生物质与煤粉混燃的实验案例

芬兰Alholmens Kraft电厂（CFB装机容量550 MW）是配备FBC装置的生物质混烧电厂的一个例子。如前所述，约有43%的混燃电厂配备了FBC系统（24%的BFBC和19%的CFBC），仅略少于配备煤粉锅炉的电厂（48%）。Alholmens Kraft电厂是世界上最大的生物质混燃FBC电厂之一。它于2001年投产，燃料中包括45%的泥煤、10%的森林残渣、35%的工业木材和树皮残渣以及10%的重质燃油或煤炭。工厂的设计使燃料的灵活性更高，重质燃料油和煤炭仅在特殊情况下（例如燃料处理问题）用作储备燃料。主要蒸汽参数为194 kg/s，165 bar，545℃。

丹麦电力公司Elsam将一台150 MW的煤粉锅炉（Studstrup 1号机组）改造为秸秆与煤混燃机组，并开展了一项为期两年（1996年1月至1998年2月）的示范工程，这是世界上首次在电站锅炉上进行的生物质混燃试验。如图7-24所示，该锅炉自1968年以来一直在运行，配备了12个常规的轴向旋流燃烧器，位于三个不同高度的燃烧器层。三个燃烧器层中每一层都有四个燃烧器。中间的四个燃烧器被改造为混合燃烧器（见图7-25）。改造过程中重新放置了喷油枪和火焰监测器，以便清理燃烧器的中心管。在该混燃电站中，还构建了一个新的秸秆处理系统（见图7-26）。经过两年的工程示范，结果表明全面的联合点火混燃示范成功。在实际运行的煤粉锅炉中，直接混燃生物质是可行的，在保证能源供给基础上，秸秆占比可高达20%，且这种混合燃烧未造成任何严重的问题，锅炉性能仅受到很小的影响。锅炉腐蚀略有增加，但并未超过使用低至中等腐蚀性煤时的情况。结焦、结渣并不严重，但随着秸秆用量的增加，结渣量会增加。除了HC1的增加和SO2的减少外，烟气排放没有受到明显影响。但生物质的添加降低了灰渣的可用性。例如，混燃粉煤飞灰可用于水泥生产，但其用于混凝土则受到限制，主要是因为粉煤灰中未燃碳的比例较高。根据燃料类型和总体经济性，安装用于控制氮氧化物的选择性催化还原（SCR）装置时需要进一步详细设计。

图7-24　Studstrup电站秸秆与煤混燃锅炉示意图

1—屏式过热器（SHs）——第一道和第二道；2—二级屏式过热器；3—再热器；4—初级屏式过热器；5—省煤器；6—空气预热器；7—静电除尘器（ESP）；8—高尘；9，11—煤；10—稻草+煤；12—低尘小型试验厂

图7-25　Studstrup电站秸秆与煤混燃燃烧器

1—旋流器；2—稻草；3—二次风；4—煤

图7-26　Studstrup电站的秸秆生产线

1，5—传送带；2—推进机；3—进料；4—粉碎机；6—矫正机；7—集石器；8—旋转活塞式鼓风机；9—气阀；10—锤式粉碎机；11—袋式过滤器；12—引风机；13—稻草输送到炉膛

与流化床燃烧系统和炉排层燃系统相比，煤粉炉燃烧系统对燃料品质的一致性要求更高，这也是生物质混燃面临的主要实际问题之一。生物质燃料来源广泛，种类繁多。它们通常比煤具有更高的水分含量、更高的挥发分含量和更高的氧含量。此外，原始生物质颗粒通常呈纤维状且不易碎。因此，在煤粉炉中混燃生物质时，将生物质粉碎成与煤粉颗粒相同的尺寸是不经济的。煤粉炉中混燃所使用的粉状生物质颗粒通常比煤粉颗粒尺寸更大，形状更不规则。由于这些差异，煤粉炉中的混燃生物质与煤有显著不同，并且对燃烧和排放特性有显著影响。正如上面的混燃示例所示，工业规模上，关于锅炉中混燃生物质的研究主要集中在总体过程和性能（例如，燃料的制备和进料、排放和灰沉积）上，对燃料颗粒在进料系统中的运动、近燃区的着火特性和燃烧特性的基础研究仍然十分有限。以下部分概述了煤粉锅炉中混燃生物质的关键问题和相关研究，以及提高生物质混燃特性的进一步研究需求。

