煤粉爐摻燒生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展

周 義，張守玉，郎 森，劉思?jí)?，楊?jì)凡，馬達(dá)夫，胡 南，吳玉新

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130103；3.清華大學(xué) 熱能工程系，北京 100084)

0 引 言

近年來(lái)，化石燃料過(guò)度使用造成的環(huán)境惡化、氣候變暖等問(wèn)題受到國(guó)際社會(huì)重視，控制CO2排放已迫在眉睫。國(guó)家主席習(xí)近平在聯(lián)合國(guó)第七十五屆聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)鄭重承諾：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。

在我國(guó)所有工業(yè)部門(mén)中，發(fā)電行業(yè)是CO2最大排放者，2019年中國(guó)火力發(fā)電CO2排放量達(dá)4.3 Gt，占全國(guó)總排放量的41%。研究認(rèn)為中國(guó)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)阻礙了碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2]。為優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，火力發(fā)電需要為新能源讓出發(fā)電負(fù)荷，然而風(fēng)能、水能、光伏等新能源由于其隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)導(dǎo)致電網(wǎng)難以消納。此外，現(xiàn)階段燃煤機(jī)組調(diào)峰能力尚有不足致使“棄風(fēng)”、“棄光”甚至部分地區(qū)“拉閘”現(xiàn)象發(fā)生[3-6]。若強(qiáng)制控碳減排，關(guān)停煤電機(jī)組勢(shì)必造成巨大的資產(chǎn)擱置，危害我國(guó)能源安全。

聯(lián)合國(guó)氣候變化委員會(huì)發(fā)布了各種電源碳排放強(qiáng)度，其中煤電、石油、天然氣、生物質(zhì)碳排放強(qiáng)度分別為1 001、840、469和18 g/kWh(以CO2計(jì))[7]，與煤電、石油、天然氣相比，生物質(zhì)的碳排放強(qiáng)度可忽略不計(jì)。生物質(zhì)儲(chǔ)量豐富、可再生、清潔、反應(yīng)活性好[8-10]，利用現(xiàn)有煤粉爐摻燒生物質(zhì)僅需適當(dāng)改造，可實(shí)現(xiàn)CO2快速減排，促進(jìn)鍋爐側(cè)燃料靈活性轉(zhuǎn)變[11]。此外，農(nóng)林類(lèi)生物質(zhì)中揮發(fā)分高，與煤混燃能改善燃料燃燒性能，降低著火熱[12]，有助于機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃并促進(jìn)其向更低負(fù)荷調(diào)峰[13]。而生活垃圾、禽畜糞便、污泥及廢棄油脂類(lèi)生物質(zhì)能源化利用可使其無(wú)害化、資源化，利于環(huán)境治理。

燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在歐美國(guó)家應(yīng)用甚廣，煤/生物質(zhì)混燒電站已達(dá)200余家[14]。我國(guó)在《能源、電力“十三五”規(guī)劃》中也堅(jiān)定支持發(fā)展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)[15]，但由于起步晚，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。筆者總結(jié)生物質(zhì)與煤混燃的燃燒特性、結(jié)渣特性及污染物排放特性，討論了燃煤電站耦合生物質(zhì)發(fā)電方式、改造路線以及技術(shù)壁壘，并對(duì)技術(shù)壁壘的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行概述，為燃煤電站摻燒生物質(zhì)改造提供理論和技術(shù)支持。

1 摻燒生物質(zhì)對(duì)燃燒、結(jié)渣、排放的影響

在盡量不改變機(jī)組結(jié)構(gòu)的同時(shí)進(jìn)行摻燒或煤種改良等，可增強(qiáng)鍋爐燃料靈活性，提高整個(gè)機(jī)組對(duì)燃料的適應(yīng)性[16]。機(jī)組對(duì)燃料的適應(yīng)性是保證燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力的基礎(chǔ)。對(duì)于煤粉爐摻燒生物質(zhì)而言，有必要對(duì)生物質(zhì)燃料特點(diǎn)及其與煤混燃的燃燒、結(jié)渣及污染物排放特性進(jìn)行研究。

1.1 生物質(zhì)燃料特點(diǎn)

