生物質(zhì)循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展

張開萍，張洪福，高明明?，王勇，馬聰

（1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京 102206；2.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300270）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，化石燃料的需求與消耗逐漸增大，存量不斷減小，其不可再生性導(dǎo)致急需找到合適的替代能源［1］。生物質(zhì)能作為一種可再生能源，其資源相當(dāng)豐富，我國的年均生物質(zhì)能總量折合約5 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，約為能源消費總量的10%左右。生物質(zhì)能作為資源豐富、可再生、分布地域廣的綠色能源，被公認(rèn)為當(dāng)前最具前景的綠色能源之一［2?3］。近年來，生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)逐漸興起，并且在我國取得了一定程度的發(fā)展。生物質(zhì)發(fā)電不僅有助于實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，還可替代部分煤電，成為電網(wǎng)調(diào)峰的重要力量。

本文著重介紹生物質(zhì)循環(huán)流化床（CFB）發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，分析3 種生物質(zhì)CFB 鍋爐發(fā)展近況及研究難點，并展望生物質(zhì)CFB發(fā)電的前景。

1 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

1.1 生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀

生物質(zhì)能的種類豐富，目前可被有效利用的生物質(zhì)主要包括植物類的農(nóng)林木材、雜草和農(nóng)作物等，以及非植物類的動物糞便、垃圾、廢水中的有機物［4］。生物質(zhì)能利用方式主要有直接燃燒、厭氧消化制取沼氣、壓縮成型燃料、氣化、制乙醇、液化、制氫和制柴油等。

目前國內(nèi)用于發(fā)電的生物質(zhì)能源主要有沼氣、農(nóng)林作物、生活垃圾等［5］。近10 年來，我國生物質(zhì)發(fā)電裝機容量增長速率逐漸加快，如圖1 所示。截至2020 年我國生物質(zhì)裝機容量累計達(dá)到29.52 GW，且近3 年我國總裝機容量增長比例都達(dá)到了20%以上。在我國新增生物質(zhì)裝機容量中，農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電和垃圾發(fā)電的新增裝機容量比重較大，如圖2所示。用于生物質(zhì)發(fā)電的鍋爐主要有爐排鍋爐和CFB 鍋爐，其中生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)可以實現(xiàn)生物質(zhì)氣化利用和生物質(zhì)直燃利用。

圖1 2013—2020年中國生物質(zhì)發(fā)電累計裝機容量Fig.1 Cumulative installed capacities of biomass generated power from 2013 to 2020 in China

圖2 2015—2020年全國生物質(zhì)發(fā)電新增并網(wǎng)情況Fig.2 New grid?connected capacities of biomass generated power from 2015 to 2020 in China

1.2 生物質(zhì)CFB發(fā)電技術(shù)

燃煤CFB 鍋爐在我國的發(fā)展相對比較成熟，鍋爐制造工藝成熟，各種輔機設(shè)備齊備，為設(shè)計適合生物質(zhì)能利用的循CFB 鍋爐提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。CFB 鍋爐具有燃燒穩(wěn)定的優(yōu)勢，爐膛溫度僅需保證在850～900 ℃，材料的耐高溫性比普通鍋爐低，因此其制造成本相對更低。CFB鍋爐內(nèi)部物料處于劇烈的運動及循環(huán)過程中，物料在內(nèi)部的停留時間較長，因此即使燃料粒徑大，仍能保證較高的燃盡率。同時，CFB 鍋爐能保證較低的污染物排放。較低的床溫以及疏密相間的區(qū)分有助于減少NOx的生成；使用爐內(nèi)石灰石脫硫和爐外石灰水吸收SO2的爐內(nèi)外結(jié)合脫硫方式，能夠更簡單、經(jīng)濟地達(dá)到污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［6］。

生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)主要有直燃式發(fā)電、共燃式發(fā)電、耦合發(fā)電［7］。生物質(zhì)直燃式鍋爐單純?nèi)紵镔|(zhì)燃料，用于處理生物質(zhì)垃圾和農(nóng)林廢棄物，國內(nèi)小型環(huán)保鍋爐多采用直燃式。共燃式是將生物質(zhì)燃料與燃煤混合燃燒，這種方式對于燃料適應(yīng)性強的CFB 鍋爐有較好的效果。耦合發(fā)電分為并聯(lián)耦合與間接耦合。并聯(lián)耦合是將生物質(zhì)燃料單獨燃燒，與燃煤產(chǎn)生的蒸汽一同進(jìn)入汽輪機做功，這種技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用很少，故在此不做討論。間接耦合則是利用生物質(zhì)能源的特性，將其氣化形成燃?xì)夂?，再送入鍋爐與煤混燃［8］。因此，目前國內(nèi)應(yīng)用的生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)主要是直燃式、直接共燃式、間接耦合式。以上3 種主要發(fā)電方式各自存在優(yōu)缺點，將分別分析其研究現(xiàn)狀與技術(shù)難點。