7.4.5.1　燃料粒度、形状对煤粉炉混燃的影响

生物质粉体颗粒在粒径和形状分布等方面与煤粉颗粒有很大的不同。以丹麦的Studstrup电厂煤粉锅炉混燃麦秸的制备及其粒度分布为例进行说明。未经处理的秸秆打包运送到电厂，每捆重约500 kg。如图7-26所示，在系统中对草捆进行处理。它们会被自动切碎，以连续流入系统。秸秆通过锤式粉碎机，在其中通过转子上锤子的旋转被破碎和粉碎。锤子与外壳之间的间距决定了燃料颗粒的最大尺寸。采集该燃料制备系统中的1.2 kg样品，作为代表性样品进行粒径和形状分析。对于高度不规则的生物质颗粒，无论是采用传统的筛分方法还是使用激光衍射都无法获得颗粒的实际代表性粒度分布。因此，对1.2 kg的样品进行人工分析：对单个颗粒进行分块排序，测量其尺寸（如长度和直径），然后进行分组，最后对每一组进行称重。测量的长径比几乎与颗粒长度成线性关系，长颗粒可达30%～40%。从测量结果可以推导出如下Rosin-Rammler粒径分布：

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式中：Yl是长度大于l的秸秆颗粒的质量分数；是平均长度；n是扩散系数。尺寸分布参数见表7-10。

表7-10　悬浮法制备的秸秆颗粒的粒度分布参数

在当前大多数煤粉锅炉掺烧生物质的改造中，大部分都会首先将生物质制成成型颗粒，然后将生物质成型颗粒（而不是原始生物质）运输到电厂。生物质成型颗粒在传统的磨煤机中进行粉碎，然后输送到燃烧器。尽管此过程比其他过程产生的生物质颗粒要小一些，但它仍会产生较大的非球形颗粒，这需要在改造过程中以及在优化原始煤粉炉的燃烧器以进行分离时进行特殊考虑。生物质颗粒不同的物理性质（如密度、大小和形状）极大地影响了颗粒动力学、颗粒间的传热传质以及它们在混燃炉中的转化。

颗粒在燃料管道中的传输速度通常为15～25 m/s，有时可能高达40 m/s。在实验室条件下对单个不规则形状颗粒的观察表明，颗粒的转速可达65000 r/min左右。已有研究开发出了一种先进的模型来跟踪两相流中的较大的、高度非球形的、质量相对轻的颗粒，该模型已通过实验部分进行了验证。在该模型中，几乎所有重要的力都保留在颗粒的运动方程中。由于某些力取决于颗粒的运动方向，因此也同时对旋转方程进行了求解，以给出粒子方向和自旋的演化，并伴随平移运动，然后将该模型应用于生物质悬浮燃烧的数值模拟。结果清晰地表明了大颗粒、非球形生物质颗粒和等体积球形生物质颗粒在寿命上存在显著差异，也说明了在生物质悬浮燃烧中考虑非球形颗粒的重要性。如果一个模型不能准确地预测颗粒运动，那么它就难以准确预测颗粒燃烧。此外，如果无法准确预测颗粒的转化率，那么设计的炉子将因此性能较差，而颗粒上的气动力可能不足以承受大颗粒的重量，因此颗粒的寿命可能会完全改变：落入底部灰斗，而不是以飞灰形式离开锅炉。根据仿真结果，可对如何更好地回收煤粉锅炉中的大颗粒生物质提出建议。例如，可以优化混燃燃烧器的高度。如果将生物质颗粒通过最低层的燃烧器送入炉膛，则大的生物质颗粒可能会直接掉入灰斗，导致未燃碳损失增大。如果将生物质进料切换到较高一层燃烧器，则下落的未燃烧生物质大颗粒可能会被下面一层的燃烧器燃烧。由于生物质颗粒在转化过程中的质量损失，来自底层燃烧器的向上气流也可能会改变下降的生物质大颗粒的运动方向，这有效地增加了生物质大体积颗粒在炉中的停留时间。但是，这种类型的优化非常依赖于颗粒粒度和反应性。

最新研究结果已在一定程度上验证了上述优化建议。以某大型煤粉锅炉为例，研究了混燃式燃烧器所在层高（z=12 m、17 m、22 m）和煤粉粒径（dp=0.5 mm、1 mm、1.5 mm、1.75 mm、2 mm、2.5 mm、2.6 mm、2.75 mm、3 mm、4 mm）对煤粉燃烧特性的影响。发现在最低层（z=12 m）的燃烧器的杉木颗粒在粉煤灰中没有产生未燃颗粒，但在反应之前到达底部的颗粒数量很高。从第二层燃烧器高度（z=17 m）燃烧也导致顶部完全燃烧，但到达底部的颗粒更少，且主要是粒径大于2 mm的颗粒到达底部。在第三层燃烧器高度（z=22 m）时，在炉顶产生了部分未燃烧的颗粒。在某些情况下，由于停留时间更长，大颗粒的燃尽程度要比小颗粒高。大颗粒朝着气流向下下落，干燥和部分脱挥发分后，颗粒变得更轻，并更好地跟随气流向上流动。对于三层燃烧器，粒径大于4 mm的颗粒都会掉落到底部的灰斗中而不会完全燃烧。