國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)將生物質(zhì)定義為通過(guò)光合作用所形成的有機(jī)體，包括動(dòng)植物以及微生物[17]，主要有農(nóng)林廢棄物、污泥、動(dòng)物糞便、生活垃圾、廢棄油脂。我國(guó)生物質(zhì)資源量及其能源化利用現(xiàn)狀如圖1所示。同時(shí)，筆者對(duì)不同類(lèi)型生物質(zhì)燃料及煤的燃料性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 我國(guó)生物質(zhì)資源量及其能源化利用現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of biomass resources and energy utilization in China

表1 不同生物質(zhì)及煤的燃料性質(zhì)統(tǒng)計(jì)(平均值)Table 1 Statistics on properties of different types of biomass fuels and coals(average)

1)秸稈。截至2020年，我國(guó)秸稈資源年產(chǎn)量為8.29億t，但能源化利用僅有8 821.5萬(wàn)t[17]，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。秸稈揮發(fā)分高、固定碳低、低硫、低灰分，是良好的清潔燃料[21]。但缺點(diǎn)是能量密度低、分布較分散，其供應(yīng)受季節(jié)影響較大。

2)林業(yè)剩余物。林業(yè)剩余物主要指林業(yè)的“三剩物”即砍伐剩余物、造材剩余物及加工剩余物，我國(guó)年林業(yè)剩余物產(chǎn)量約3.5億t[17]。與農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈相比，林業(yè)剩余物不僅具有高揮發(fā)分、低灰、低硫等特點(diǎn)，其纖維素含量較低、木質(zhì)素含量較高，易破碎為粉末顆粒，較適于煤粉爐直接摻燒。

3)污泥。由《3060零碳生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿λ{(lán)皮書(shū)》可知，我國(guó)2020年污水污泥干重產(chǎn)量為1 447萬(wàn)t，僅有114.6萬(wàn)t被能源化利用[17]。污泥主要特點(diǎn)為：高水分、高灰分、低熱值以及較高的重金屬含量[22]。

4)動(dòng)物糞便。我國(guó)2020年畜禽糞便干重產(chǎn)量達(dá)18.7億t，沼氣化利用僅為2.11億t[17]。糞便類(lèi)生物質(zhì)主要特點(diǎn)為高水分、低灰分、相對(duì)較低的熱值[23]。

5)生活垃圾。當(dāng)前我國(guó)生活垃圾年產(chǎn)量為3.1億t，其中垃圾焚燒量約為1.43億t[17]。其特點(diǎn)為：熱值低、重金屬含量高、污染重。

6)廢棄油脂。油脂廢棄物指食品加工業(yè)及餐飲業(yè)中不能再使用的動(dòng)植物油脂，我國(guó)廢棄油脂年產(chǎn)量為1 055.1萬(wàn)t，能源化利用量為52.76萬(wàn)t[17]。

1.2 生物質(zhì)/煤混燃燃燒特性

燃料的燃燒特性是鍋爐燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，主要包括燃料的燃點(diǎn)、燃燒速率、熱值、燃盡溫度等[24]。

對(duì)于農(nóng)林廢棄物類(lèi)生物質(zhì)而言，其高揮發(fā)分、低碳含量的燃料性質(zhì)決定了該類(lèi)生物質(zhì)具有較好的反應(yīng)活性及低熱值[25-29]。而煤較低的揮發(fā)分、較高的含碳量決定了煤的高熱值，也導(dǎo)致反應(yīng)活性較差。相對(duì)燃煤而言，生物質(zhì)與煤混燃增加了燃料揮發(fā)分含量，使其燃燒過(guò)程中局部揮發(fā)分增加，提高局部揮發(fā)分與氧氣體積分?jǐn)?shù)的比值,燃點(diǎn)為不同環(huán)境溫度與揮發(fā)分等參量的函數(shù)，揮發(fā)分與氧氣體積分?jǐn)?shù)比越大越易著火[30]。因此，摻燒該類(lèi)生物質(zhì)可降低混合燃料的燃點(diǎn)使燃燒提前[26]。王健等[27]對(duì)不同摻混比例下平朔煤與棉桿混合焦的燃燒特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻入一定比例棉桿焦可降低混合焦燃燒活化能從而降低燃點(diǎn)、提高燃燒速率，但生物質(zhì)焦與煤焦燃燒速率及奪氧能力的不同使混合燃料的燃燒速率與摻燒比例呈非線性變化。戴惠玉[28]研究不同比例鋸末和煤的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)隨生物質(zhì)摻燒量的增加，燃料燃燒性能越好，而燃盡性能變化不大，但仍存在最佳混燃比。王華山等[29]研究了蘭炭和稻殼混燃的燃盡性能，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)灰熔融溫度低，隨生物質(zhì)添加比例增加，燃燒產(chǎn)生的灰分會(huì)堵塞燃料細(xì)孔，抑制揮發(fā)分析出和焦炭燃燒。綜上，雖然生物質(zhì)摻燒可降低燃料燃點(diǎn)，促進(jìn)煤燃燒，但摻混比對(duì)燃燒速率及燃盡性能的影響不同，仍需進(jìn)一步研究。

