燃煤機(jī)組耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及展望

郭慧娜，吳玉新，王學(xué)斌，王志超，張 縵，黃 中

(1.清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系 ，北京 100084；2.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084; 3.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；4.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

伴隨著能源消耗總量以及電力在能源消耗中占比日益提高，生態(tài)保護(hù)日趨嚴(yán)格，雙碳目標(biāo)迫在眉睫，燃煤電廠作為我國主要碳排放源，僅依靠提高效率和降低能耗已不能滿足要求，需要發(fā)展低碳發(fā)電技術(shù)。截至2020年，我國燃煤機(jī)組總裝機(jī)約10.81億kW[1]，資產(chǎn)總量達(dá)10多萬億元，大多數(shù)機(jī)組服役時(shí)間較短，從資源利用角度來說，燃煤機(jī)組應(yīng)積極發(fā)揮在電力低碳轉(zhuǎn)型過程中的重要作用。世界上其他國家能源轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)表明，利用可再生能源逐步替代部分煤炭發(fā)電是切實(shí)降低化石能源碳排放的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

國際可再生能源署(IRENA)發(fā)布的《2020年可再生能源發(fā)電成本》報(bào)告顯示[3]，大多數(shù)可再生能源的發(fā)電成本已接近或低于化石燃料發(fā)電成本，使得可再生能源大規(guī)模替代化石能源成為可能。其中，生物質(zhì)能源作為一種可用于火電燃料的可再生能源，具有綠色、低碳、清潔等特點(diǎn)，分布廣，來源廣泛，且燃燒產(chǎn)生SO2和NOx較少[4]。同時(shí)，生物質(zhì)發(fā)電受限于原料價(jià)格和運(yùn)輸成本等因素，其成本為煤電的1.5～2.0倍[3,5]。生物質(zhì)發(fā)電的穩(wěn)定性和安全性遠(yuǎn)高于其他形式的可再生能源，且能深度參與電力市場調(diào)峰，在未來能源構(gòu)成中占據(jù)重要作用。

對(duì)于電廠來說，利用生物質(zhì)發(fā)電主要有以下3種方式[6]：① 基于爐排爐、粉狀爐或流化床燃燒系統(tǒng)，建造新的生物質(zhì)發(fā)電廠，存在發(fā)電成本較高、運(yùn)營依賴補(bǔ)貼、不能很好解決燃燒效率低、堿金屬造成的灰渣沾污等問題；② 在大型燃煤鍋爐中以某種方式摻燒一定比例的生物質(zhì)；③ 將現(xiàn)有燃煤鍋爐轉(zhuǎn)變?yōu)榧內(nèi)忌镔|(zhì)。

綜合能源供應(yīng)安全、發(fā)電效率以及發(fā)電成本等多方面因素，在目前大規(guī)模燃煤機(jī)組基礎(chǔ)上摻燒生物質(zhì)，是近30 a內(nèi)能源轉(zhuǎn)型過程中最現(xiàn)實(shí)可行的發(fā)展策略[7]。生物質(zhì)摻燒可以減少化石燃料的使用，快速增加可再生能源在電網(wǎng)中的比例，顯著減少碳排放；還可以借助煤稀釋生物質(zhì)燃料中堿金屬和氯含量，避免生物質(zhì)純?nèi)紟淼囊幌盗懈g結(jié)焦問題[8]?，F(xiàn)有技術(shù)與碳捕捉和封存(CCS)技術(shù)相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)零碳甚至負(fù)碳排放，是大規(guī)模減少二氧化碳排放、實(shí)現(xiàn)中國2060年碳中和的有效方法之一[9-10]。

截至目前，生物質(zhì)摻燒技術(shù)的應(yīng)用非常有限，主要原因既包括政策制定、產(chǎn)業(yè)鏈建立的管理問題，也包括生物質(zhì)摻燒系統(tǒng)推廣應(yīng)用少、技術(shù)成熟度低等技術(shù)挑戰(zhàn)。為此，筆者針對(duì)上述問題開展綜述，系統(tǒng)分析我國生物質(zhì)資源現(xiàn)狀、燃煤機(jī)組和生物質(zhì)的耦合方式、國內(nèi)外典型燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的運(yùn)行情況，總結(jié)了燃煤機(jī)組耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電面臨的問題，并提出建議，以加速推進(jìn)燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展。

1 我國生物質(zhì)資源類型及特點(diǎn)

