農(nóng)業(yè)生物質(zhì)混煤燃燒發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展

焦慧強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司晉城供電公司，山西 晉城048000）

1 引言

現(xiàn)階段我國(guó)的能源消費(fèi)仍以煤炭為主，煤炭消費(fèi)總量占全國(guó)能源消費(fèi)總量的比例將近達(dá)到70%，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理和能源消費(fèi)模式單一成為能源消費(fèi)的主要問(wèn)題［1，2］。生物質(zhì)能在儲(chǔ)量上是僅次于石油、煤和天然氣的第四大能源［3］，在當(dāng)今化石能源存量銳減和環(huán)境問(wèn)題凸顯的前提下，生物質(zhì)能的廣泛應(yīng)用在滿足我國(guó)能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染等方面可發(fā)揮積極作用。我國(guó)的生物質(zhì)資源主要是以林業(yè)資源和農(nóng)業(yè)廢棄物為主，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約7.8億t，油菜、甘蔗、木薯等剩余物約1.2億t［4］。目前利用生物質(zhì)代替化石能源發(fā)電仍是生物質(zhì)能利用的主要方式之一，主要包括直燃發(fā)電技術(shù)、氣化發(fā)電技術(shù)和混燃發(fā)電技術(shù)［5］，其中混燃發(fā)電技術(shù)能充分利用現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備，在原有電廠鍋爐上進(jìn)行改造，是一種成本低、風(fēng)險(xiǎn)小和規(guī)?；瘧?yīng)用的有效手段。生物質(zhì)與煤的混燃技術(shù)可分為直接燃燒利用和間接燃燒利用兩種形式，直接燃燒技術(shù)對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，然后直接輸送至鍋爐燃燒室燃燒，主要有層燃、流化床和煤粉鍋爐等燃燒形式，主要應(yīng)用于工業(yè)、區(qū)域供熱、發(fā)電以及熱電聯(lián)產(chǎn)等［6，7］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)生物質(zhì)與煤混燃進(jìn)行了研究，主要集中在摻混后的燃燒特性、污染物排放以及經(jīng)濟(jì)性效益分析［8～10］。本文在參閱國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)近年來(lái)針對(duì)生物質(zhì)與煤混燃燃燒特性和污染物排放特性的研究成果，分析其研究結(jié)果以及我國(guó)生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題和發(fā)展方向。

2 我國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)混煤燃燒發(fā)電的現(xiàn)狀

生物質(zhì)混煤燃燒發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)以生物質(zhì)和煤為燃料的火力發(fā)電系統(tǒng)，其生產(chǎn)過(guò)程與常規(guī)燃煤電廠類似，主要包括：先將秸稈、稻殼和其他廢棄物原料經(jīng)預(yù)處理加工后與煤一起送入鍋爐內(nèi)混合燃燒，將生物質(zhì)原料和煤中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，鍋爐的汽水系統(tǒng)將變成飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)過(guò)熱器變成過(guò)熱蒸汽后推動(dòng)汽輪機(jī)做功，最后汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，其原理如圖1［11］。

目前，國(guó)外生物質(zhì)混燃技術(shù)應(yīng)用較為廣泛［12，13］，在美國(guó)，生物質(zhì)與煤混合燃燒發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到了6 000 MW，其次是丹麥和奧地利［14］。我國(guó)生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電技術(shù)較歐洲國(guó)家相比起步較晚，主要存在著缺乏核心技術(shù)和設(shè)備，生物質(zhì)原料供應(yīng)困難、發(fā)電成本偏高等問(wèn)題，一直制約著該技術(shù)在我國(guó)的規(guī)?；瘧?yīng)用，該技術(shù)目前主要應(yīng)用于小型燃煤電廠中。2005年我國(guó)首臺(tái)秸稈與煤混燃發(fā)電機(jī)組在十里泉電廠投產(chǎn)，該項(xiàng)目的所用燃燒技術(shù)被認(rèn)為是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，并取得了較好的社會(huì)與環(huán)境效益，按20%的秸稈摻混比例，年可減少5.8萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤消耗，折合燃煤8.2萬(wàn)t（5 000kCal），同時(shí)減少二氧化碳排放6萬(wàn)t，因此，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值［15］。

