生物質(zhì)與煤混燃研究現(xiàn)狀與展望

朱峰岸

（國家能源集團(tuán)寶慶發(fā)電有限公司，湖南 邵陽 422000）

進(jìn)入21世紀(jì)以來， 我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，對能源需求逐年增加，現(xiàn)已成為世界第一大能源消耗國。我國能耗主要來自煤炭，且在未來相當(dāng)長時間內(nèi)仍會以煤炭消耗為主[1]。隨著煤炭等傳統(tǒng)的化石燃料持續(xù)燃燒消耗導(dǎo)致的臭氧層稀薄、全球變暖、酸雨等問題越來越嚴(yán)重，如何節(jié)約煤炭等化石燃料資源以及尋找替代能源以消除使用化石燃料的不利影響成為目前全球各國急需解決的問題。

1 國外研究現(xiàn)狀

生物質(zhì)是一種可再生綠色能源，生物質(zhì)燃燒能達(dá)到生態(tài)意義上的零碳排放。生物質(zhì)是煤炭等傳統(tǒng)化石燃料理想的替代能源。由于生物質(zhì)能量密度低，熱值低，燃料供應(yīng)受季節(jié)和區(qū)域影響，不利于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，且易導(dǎo)致鍋爐燃燒不穩(wěn)定，因此生物質(zhì)純?nèi)煎仩t的經(jīng)濟(jì)性無法得到保證[1]。生物質(zhì)與煤混燃作為一種很有前景的污染物減排技術(shù)，受到了全世界的關(guān)注[2]。只需對現(xiàn)有燃煤設(shè)備進(jìn)行小幅度改造，就能實(shí)現(xiàn)煤炭與生物質(zhì)共利用。這不僅對有效利用生物質(zhì)資源、緩解能源緊張問題、降低環(huán)境污染非常有利，還可以促進(jìn)生物質(zhì)燃料市場的形成，為社會提供就業(yè)機(jī)會。因此生物質(zhì)與煤混燃技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)保意義?；瘜W(xué)鏈燃燒（CLC）是一種很有前景的技術(shù)，可用于捕獲、固定CO2，無需對煙氣進(jìn)行后處理。Bhui等[3]研究了固體燃料的固有成分（灰分、揮發(fā)物和焦油）對CLC性能的影響及固體燃料共燃的協(xié)同和抑制作用，探討了CLC過程中NOx和SOx污染物的形成和還原機(jī)制，分析了基于CLC火力發(fā)電廠的性能。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，使用CLC技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)凈熱效率提高了5%～6%；應(yīng)用基于混合燃燒的CLC技術(shù)，能量損失很小，在實(shí)施碳捕獲和封存（CCS）方面十分有發(fā)展前景。

Fariha等[4]研究了幾種生物質(zhì)和煤的混燒，進(jìn)行了生物質(zhì)與煤的工業(yè)分析和元素分析以及熱值分析，以評估煤和生物質(zhì)的特性，希望通過實(shí)驗(yàn)尋找到可以實(shí)現(xiàn)生態(tài)友好的能源。結(jié)果表明，煤和葵花渣以60∶40的比例混合燃燒是最有效的，與純煤燃燒相比，混合燃燒煙氣中NOx、SOx和CO2的排放更少。該研究結(jié)果表明了實(shí)驗(yàn)所選生物質(zhì)殘?jiān)c煤炭的混合燃料比傳統(tǒng)化石燃料環(huán)保且是可持續(xù)生產(chǎn)能源，在未來有廣闊的應(yīng)用前景。

Yang等[5]通過實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合，對比分析了生物質(zhì)與煤混合燃燒特性和NO排放情況以及二者之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著生物質(zhì)混合重量比的增加，排放物中NO濃度明顯降低。當(dāng)生物質(zhì)比重達(dá)到50%時，NO排放量降低了24%，排放主要集中在穩(wěn)定的炭燃燒階段。

Guo等[6]通過熱重分析對生物質(zhì)與煤的燃燒進(jìn)行了比較研究。生物質(zhì)和煤的燃燒過程可分為揮發(fā)性化合物的釋放和燃燒、炭的氧化和燃燒。研究表明，隨著生物質(zhì)比重的增加，最大燃燒速率和燃燒指數(shù)會相應(yīng)增加，而燃盡溫度會降低，說明煤的燃燒性能得到了改善。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

王華山等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究了生物質(zhì)和煤混燒過程。結(jié)果表明，混合燃料在一定比例區(qū)間內(nèi)，煤的燃燒溫度和綜合燃燒特性指數(shù)分別隨生物質(zhì)摻混比增加而下降和增大；當(dāng)生物質(zhì)與煤以1:1的比例摻混時，摻混物的著火點(diǎn)接近生物質(zhì)的著火點(diǎn)；綜合燃燒、燃盡特性指數(shù)隨升溫速率增加而增大，混合物的燃燒反應(yīng)移向高溫區(qū)。該結(jié)果為解決降低煤的著火溫度問題和緩解煤炭資源不足問題提供了依據(jù)。