《3060零碳生物質(zhì)發(fā)展?jié)摿λ{(lán)皮書》[11]顯示，目前我國生物質(zhì)資源年產(chǎn)量34.94億t，作為能源利用的開發(fā)潛力為4.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤。我國生物質(zhì)資源以動(dòng)物糞便、秸稈和林業(yè)剩余物、生活垃圾為主，還包括少量污水污泥和廢棄油脂，如圖1所示。其中生活垃圾主要通過焚燒、熱解、氣化、生產(chǎn)沼氣等方式進(jìn)行資源化利用，年利用量約46%。動(dòng)物糞便主要用于沼氣發(fā)酵和生產(chǎn)肥料飼料，廢棄油脂則可用于生產(chǎn)生物柴油。秸稈和林業(yè)剩余物的能源化利用主要包括直燃和厭氧發(fā)酵，但目前我國秸稈燃料化利用量僅為10%，林業(yè)廢棄物能源化利用量尚不足3%，存在較大資源浪費(fèi)。

由于多年農(nóng)、林作物及廢棄物在自然分解時(shí)產(chǎn)生甲烷等氣體，其溫室效應(yīng)約為CO2的20倍[12]，推進(jìn)農(nóng)林生物質(zhì)的能源化利用不僅可實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，也可大力推動(dòng)我國城鄉(xiāng)各類有機(jī)廢物無害化、減量化和資源化處理。據(jù)估計(jì)，到2060年，各類生物質(zhì)資源化利用的碳減排能力將接近21億t，其中生物質(zhì)發(fā)電路徑下結(jié)合碳捕集技術(shù)的減排能力將達(dá)9億t[11]。

圖1 我國生物質(zhì)資源量和能源化利用量現(xiàn)狀[11]Fig.1 Current status of biomass resources and energy utilization in China[11]

農(nóng)林生物質(zhì)燃料的物理化學(xué)性質(zhì)與煤差異顯著，具體見表1。與煤相比，生物質(zhì)的揮發(fā)分/固定碳比例更高，灰分相對(duì)較低，但堿金屬含量顯著高于煤，此外，生物質(zhì)還普遍具有高水分、高氯含量(0.1%～1.5%)等特點(diǎn)[14]。上述差異使得生物質(zhì)在熱解、著火和燃燒階段的特點(diǎn)與煤有顯著區(qū)別[14-17]：① 與煤相比，生物質(zhì)的熱解溫度和著火溫度更低，因此生物質(zhì)熱解和燃點(diǎn)都會(huì)提前，且生物質(zhì)揮發(fā)分很高，揮發(fā)分燃燒的熱量貢獻(xiàn)比顯著增加，導(dǎo)致生物質(zhì)火焰更接近燃燒器；② 生物質(zhì)單位質(zhì)量熱值低，氧含量高，燃燒后火焰溫度較低，同時(shí)由于生物質(zhì)顆粒粒徑普遍大于煤顆粒，因此生物質(zhì)易出現(xiàn)殘?zhí)剂科叩膯栴}，需要針對(duì)其特點(diǎn)充分考慮燃燒組織；③ 生物質(zhì)灰分相對(duì)低，但其中含有更多的堿和堿土金屬，易造成爐內(nèi)腐蝕、沾污和結(jié)渣現(xiàn)象。

表1 生物質(zhì)和煤的物理化學(xué)性質(zhì)比較[13]

我國生物質(zhì)燃料以農(nóng)作物秸稈為主，其與木質(zhì)顆粒燃料的物理化學(xué)性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致對(duì)燃料制備、燃燒技術(shù)、工藝參數(shù)的要求也不同。相較而言，木質(zhì)顆粒燃料具有熱值高、灰分低、含水率低、腐蝕性元素含量低、易大規(guī)模加工、燃燒后不易結(jié)渣等特點(diǎn)[18]。當(dāng)燃煤發(fā)電機(jī)組耦合少量生物質(zhì)時(shí)(<10%)，大量煤可減輕生物質(zhì)燃燒帶來的積灰結(jié)渣問題，因此適合摻燒的生物質(zhì)種類較多，也可燃用較高灰分、高堿金屬含量和低熔點(diǎn)的生物質(zhì)，如秸稈。當(dāng)生物質(zhì)耦合比例較高時(shí)，大規(guī)模摻燒更適合采用具有較低灰分、較高熔點(diǎn)的生物質(zhì)，如木質(zhì)顆粒[6]。

2 耦合方式及其對(duì)機(jī)組的影響

2.1 燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電通常有3種技術(shù)路線：直燃耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合[19-20]。其中直燃耦合技術(shù)與煤燃燒技術(shù)最接近，成本最低，是電廠的首選[19]。生物質(zhì)和煤可以按照以下5種方案進(jìn)行直燃耦合[20]，如圖2所示。方案1是生物質(zhì)送入備用磨煤機(jī)中碾磨后輸送到已有煤粉燃燒器。方案2是生物質(zhì)與煤在煤場或電廠預(yù)混，在已有磨煤機(jī)中進(jìn)行混合燃料的碾磨、送粉。通常，在不進(jìn)行重大設(shè)備改造的情況下，方案1和方案2可實(shí)現(xiàn)最高10%的耦合。由于生物質(zhì)和煤的可磨性不同，磨煤機(jī)很難將生物質(zhì)磨制為與煤粉相同的粒徑，方案1和方案2可能會(huì)對(duì)原制粉系統(tǒng)的出力產(chǎn)生影響。

