【论文精选】循环流化床锅炉掺烧生物质颗粒燃料可行性分析

摘 要∶

生物质颗粒燃料从其全生命周期可实现“零碳排放”，是一种可替代化石能源的可再生能源。利用现有CFB锅炉开展试验，验证了在循环流化床锅炉掺烧生物质颗粒燃料的可行性，掺烧期间锅炉整体运行工况稳定，烟气外排NOx、SO2和颗粒物未有明显变化，二噁英排放总量远低于限值标准。在生物质燃料低于煤炭价格情况下，掺烧生物质燃料有一定的经济效益。

关键词：生物质燃料 CFB 循环流化床锅炉 掺烧

1 生物质颗粒燃料利用现状

1.1 发展概况

中国是农业大国，秸秆资源十分丰富，有6 ～8亿吨[1]。数据显示，许多地区秸秆利用仍仅停留在以饲料、传统生活燃料、还田肥料为主；也有部分地区用秸秆生产乙醇和生物质原油，总利用率仍偏低[2]。同时，由于资源化利用成本高、处理技术不成熟、劳动力不足等原因，我国很多地区以焚烧方式处理秸秆，产生烟气对环境污染严重 [3]。目前，美国、加拿大、德国、意大利、芬兰、日本、韩国、俄罗斯等国家以及国内部分城市已将生物质颗粒作为清洁能源推广应用，经济环保效果显著。

CFB锅炉燃料适应性广、氮氧化物排放低、易于实现灰渣利用[4]，可实现生物质的大型工程化利用；生物质燃料具一定热值，利用电厂除尘、脱硫、脱销系统，可有效保证生物质燃料的综合利用和环保排放[5]。利用大型循环流化床锅炉掺烧生物质颗粒，对企业实现社会环境效益和经济效益具有多方共赢的重大意义。

1.2 优势分析

为减少污染，部分地方政府已明令市区禁用高硫煤；同时部分省市开始拆除非工业生产燃煤锅炉，为生物质颗粒燃料的推广使用提供广泛发展空间[6-7]，且由于各类燃料价格持续波动上涨，迫切需要清洁、经济的替代燃料。生物质颗粒燃料在大规模发电、热电联产以及各种规模的工业、民用供热等领域发展空间广阔。

1.3 政策及导向

石化系统内自备热电站煤粉炉和CFB锅炉大多采用燃煤和石油焦等高碳燃料供能，是化石能源消耗及碳排大户。为如期实现碳达峰和碳中和，大部分地方政府采取碳排放总量和强度“双控”，逐步形成减污降碳激励约束机制。开展锅炉掺烧生物质燃料耦合发电符合煤电低碳化发展趋势，助力企业在不突破碳指标前提下满足日益增长的用能需求，降低燃煤机组碳排放量，提高煤及生物质耦合发电的灵活性。2022、2023年以来，某石化企业连续推广“生物质颗粒耦合发电技术应用”、“研究热电装置生物质掺烧耦合发电清洁化发展方案”，竭力推动生物质颗粒燃料的替代应用。

２ 掺烧技术分析

2.1 CFB 炉现状

2.1.1 基本概况及工艺流程

某石化 1# 420 t/h 高温高压循环流化床锅炉掺烧生物质颗粒燃料，此炉为热电联产锅炉，为美国福特斯—惠勒公司产品，配套100 MW抽汽冷凝式汽轮发电机组。1# CFB锅炉2007年12月建成投产，主要参数和环保设施见表1，主要工艺流程如图1，风烟流程如图2。

2.1.2 燃料结构

该石化热电站CFB循环流化床锅炉主要燃料为石油焦，石油焦供应不足或硫含量偏高时掺烧一定量煤，煤与石油焦最大掺烧量3 : 7；石油焦供应充足时可完全燃烧，设计最大用量62.5万吨/年。石油焦设计含硫为≤6.7%，目前平均含硫率5.0%。

2.1.3 三废排放情况

（1）废气

CFB 锅炉废气主要来自石油焦及燃煤燃烧后排放的燃烧烟气，主要污染物为SO2、NOx、烟尘。SO2治理采用炉内脱硫＋炉后半干法烟气脱硫工艺；NOx治理采用SNCR（主脱硝方式）工艺；烟尘治理采用一级静电除尘＋二级布袋除尘工艺。1#和2#CFB锅炉烟气经配套净化设施处理后共用1根180 m高的烟囱排放。1# CFB烟囱排放的SO2、NOx、烟尘分别低于35、30及5 mg/m3要求，执行《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）大气污染物特别排放限值。

（2）废水

现有1#锅炉废水主要为化学处理废水等，具体情况见表2。

（3）固体废物

主要为CFB锅炉产生的飞灰和脱硫石膏，具体产生情况见表3。

2.2 生物质燃料筛选

考虑在不改动现有 CFB 锅炉设备的前提下开展生物质燃料掺混燃烧的现实情况，根据 NB/T 34024–2015《生物质成型燃料质量分级》标准，制定生物质颗粒燃料参数标准，详见表4。