對(duì)于污泥類(lèi)生物質(zhì)，其含水量高和灰分高的特點(diǎn)導(dǎo)致熱值較低，但經(jīng)干燥脫水后熱值與褐煤相當(dāng)[21]，增加了其能源化利用的可能性。煤與干化后污泥混燃時(shí)，由于污泥中揮發(fā)分相對(duì)較高，混合燃料的燃點(diǎn)降低，著火穩(wěn)定性高于煤。高揮發(fā)分燃料性質(zhì)特點(diǎn)往往會(huì)使燃盡提前[30]。但污泥灰含量較高，其綜合燃燒特性指數(shù)低于煤，整體燃燒性能不如煤。

煤粉爐摻燒禽畜糞便、濕垃圾等生物質(zhì)時(shí)，通常將該類(lèi)生物質(zhì)經(jīng)氣化爐生成CH4、CO、H2等低燃點(diǎn)生物質(zhì)氣，然后通入煤粉爐耦合燃燒。低燃點(diǎn)氣體的作用與揮發(fā)分類(lèi)似，可降低燃點(diǎn)，改善燃燒特性，提高燃燒穩(wěn)定性[31]。

摻燒農(nóng)林類(lèi)生物質(zhì)及生物質(zhì)氣可改善燃燒特性。煤粉爐摻燒農(nóng)林生物質(zhì)及生物質(zhì)氣時(shí)爐膛只需維持在煤粉燃點(diǎn)以上[32]，即可順利著火。一次風(fēng)著火距離與燃料揮發(fā)分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[30]，即揮發(fā)分含量越高著火距離越短，越有利于鍋爐穩(wěn)定燃燒。因此，利用該特性可在鍋爐不投油時(shí)，增加鍋爐低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性，提高機(jī)組調(diào)峰能力。

1.3 生物質(zhì)/煤混燃結(jié)渣特性

鍋爐結(jié)渣是復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，農(nóng)林類(lèi)生物質(zhì)及污泥類(lèi)生物質(zhì)中富含大量無(wú)機(jī)元素，其與煤混燃過(guò)程中易生成氣相冷凝細(xì)灰及低溫共熔體[33]，黏附在換熱面上易造成結(jié)渣。結(jié)渣是生物質(zhì)/煤混燃的最大風(fēng)險(xiǎn)，而灰熔融溫度及煙氣中堿金屬含量是反映鍋爐結(jié)渣狀況的重要參數(shù)。

影響生物質(zhì)/煤灰熔融溫度的元素主要有K、Na、Ca、Mg、S、Cl、Fe、Al、Si、P等[22]。黃東東等[34]認(rèn)為灰中成分可分為酸性氧化物(SiO2、Al2O3)及堿性氧化物(K2O、Na2O、CaO、Fe2O3、MgO)，酸性陽(yáng)離子具有較高的離子勢(shì)，易與氧離子結(jié)合形成多聚物提高灰熔融溫度；而離子勢(shì)較低的堿性陽(yáng)離子作為氧的給予體能解聚多聚物，降低灰熔融溫度。非金屬元素Cl、S含量對(duì)堿金屬及堿土金屬的成灰過(guò)程有重要影響，Cl元素可以增大燃燒過(guò)程中堿金屬的析出比例[35]，S元素雖然會(huì)與堿金屬發(fā)生硫化反應(yīng)降低煙氣中堿金屬含量，但生成的硫酸鹽易在換熱面上冷凝，形成黏性表層進(jìn)而捕獲煙氣中灰顆粒造成鍋爐結(jié)渣[36]。因此，煤粉爐摻燒生物質(zhì)需考慮混合燃料的酸堿比及堿金屬含量[35]。農(nóng)林廢棄物堿金屬含量高，大量摻燒時(shí)易結(jié)渣；而污泥灰含量較高，相較于農(nóng)林廢棄物更易積灰，因此污泥摻燒過(guò)程中需控制污泥摻燒量，注意爐膛及時(shí)吹灰；而摻燒生物質(zhì)氣可一定程度緩解灰熔融溫度低引起的爐底結(jié)渣[21]，但生物質(zhì)氣中仍含有堿金屬，易形成氣相冷凝細(xì)灰進(jìn)而造成結(jié)渣。