2 生物質(zhì)CFB鍋爐

2.1 直燃式生物質(zhì)CFB發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)直燃式CFB 直接燃燒生物質(zhì)燃料，是最簡單直接的利用方式。目前國內(nèi)的生物質(zhì)直燃式CFB 鍋爐容量主要為75 t/h和130 t/h 2種規(guī)格，均已實現(xiàn)我國自主設(shè)計。圖3是生物質(zhì)直燃式CFB 鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖，其鍋爐設(shè)計、結(jié)構(gòu)與燃煤CFB 鍋爐基本相同，主要包括床下點火器、爐膛、分離器、回料器和尾部對流煙道，其中尾部煙道樣式較多，圖中紅色虛線框內(nèi)所示分別為單煙道和三煙道結(jié)構(gòu)。生物質(zhì)燃料在進(jìn)入爐膛后，其燃燒過程與煤炭燃燒過程相同，分為3 個階段：水蒸氣蒸發(fā)和燃燒物預(yù)熱、揮發(fā)分析出燃燒、固定碳燃燒。

圖3 直燃式生物質(zhì)CFB鍋爐結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of a direct?combustion biomass CFB boiler

由于生物質(zhì)燃料的堆積密度比較小，僅為普通煤炭的1/10，所以其給料方式和儲存方式與普通燃煤CFB 鍋爐存在較大區(qū)別。電廠基礎(chǔ)設(shè)計需要更大的儲料倉，從而對于料場的安全管理難度更大。儲料倉內(nèi)一般會在溫度過高部位安裝噴水降溫裝置，這對于燃料的含水量有一定影響，燃料水分過高會導(dǎo)致煙氣增多，消耗的熱量也更多，增加生物質(zhì)CFB 鍋爐的排煙熱損失。此外，生物質(zhì)能鍋爐的給料量是普通鍋爐的數(shù)倍，會導(dǎo)致給料難以滿足鍋爐的熱負(fù)荷需求，甚至給料過程發(fā)生故障。為解決此類問題，有電廠采用大開口直推式雙螺旋二級生物質(zhì)給料方式，也有電廠采用無軸蛟龍輸料系統(tǒng)，分別能夠滿足額定蒸發(fā)量75 t/h 和130 t/h 的生物質(zhì)CFB 鍋爐，且長時間運行穩(wěn)定可靠、效果較好［9?10］。但是，對于后續(xù)大容量、大參數(shù)生物質(zhì)CFB 鍋爐，有必要對給料系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

對于直燃式生物質(zhì)CFB 鍋爐，當(dāng)床溫控制在800 ℃以內(nèi)時，可以較好地燃燒秸稈等燃料，避免出現(xiàn)高溫結(jié)渣現(xiàn)象。但由于床溫較低和生物質(zhì)燃料本身的傳熱特性，鍋爐的出力只能達(dá)到設(shè)計值的80%。當(dāng)使用高溫分離器時，分離器易出現(xiàn)高溫結(jié)焦現(xiàn)象，可通過增大送風(fēng)量使燃燒提前充分完成，減少分離器內(nèi)的結(jié)焦。為解決過熱器高溫腐蝕的問題，可將高溫過熱器布置在外置換熱器當(dāng)中。但外置式換熱器的投用會導(dǎo)致風(fēng)機電耗的增加，同時檢修困難。有研究發(fā)現(xiàn)，改變不同燃料的配比或采用低循環(huán)倍率方式可以更好地解決高溫結(jié)渣腐蝕問題［11］。根據(jù)生物質(zhì)CFB 鍋爐煤的摻燒規(guī)定，其摻燒熱值不得高于20%，在規(guī)定范圍內(nèi)，隨著摻燒比例的提高，不僅鍋爐的燃燒經(jīng)濟性和穩(wěn)定性提高，而且爐內(nèi)的腐蝕、污染物排放和燃燒熱損失率都明顯降低［12］。