圖2 大型煤粉爐直燃耦合生物質(zhì)發(fā)電方案Fig.2 Direct co-firing options in large-scale PC boiler

方案3和方案4是生物質(zhì)燃料先經(jīng)過專用的生物質(zhì)錘磨機(jī)，然后噴入煤粉管道中或直接噴入煤粉燃燒器中；方案5是配置專門的生物質(zhì)錘磨機(jī)和送粉系統(tǒng)，并在鍋爐中安裝專門的燃燒器，此方法可避免方案3和方案4可能產(chǎn)生的生物質(zhì)燃料堵塞煤粉輸送管道的問題。后3種方案需要改造的設(shè)備較多，成本相應(yīng)增加，但混燒比例可達(dá)20%甚至更高，原料適應(yīng)性也更好。

間接耦合需要增加生物質(zhì)氣化設(shè)備和燃?xì)鈬娍?，即生物質(zhì)燃料先通過循環(huán)流化床氣化爐或熱解氣化爐產(chǎn)生氣體燃料，然后將燃?xì)鈬娙脲仩t中燃燒，可以避免生物質(zhì)直燃面臨的沾污和腐蝕問題，有望成為生物質(zhì)利用的重要技術(shù)。相關(guān)研究表明，由于生物質(zhì)氣熱值較低，以較大比例摻燒時(shí)，會(huì)引起鍋爐熱效率降低[21]。

并聯(lián)耦合需要在燃煤鍋爐附近建造一個(gè)完全獨(dú)立的生物質(zhì)燃燒鍋爐，其產(chǎn)生的蒸氣和燃煤產(chǎn)生的蒸氣一同送入汽輪機(jī)中發(fā)電，這種技術(shù)易實(shí)施補(bǔ)貼，但獨(dú)立的生物質(zhì)燃燒鍋爐熱效率低，且運(yùn)營成本最高，使用較少，以丹麥Avedore電廠為代表。各種方案的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。

表2 燃煤電廠耦合生物質(zhì)不同工藝對(duì)比

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐因其燃料粒徑范圍大，原料適應(yīng)性廣，在中低溫(850～900 ℃)下也可以維持穩(wěn)定燃燒，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高比例生物質(zhì)摻燒最可行的技術(shù)之一[8,22-23]。目前，我國100 MW以上CFB鍋爐有400多臺(tái)，在役循環(huán)流化床機(jī)組為88 260 MW，其中超臨界機(jī)組達(dá)18 020 MW[24]。生物質(zhì)基本不需要粉碎，破碎后經(jīng)氣力輸送可直接送入爐內(nèi)直燃，無需較大改造，成本低廉。借助CFB鍋爐良好的燃盡性能，灰燼可充分燃燒并回收利用，如還田還林，在實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料高效燃燒的同時(shí)增加環(huán)境效益。針對(duì)生物質(zhì)引起受熱面腐蝕的問題，可適當(dāng)降低爐膛燃燒溫度，使煙氣溫度低于生物質(zhì)灰熔融溫度。

2.2 燃煤電廠耦合生物質(zhì)對(duì)機(jī)組的影響

由于生物質(zhì)單位體積熱值低、含氧量高，原燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)后，會(huì)造成燃料體積及煙氣量變化，進(jìn)而影響燃料輸運(yùn)儲(chǔ)存處理、燃燒以及受熱面安全，影響程度隨摻混比例提升而逐漸增大。典型生物質(zhì)替換標(biāo)煤及動(dòng)力用煤時(shí)，對(duì)燃料體積和煙氣量造成的影響如圖3所示?？梢姛o論是木質(zhì)成型顆粒、干燥后的秸稈、散料或未干燥的生物質(zhì)，單位熱量所需燃料體積均顯著高于典型動(dòng)力煤。烘焙或干燥后的木制成型顆粒和秸稈，單位熱量產(chǎn)生的煙氣量略高于動(dòng)力煤，而對(duì)于自然干燥的散料或未經(jīng)干燥的生物質(zhì)，其煙氣量顯著高于動(dòng)力煤。

圖3 生物質(zhì)替代單位熱值動(dòng)力煤燃料體積及煙氣量變化Fig.3 Fuel volume and flue gas volume when biomass replaces thermal coal under the same calorific value

