%ad）硫分/%MAVCHONSt无烟煤HZ1.5328.669.1667.322.653.630.822.39烟煤LY2.5521.2533.963.334.325.841.17421.995褐煤LK4.2220.4131.3856.113.96912.791.041.47麦秆mg7.567.3667.9641.205.1028.751.390.12稻秆dg6.269.6967.8223

6、.644.7754.131.430.08玉米秆ymg5.9517.6162.6241.384.9237.261.400.00花生壳hshq2.384.1473.7447.266.1038.71.370.05棉秆miangan3.103.5173.5445.145.7441.091.250.17杨木屑ymx2.710.9284.0447.286.2941.41.4<0.01木质素mzs3.9947.7949.7427.412.8811.151.365.42造纸废液颗粒zzhfy4.9625.877.3034.613.6723.591.417.30纤维素xws1.780.3389.6447.

7、545.7443.331.28<0.012生物质和煤混燃的燃烧特性分析2.1生物质燃料和煤的燃烧特性利用热重分析仪研究了各种生物质、工业废弃物(造纸的黑液颗粒、废橡胶、酒糟等)及烟煤的燃烧特性。反应气为高纯度氮气(99.95%)和氧气，流量分别为80ml/min和20ml/min,采用高纯氮气作为保护气体。图1(a)、(b)、(c)分别为生物质和煤在30C/min的升温速率下单独燃烧时的热重(TG)曲线、重量微分(DTG)曲线及其对应的差示扫描量热(DSC)曲线。失重曲线反映试样在燃烧过程中重量随温度变化的规律，重量微分曲线反映了试样在燃烧过程中失重速率随温度的变化规律，而差示扫描量热曲

8、线则反映了热量随温度的变化规律。实验发现：对于大部分生物质，燃烧过程包括挥发分的析出、燃烧和焦炭的燃烧两个阶段，但反应的主体是挥发分的析出和燃烧。其焦炭燃烧阶段的失重速率明显低于挥发分析出和燃烧阶段的失重速率。而煤单独燃烧时反应的主体是焦炭的燃烧。12010080O4重60余4020秆素米秆掰既煤玉稻麦木造纸废液颗粒纤维素它生壳棉秆杨木屑0200300400500600温度(C)0.000-0.002-0.004-0.006-0.008-0.010200300400500600温度(C)(b)DTG曲线途用秆质纸维甘秆某玉稻麦木造纤山棉4X)士。士(a)TG曲线秆70COO米秆秆质纸维生秆木煤

9、玉稻麦木造纤花棉杨粒颗液素废素壳屑02-度温00(c)DSC曲线图1生物质与煤单才剌然烧时的TG、DTG及DSC曲线经过计算和分析认为：生物质和煤相比具有较低的着火温度，九种生物质中玉米秆的着火温度最低，只有266C,说明玉米秆最容易着火，而木质素的最高，为372.6C,其着火比其它生物质困难。生物质的燃尽温度均比煤的低很多，煤样要在626c时才能燃尽，而大多数生物质在500c以下就能燃尽，棉秆的燃尽温度才384C,可见大多数生物质比煤容易燃烧。大部分生物质的燃烧特性指数比煤的大，说明大部分生物质的燃烧特性比煤的好。2.2生物质混煤的燃烧特性2.2.1生物质对煤的燃烧特性的影响110OOOOO

10、OOOOOO98765432116£S务20040060080010001200温度（C）-O煤一一玉米秆一玉米秆混煤合成曲线-0.0060.000-0.003一煤口玉米秆一玉米秆混煤T一合成曲线-0.009100200300400500600温度（C）(a)TG曲线(b)DTG曲线图2玉米秆及其混煤燃烧的TG和DTG曲线及混煤折算曲线如图2所示，玉米秆与煤混燃后，着火温度均比煤的低，说明生物质能提高煤的点火性能。生物质的着火点低于煤的着火点，从而对煤预先加热，促进煤中的挥发分释放，也有利于煤的着火。从实际燃烧曲线和折算曲线的对比可看出，混煤的挥发分最大燃烧速率降低，焦炭燃烧温度提前

11、，最大燃烧速率略大于折算值。从燃尽温度看，生物质的加入有利于煤的完全燃烧，提高煤的利用率。从燃烧特性指数上看，挥发分析出燃烧阶段，混煤的燃烧特性比煤的好，但远远不如生物质的好，焦炭燃烧阶段，大部分混煤的燃烧特性不如煤。这对混煤的实际燃烧是非常有利：挥发分析出燃烧趋于均匀，有利于避免可能导致的黑烟；焦炭着火提前，燃烧强度增加，有利于焦炭的燃尽。2.2.2升温速率对混燃燃烧特性的影响规律5取2mg生物质与10mg煤混合均匀，分别以30C/min,50C/min,75C/min和100C/min的升温速率进行程序升温，进行混燃试验，初温25C,终温为1100C。实验结果如图34所示，对于混煤而言，在