3 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)混煤燃燒特性影響因素分析

由于生物質(zhì)混煤發(fā)電系統(tǒng)主要在原有常規(guī)燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行改造，主要面臨的是因生物質(zhì)原料的特性而引起的燃燒差異，對(duì)汽輪機(jī)及發(fā)電系統(tǒng)的改動(dòng)較小，因此本文主要針對(duì)燃料處理及其燃燒特性進(jìn)行分析。與常規(guī)燃煤系統(tǒng)相比，生物質(zhì)與煤混燃后主要影響因素有：摻混比、生物質(zhì)原料的預(yù)處理、灰渣特性。

生物質(zhì)燃料具有高揮發(fā)性、低熱值、低硫分、高堿金屬含量以及能量密度低等特點(diǎn)，將生物質(zhì)與煤進(jìn)行混燃，一定程度上可減少純煤燃燒過(guò)程中的污染物排放，降低化石能源的消耗，但是過(guò)高的摻混比例會(huì)降低鍋爐燃燒效率，原料內(nèi)部過(guò)高的堿金屬其熔融點(diǎn)較低，易造成鍋爐管道的堵塞和腐蝕，因此，選擇合適的摻混比例是二者進(jìn)行混燃的重要問(wèn)題。王曉鋼［16］等在熱重分析儀上研究了木屑、稻殼、稻草及耒陽(yáng)白沙煤的燃燒特性，分析得出通過(guò)摻燒可以使生物質(zhì)與煤的混合燃料的燃燒特性得到了優(yōu)化，隨著生物質(zhì)摻混比例的提高，摻混樣品著火點(diǎn)溫度降低得更加明顯，最大燃燒速率溫度也越低，由此推算大部門農(nóng)業(yè)生物質(zhì)摻混燃燒特性基本符合這個(gè)規(guī)律。王春波［17］等在自制管式爐上研究煤粉與生物質(zhì)混燃后的低溫著火特性，混合燃料的燃燒速率隨著摻混比的增大而加快，燃盡程度提高，在難燃煤中摻混生物質(zhì)對(duì)其著火特性影響比對(duì)易燃煤更明顯，同時(shí)摻混水分和揮發(fā)分含量高的生物質(zhì)，燃燒初期的失重速率要快于燃燒中后期；摻混生物質(zhì)中的灰分含量越多，對(duì)煤粉燃燒后期的促燃作用越差；燃燒反應(yīng)活化能隨著生物質(zhì)摻混比和溫度區(qū)間的增大而減小。王智［18］等利用循環(huán)流化床對(duì)谷殼和煙煤進(jìn)行摻混燃燒，得出當(dāng)谷殼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%時(shí)，爐膛內(nèi)的通過(guò)熱電偶得出的溫度場(chǎng)與純煤燃燒時(shí)基本相同，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí)，爐膛溫度才有所降低，因此，在燃煤鍋爐中適當(dāng)摻混生物質(zhì)不會(huì)影響鍋爐的出力性能，而且可以改善燃煤的燃燒性能方面，摻混過(guò)多的生物質(zhì)會(huì)影響鍋爐的出力。

利用燃煤混生物質(zhì)進(jìn)行摻混燃燒，可以達(dá)到互補(bǔ)效果，既實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)能的廣泛高效利用，又改善了煤粉燃燒特性、降低了環(huán)境污染性。然而在實(shí)際混燒發(fā)電過(guò)程中，生物質(zhì)灰的熔融點(diǎn)低，在溫度較高的情況容易堵塞管道，鍋爐內(nèi)積灰結(jié)渣、腐蝕等一系列問(wèn)題頻繁發(fā)生，這些問(wèn)題與灰的特性密切相關(guān)，一直是困擾學(xué)者的難題，另一方面，生物質(zhì)灰是一種很好的有機(jī)肥料，廣泛利用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，生物質(zhì)與煤摻混后灰的二次利用問(wèn)題也是學(xué)者研究的焦點(diǎn)。蒲舸［19］等利用熱重–差示掃描量熱儀（TG－DSC）對(duì)生物質(zhì)與高硫劣質(zhì)煤混燒灰的熔融特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：兩者混燒會(huì)降低灰熔融點(diǎn)，生物質(zhì)的摻混比例越高，下降幅度越大，生物質(zhì)中灰分含量遠(yuǎn)小于高硫劣質(zhì)煤，混燒灰的灰熔點(diǎn)溫度主要受煤灰的影響。因此，適量生物質(zhì)燃料的摻混對(duì)混合燃料灰渣的熔融特性影響不大，不會(huì)造成燃燒設(shè)備的腐蝕和堵塞。魯光武［20］等利用灰熔點(diǎn)測(cè)試儀分析了常見(jiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)廢棄物與煤摻燒后灰的熔融特性，結(jié)果指出生物質(zhì)與煤摻燒時(shí)是否結(jié)渣與生物質(zhì)種類和摻混比例有關(guān)，稻草、谷殼與煤摻燒后其灰熔點(diǎn)降低，引起了結(jié)渣，這是因?yàn)榈静莺凸葰せ曳种械膲A性氧化物含量高引起的，而當(dāng)摻混物為木屑時(shí)，混合燃料不會(huì)出現(xiàn)灰熔點(diǎn)降低以及引起結(jié)渣等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，木屑的灰熔點(diǎn)與煤相同，灰的軟化溫度高于煤粉，因此，選擇部分灰熔點(diǎn)較高的生物質(zhì)與煤進(jìn)行摻混，并不會(huì)引起結(jié)渣問(wèn)題。

