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燃煤锅炉掺烧生物质气运行效率及污染物排放模拟

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SO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

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数增大，NO排放浓度先增大后稍有下降，SO排放浓度减小。该研究为实现生物

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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。

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

[13]

响，得到了气化最优方案。金亮等利用生物质固定床气化技术，获得了较高

[14]

气化效率。毛健雄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

[15]

率。在生物质与煤的混合燃烧方面，马爱玲等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。

[16][17-19]

刘翔等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

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

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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

[23]

燃烧效率；Tae-Young等经模拟发现生物质与劣质煤混燃降低了电站效率；

[24]

Dong等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，NO、SO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

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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AspenPlus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