生物質(zhì)燃料與普通煤炭燃料相比，灰分更少，顆粒直徑更小，所以生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的流化過程和分離器工作難度更大。研究者們從燃燒過程、床溫和床壓調(diào)節(jié)、返料機的運行及調(diào)整等方面提出了改進(jìn)方式［13?14］。生物質(zhì)CFB 鍋爐和燃煤CFB鍋爐在運行和控制時存在相同的問題，主要是非線性以及多變量耦合，文獻(xiàn)［15］中引入字典序多目標(biāo)優(yōu)化和滾動時域控制原理，建立燃燒控制模型，提出了非線性預(yù)測控制算法并取得更好的控制效果。

生物質(zhì)直燃式循環(huán)流化床作為生物質(zhì)最直接的利用方式，主要難點有污染物排放控制及防腐蝕、滿足更高熱負(fù)荷的給料系統(tǒng)設(shè)計、鍋爐的燃燒控制、一/二次風(fēng)配比優(yōu)化和循環(huán)流化倍率設(shè)計等。針對上述問題，可以從鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計和燃燒運行控制優(yōu)化2個方面著手解決。

GLP-1對骨代謝的調(diào)節(jié)是雙向的，既可以促進(jìn)骨形成，又能抑制骨吸收。其可能通過促進(jìn)胰島素分泌，改善血糖、血脂，改善微循環(huán)，降低降鈣素的分泌以及直接激活骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMMSCs)上的GLP-1R實現(xiàn)對骨代謝的調(diào)節(jié)作用。

2.2 生物質(zhì)間接耦合式CFB發(fā)電技術(shù)

間接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，是指將生物質(zhì)氣化后送入燃煤或者燃?xì)忮仩t中燃燒進(jìn)行發(fā)電，如圖4所示?，F(xiàn)有的生物質(zhì)氣化多數(shù)采用流化床鍋爐。生物質(zhì)氣化過程需要在一定的溫度條件下進(jìn)行，在低氧氣濃度條件下，將生物質(zhì)中的高分子碳?xì)浠衔锓纸鉃榭扇嫉腍2和CO。生物質(zhì)氣化過程主要包括熱解、氧化和還原。從排煙口排出的燃?xì)夂休^多雜質(zhì)（水分、焦油、灰分和炭顆粒等），需要經(jīng)過特殊裝置進(jìn)行凈化和過濾處理。得到的高品質(zhì)燃?xì)饪梢赃M(jìn)一步發(fā)電或供熱利用。

圖4 生物質(zhì)氣化爐流程Fig.4 Flow of the biomass gasification furnace

生物質(zhì)氣化一般采用流化床反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器。前者根據(jù)流化風(fēng)速的不同，可以分為鼓泡床和循環(huán)床2 種，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。流化床氣化爐床體是由硅或橄欖石等惰性材料組成，高溫情況下床體呈現(xiàn)類液態(tài)，燃料被送到爐內(nèi)后發(fā)生反應(yīng)，生成的灰分由底部排出。

圖5 生物質(zhì)流化床氣化爐結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic structure of the CFB gasification furnace

目前運行效果較好的間接耦合式循環(huán)流化床發(fā)電機組有芬蘭Vaskiluoti電廠、比利時Ruien電廠、奧地利Zeltweg 電廠以及國內(nèi)的大唐長山熱電廠和國電長源荊門發(fā)電公司#7 機組。圖6 為芬蘭Kemi Jarvi 電廠生物質(zhì)間接耦合發(fā)電系統(tǒng)。國外機組使用的燃料大多是木質(zhì)生物質(zhì)，這類燃料的灰分、堿金屬和氯含量較少，氣化得到的低熱值（LCV）燃?xì)饨?jīng)過加熱后與煤粉直流爐結(jié)合燃燒，將CFB 分離器尾部得到的煙氣送入煤粉爐燃燒，對煤粉爐的運行影響也比較小。我國作為農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)燃料多采用農(nóng)林剩余物，主要是秸稈，其堿金屬、灰分和氯含量較高，所以國內(nèi)機組通常需要進(jìn)一步安裝除塵凈化設(shè)備，導(dǎo)致建設(shè)成本更高。同時，秸稈類燃料對共燃率和煤粉鍋爐的運行影響也較大［16?17］。

圖6 芬蘭Kemi Jarvi電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)Fig.6 Indirect coupling power generation system of Kemi Jarvi Power Plant in Finland