考虑掺混实验实际和有可能对设备造成的影响，生物质颗粒燃料主要参数为低位发热量、颗粒尺寸、密度、灰分、水份、含硫量、含氮量、含氯量和碱金属含量。同时考虑供货商能力、供货稳定性及燃料价格。生物质颗粒燃料根据以下工业、元素和灰分分析等参数进行筛选，如表5。

2.3 试验方案

2.3.1 生物质燃料煤场收储与上料

（1）生物质进入煤场前一周，煤场提前划分出生物质堆放区域。

将煤场场地内的煤炭清理至煤车轨道下方1米，无法清理的普通煤被运至煤场东侧堆放，地面使用装载机进行平整；

（2）由于生物质燃料流动性较强，可能无法起堆堆放。堆放区域两侧煤堆保留 5～6 m 高度，车辆卸料后由装载机协助将生物质铲入专用堆放区域起堆；

（3）通过输煤TD线将生物质输送至指定CFB锅炉炉前仓。

2.3.2 1# CFB 锅炉掺烧试验流程

现有1# CFB锅炉共配套4个系列给料系统，每套系统包括燃料仓、给料机、炉前落料管，4 个落料管依次排列。该次试验占用一个单独系列的给料系统对生物质进行给料掺烧。为使生物质在炉膛内更好得均匀流化，拟通过2#燃料仓进生物质燃料。生物质通过皮带式输料机进入2#燃料仓，再经称重式全封闭给煤机计量后送入炉膛，由风力经炉前落料管在炉温890 ℃送入炉膛内燃烧。给料机下料口与皮带高度差约25 mm，可确保8 mm直径生物质颗粒以薄层形式顺利通过而不堵塞，送入炉膛燃烧。

2.3.3 1# CFB 锅炉掺烧试验内容

（1）利用1# CFB锅炉进行生物质掺烧试验，锅炉负荷320 t/h，试验掺烧生物质总量约1 300 t，试验总时长约13天。

（2）1# CFB锅炉、2#燃料仓进生物质燃料，其他3个燃料仓装载石油焦，生物质按5%、8%、10%左右的质量比例（2.5、3.5、5 t/h）分阶段进行投料掺烧，每种工况维持36 h，掺烧生物质颗粒燃料约400 t。

（3）以上工况试验稳定且无明显异常情况下，将生物质按颗粒燃料 13%、16%、20% 质量比例（6.5、8、10 t/h）分阶段进行投料掺烧，每种工况维持36 h，随时观察锅炉运行状态。需掺烧生物质燃料约900 t。

（4）生物质燃料进CFB锅炉焚烧后，烟气经锅炉配套的烟气净化系统处理后，通过180 m高的烟囱排放；掺烧过程产生的飞灰和炉渣通过现有密闭输送系统分别运送至灰仓和渣棚暂存。

2.3.3 掺烧试验监测内容

（1）与现有燃料输运给送装置兼容性：是否出现卡、堵，以及生物质挥发分过早析出凝结造成给料机堵塞问题。

（2）锅炉给料量影响：生物质热值小于锅炉设计燃料煤炭/石油焦混合燃料热值，增加给料量。需观察给料量变化。

（3）对锅炉热效率影响：在锅炉负荷不变情况下，根据锅炉正平衡计算锅炉热效率变化情况；

（4）对锅炉床温、减温水量影响：生物质挥发分高，燃点低会影响锅炉内部温度场分布。观察床温和烟气温度，及时调整一、二次风比例和减温水量，记录分析数据变化情况。

（5）环保排放影响：为确保烟囱外排 SO2、NOx、烟尘不出现超标预警，根据烟气参数及时调整脱硫、脱硝剂使用量，并进行记录。

（6）灰量影响：生物质燃料灰分仅有 3%～5%，远低于煤炭灰分；掺烧比例越大，进入锅炉的总灰量越低。记录排渣及冷渣器投运时间及开度。

（7）受热面沾污影响：生物质燃料掺燃后可能导致锅炉尾部受热面沾污程度增加，各受热面由于碱金属相关物质沉积降低换热能力，高温受热面在碱金属相关物质附着情况下会出现高温腐蚀。对比锅炉设计燃料和生物质颗粒灰成分进行分析。

2.4 试验过程

2022年12月29日完成全部生物质进厂。对整批次生物质燃料进行分析，数据见附表6。

2023年1月9日持续至1月18日开始生物质掺烧试验。试验按计划完成了六种工况（3、3.5、5、6.5、8及10 t/h）生物质掺烧。试验过程中锅炉负荷维持320 t/h，2#燃料仓进生物质燃料，其他3个燃料仓装供石油焦，每种工况维持36 h。掺烧试验过程，锅炉运行参数整体较平稳，烟气中 NOx、SO2和粉尘浓度无明显变化，烟气达标排放。掺烧期间1# CFB炉主要参数见表7。

