300MW燃煤机组混燃秸秆成型燃料的试验研究

第30卷第14期中国电机工程学报Vol.30No.14May15,20102010年5月15日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2010)14-0001-06中图分类号：TK223文献标志码：A学科分类号：470⋅20300MW燃煤机组混燃秸秆成型燃料的试验研究王学斌，谭厚章，陈二强，牛艳青，刘洋，刘正宁，徐通模(西安交通大学能源与动力工程学院，陕西省西安市710049)ExperimentalResearchonCo-firingofMolding-strawin300MWCoal-firingUtilityFurnaceWANGXue-bin,TANHou-zhang,CHENEr-qiang,NIUYan-qing,LIUYang,LIUZheng-ning,XUTong-mo(SchoolofEnergyandPower,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,ShaanxiProvince,China)ABSTRACT:Molding-biomasshasbeenutilizedina300MWpulverizedcoalfurnace,andbiomasswasgroundusingtheexistingmillsystem,withoutanyapparatusaddition.Thepossibilityofbiomassgrindingandthesecurityofmilloperatingwasanalyzed,andtheeffectsofbiomass-cofiringoncombustionflame,furnacetemperatureprofile,furnaceefficiencyandpollutionemissionwerealsoinvestigated.Resultsshowthat,rollermillsanddirectblowingpuverizingsystemcanbeusedtogrindmolding-biomassandtotransportbiomassparticles.Duringtheprocessesofbiomassco-firing,theflameofbiomassinjectorisstable.Bothoutlettemperaureoffurnaceandairpreheaterdecreasesafterthebiomassinjection.Whenthepulverizedcoalfurnaceisoperatedunderthebiomassco-firingcondition,thefurnaceefficiencyislowered.NOxandSO2emissionalsodecreaseswiththebiomassquantityincreasing.Theresultswouldprovideaguidanceforbiomassco-firingontheexsitingpulverizedcoalfurnaceinChina.KEYWORDS:biomassco-firing;molding-straw;furnaceefficiency;mill;NOx摘要：该文利用已有制粉系统对成型生物质进行磨制并送入炉内燃烧，在300MW煤粉炉内实现了生物质的规模化利用。试验对生物质可磨性及磨煤机安全性进行分析；研究生物质混燃对火焰、温度、锅炉效率及污染物排放的影响。研究表明：辊式磨煤机和直吹式制粉系统，可用于成型生物质的磨制输送；生物质燃烧器喷口火焰稳定；生物质混燃工况下的炉膛上部温度分布和排烟温度，均比纯烧煤粉时更低；煤粉炉在混燃生物质的工况下运行时，锅炉效率略有下降；基金项目：国家自然科学基金资助项目(50976086)；国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2005CB221206)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(50976086);TheNationalBasicResearchProgramofChina(973Program)(2005CB221206)．生物质混燃相对于纯烧煤粉，NOx和SO2均有所降低。该文研究对生物质在我国现有大容量煤粉炉上的直接混燃具有指导意义。关键词：生物质混燃；成型秸秆燃料；锅炉效率；磨煤机；NOx0引言温室效应的加剧使CO2减排成为人类更加关注的焦点，而生物质被广泛认为是一种CO2零排放的燃料，由于生物质燃料中的钾、氯含量高，直接燃烧会产生严重的结渣和腐蚀，而将生物质与煤粉混燃则可以消除该问题的出现[1-2]。因此国际上提出将生物质在大容量机组中与煤混燃，从而实现大规模利用生物质燃料发电以减排CO2的方案[3-10]。在现有的大容量燃煤机组上混燃生物质可利用电厂现有设备，燃用价格相对低廉的生物质还能降低电厂的燃料费用，从而提高电厂的经济效益[7-9]；同时由于高挥发分的生物质更易着火，可在一定程度上缓解煤粉着火的不稳定性问题[9]；将高挥发分的生物质作为再燃燃料送入主燃区下游，还可实现NOx的还原[11-15]。在传统燃煤机组中混燃生物质已在欧美各国进行了大量试验研究，并得到推广和应用，但由于生物质燃料特性及锅炉结构系统的差异，关于生物质混燃对磨煤机安全性、污染物排放及系统经济性分析方面的结论并不统一[4,7,9,16]。因此如要在我国大型电站煤粉炉内混燃生物质，则有必要根据我国生物质燃料特性及机组结构等进行混燃方案的设计。本文提出了一套新的生物质利用模式：首次在国内某300MW机组上，不增加电厂任何设备和固定投资，利用已有磨煤机对生物质成型燃料进行磨2中国电机工程学报第30卷制，并送入炉内进行燃烧，实现生物质的规模化利用。