相較而言，成型生物質(zhì)顆粒與普通動(dòng)力煤相差較小，因而對(duì)鍋爐本體的改造量較小。在相同熱值下，干燥預(yù)處理后的生物質(zhì)散料(秸稈)的燃料體積量是標(biāo)煤的4倍以上，這意味著若以大比例摻燒生物質(zhì)秸稈，會(huì)增加燃料的粉碎和輸運(yùn)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)；若采用簡單干燥或未干燥的原始生物質(zhì)，不僅單位熱值體積進(jìn)一步增大，且鍋爐煙氣量也顯著上升，會(huì)影響燃煤機(jī)組燃燒組織及受熱面吸熱匹配特性，限制了該類燃料的耦合比例。整體來說，采用原始收集的生物質(zhì)散料直接摻混燃燒方式并不適用于主力機(jī)組煤粉鍋爐開展大比例摻燒。為提高摻燒比例，需要對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行必要的干燥及預(yù)破碎/成型化處理。

已有研究表明，燃煤機(jī)組(煤粉爐或CFB鍋爐)直燃耦合生物質(zhì)時(shí)，會(huì)降低煤的著火溫度、燃盡溫度以及活化能，改善低階煤的燃燒性能[7,25]，這主要與煤和生物質(zhì)耦合燃燒時(shí)，快速升溫引發(fā)的協(xié)同效應(yīng)有關(guān)。生物質(zhì)普遍具有較高的堿、堿土金屬含量(AAEMs)和含氫有機(jī)物。揮發(fā)性無機(jī)AAEMs在生物質(zhì)脫揮發(fā)分過程中被釋放出來，促進(jìn)碳?xì)浠衔锝饘俳j(luò)合物的形成，促進(jìn)煤炭熱解，這種效應(yīng)稱為“催化協(xié)同效應(yīng)”。生物質(zhì)中纖維素和半纖維素先熱解產(chǎn)生H2和·H、·OH、·CH3等富氫活性自由基，與煤熱解產(chǎn)生的自由基結(jié)合，促進(jìn)煤炭熱解，這種效應(yīng)稱為“非催化協(xié)同效應(yīng)”。早期主要通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的煤和生物質(zhì)共熱解過程研究協(xié)同效應(yīng)，采用熱重分析法研究摻燒對(duì)熱重曲線的影響，根據(jù)共熱解的熱重曲線能否通過單獨(dú)熱解的曲線線性加和來判斷共熱解過程中有無發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，結(jié)論尚存在爭議，但一致認(rèn)為摻混比例、生物質(zhì)類型和升溫速率是煤和生物質(zhì)耦合燃燒時(shí)是否發(fā)生協(xié)同效應(yīng)的關(guān)鍵影響因素。在工業(yè)規(guī)模的燃煤鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒條件下，生物質(zhì)燃料粒徑(0.5 ～1.0 mm)、進(jìn)料位置等因素對(duì)協(xié)同效應(yīng)的影響以及哪種協(xié)同效應(yīng)占主導(dǎo)需通過試驗(yàn)或CFD模擬開展進(jìn)一步深入研究，可確定最佳原料組成和耦合比例以增強(qiáng)協(xié)同作用，從而改善整體的燃燒性能[26-28]。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和CFD模擬，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)直燃耦合時(shí)，摻燒比例較低(約10%)對(duì)鍋爐的煙氣量、煙溫以及鍋爐效率影響不大[7]，與單燒煤炭時(shí)的工況相比，當(dāng)摻燒比例提高至20%及以上時(shí)，燃燒器附近溫度降低[29]，而爐膛出口煙溫和排煙溫度升高[30]，燃燒器附近的CO濃度升高，具體影響與燃料、爐膛內(nèi)受熱面的布置以及燃燒器位置等因素有關(guān)。尤其是生物質(zhì)氣化耦合時(shí)，由于煙氣量增加，使對(duì)流受熱面換熱增強(qiáng)，受熱面出口溫度和減溫水量隨摻燒比例增加而大幅提高，當(dāng)摻燒比例為30%時(shí)已不能保證鍋爐的安全運(yùn)行[31]。

污染物排放性能研究表明，摻燒比例為6%～20%時(shí)，隨著生物質(zhì)摻混量增加，NOx和SO2排放量降低[29]。NOx降低可能有2方面原因：① 摻燒生物質(zhì)后爐膛溫度降低，可抑制部分熱力型NOx生成；② 生物質(zhì)揮發(fā)分較高且氮元素主要以氨基形式存在，當(dāng)生物質(zhì)在上層燃燒器口送入爐膛還原區(qū)，熱解過程產(chǎn)生大量CHi和NHi基團(tuán)，通過再燃和熱力脫硝，可將煤粉產(chǎn)生的NOx還原為HCN和N2[14]。SO2排放量降低可能是被生物質(zhì)中富含堿金屬的底灰和飛灰顆粒所捕獲。