有研究者對生物質(zhì)氣化過程進(jìn)行了相關(guān)試驗，對臨界流化速度、布風(fēng)擋板阻力以及床料阻力進(jìn)行了分析，并提出了低倍率CFB 氣化生物質(zhì)的可行性［18］。文獻(xiàn)［19］提出生物質(zhì)氣化發(fā)電過程的動力學(xué)模型，可以更好地描述生物質(zhì)氣化過程的反應(yīng)機理，并運用MATLB 進(jìn)行了模型仿真，從氣化反應(yīng)過程及最終氣體生成物組分2個方面驗證了模型的合理性。此模型可用于優(yōu)化和評價生物質(zhì)流化床氣化過程，并為后續(xù)的生物質(zhì)氣化爐氣化參數(shù)和氣化方案設(shè)計提供參考。在此基礎(chǔ)上，有研究者對生物質(zhì)氣化系統(tǒng)和300 MW CFB 鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行了建模，計算得到鍋爐各工況下的各運行參數(shù)，并探討了再燃比例變化對鍋爐運行參數(shù)及效率的影響［20］。

生物質(zhì)需要在一定溫度、壓力、催化劑的條件下，與氣化劑發(fā)生氣化反應(yīng)。氣化劑可以是氧氣、空氣或CO2和水，3 種氣化劑適用類型不同，所得到的燃?xì)饧捌錈嶂荡嬖诓町?，可根?jù)燃?xì)獾木唧w用途選擇氣化劑［21］。催化劑方面，常見的有白云石類、堿金屬類、Ni 催化劑、Rh/CeO2/SiO2催化劑等，有研究者對各種催化劑進(jìn)行了相關(guān)研究，分析了其各自的使用范圍和優(yōu)缺點［22］。生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的蒸汽可以通過鍋爐發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)回收利用，對于現(xiàn)有的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠具有很好的適用效果。生物質(zhì)CFB 氣化技術(shù)不僅可以配合直流式燃煤鍋爐，還有其他更多的適用途徑。文獻(xiàn)［23］基于生物質(zhì)熱載體的CFB 技術(shù)，在Aspen 平臺上建立了聯(lián)產(chǎn)電力和油品集成系統(tǒng)，得到了系統(tǒng)對物質(zhì)、能量的和環(huán)境的綜合評價。

基于CFB 的生物質(zhì)氣化間接耦合發(fā)電方式應(yīng)用前景較好，氣化技術(shù)方面有待進(jìn)步，合適的氣化參數(shù)、催化劑和氣化劑，能夠使氣化產(chǎn)物滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。在生物質(zhì)氣化與發(fā)電鍋爐耦合方面，高效的控制手段及策略能夠提高燃煤側(cè)鍋爐的穩(wěn)定性及經(jīng)濟性。為適用于國內(nèi)現(xiàn)有的政策情況，生物質(zhì)氣化過程也可以作為產(chǎn)熱的一種途徑，在供熱的同時實現(xiàn)對生物質(zhì)能的高效利用。

2.3 生物質(zhì)直接共燃式CFB發(fā)電技術(shù)

針對CFB 鍋爐摻燒生物質(zhì)的研究近年來不斷增多，主要研究集中在摻燒比例對鍋爐燃燒狀態(tài)、污染物和飛灰等的影響。研究人員通過試驗，發(fā)現(xiàn)摻燒生物質(zhì)可使NO 排放量降低［24］，摻燒生物質(zhì)使燃料的水分增加，爐內(nèi)溫度整體偏低，NO 還原成N2的作用加強，同時NH3生成NO 的速率降低，因此NOx的最終排放量降低。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)燃煤鍋爐在摻燒谷殼對SO2的排放有明顯的抑制作用［25］。有研究者通過對整個燃燒系統(tǒng)進(jìn)行分析，考慮著火指數(shù)、燃盡指數(shù)、放熱性能和氣體污染物等各項因素后，提出了最佳的生物質(zhì)摻燒比例［26］。文獻(xiàn)［27］研究了生物質(zhì)燃料多樣性對摻燒燃燒效果的影響，對不同種類生物質(zhì)燃料與煤共燃的熱力系統(tǒng)進(jìn)行了分析，從機理上分析了不同種類燃料摻燒對爐膛熱效率、鍋爐各部位溫度的影響。

