PDF《燃煤锅炉掺烧生物质气运行效率及污染物排放模拟》

第34 卷第11 期农业工程学报Vol.

34 No.11

194 2018 年6月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun.

2018 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. 关键词:秸秆;

生物质;

锅炉;

Aspen Plus 模拟仿真;

效率;

污染物排放 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.11.025 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2018)-11-0194-09 张小桃, 李柯颖, 赵伟, 黄勇. 燃煤锅炉掺烧生物质气运行效率及污染物排放模拟[J]. 农业工程学报, 2018, 34(11): 194-202. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.11.025 http://www.tcsae.org Zhang Xiaotao, Li Keying, Zhao Wei, Huang Yong. Simulation on operation efficiency and pollutant emissions of coal-fired boiler with bio-gas co-firing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11):

194 - 202. (in Chinese with English abstract) doi : 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.11.025 http://www.tcsae.org

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 收稿日期:2017-12-05 修订日期:2018-05-10 基金项目:河南省教育厅自然科学研究计划项目(2011A140014);

河南省科 技发展计划项目(112102210281) 作者简介:张小桃,教授,博士,主要从事热工控制以及新能源开发与利用 研究.Email:[email protected]. 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,NOX、SOX 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 Aspen Plus 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 第11 期 张小桃等:燃煤锅炉掺烧生物质气运行效率及污染物排放模拟

195 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. 图1秸秆气化与煤混合燃烧及尾部受热面换热流程图 Fig.1 Flow diagram of straw gasification and straw gas co-firing with coal and heat transfer in tail 1.2 研究对象 国内某电厂

330 MW 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

330 MW 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10 t/h 的气化装置, 产气量约

20 000 m3 /h, 燃气热值约 为3000 kJ/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. 表1秸秆、煤的工业分析和元素分析(干基) Table

1 Proximate, ultimate analysis of straw and coal (dry basis) 工业分析 Proximate analysis 元素分析 Ultimate analysis 燃料 Fuel 固定碳 Fixed carbon FC/% 挥发分 Volatile V/% 灰分 Ash A/% 碳Carb- -on C/% 氢Hydr- -ogen H/% 氧Oxyg- -en O/% 氮Nitro- -gen N/% 硫Sulf- -ur S/% 低位 热值 Lower heating value /(kJ?kg-1 ) 煤Coal 54.65 17.83 27.52 62.58 3.98 4.41 0.97 0.54

24 721.17 秸杆 Straw 18.66 75.11 6.23 46.84 5.60 40.43 0.78 0.12

17 136.82 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. syngas 100% r Q Q ? ? ? (1) 式中?为秸秆气掺烧比例,%;

Qsyngas 为输入锅炉秸秆气 所含总热量,kJ/h;

Qr 为输入锅炉的总热量,kJ/h. 掺烧比例变化,输入锅炉所需要的燃煤消耗量会发 生变化,计算公式如式(2). coal ar,net (1 ) r Q B Q ? ? ? ? (2) 式中 Bcoal 为掺烧比为 α 时煤的计算燃料质量流量,kg/h;

Qar,net 为煤的低位热值,kJ/kg. 秸秆的气化过程满足能量平衡.即进入气化炉反应 前的固体秸秆所含化学能与空气携带的热量之和,等于 气化后所得秸秆燃气的低位热值与显热,以及损失掉的 热量之和,如式(3). biomass biomass air air biomass syngas syngas bio lost ( LHV ) M Q M Q M V Q Q ? ? ? ? ? ? ? ? (3) 式中 Mbiomass 为固体秸秆的质量流量,kg/h;

Mair 为进入气 化炉的空气质量流量,kg/h;

Qbiomass 为秸秆的低位热值, kJ/kg;

Qair 为1kg 空气携带的热量,kJ/kg;

Vsyngas 为1kg 秸秆原料气化生成的燃气体积,Nm3 /kg;

LHVsyngas 为秸 秆气的低位热值,kJ/Nm3 ;

Qbio 为1kg 秸秆原料气化生 成的高温秸秆气显热,kJ/kg;