生物質(zhì)灰(尤其是農(nóng)林生物質(zhì)灰)中豐富的無機(jī)成分(K、Na、S、Cl、P、Ca、Mg、Fe、Si)能降低灰熔融溫度，大比例摻燒會(huì)引起沾污結(jié)渣問題，微量元素如Pb、Cd和Hg還會(huì)釋放有毒物質(zhì)[32]。生物質(zhì)中堿金屬與硅、硫相結(jié)合，在氯的協(xié)同作用下會(huì)影響鍋爐運(yùn)行，如加劇受熱面的沾污和腐蝕、影響熱傳導(dǎo)過程、縮短設(shè)備使用壽命等[14,33]。由于生物質(zhì)中富含的堿金屬會(huì)破壞催化劑表面酸性位，隨著摻燒比增加會(huì)造成SCR催化劑失活率增加[22,34]。摻燒比例較低時(shí)，由于大量煤稀釋元素，對(duì)NOx影響不大。當(dāng)摻燒高比例或全燒生物質(zhì)時(shí)，可向鍋爐中添加粉煤灰以降低催化劑失活率[22,35]。

3 燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電在國內(nèi)外發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

國際可再生能源署發(fā)布的報(bào)告中公布了一些國家截至2016年時(shí)為發(fā)展生物質(zhì)耦合發(fā)電所采取的措施和經(jīng)驗(yàn)論證，尤其是北歐國家[6]。結(jié)果表明，生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)完全可控，且發(fā)電效率較高。在有利政策的加持下，對(duì)燃煤機(jī)組實(shí)現(xiàn)高達(dá)100%燃燒生物質(zhì)燃料完全可行。關(guān)于國內(nèi)外燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展及存在問題，已有學(xué)者進(jìn)行了較詳細(xì)的綜述[6,8,36-38]，以下將介紹部分應(yīng)用情況。

3.1 國外典型生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組應(yīng)用情況

由于生物質(zhì)直燃耦合發(fā)電具有建設(shè)成本低、發(fā)電效率高、運(yùn)行維護(hù)成本低、規(guī)模大等多優(yōu)點(diǎn)，目前歐洲一些國家已普遍采用此技術(shù)實(shí)施不同比例的生物質(zhì)摻燒。歐洲大型燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)大多采用直燃耦合的方式，原料以木質(zhì)顆粒燃料為主，形式以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，在提高能源利用效率的同時(shí)滿足地區(qū)供暖需求。其中芬蘭是流化床鍋爐耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的代表，已基本完成從煤到生物質(zhì)燃料的轉(zhuǎn)換。英國一直堅(jiān)持大型燃煤電廠直燃耦合路線并不斷提高耦合比例，目前有13座容量超過1 000 MW的大型燃煤火電廠完成生物質(zhì)混燒發(fā)電，并計(jì)劃于2025年全部淘汰煤電。英國最大的火電廠Drax于2008年啟動(dòng)電廠生物質(zhì)混燒改造工程，經(jīng)過幾輪試驗(yàn)，目前6臺(tái)660 MW鍋爐均實(shí)現(xiàn)100%燃燒生物質(zhì)，并計(jì)劃聯(lián)合生物質(zhì)碳捕集儲(chǔ)存技術(shù)(BECCS)進(jìn)行深度碳減排。亞洲國家中，日本目前有12家燃煤電廠實(shí)施木質(zhì)類生物質(zhì)摻燒，摻燒熱量2%～3%。各國典型的燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組情況見表3，其技術(shù)路線對(duì)我國具有借鑒意義。

表3 國外典型生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組應(yīng)用情況

3.2 國內(nèi)典型燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電應(yīng)用情況

近年來，隨著碳減排目標(biāo)的提出，國內(nèi)嘗試對(duì)煤粉爐摻燒生物質(zhì)(直接耦合)和生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電(間接耦合)，一些典型的生物質(zhì)耦合項(xiàng)目見表4。

表4 國內(nèi)典型生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組應(yīng)用情況

較典型的有山東十里泉電廠、寶雞二電和荊門電廠[41-42]，主要原料為農(nóng)作物廢棄物。其中，十里泉電廠是國內(nèi)首個(gè)開展煤粉和秸稈耦合發(fā)電的示范項(xiàng)目。運(yùn)行初期由于秸稈原料價(jià)格較低，摻燒效益良好，后期受秸稈價(jià)格飆升以及生物質(zhì)補(bǔ)貼政策取消的影響，項(xiàng)目停止運(yùn)行。國電寶雞二電在不增加電廠設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用F層備用磨煤機(jī)和燃燒器實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)摻燒，由于成本原因，該項(xiàng)目于2016年停止運(yùn)行。與國外生物質(zhì)耦合技術(shù)相比，我國生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)存在以下特點(diǎn)：① 燃用生物質(zhì)以秸稈等草本生物質(zhì)為主，對(duì)生物質(zhì)直燃的摻混比例提出挑戰(zhàn)；② 我國生物質(zhì)利用裝置整體呈小而散的特點(diǎn)，單臺(tái)機(jī)組的規(guī)模通常在100 MW以下[23]，生物質(zhì)利用效率較低，分布地區(qū)分散，在大型燃煤電站鍋爐上應(yīng)用較少。