12、试验工况范围内，随着升温速率的增大，TG曲线向高温区移动。09876541000000数分量重30C/min50C/min75C/min100C/min0.0000-0.0005-0.0010-0.0015-0.0020-0.0025-0.0030-0.0035002O6000800O100200O1O62（a）TG曲线（b）DTG曲线图3麦秆混煤在不同升温速率下燃烧的TG、DTG曲线0.0000-0.0005-0.0010-0.0015-0.0020-0.0025-0.003030C/min50C/min75C/min100C/min020040060080010001200温度（C）O2O

13、10086O2O998765/3211ooooooooO数分量重（a）TG曲线（b）DTG曲线图4棉秆混煤在不同升温速率下燃烧的TG、DTG曲线升温速率的升高对混煤燃烧特性的改善越好；随升温速率的升高，各试样的挥发分最大析出速率、焦炭最大燃烧速率均呈增加趋势，且最大燃烧速率对应的温度大部分是升高的；随升温速率的升高，混煤的燃尽温度均升高，使得试样的燃烧更集中。各混煤的燃烧特性指数均随升温速率的升高而增加，说明升温速率对提高燃烧特性有利。2. 2.3混合比例对混燃燃烧特性的影响规律取10mg烟煤分别与0.5mg、1.0mg、1.5mg、2.0mg、2.5mg和3.0mg生物质混合均匀，放入热重分

14、析仪炉膛内，以30C/min的升温速率进行程序升温，进行混燃试验，初温25C,终温为1200C。(a)TG曲线(b)DTG曲线温度(，c)(c)DSC曲线图5玉米秆与煤在不同比例下混合燃烧时的TG、DTG、DSC曲线实验结果表明：随生物质所占比例的增加，着火温度呈下降趋势。随着生物质所占比例的增加，各混煤的挥发分最大析出燃烧速率增大，焦炭燃烧峰基本呈减小趋势。随生物质所占比例的增加，大部分混煤的燃尽温度呈降低趋势，即增加生物质能够使混煤在较低的温度下燃尽。挥发分析出燃烧阶段，各混煤的燃烧特性指数均随生物质所占比例的增加而升高。焦炭燃烧阶段，混煤的燃烧特性指数基本随比例的增加而减小，生物质所占比

15、例的增加，使得混煤的焦炭最大燃烧速率和平均燃烧速率降低，使混煤在此阶段的燃烧特性指数有降低的趋势6。3生物质混煤燃烧污染物排放特性研究7-8利用管式炉和烟气分析仪研究生物质和煤各自的污染物排放特性以及混合后的排放特性，通过试验分析炉温以及混合比例等对污染物排放特性的影响。试验具体安排如下：取10mg生物质与50mg煤混合均匀,分别在炉温850C、900c和950c下进行混燃试验；取50mg烟煤分别与2.5mg、5.0mg、7.5mg、10.0mg、12.5mg和15.0mg生物质混合均匀，在炉温900c时进行混燃试验。3. 1生物质和煤单独燃烧NO勺排放特性图6是煤和生物质单独燃烧的NO排放曲

16、线图，此时的样品质量均为50i0.1mg,炉温900c。300Ngl度浓时瞬出析ONoooooO50502211米秆秆木煤玉麦棉杨0三.5040)%3020100c产口口口0°d煤玉麦棉杨米秆秆木01002003004005000100200300400500时间时间(s)(a)NO析出瞬时浓度(b)NO转化率图6煤和生物质单独燃烧时的NO排放图烟煤有两个NO释放峰，且前期的NO释放峰较小，后期的NO峰较宽，峰值也较大。对于该烟煤来说，其NO释放主要集中于燃烧后期。对于生物质来说，NO的释放主要集中在燃烧前期，且释放时间较短，NO峰较窄。玉米秆，麦秆，棉秆和杨木屑的NO析出峰分别出现

17、在第38s,37s,44s和57s,而煤的第一个峰值时间为第52s,可以看出，除杨木屑外，其余生物质的NO峰值出现的时间比煤的第一个析出峰早。杨木屑NO释放峰峰值也是最小的，只有95mg/Nm3。除棉秆外，其余三种生物质只有一个明显的NO析出峰。煤单独燃烧时的NO转化率为51.54%,远远高于生物质燃烧时的NO转化率，四种生物质的NO转化率分别为：玉米秆18.54%,棉秆16.74%,麦秆11.69%,杨木屑5.81%。3. 2混合比例对混煤燃烧时NOHE放的影响规律-O-玉米秆混煤一麦秆混煤一棉秆混煤一.一杨木屑混煤3211111111110510152025比例(%)图7各混煤在不同比例下