通过试验对生物质的可磨性及磨煤机的安全性进行分析；研究生物质混燃对炉内火焰特性、烟气温度、锅炉效率以及SO2和NOx排放的影响。1试验装置及方法1.1设备概况和燃料特性试验锅炉为东方锅炉厂设计制造的DG1025/18.3–9Ⅱ锅炉，300MW负荷对应实际燃料消耗量为137.85t/h，采用同心反切的四角切圆燃烧方式。燃烧器为A~F6层直流摆动式煤粉燃烧器，分3组布置，均等配风。每组有2个一次风喷口，一台磨煤机带一层一次风喷口，上层燃烧器顶部增设了一层燃尽风喷嘴。本炉配有6台北京电力修造总厂生产的ZGM–95G型中速磨煤机和正压直吹式燃烧系统。试验用主燃料为甘肃华亭烟煤；掺烧燃料为成型生物质，该型生物质燃料为秸秆经破碎后用压型机械压制而成，表1为燃料的工业分析和元素分析，生物质成型燃料的灰分偏高，是由加工过程中黏合剂的添加导致。成型生物质燃料的密度为1.18g⋅cm−1。表1试验用燃料的工业分析和元素分析Tab.1Proximateandultimateanalysisoftestedfuel工业分析元素分析燃料低位发热量/(MJ⋅kg−1)MarVdafAarCarHarOarNarSar煤18.718.535.517.652.53.039.960.510.64生物质12.212.679.328.334.43.0830.61.500.321.2试验工况及数据采集分析本试验锅炉的A~F6层燃烧系统，只有A~E层频繁利用，备用的F组长期空置，因此利用F层制粉系统进行生物质的磨制和燃烧。该方案可以充分保证F层生物质燃烧系统对A~E层煤粉燃烧系统不产生任何影响。如果将生物质和煤加入同一磨煤机，则有可能因为少量生物质的加入影响占大部分的煤的磨制质量，影响机组的正常运行。试验过程中，首先将F层制粉系统内残余的煤清空，再将生物质送入F层煤仓，经过磨煤机磨制后，直接送入炉膛燃烧。试验过程中控制生物质的给料为当前总燃料质量的10%~30%(对应混燃生物质的热量输入比例为6.76%~21.9%)，试验均在250MW的稳定负荷下进行。煤粉通过A~D层制粉系统送入炉膛，生物质燃料通过F层制粉系统送入。F层磨煤机入口温度不超过90℃，出口温度低于50℃，保证配风系统的各挡板开度值不变，并控制炉膛出口氧量4%左右，表2为所测试试验工况，其中工况3为给料量24t/h时，减小F层一次送风量时的工况。表2混燃试验测试工况Tab.2Experimenttestworkingconditionsofbiomassco-firing工况编号参数01234负荷/MW250250250250生物质量/(t/h)12242430F层一次风量/(m3/s)21.7419.3715.9918.70F磨煤机入口风温/℃78838684F磨煤机出口风温/℃纯燃煤粉工况：250MW，A~E磨运行，E磨给煤量17t/h48434243待工况稳定后，对F磨煤机出口生物质粉料进行取样，用Mastersizer2000型激光粒度仪对其粒径分布进行测试，仪器精度：±1%测量值；烟道出口烟气中NOx和SO2浓度由Testo350型烟气分析仪进行检测，分辨率1×10−7，仪器精度：±5%测量值；炉膛内温度由Raytek–3iLRL3型红外测温仪测量，分辨率1℃，仪器精度：±1%测量值，温度测点分别位于炉膛34、37及48.3m平台处，每一个高度的炉膛截面选取4个测点，取其平均值作为炉膛在该高度处的温度。2试验结果及分析2.1生物质的可磨性及磨煤机安全性分析生物质混燃利用过程中的难题集中在对生物质的安全经济性输送、破碎以及如何避免生物质磨制过程中的自燃[7,17]。在现有磨煤机系统上进行生物质的磨制时，如生物质给料量过大，易导致磨煤机电流超标而影响磨煤机性能，造成一次风管道堵塞，影响系统安全运行。FosterWheeler公司在Kingston和Colber电站四角切圆炉内的生物质混燃测试结果则表明：由于生物质未采用压型料，磨煤机很难将生物质磨制为和煤粉同样的粒径，生物质昀大输入量仅可达5%，当煤粉炉内混燃生物质的比例大于5%~10%时，则需要另外配套独立的生物质处理及给料系统[18]。图1为磨煤机磨制前后的生物质燃料，图1(a)为磨制前的原生物质型料，质地坚硬，可磨性较强，图1(b)为磨制后的生物质粉料，粒径较细，表明能够利用原有的磨煤机系统进行生物质型料的磨制。图2为生物质投料量及F层一次风量对磨煤机电流的影响。可见，当F层磨煤机的生物质给料量第14期王学斌等：300MW燃煤机组混燃秸秆成型燃料的试验研究3(a)磨制前(b)磨制后图1磨煤机前后生物质的形貌特性Fig.1Fuelcharacteristicsbeforeandaftermill4535251551234工况电流/A昀大电流1—12t/h，F一次风昀大；2—24t/h，F一次风量昀大；3—24t/h，F一次风量昀小；4—30t/h，F一次风量昀大。图2生物质给料量与一次风量对磨煤机电流的影响Fig.2Effectofbiomassandairquantityonmillcurrent为12和24t/h，一次风量正常(20m3/s)送粉时，F磨煤机电流为33和37A，且表2中磨煤机进出口风温均控制在90℃以下，磨煤机运行安全。当生物质给料量继续增大至30t/h时，磨煤机电流很快升高超过警戒电流40A，并且磨煤机开始出现堵塞现象，一次风量昀高只能达到18.70m3/s，导致该工况下的测试工作未能正常进行；当生物质给料量维持在24t/h时，减小F层的一次风量至15.99m3/s，磨煤机运行也缓慢持续升高达到45A。因此，在进行生物质型料的磨制时，应保证生物质给料量不能过大，并且在较大的生物质给料量时应控制磨煤机的风量开大，否则易出现磨煤机电流偏高以及堵管等安全问题。图3为不同生物质给料量对磨煤机磨制的生物质粉料粒径分布的影响。由图可见：成型生物质燃料经辊式磨煤机磨制后的粒径为10~2000μm；随着给料量的增大，磨制效果下降，生物质粉料的粒径逐渐增大。当