4 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)混煤燃燒污染物排放特性分析

在當(dāng)今倡導(dǎo)綠色能源的前提下，可再生能源還不能完全取代化石能源，生物質(zhì)原料由于S、N元素含量較低，一直被稱為“綠色煤炭”，在燃燒過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)CO2的零排放，生物質(zhì)混煤燃燒可有效減少煤粉燃燒過(guò)程的污染物排放。然而由于生物質(zhì)種類較多，掌握不同生物質(zhì)與煤混燃過(guò)程中的污染物排放規(guī)律，對(duì)于生物質(zhì)混煤燃燒發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。徐承浩［21］等利用沉降爐進(jìn)行了煤和秸稈混燒實(shí)驗(yàn)，掌握了二者混燃過(guò)程中的污染物排放規(guī)律，結(jié)果表明：當(dāng)摻煤比小于20%時(shí)，SO2的生成量較為緩慢，當(dāng)摻煤比高于20%時(shí)，SO2的生成量加快，SO2和NOx的生成量隨摻煤比的增加而增加。黃定寅［22］等在循環(huán)流化床上分析了稻殼混煤燃燒過(guò)程中的NOx排放特性，在同一燃燒溫度下，NOx的排放量隨著燃料中稻殼所占比重增加而降低；當(dāng)混合燃料中稻殼的摻混比例恒定時(shí)，NOx的排放量隨著燃燒溫度的升高而增加。

5 結(jié)論

實(shí)踐表明，生物質(zhì)混煤燃燒發(fā)電技術(shù)非常適合我國(guó)的基本國(guó)情，近年來(lái)專家學(xué)者對(duì)其也進(jìn)行了較為深入的研究，然而也存在部分因素制約了該技術(shù)的規(guī)?；茝V。

（1）該技術(shù)需對(duì)常規(guī)燃煤鍋爐進(jìn)行改造，產(chǎn)生了一定的改造費(fèi)用，而國(guó)家目前針對(duì)新能源發(fā)電的補(bǔ)助只針對(duì)純?nèi)忌镔|(zhì)鍋爐，生物質(zhì)與煤混燃不在補(bǔ)貼范圍之內(nèi)，且近年來(lái)，生物質(zhì)原料價(jià)格也在不斷上漲，該技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)逐漸下降；

（2）目前該技術(shù)仍存在部分問(wèn)題未完全攻破，專家學(xué)者的研究也僅停留在實(shí)驗(yàn)室儀器，尚未在實(shí)際運(yùn)行鍋爐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；

（3）由于我國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)生物質(zhì)原料的物理屬性存在較大差異，部分原料與煤混燃燃燒效果不理想，因此該技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)與當(dāng)?shù)乜纱笠?guī)模供應(yīng)的生物質(zhì)原料相結(jié)合，因地制宜；

（4）目前，我國(guó)生物質(zhì)原料多分布在農(nóng)業(yè)大省和山區(qū)，受地形影響，部分生物質(zhì)分布較為分散，生物質(zhì)原料的集中供應(yīng)也存在一定的問(wèn)題。

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