如果将生物质和煤颗粒预先混合，然后通过管道输送到燃烧器中，则悬浮气流中较大的非球形生物质颗粒的复杂空气动力学将变得更加复杂，这在丹麦的Amager机组1中已出现。在这种情况下，颗粒的运动存在更多不确定性。例如，生物质与煤是均匀混合的，还是沿着弯曲的管道行进时（特别是在分叉器或三叉车之后）会分离？生物质中的水分含量如何影响燃料的混合和输送？这些问题都需要进一步深入研究。

除了这些颗粒动力学问题外，生物质颗粒的大小和形状特征的差异也极大地影响着颗粒转化的模式。当生物质颗粒大到足以使Biot数大于0.1时，颗粒内的传热传质将对颗粒燃料的转化起重要作用。

图7-27所示为某150 kW旋流稳定双进料燃烧器结构示意图。粉碎的秸秆颗粒和煤颗粒通过两个同心注入管（即中心管和环形管）独立地送入燃烧器。为了研究颗粒内传热传质对生物质大颗粒转化的影响，建立了一维颗粒转化模型，并应用于计算流体力学（CFD）模拟，对秸杆/煤混燃进行实验研究和数值分析。在计算过程中，大的生物质颗粒被离散成许多壳（即控制体积）。对于每个控制体积，求解了气相和固相的质量、能量和物质平衡方程，并且在平衡方程的求解中使用了相关的过程速率方程和经验公式。研究发现，对于直径为几百微米的粉碎生物质颗粒，颗粒内传热和传质仅仅是转化过程中的次要因素，研究者提出的全局四步机理可能更适合于模拟挥发分的燃烧过程。由于燃料/空气喷射动量大、颗粒响应时间长，秸秆颗粒几乎不受二次风旋流的影响，它们沿近直线运动并穿透贫氧核心区。煤粉颗粒受二次风射流的影响较大，随着停留时间的增加进入富氧外区域。因此，发现两种燃料的寿命和总体燃尽存在显著差异。

图7-27　旋流稳定双进料燃烧器横截面

1，4—二次风；2—生物质；3—煤；5—分散原料；6—旋流叶片；7—水冷燃烧器

简而言之，生物质颗粒的物理性质对于煤粉混燃炉的整体性能非常重要。生物质颗粒可能比煤颗粒大得多，但由于它们的密度较低、挥发分含量较高且反应活性较高，因此仍然可以完全燃烧。但是，要控制和改善煤粉炉中的生物质燃烧，了解生物质颗粒的详细特性和反应性以及了解基本的颗粒动力学和转化特性至关重要。只有这样，才能优化燃烧配置和运行条件。如果可以使用先进的成像技术（如尺寸、形状、湿度和不同煤/生物质颗粒的占比）在线连续地精确测量和识别燃料，则可将锅炉设置调整为最适合燃料类型或混合燃料以进行混燃，从而更好地控制并进一步优化混燃燃烧。

7.4.5.2　近燃区生物质与煤粉混燃特性研究

在不同的混燃技术和配置中，将生物质燃烧系统集成到壁式锅炉上可能是最具挑战性的，因为市场上有许多设计不同的燃烧器。尽管在煤粉炉及相应的燃烧器中对生物质混燃进行了一些相当成功的示范，但在受控实验室环境下，关于生物质与煤在近燃区混燃火焰的基本特性的报道仍然非常有限。这里展示一些关键研究结果。有研究对比了烟煤和松木屑在一个可控的0.5 MW双燃料燃烧器中的混燃实验和数值计算结果，其中一个燃料流通过中心孔，另一个燃料流位于周围环空道。对于松木屑/煤的火焰，混燃比和燃油喷射方式对火焰点火、燃烧空气动力学和NOx排放有显著影响。在双燃料燃烧器中进行了秸秆、芒草、山毛榉木和污水污泥与煤的混燃实验，其中两种不同的燃料可通过中央孔和周围的环空道分别引入燃烧腔室或预先混合。结果发现，燃烧器的设计和运行模式对混燃火焰的NOx排放有很大影响。利用CFD模拟，得出了壁燃式煤粉锅炉中生物质混燃设计所必须考虑的因素，其结论是将生物燃料燃烧系统集成到现有的低NOx燃烧系统中时，必须考虑生物质和煤在挥发分、反应性和灰分特性等方面存在的显著差异。CFD模拟研究了煤粉和生物质的混合燃烧，特别是大直径生物质颗粒的燃尽。结果表明，小颗粒（粒径小于200 μm）的燃烧速度较快，而大颗粒的燃烧速度取决于其组成、尺寸和形状。此外，进行了燃烧器中煤、生物质以及两者混燃火焰的综合实验研究，探讨了生物质混燃对火焰结构和排放的影响。使用基于视觉的测量技术实验研究了混燃煤和生物质对火焰特性和稳定性的影响。发现添加生物质会影响火焰的特性，尤其是火焰的着火点和亮度。但是，只要生物质的添加质量不超过20%，火焰稳定性就几乎不会受到影响。