1.4 生物質(zhì)/煤混燃污染物排放特性

煤粉爐摻燒生物質(zhì)可有效降低CO2排放，但SOx、NOx等污染物排放取決于燃料硫含量、氮含量及爐膛燃燒溫度等[37-38]。

1)SOx排放。農(nóng)林類(lèi)生物質(zhì)硫含量較低[18]，因此在摻燒生物質(zhì)時(shí)鍋爐硫化物排放量低。此外，生物質(zhì)中富含K、Ca、Mg等堿金屬，其與煤燃燒過(guò)程中，堿金屬會(huì)與煙氣SO2反應(yīng)生成硫酸鹽起到良好的固硫作用，可進(jìn)一步降低煙氣中SOx含量[39]。而污泥含硫量通常比煤高且主要以易揮發(fā)的有機(jī)硫形態(tài)賦存[23]，不適合大量摻燒，但低比例摻燒時(shí)，煤中Ca等礦物質(zhì)可與SOx發(fā)生反應(yīng)固硫，對(duì)SOx排放影響不大[40]。生物質(zhì)氣中硫含量極低，摻燒生物質(zhì)氣可有效降低SOx排放[41]。

2)NOx排放。燃煤鍋爐煙氣中NOx生成方式比較復(fù)雜。燃燒過(guò)程中生成的NOx可分為燃料型、熱力型及快速型，燃料型NOx占75%左右，熱力型約占20%，快速型NOx生成量較少[42]。

摻燒農(nóng)林生物質(zhì)是減少NOx排放的重要方法，該類(lèi)生物質(zhì)與煤混燃過(guò)程中，生物質(zhì)中揮發(fā)分大量釋放并與煤粉奪氧燃燒導(dǎo)致煤粉周?chē)霈F(xiàn)局部貧氧，可有效抑制中間產(chǎn)物向NOx轉(zhuǎn)化[43]。其次，生物質(zhì)中氮常以氨基形式存在，易于還原氣氛下生成CHi、NHi等基團(tuán)，將生成的NOx轉(zhuǎn)化為HCN和N2[44]。此外，生物質(zhì)熱值較低，摻燒生物質(zhì)時(shí)爐膛溫度相應(yīng)降低，可減少熱力型NOx的生成，但鍋爐過(guò)低的煙溫易導(dǎo)致SCR脫硝催化劑失活[32]。倪剛等[18]在50 kW下行爐上對(duì)生物質(zhì)與貧煤混燃的摻燒位置進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)從還原區(qū)且接近燃盡區(qū)射入對(duì)NO的還原效果較好。但實(shí)際改造過(guò)程中考慮到摻燒方式、燃料性質(zhì)及改造成本，生物質(zhì)通常從鍋爐最上層或最下層備用燃燒器噴入[44]。

污泥中有較多蛋白質(zhì)，其氮元素含量高于原煤。少量摻燒時(shí)，污泥中揮發(fā)分會(huì)奪氧燃燒并生成CHi及NHi基團(tuán)，降低熱力型NOx生成，但大量摻燒會(huì)導(dǎo)致燃料型NOx排放增加。TAN等[45]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)污泥摻燒比小于7.35%(質(zhì)量比)時(shí)，NOx排放量隨摻混比上升而下降。

生物質(zhì)氣的主要成分為CH4、CO、H2等氣體，均為可與NO發(fā)生反應(yīng)的還原性氣體，摻燒生物質(zhì)氣可有效降低NOx排放量。楊章寧等[46]在50 kW下行爐上對(duì)生物質(zhì)氣與貧煤混燃的摻燒量、摻燒位置進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)氣從燃盡區(qū)附近噴入燃燒對(duì)NOx排放量的降低效果最好，且隨著生物質(zhì)氣摻燒量的增加，NOx排放量逐漸降低。

