引言马来西亚半岛中部盛产棕榈，具有丰富的、易获取的棕榈串资源，可被做为生物质燃料；项目电厂所在地使用的燃煤需从印度尼西亚进口，价格贵且物流不便。大比例掺烧棕榈串有助于提高项目经济性。锅炉大比例掺烧棕榈串时，需要解决棕榈串的给料、燃烧组织、污染物排放控制、高温腐蚀及沾污结焦等问题，目前市场上尚未有大比例掺烧棕榈串的循环流化床锅炉投运。利用东方电气集团东方锅炉股份有限公司（简称东方锅炉）的清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室的3 MWth循环流化床燃烧试验台，对棕榈串的燃烧特性进行深入研究，探究大比例掺烧棕榈串循环流化床锅炉的设计方案。1棕榈串特性棕榈串的物理特征：棕榈串呈丝状、质量轻但韧性大，容易造成给料系统堵料断路。棕榈串的化学特征：棕榈串含氯量高、熔点很低、燃烧速度快（容易在刚给入炉膛时在给料口附近燃烧），容易对受热面造成黏结性结焦、局部高温结焦、高温腐蚀等问题。2棕榈串燃烧试验2.1棕榈串的破碎及给料棕榈串纤维样品的纤维平均长度约30 cm，样品干燥且呈明显纤维状，韧性较强且易缠绕接团。棕榈串必须破碎至一定的长度才能送入炉膛，否则容易造成给料堵塞。棕榈串样品如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.025.F001图1棕榈串样品目前，国外掺烧生物质（树皮）存在的问题主要包括给料堵塞以及炉膛烟气反窜。结合棕榈串质量轻、韧性强、易缠绕的特点，充分考虑了防堵塞和烟气反窜的问题。采用低填充率的螺旋给料机，控制螺旋给料机与筒壁之间的距离，以防堵塞；设置密封风，防止炉膛烟气反窜；优化叶片与轴的距离、轴的密封形式以及轴的材料等内容。2.2棕榈串试烧研究为了研究棕榈串的燃烧、排放、灰渣以及沾污特性，利用清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室的3 MWth循环流化床燃烧试验台，开展印尼褐煤掺烧棕榈串和纯烧棕榈串的试验，并对各个工况的燃烧产物（灰、渣）进行分析。试验过程中，利用ABB烟气分析仪进行连续采样分析，得出排放烟气成分。探究棕榈串掺烧及纯烧时NOx、SO2、CO排放及灰渣的生成特点。掺烧与纯烧棕榈串工况的锅炉参数如表1、表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.025.T001表1掺烧棕榈串工况的锅炉参数参数工况1工况2工况3工况4工况5热功率/MW1.021.171.631.611.64给煤量/(kg/h)180.8144.6180.8144.6144.6棕榈量/(kg/h)59.5128.5198.0227.5234.5棕榈掺烧比/%2648546263总风量/(Nm3/h)2 0372 0372 0372 0372 037一次风量/(Nm3/h)1 1221 1151 1451 1541 029二次风量/(Nm3/h)9159238928831 008上床温/℃890881906911874下床温/℃906900926934891密相区出口温度/℃893854839855821上部烟气温度/℃919936979985937O2/%11.049.705.335.615.3210.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.025.T002表2纯烧棕榈串工况的锅炉参数名称工况6工况7工况8工况9热功率/MW1.432.272.551.60给煤量/(kg/h)0000棕榈量/(kg/h)324.3515.6580.0362.5棕榈掺烧比/%100100100100总风量/(Nm3/h)2 0372 6112 6112 611一次风量/(Nm3/h)8891037983997二次风量/(Nm3/h)1 1481 5731 6271 613上床温/℃821808831859下床温/℃837827852876密相区出口温度/℃753671692781上部烟气温度/℃919919919925O2/%7.644.422.339.343棕榈串燃烧排放特性3.1NOx排放特性试验化石燃料燃烧产物包括NOx，是大气环境污染源之一。燃烧化石燃料时，满足温度高、存在氧气以及空气和燃料中存在氮的条件，均会产生一定量的NOx[1-3]。NOx主要通过三种路径形成，分别为热力型、快速型以及燃料型[4]。热力型NOx的形成对温度具有很强的依赖关系，超过1 200 ℃时，NOx的产量随温度的增加按指数规律增加。快速型或燃料型NOx通过空气中的氮和碳氢原子团(CH、HCN)反应产生。与其他形式产生的NOx相比，快速型NOx的产量较小[5]。CFB锅炉的NOx生成途径主要是热力型和燃料型。CFB锅炉燃烧温度相对较低，项目锅炉燃烧温度为750~920 ℃，CFB锅炉燃烧产生的NOx主要是燃料型NOx。燃料氮形成的NOx占流化床燃烧方式NOx总排放的95%以上，部分燃料氮在煤燃烧时随挥发分析出燃烧（即挥发分氮），另一部分残存在焦炭上（即焦炭氮）。