委托第三方检测公司在烟囱位置监测烟气常规、二噁英等化合物。分析结果表明掺烧生物质燃料期间烟气常规参数平稳，二噁英总量远低于限值标准。分析数据见表8。

从表 7、表 8 可看出，锅炉负荷维持不变前提下，生物质颗粒的掺入使部分参数出现变化，但对锅炉整体运行影响不大。

（1）锅炉床温、减温水量影响：随掺烧生物质燃料比例提升，密相区平均床温上升7.1 ℃，最高点温度接近控制值上限。未掺混生物质最高点床温920 ℃，床温控制指标上限为950 ℃，通过合理调整风量、返料量保证床温控制在指标范围内。生物质的掺烧并未显著改变炉膛中上部温度，也未影响炉膛内蒸发受热面吸热量。

（2）受热面沾污影响：生物质燃烧后形成的灰粘附性较强，较易附着在金属受热面管壁表面，致锅炉内部受热面沾污程度增加，增加一次吹灰频次后锅炉各段烟温、排烟温度基本无变化。

（3）环保排放影响：试验中采用的生物质颗粒主要是回收木制品。试验过程中委托专业机构对烟气常规污染物以及二噁英进行监测，噁英总量远低于限值标准。考虑到生物质中硫含量远低于石油焦，对降低烟气中SO2含量有促进作用。烟气出口NOx和颗粒物变化不大。烟气外排NOx、SO2和颗粒物未发生明显变化，且整体处于较低水平。

2.4 掺烧试验存在问题及措施

2.4.1 存在问题

该次掺烧试验中，生物质燃料输送上料时现场粉尘较大，影响正常上料。输送系统采取封闭抑尘措施，扬尘程度虽有改善依然偏大，需进行系统性除尘改造。

2.4.2 改进措施

针对现场粉尘浓度较大的情况制定以下改进措施，扬尘现象有所改善：

（1）输送过程中不启动给煤车电振、2#乙侧皮带电振，仅依靠生物质燃料自身流动性进行给料，输送流量按60～70 t/h控制。采取间断给料方式降低输送现场粉尘浓度，即每带料运行10～15分钟，空皮带运行5分钟。

（2）对煤场煤斗敞开处增设彩条布覆盖，并用煤炭分散压住，避免煤斗处扬尘。

（3）输煤系统2#乙侧皮带导料槽出口、入口处增设封闭措施，减少流通面积，并在导料槽出口处增设喷淋设施。

（4）输煤系统TD1–TD4皮带导料槽出口、入口处增设封闭措施并增加挡尘帘，同时加强旁胶密封性调整。

3 经济性评价

该批次1 360吨生物质燃料单价900元/吨，总成本 122.4 万元。以热值折算煤 1 089 吨，2022 年12月煤单价1 180元/吨，折算煤总成本128.5万元。燃料效益6.1万元。

该次生物质燃料全部掺烧完可减排CO2＝735.06×2.66（1吨标煤生产2.66吨CO2）＝1 955.3吨。节省碳履约成本＝1 955.3×42（上海市碳交易单价）/10 000=8.21万元，具环保效益（碳履约成本）。

因该CFB锅炉以及配套汽机为企业自备电厂，发电主要用于满足企业自身生产需要，发电不参与上网，不属于《完善生物质发电项目建设运行的实施方案》中纳入中央补贴范畴，该部分成本效益暂不计算。

4 结论

（1）某石化热电部选取生物质成型颗粒燃料在CFB锅炉中进行掺烧耦合发电技术的试验研究，证实利用现有CFB锅炉装置可实现生物质短期稳定混合燃烧，锅炉整体运行工况未明显变化且环保排放稳定达标。

（2）生物质燃料（以热值折算）低于煤炭价格情况下，掺烧生物质燃料有一定经济效益和环保效益。

（3）生物质与原设计燃料偏离较大，需将此次掺烧的情况反馈原锅炉厂家进行专业论证和核算，以明确CFB锅炉是否适宜长周期大比例掺烧并摸索出更优运行控制方法。

（4）在生物质掺烧过程中要结合设备的特点和所处特殊地理环境开展针对性研究及攻关，特别需要做好上料过程中扬尘防治和煤场、输煤系统改造等根本性工作。并在充分论证、环境评估基础上，考虑是否开展下一步长周期运行试验，以全面评估掺烧生物质对厂区周边环境影响、锅炉结焦、受热面积灰和腐蚀等方面的影响，为大规模开展掺烧生物质燃料耦合发电探索积累经验。