3)顆粒物排放。燃煤機(jī)組顆粒物排放主要來(lái)源于燃料灰分，通常燃料灰分越高，煙氣中的顆粒物含量越高[47]。農(nóng)林生物質(zhì)和生物質(zhì)氣中灰含量低，摻燒會(huì)降低煙塵排放，但農(nóng)林生物質(zhì)燃燒后會(huì)生成大量亞微米細(xì)顆粒，常規(guī)的靜電除塵無(wú)法將其完全脫除，因此需要加裝布袋除塵器等除塵設(shè)備[32]。污泥灰分高，摻燒時(shí)顆粒物排放高。

4)重金屬排放。相較于農(nóng)林廢棄物、生物質(zhì)氣，污泥富含重金屬，電廠摻燒污泥后鍋爐煙氣以及飛灰中的重金屬也會(huì)增加[48]。污泥摻燒過(guò)程中，揮發(fā)性較強(qiáng)的重金屬如As、Hg、Se富集于煙氣中，而揮發(fā)性較差的重金屬如Pb、Cu、Cr、Ni多富集在灰渣中[40]。李德波等[49]對(duì)某330 MW鍋爐摻燒不同比例污泥，研究了重金屬排放特性，發(fā)現(xiàn)污泥摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8%以下時(shí)對(duì)機(jī)組重金屬排放無(wú)明顯影響。

2 摻燒方式靈活性

2.1 農(nóng)林廢棄物的摻燒方式

適用于燃煤電站耦合生物質(zhì)的方案有3種：直接耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合[2]。直接耦合是將預(yù)處理后的生物質(zhì)與煤粉一同送入鍋爐燃燒；間接耦合是將生物質(zhì)燃燒或氣化后生成的氣體引入鍋爐發(fā)電，禽畜糞便、濕垃圾及廢棄油脂類(lèi)生物質(zhì)通常采用該種耦合方式；并聯(lián)耦合是煤與生物質(zhì)分別采用各自的燃燒系統(tǒng)即煤粉爐和生物質(zhì)鍋爐，二者產(chǎn)生的蒸氣進(jìn)入機(jī)組熱力系統(tǒng)耦合發(fā)電。3種摻燒方案示意如圖2所示。

圖2 煤粉爐摻燒生物質(zhì)的技術(shù)路線Fig.2 Technical routes of biomass blending in pulverized coal furnace

間接耦合可避免因堿金屬含量高引發(fā)的鍋爐結(jié)渣問(wèn)題，避免生物質(zhì)制粉繁瑣問(wèn)題，燃料適應(yīng)性強(qiáng)，也利于回收粉煤灰。并聯(lián)耦合同樣可減少摻燒生物質(zhì)帶來(lái)的沾污、結(jié)渣問(wèn)題，有利于粉煤灰及生物質(zhì)灰的分級(jí)回收利用。但間接耦合需要加裝生物質(zhì)氣化爐，并聯(lián)耦合需要新增生物質(zhì)鍋爐。間接耦合和并聯(lián)耦合改造成本及運(yùn)行成本都較高，是直接耦合生物質(zhì)的4～9倍，3種耦合形式的改造投資及運(yùn)行成本[14]見(jiàn)表2。直接耦合更適合我國(guó)燃煤機(jī)組的改造。

表2 摻燒生物質(zhì)直接、間接和并聯(lián)耦合的改造、運(yùn)行成本Table 2 Modification and operating costs of direct,indirect and parallel coupling of biomass blending 元/kWh

直接耦合根據(jù)生物質(zhì)的摻燒位置不同有4種耦合方式[50]：制粉處耦合、一次風(fēng)管處耦合、燃燒器處耦合以及獨(dú)立燃燒器處耦合方式，具體如圖2所示。

制粉處耦合即將預(yù)處理后生物質(zhì)與煤一起送入磨煤機(jī)中磨制成粉，在一次風(fēng)氣流的作用下經(jīng)燃燒器進(jìn)入爐膛燃燒。該種耦合方式幾乎不需對(duì)現(xiàn)有鍋爐設(shè)備進(jìn)行改造，成本較低。但生物質(zhì)磨制困難且易堵塞輸粉管道[51]，生物質(zhì)可摻燒比例較小(熱值比0～10%)[14]。