馬彥花等[8]通過Fluent軟件模擬300 MW爐內(nèi)煤與生物質(zhì)的混燃過程，分別研究了在空氣及O2/CO2燃燒氣氛下，生物質(zhì)燃料的摻燒及氧濃度對爐內(nèi)溫度場、速度場和組分分布等方面的影響。結(jié)果表明，富氧氣氛下燃料的著火及燃盡比空氣氣氛下要晚，CO排放量增加，且燃燒區(qū)氣體流速減慢；生物質(zhì)的摻混改善了燃燒特性，使著火和燃盡提前，使CO排放量減少。

呂媛等[9]研究了混合燃料中生物質(zhì)與煤摻混比例對灰熔融特性的影響，并進(jìn)行了動力學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)混合比增加可使混燃物中鋁和鉀含量分別下降和升高，更多低熔點(diǎn)物質(zhì)的生成將導(dǎo)致灰熔融溫度下降。此外，動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)灰熔融反應(yīng)活化能隨生物質(zhì)混合比增加而降低。

陳博文[10]通過沉降爐模擬了電廠中鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況下煤與生物質(zhì)混燃。研究發(fā)現(xiàn)，堿金屬（尤其是K，Na，Ca）對灰熔融特性的影響顯著。堿金屬含量高，會導(dǎo)致混燃物灰熔融變形溫度降低?；以袎A金屬含量隨生物質(zhì)摻混比增加而增加。產(chǎn)生較多粘附力強(qiáng)、熔點(diǎn)低的物質(zhì)，將導(dǎo)致灰渣成渣。

生物質(zhì)與煤在大型電廠鍋爐中混燃是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。王凱等[11]通過數(shù)值模擬方法，以670MW燃煤鍋爐為研究對象，研究了燃料粒徑、氣體再燃、噴入位置等因素對產(chǎn)生污染物的影響。研究發(fā)現(xiàn)，用生物質(zhì)替代下層煤粉后，NOx排放明顯減少，且爐膛下部整體溫度下降；但燃盡溫度升高，可能會導(dǎo)致過熱器超溫。這些發(fā)現(xiàn)對研究和實(shí)際應(yīng)用煤與生物質(zhì)在大型燃煤鍋爐中的混燃具有一定的現(xiàn)實(shí)參考意義。

嵇順[12]通過實(shí)驗(yàn)研究了生物質(zhì)與煤混燃過程中添加劑的影響、混燃特性和結(jié)渣特性。研究表明，添加劑可以促進(jìn)燃燒，減輕結(jié)渣，但會導(dǎo)致NO排放量增加，且過多的添加劑會影響傳熱；混合燃料著火、燃盡溫度及NO生成量隨著生物質(zhì)比例增加而降低。生物質(zhì)灰中含較多助熔物CaO、Fe2O3，可促進(jìn)低溫共熔反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)渣性增強(qiáng)。

張小桃等[13]研究發(fā)現(xiàn)，摻混生物質(zhì)后鍋爐效率和系統(tǒng)效率為純煤燃燒的88%～93%；隨著生物質(zhì)摻混比增大，煙氣中氮硫化合物排放量相應(yīng)減少。此結(jié)論為生物質(zhì)的實(shí)際合理應(yīng)用及減小現(xiàn)有燃煤電廠的污染物排放量提供了理論依據(jù)。

3 結(jié)論與展望

將生物質(zhì)與煤混燒，不僅能在簡單改造現(xiàn)有設(shè)備后直接投產(chǎn)利用，降低投資成本，還可以顯著減少污染排放。發(fā)展生物質(zhì)與煤混合燃燒發(fā)電技術(shù)意義重大且前景廣闊。

由于我國傳統(tǒng)火電技術(shù)較成熟，因此暫時還未在生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)與設(shè)備等方面加以重視。現(xiàn)階段，由于我國生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)的理念和配套設(shè)施還不夠成熟，再加上生物質(zhì)與煤混合燃燒易導(dǎo)致的爐內(nèi)積灰結(jié)渣等問題還會嚴(yán)重影響安全性、可靠性，因此生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)目前還沒有得到國家相應(yīng)政策的大力扶持。不過，隨著我國持續(xù)調(diào)整能源的結(jié)構(gòu)和持續(xù)提高節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)，部分燃煤電廠為響應(yīng)國家發(fā)展計(jì)劃，已經(jīng)對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了改造。

我國生物質(zhì)資源豐富。充分利用生物質(zhì)資源，在形成生物質(zhì)燃料市場后，可以帶動部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能夠有效節(jié)約化石燃料和減輕環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、能源、社會、環(huán)境效益。我國應(yīng)根據(jù)相關(guān)研究成果和資料，充分發(fā)揮生物質(zhì)與煤混燃的諸多優(yōu)勢，加大技術(shù)研發(fā)和資金投入力度，制定科學(xué)的生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)方案，研制高效的相關(guān)設(shè)備，制定相關(guān)扶持政策并加大對生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)的宣傳力度，以推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。