截至2020年，我國各類生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)2 952萬kW，位居世界第一，但農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電累計(jì)裝機(jī)僅1 330萬kW，不及垃圾焚燒發(fā)電裝機(jī)量[43]。后續(xù)我國燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電能否順利實(shí)施，仍受限于能否獲得合理的生物質(zhì)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)。

4 生物質(zhì)直燃耦合的挑戰(zhàn)

4.1 政策及運(yùn)營管理挑戰(zhàn)

國外農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目普遍采用單一高品質(zhì)原料，由發(fā)電廠建立運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)以及專門的儲(chǔ)運(yùn)和處理廠，已形成了規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)供應(yīng)鏈。

而我國生物質(zhì)由于農(nóng)林廢棄物分布較分散，收集和儲(chǔ)運(yùn)困難，造成生物質(zhì)資源不穩(wěn)定、生物質(zhì)價(jià)格波動(dòng)大，直接制約燃煤耦合生物質(zhì)的規(guī)?；l(fā)展。與此同時(shí)，生物質(zhì)原料價(jià)格易受工廠哄抬而飆升。由于農(nóng)林生物質(zhì)原料成本約占總運(yùn)行成本的60%～65%[44]，成本攀升后可能出現(xiàn)虧損。以上特點(diǎn)決定了生物質(zhì)利用較高的政策敏感性，如果國家政策未及時(shí)落地或發(fā)生變動(dòng)，將導(dǎo)致生物質(zhì)摻燒電廠難以長期運(yùn)行，國內(nèi)大容量機(jī)組摻燒生物質(zhì)運(yùn)行狀況無法進(jìn)一步發(fā)展。

因此，如何在國內(nèi)形成一套經(jīng)濟(jì)性的可復(fù)制、可傳播的生物質(zhì)原料加工流程和模式，建立優(yōu)化的生物質(zhì)供應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈，落實(shí)合理的生物質(zhì)利用補(bǔ)貼政策，是促進(jìn)生物質(zhì)高比例耦合發(fā)電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)應(yīng)注重各場景下的生物質(zhì)供應(yīng)鏈優(yōu)化研究；加大對(duì)先進(jìn)低成本的生物質(zhì)加工技術(shù)的研發(fā)投入；可采用熱電聯(lián)產(chǎn)[45]、生產(chǎn)土壤修復(fù)劑對(duì)生物質(zhì)灰渣進(jìn)行資源化利用[46-47]等多種方式，獲得更高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，以擺脫對(duì)政策的過度依賴。政策上應(yīng)該加大力度支持燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電與純?nèi)忌镔|(zhì)享受同樣的上網(wǎng)電價(jià)，積極構(gòu)建“生物質(zhì)—發(fā)電—肥料還田”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，鼓勵(lì)開發(fā)利用邊際土地資源種植速生林等，促進(jìn)其在我國能源轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮更大作用[48]。此外，研究表明，發(fā)展速生草本或木本等能源作物的成本可控制在300元/t，每平方千米干物質(zhì)產(chǎn)量700～ 7 500 t/a(標(biāo)煤)[49-50]，有望解決生物質(zhì)豐度不足、來源不穩(wěn)定、運(yùn)輸成本高等難題，為此，需要對(duì)電廠附近種植速生草本/木本生物質(zhì)的可行性開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究，為探索未來生物質(zhì)摻燒的可行路徑提供依據(jù)[10]。

4.2 高比例摻混的技術(shù)挑戰(zhàn)

除生物質(zhì)供應(yīng)鏈缺失、生物質(zhì)利用政策難以落實(shí)外，由于生物質(zhì)自身的特性，對(duì)高效率、高比例摻混生物質(zhì)技術(shù)仍存在一定挑戰(zhàn)。盡管已有研究表明循環(huán)流化床技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高比例摻燒生物質(zhì)燃料，但由于我國主力電站機(jī)組仍以煤粉爐為主，且煤粉爐發(fā)電效率更高，因此必須發(fā)展先進(jìn)的煤粉爐高比例摻混生物質(zhì)技術(shù)。在這一領(lǐng)域的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)方面：