Qlost 为热损失,kJ/h. 所需秸秆的总质量流量计算模型如式(4). syngas biomass syngas syngas bio LHV Q M V Q ? ? ? (4) 锅炉系统在各掺烧比例下满足进入系统的总热量不 变,掺烧前后能量守恒,即掺烧前通入锅炉纯煤的热量, 等于掺烧后通入锅炉煤与秸秆的热值之和,等于锅炉的 有效利用热与损失掉的热量之和,如式(5)所示. lost0

1 bio syngas syngas syngas net ar, coal net ar,

0 ) LHV ( Q Q Q V M Q B Q B ? ? ? ? ? ? (5) 式中 B0 为纯煤燃烧时通入锅炉煤的质量流量,kg/h;

Msyngas 为通入锅炉秸秆气的质量流量,kg/h.Q1 为锅炉的 有效利用热,kJ/h;

Qlost0 为锅炉热损失,kJ/h. 秸秆气与煤混合燃烧的总理论空气量如式(6). Air0 air1 air2 1.29( ) M V V ? ? (6) 式中 MAir0 为混合燃烧所需总理论空气质量流量,kg/h;

Vair

1、 Vair2 分别为煤、 秸秆气燃烧所需理论空气体积流量, Nm3 /h. 为了探讨生物质的利用效果,特定义生物质利用的 系统效率,即从生物质进入气化炉生成合成气,到合成 气进入锅炉燃烧的整个系统的效率,如式(7)所示.其中,气化热效率的定义为,生物质气低位热值与显热之 和与生物质原料低位热值的比值,如式(8). system gasification boiler ? ? ? ? ? (7) %

100 LHV biomass bio syngas syngas on gasificati ? ? ? ? Q Q V ? (8) 式中 ηsystem 为系统效率,%;

ηgasification 为不同秸秆含水率 下的气化热效率, %;

ηboiler 为混燃过程锅炉燃烧效率, %. 燃煤锅炉燃烧过程中会产生氮氧化物和硫氧化物等 污染物,秸秆气的掺烧减少了燃煤量,会相应减少污染 物的排放;

同时,秸秆气与煤的燃烧特性不同,对污染 物的生成也有一定的影响.掺烧秸秆气后空气预热器出 口处 NO、SO2 排放浓度的计算公式如式(9)[30] 、(10) 所示. gy

6 /NO SO

10 '

2 V M c ? ? (9) 式中 c?为实测干烟气中污染物浓度, mg/Nm3 ;

2 SO /NO M 为 污染物排放质量流量,kg/h;

Vgy 为空气预热器出口标况 下干烟气体积流量,Nm3 /h.

2 21

6 21 c c O ? ? ? ? ? ? (10) 式中 c 为折算后的污染物浓度,mg/Nm3 ;

'

2 O 为实测干烟 气中 O2 的体积分数,%. 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2018 年196 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H

2、CO、CH4,秸秆含水率从 5%变化到 30%,秸秆 气的低位热值从

5 999.7 kJ/Nm3 变化到

4 592.2 kJ/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. 图2秸秆气成分随含水率变化 Fig.2 Variations of straw gas compositions with moisture content 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. 图3不同工况下所需燃料质量流量和燃烧所需空气质量流量 Fig.3 Fuel and air mass flow rate under different cases 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、H

2、 CH4,通过表

2 对比可知模拟值相较试验值,H

2、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. 表2秸秆气成分试验值与模拟值比较 Table

2 Comparison of test and simulation values for straw gas compositions 项目 Item H2 体积分数 Volume fraction /% CO 体积分数 Volume fraction /% CO2 体积分数 Volume fraction /% CH4 体积分数 Volume fraction /% 低位热值 Lower heating value /(kJ・Nm?3 ) 试验值 Experimental value 7.00 13.60 15.00 6.70

4 874.9 模拟值 Simulation value 10.69 15.36 14.71 4.32

4 640.8 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330 MW 锅炉的试验数据,在纯煤 燃烧工况下,对330 MW 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. 第11 期........