影响循环流化床锅炉NOx排放的主要因素包括床温、氧量、一次风率、上下二次风配比、钙硫比、燃料性质等。利用棕榈串掺烧印尼褐煤，掺烧比例为48%~63%，运行氧量为5.3%~11.0%时，NOx排放值均值为93~220 mg/m3（O2=6%）。掺烧棕榈串时床温和氧量对NOx产量的影响如图2、图3所示。CFB锅炉床温为850~935 ℃时，燃烧温度对NOx的生成几乎无影响；床温为850~935 ℃时，NOx生成量与运行氧量成正比关系。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.025.F002图2掺烧棕榈串时床温对NOx产量的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.025.F003图3掺烧棕榈串时氧量对NOx产量的影响3.2SO2排放特性影响CFB锅炉脱硫效率的主要因素包括钙硫物质的量之比、石灰石活性、运行床温、石灰石粒径、运行氧量、分级燃烧（一次风率和二次风比）、床压、负荷变化等。对棕榈串进行理化分析，棕榈串的硫分含量较低（收到基全硫含量为0.06%），理论SO2排放值约215 mg/Nm3，棕榈串的钙硫物质的量之比较低（钙硫物质的量之比0.265）。印尼褐煤全硫含量为0.55%。在不同的掺烧比例下，未投石灰石时，SO2的排放值为98~2 277 mg/Nm3（O2=6%）。棕榈串掺烧量较少时，褐煤全硫含量相对较高，褐煤量大，SO2排放量高；随着棕榈串的掺烧比例增大，SO2排放量降低。3.3CO排放特性随着炉膛的温度升高、氧量的增加，CO的排放量降低，表明炉内燃料的燃烧更完全，减了少不完全燃烧热损失，有利于飞灰的燃尽。掺烧棕榈串工况炉内温度大于800 ℃时，印尼褐煤和棕榈串的燃烧较为充分。大部分工况的CO排放量较低，少部分工况的CO排放量相对较高，主要原因是棕榈给料存在不稳定性，导致燃烧不稳定，CO排放量存在波动，使均值升高。如果设计方案及设计参数不合理，将存在CO排放波动较大及超标的风险。纯烧棕榈串时，CO排放量总体高于掺烧印尼褐煤，且CO变化幅度更大。纯烧时炉内温度变化速度大于掺烧燃烧；如果设计方案及设计参数不合理，也存在CO排放波动较大及超标的风险。3.4灰渣比例棕榈串掺烧印尼褐煤或纯烧棕榈串时，排渣量均极少。印尼褐煤的灰分极低，根据工程经验，印尼褐煤在实炉运行中一般少有排渣，部分项目需向炉内额外添加床料以维持床压。棕榈串灰分比印尼褐煤小，燃烧后灰以飞灰形式离开锅炉系统。根据试验结果，棕榈串纯烧时的飞灰含碳量高于掺烧。棕榈串纯烧或掺烧时，生成的灰分中均含有大量的碱金属K2O，且随着掺烧比例的升高，碱金属含量相对增加。3.5沾污特性为了验证燃用棕榈串对受热面的沾污情况，试验开始前，在试验台上放置沾污试验管，管中通入压缩空气冷却管路，模拟真实受热面壁温。试验前、后玷污管状态如图4、图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.025.F004图4试验前沾污管状态10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.025.F005图5试验后沾污管状态由图4、图5可知，经过两个周的运行，沾污管上存在沾污现象。沾污分为迎风面外层、迎风面内层和背风面层；迎风面外层存在浮灰，轻微抖动或吹扫即掉落；迎风面内层为白色壳状沾污层，厚度约0.5 mm，易剥离；背风面层为黄色，厚度0.5 mm。3锅炉设计思想项目锅炉技术协议要求：设计燃料1按100%纯烧印尼褐煤；设计燃料2按70%印尼褐煤+30%EFB（热量比，折算至质量比为56%EFB+44%印尼褐煤），作为长期运行工况。依据印尼褐煤和棕榈串的理化特性，参考项目组前期大比例掺烧树皮CFB锅炉的经验，项目锅炉设计主要指导思想如下：（1）高温腐蚀主要发生在过热器系统中管壁温度较高的部位，会威胁高温过热器的运行安全。为了防止高温腐蚀现象，将壁温高的受热面放置在合适的位置区域，有助于减缓受热面灰沉积现象的发生；高温过热器受热面非浇注料部分采用抗碱金属盐腐蚀较好的特殊钢材SA-213TP347H，以降低高温腐蚀速度。（2）为了有效避免生物质燃料中碱金属引起的沾污腐蚀，在尾部烟道布置水冷受热面，迅速将低温过热器的进口烟温降至一定温度；水冷管束采用大节距，以避免生物质燃烧产物黏附在水冷管屏上，形成管屏间积灰搭桥。（3）为了防止EFB燃烧产生的沾污掉落，堵塞省煤器受热面，项目采用光管省煤器。（4）燃煤及棕榈串的灰分较低，设计在线添加床料以维持锅炉正常的灰循环。4结语利用东方锅炉的清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室的3 MWth循环流化床燃烧试验台试烧棕榈串样品，对棕榈串的燃烧、沾污及腐蚀等特性进行了深入研究，形成锅炉设计方案。印尼煤在印度尼西亚本地及马来西亚的应用量较大，马来西亚盛产棕榈，棕榈串可以作为生物质燃料，大比例掺烧生物质燃料可以提高项目经济性。设计思路可为后续同类型大比例掺烧生物质CFB锅炉的设计提供参考。