1)對(duì)生物質(zhì)與煤混燒特性需要更多基礎(chǔ)研究。目前國內(nèi)外利用小型試驗(yàn)裝置對(duì)固體生物質(zhì)常規(guī)條件下的摻燒、熱解、燃燒特性已開展了深入研究[51-55]，但試驗(yàn)條件與實(shí)際工況中煤粉和生物質(zhì)混合情況仍有較大差異，如試驗(yàn)臺(tái)多為管式爐、落管爐等，爐內(nèi)是靜止或?qū)恿鳠釟饬飨碌娜紵h(huán)境，無法反映實(shí)際燃燒器周圍的湍流及熱煙氣流動(dòng)摻混特征，難以研究生物質(zhì)顆粒與煤粉燃燒行為的差異。因此，需在更接近實(shí)際燃燒工況的層面進(jìn)行高比例混燃研究[56]。針對(duì)生物質(zhì)直燃對(duì)燃煤鍋爐運(yùn)行的影響，還有待深入開展試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[57-58]，可借助數(shù)值模擬方法研究生物質(zhì)燃料的成分、熱值、粒徑和形狀、爐內(nèi)噴射位置、富氧條件等因素對(duì)大容量燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)運(yùn)行狀況(包括火焰形狀、溫度場、污染物排放、碳煙)的影響。目前生物質(zhì)直燃相關(guān)的中試研究主要針對(duì)單一容量和類型的鍋爐，結(jié)論并不一致。

2)缺乏成熟的高效、靈活大比例摻混生物質(zhì)燃燒技術(shù)。由于生物質(zhì)來源不穩(wěn)定及燃燒特性多變等特點(diǎn)，高比例摻混生物質(zhì)技術(shù)應(yīng)滿足從燃料制備、風(fēng)粉系統(tǒng)輸運(yùn)和燃燒組織上實(shí)現(xiàn)煤粉和生物質(zhì)在大比例范圍內(nèi)可調(diào)，并保證較高的燃燒效率。由于煤粉(75 μm)和生物質(zhì)粒徑(1.5～6.0 mm)的差異，一般需要配置額外的生物質(zhì)燃燒器。而目前對(duì)高性能生物質(zhì)燃燒器，以及高性能的高比例摻混生物質(zhì)的煤粉燃燒器，都缺乏成熟的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。尤其考慮到生物質(zhì)來源的不穩(wěn)定性，當(dāng)缺乏生物質(zhì)時(shí)，適用于燃燒生物質(zhì)的燃燒器如何高效燃燒煤粉，或燃燒煤粉的燃燒器如何高效燃燒生物質(zhì)，均是迫切需要解決的技術(shù)問題。

對(duì)于新建的生物質(zhì)鍋爐或生物質(zhì)摻燒鍋爐，可通過控制蒸氣溫度、受熱面管材、使用管道涂層等方法避免腐蝕。針對(duì)我國秸稈類生物質(zhì)燃料，還可以在加工過程中添加抗結(jié)渣劑提高灰熔融溫度[59]來降低結(jié)渣現(xiàn)象。然而對(duì)于已有燃煤機(jī)組，大比例摻燒時(shí)需充分考慮到鍋爐受熱面結(jié)渣和沾污風(fēng)險(xiǎn)。

3)制粉系統(tǒng)的優(yōu)化及匹配有待升級(jí)。目前對(duì)于電廠中大比例生物質(zhì)原料的加工和處理仍缺乏成熟的低成本技術(shù)和裝備[6]。不僅生物質(zhì)原料供應(yīng)和加工需要較高的運(yùn)營成本，已有燃煤磨機(jī)在進(jìn)行生物質(zhì)破碎時(shí)，往往出力和效率均嚴(yán)重下降。在已有的磨煤機(jī)系統(tǒng)上同時(shí)磨制生物質(zhì)和煤時(shí)，難以保證2者粒度匹配，因此共磨時(shí)生物質(zhì)最大摻燒比例僅為5%。摻燒比例更高時(shí)，為避免磨煤機(jī)堵塞，往往需要配套獨(dú)立的生物質(zhì)處理給料系統(tǒng)，而這一系統(tǒng)往往成本高、容量小，難以滿足高比例摻燒的需求。在制粉系統(tǒng)中，生物質(zhì)耦合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生爆炸的概率較高，需要特別注意生物質(zhì)顆粒輸送和儲(chǔ)存安全性。生物質(zhì)經(jīng)處理后水分低(15%左右)、揮發(fā)分極高(70%～80%)、密度較低，運(yùn)輸過程中易遭到機(jī)械性損壞，因此生物質(zhì)顆粒物產(chǎn)生粉塵水平高，在密閉空間里易發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸。英國Tilbury電廠和丹麥Aved?re電廠都曾發(fā)生過重大爆炸事故[60]，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。因此在儲(chǔ)運(yùn)過程中需監(jiān)測溫度、可燃?xì)怏w水平，注意通風(fēng)，必要時(shí)安裝除塵器捕集粉塵。