18、NO的转化率(炉温为900C)由图可看出，生物质的加入可明显降低煤燃烧时的NO排放量，且随生物质所占比例的增加，NO专化率降低。可以看出，不同的生物质降低NO转化率的能力不同，总体来说，麦秆的效果最好。4在电站锅炉上掺烧试验4. 1试验设备及方法混燃锅炉：型号为SG-400/13.73-M413;超高压煤粉炉，自然循环、四角切圆燃烧、一次中间再热、露天布置，固态排渣；设计燃用高挥发份烟煤；制粉系统采用钢球磨，中储式乏气送粉；两只直流式秸秆燃烧器分别安装第一、三角的DE层二次风喷口内，按煤粉气流假想切圆的逆时针方向进入炉膛；喷口直径为219mm每只设计功率为30MW出力为7.2t/h;秸秆制备系

19、统有三套，每套的设计出力为5t/h,秸杆经过粉碎设备可制成520mm的颗粒，由压缩空气输送给秸杆燃烧器。主要试验仪器：KM-9106型烟气分析仪，MSI2000型烟气分析仪，Raynger3i型高温红外测温仪，IMP数据采集系统。试验方法：锅炉在额定负荷运行；原煤选用单一煤矿且成分稳定煤种，秸秆为同一种类且品质相同，燃料、飞灰和炉渣的取样和化验依据锅炉性能试验标准。计算方法：锅炉效率采用反平衡方法；NO和SO2排放浓度修正到参考氧量状态(干烟气：氧量为6%压力为101.3kPa,温度为0c)。4.2 运行氧量的影响及分析锅炉运行期间，运行人员最常用的燃烧调整手段就是氧量调节。而氧量调节会引起排

20、烟温度、烟气成分和飞灰含碳量等因素变化进而影响锅炉经济性；同时氧量调节也会引起炉膛温度、炉内燃烧气氛变化对NOB放特性产生影响。因此有必要先对氧量优化，找出最佳氧量值，再进行其他因素优化。试验过程中，氧量在2.0%5.5%之间调整，其他可控因素维持在运行人员最习惯的方式9190%89率效8887868522,533.544.555.5氧量/%图8氧量与锅炉效率的关系图由图2可知，氧量对锅炉效率的影响较敏感，并且锅炉效率存在一个峰值，经过对氧量的数据处理找出了最佳氧量值为3.61%。4.3 煤粉细度和生物质粒径的分析从试验数据可看出，煤粉越细，锅炉效率越高，但排放特性变差，并且制粉单耗升高，机组

21、整体经济性降低。经全面分析比较，煤粉细度选取为R90=20%,秸秆粒径为15mm。秸秆粒径在570mm范围内变化时，锅炉效率、NO排放浓度无明显变化；由1075mm变化时，使排烟温度升高和飞灰含碳量增加，锅炉效率降低，但NO排放减少；从1520mm变化时，经济性和排放特性变化不明显。程中杰认为：生物质粒径越小，挥发份析出越快，并且与烟气混合越好，接触面积更大，反应更充分，排放特性更好9,但在本试验中没有体现出上述特征。控制秸秆粒径约为15mm时，经济性和污染物排放特性最好。4.4 秸秆掺烧比例的影响由不同掺混比例下试验结果可知，随着秸秆比例的增加，锅炉效率小幅度降低，秸秆掺烧比从10%20%,

22、锅炉效率降低了0.35%,而NO排放降低幅度较大：NO排放浓度降低了309.1mg/m3,降幅为41.9%。通过长期运行监督发现，在20%的掺烧比下锅炉受热面未产生明显的结焦和腐蚀等问题。因此保持秸秆的最大掺烧比(20%)是可长期运行。5结论(1)与煤相比生物质具有较低的着火温度和燃尽温度，生物质掺入煤种中可以提高煤的着火性能。(2)燃料的升温速率和生物质的掺入比例均能提高混合燃料的燃烧性能。(3)生物质的加入可明显降低煤燃烧时的NO排放量，且随生物质所占比例的增加，NO转化率降低。(4)各运行操作变量对锅炉经济性和排放特性的影响程度不一，其中氧量最为敏感，要求锅炉保持在最优氧量附近运行。(5)在一定范围内生物质粒径对经济性和排放特性影响不