燃煤鍋爐在摻燒生物質(zhì)后，對鍋爐的運行會產(chǎn)生一定程度的影響。例如，生物質(zhì)中含有的堿金屬元素在爐內(nèi)高溫條件下易以鹽的形式析出，從而形成飛灰聚團現(xiàn)象，使返料系統(tǒng)不通暢。生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰分熔點較低，易沾污受熱面，進(jìn)而影響換熱效率。有試驗分析證明，控制摻燒比例在一定范圍內(nèi)可解決這一問題［28?29］。CFB 機組要實現(xiàn)生物質(zhì)摻燒，可以從生物質(zhì)收購儲存、生物質(zhì)燃料破碎、輸送系統(tǒng)、入爐部分以及控制系統(tǒng)等方面入手進(jìn)行改造［30］。改造完成后可大量快速高效地利用生物質(zhì)燃料，極具社會效益。目前，影響生物質(zhì)直接共燃式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要問題是總發(fā)電量中由生物質(zhì)產(chǎn)生的部分不易實現(xiàn)準(zhǔn)確計量或換算。

3 生物質(zhì)CFB發(fā)電技術(shù)發(fā)展前景

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在我國受重視程度很高，國家發(fā)改委、財政部、國家能源局于2020 年共同研究制定了《完善生物質(zhì)發(fā)電項目建設(shè)運行的實施方案》。此方案提出要堅持“以收定補、新老劃段、有序建設(shè)、平穩(wěn)發(fā)展”的方針，進(jìn)一步完善生物質(zhì)發(fā)電建設(shè)運行管理，合理安排2020年中央新增生物質(zhì)發(fā)電補貼資金，全面落實各項支持政策，推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，提升項目運行管理水平，逐步形成有效的生物質(zhì)發(fā)電市場化運行機制，讓我國的生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)持續(xù)健康地發(fā)展。在全國范圍內(nèi)，煤炭行業(yè)正在大力調(diào)整，限制產(chǎn)能，煤炭價格升高，以燃煤發(fā)電為主的行業(yè)受到?jīng)_擊。碳中和背景下，壓力尤甚。因此，更有必要大力發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。在國家的大力支持及市場的導(dǎo)向作用之下，對生物質(zhì)電廠建設(shè)和相關(guān)技術(shù)研究的投入將會更多。

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)CFB 機組現(xiàn)有439臺投入運營，裝機容量88.26 GW，我國CFB 鍋爐技術(shù)的發(fā)展有一定積累。生物質(zhì)燃料更加適用于CFB 鍋爐的燃燒方式，其污染物排放也更低。基于生物質(zhì)的CFB 發(fā)電技術(shù)種類多，能夠更好地適應(yīng)我國燃料的多樣性。近20 年實踐證明，CFB 鍋爐在生物質(zhì)利用方面具有獨特的優(yōu)勢，其在生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，對于生物質(zhì)CFB 發(fā)電機組設(shè)計、運行優(yōu)化的研究也將更有價值。

4 結(jié)論與展望

針對現(xiàn)有的生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了論述，該技術(shù)可實現(xiàn)現(xiàn)有多種生物質(zhì)的消納，其中以直燃式、間接耦合式、直接共燃式為主。根據(jù)“十四五生物質(zhì)能源規(guī)劃”提出的“在不同地區(qū)發(fā)展適宜本地條件的直燃式發(fā)電、成型發(fā)電、混燃發(fā)電等發(fā)電方式要求”，生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，但目前也存在不少運行問題。未來的應(yīng)用與研究需包含但不限于以下幾個方面。

（1）對于生物質(zhì)燃料單位體積能量較低、質(zhì)量不高、分布存在區(qū)域性且運輸困難等問題，需建立生物質(zhì)電廠及一系列的附屬產(chǎn)業(yè)，解決生物質(zhì)發(fā)電計量問題。

（2）隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，需深入研究生物質(zhì)CFB 鍋爐的污染物排放特性。針對特殊的生物質(zhì)燃料，NOx和SO2是否能夠達(dá)到超低排放需要進(jìn)一步深入研究。

（3）對于現(xiàn)役的CFB 鍋爐，將摻燒生物質(zhì)作為降低污染物排放、有效利用生物質(zhì)能源的方式，基于此提出合理的摻燒方案。

（4）利用生活垃圾供熱或者熱電聯(lián)產(chǎn)，是目前生活垃圾的重要環(huán)保利用方式，基于CFB 的垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)有待深入研究。

（5）在碳達(dá)峰、碳中和背景下，發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)將提供有效的減碳路徑，生物質(zhì)加碳捕集和封存還可實現(xiàn)負(fù)碳排放。另外，在減煤降碳的時代大背景下，生物質(zhì)發(fā)電可替代部分煤電，成為電網(wǎng)調(diào)峰的重要力量。