4)研發(fā)生物質(zhì)摻混比例在線監(jiān)測技術(shù)。燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，離不開生物質(zhì)電價(jià)補(bǔ)貼或其他政策，需對(duì)其中生物質(zhì)的發(fā)電量進(jìn)行識(shí)別和定量。間接耦合方式中生物質(zhì)發(fā)電量可通過在燃?xì)廨斔凸艿郎习惭b在線分析儀和流量計(jì)進(jìn)行折算，方法簡便，較為可靠，已應(yīng)用于國內(nèi)間接耦合的發(fā)電項(xiàng)目[39]。而直燃耦合中生物質(zhì)計(jì)量難度較大，國內(nèi)還未進(jìn)行大型示范應(yīng)用，理論方法主要包括入爐前計(jì)量和入爐后計(jì)量兩大類[61-64]。其中，入爐前的計(jì)量方法基于生物質(zhì)和煤物理性質(zhì)的差異，主要包括：① 利用稱重傳感器進(jìn)行質(zhì)量計(jì)量，利用光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)燃料輸運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行拍照，并基于圖像識(shí)別算法識(shí)別其中生物質(zhì)的混燒比例或摻混雜質(zhì)[61]；② 利用光譜識(shí)別或X射線識(shí)別確定生物質(zhì)比例。以上方法雖然理論上可實(shí)現(xiàn)在線測量，但前期需要收集大量的基礎(chǔ)燃料信息并進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，目前停留于試驗(yàn)研究階段。入爐后的計(jì)量法主要基于生物質(zhì)和煤化學(xué)性質(zhì)的差異，如某種元素組分差別較大，進(jìn)而通過分析煙氣中該種元素的組分變化情況來反推生物質(zhì)摻混情況。如基于生物質(zhì)和煤中不同硫含量，利用煙氣中SO2含量反推生物質(zhì)含量，需提前標(biāo)定其函數(shù)關(guān)系[62]；生物質(zhì)含有一定量的14C，其半衰期為5 730 a，煤經(jīng)過數(shù)百萬年的演變14C含量基本為0，基于檢測煙氣中14C含量可以推算生物質(zhì)摻燒比例[63-64]，國外已證明了該監(jiān)測技術(shù)的準(zhǔn)確性和可行性，并得到國際能源署(IEA)驗(yàn)證，但目前國內(nèi)還未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，亟需發(fā)展成熟的生物質(zhì)摻混比例在線測量技術(shù)。

5 結(jié)語與展望

1)燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在歐洲等發(fā)達(dá)國家經(jīng)過20余年的發(fā)展已較為成熟，實(shí)踐證明在有力的監(jiān)管和激勵(lì)政策下，煤粉爐和流化床機(jī)組可由燃煤過渡到全燃生物質(zhì)，是公認(rèn)的降低燃煤機(jī)組CO2排放的關(guān)鍵路線之一。

2)與歐洲發(fā)達(dá)國家相比，我國農(nóng)林生物質(zhì)資源雖然儲(chǔ)量豐富，但未被資源化利用。受限于原料成本偏高、政策補(bǔ)貼不到位和高比例耦合技術(shù)不成熟等原因，我國燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展較為緩慢，與國外相比仍存在較大差距。

3)我國燃煤機(jī)組直燃耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)目前面臨著一些挑戰(zhàn)，包括缺乏穩(wěn)定低成本的生物質(zhì)原料供應(yīng)和加工流程、無成熟的高比例耦合技術(shù)、受熱面沾污腐蝕、摻燒時(shí)生物質(zhì)發(fā)電量的計(jì)量尚未形成標(biāo)準(zhǔn)等。

4)生物質(zhì)作為一種國際公認(rèn)的“零碳”能源，在碳交易體系中有著巨大優(yōu)勢(shì)。未來，燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在我國電力板塊降碳中將發(fā)揮重要作用，需從以下方面做出努力：① 政策上，需要在國內(nèi)形成一套經(jīng)濟(jì)性的可復(fù)制、可傳播的生物質(zhì)原料加工流程和模式，建立穩(wěn)定的生物質(zhì)供應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈，落實(shí)合理的生物質(zhì)利用補(bǔ)貼政策和配套激勵(lì)措施；② 在技術(shù)上，需大力開展生物質(zhì)摻混相關(guān)基礎(chǔ)研究，發(fā)展大比例摻燒范圍內(nèi)生物質(zhì)摻混比例靈活可調(diào)且高效的燃燒技術(shù)，解決生物質(zhì)摻混比例在線監(jiān)測、生物質(zhì)粉碎、上料及高效燃燒方面技術(shù)難題。同時(shí)需要按耦合比例由低到高開展生物質(zhì)耦合發(fā)電示范項(xiàng)目，探索BECCS技術(shù)，逐步將火電機(jī)組從原料減碳過渡到原料脫碳直至煙氣脫碳，推動(dòng)生物質(zhì)在碳減排方面發(fā)揮更大作用。