一次風(fēng)管處耦合是將預(yù)處理后生物質(zhì)送入專(zhuān)用磨煤機(jī)磨制成粉，磨制完的生物質(zhì)粉與煤粉在一次風(fēng)管處混合并由一次風(fēng)攜帶經(jīng)燃燒器進(jìn)入鍋爐燃燒。輥式磨煤機(jī)、錘片磨和直吹式制粉系統(tǒng)較適合生物質(zhì)粉的磨制運(yùn)輸[32,44]。該種耦合方式改造成本除新增專(zhuān)用生物質(zhì)制粉設(shè)備外，無(wú)其他投資且改造過(guò)程不影響原機(jī)組運(yùn)行。目前，該種燃燒方式最多可以摻燒20%(熱值比)的生物質(zhì)[14]。

燃燒器處耦合和一次風(fēng)管處耦合相似，采用同樣的獨(dú)立生物質(zhì)制粉設(shè)備，但生物質(zhì)粉與煤粉于燃燒器處混合。該種耦合方式大大降低了生物質(zhì)粉堵管風(fēng)險(xiǎn)，擴(kuò)大了生物質(zhì)粉粒徑要求，提高了生物質(zhì)耦合比例(10%～50%)[14]，但仍需建設(shè)復(fù)雜的生物質(zhì)粉輸送管路。此外，由于生物質(zhì)堿金屬含量高、燃點(diǎn)低、著火距離短，摻燒過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)燃燒器結(jié)焦、燒毀現(xiàn)象，因此還需對(duì)原煤粉燃燒器進(jìn)行相應(yīng)改造[52]。

獨(dú)立燃燒器耦合方案即生物質(zhì)磨制完成后經(jīng)專(zhuān)用輸粉管道直接由生物質(zhì)專(zhuān)用燃燒器送入爐膛燃燒。此時(shí)，生物質(zhì)粉制備以及燃燒完全獨(dú)立于燃煤系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了生物質(zhì)摻燒比例(50%～100%)[14]。該方案改造成本在4種方案中最高，生物質(zhì)摻燒量也最高。

2.2 污泥的摻燒方式

摻燒污泥方式通常分為直接摻燒、機(jī)組煙氣直接干化后摻燒及蒸氣間接干化后摻燒3種。煤粉爐的濕污泥含水量高、熱值低不適合直接摻燒，通常需將污泥干化后摻燒[53]。

煙氣直接干化污泥摻燒即利用鍋爐高溫?zé)煔庾鳛闊嵩锤稍镂勰?，干化后污泥與煤混合后一同送入磨煤機(jī)制粉，干化后產(chǎn)生的廢氣送入爐膛燃燒，如圖3所示。爐膛高溫及鍋爐的脫硫、脫硝系統(tǒng)可滿(mǎn)足污泥適量摻燒的排放問(wèn)題。該種方案對(duì)鍋爐效率影響不大，成本適中，但摻燒量過(guò)大時(shí)，所需煙氣量大，易降低鍋爐主蒸氣參數(shù)[53]。

圖3 煙氣直接干化污泥摻燒工藝Fig.3 Process route of sludge dried by flue gas directly blending in co-combustion

蒸氣間接干化污泥摻燒即利用汽輪機(jī)抽汽作為熱源干燥污泥，干化后的污泥與原煤一同送入磨煤機(jī)制粉。干化產(chǎn)生的可凝廢氣通過(guò)冷凝器冷凝成水，不可凝廢氣則通入鍋爐燃燒，如圖4所示。該種摻燒方式的熱源來(lái)自汽輪機(jī)抽氣，對(duì)鍋爐主蒸氣參數(shù)影響較小，可實(shí)現(xiàn)污泥的大量干化摻燒，但對(duì)凝結(jié)廢水的處理較為困難，成本較高[40]。

圖4 蒸氣間接干化污泥摻燒工藝Fig.4 Process route of sludge dired by steam indirectly blending in co-combustion

3 煤粉爐摻燒生物質(zhì)壁壘及應(yīng)對(duì)措施

3.1 農(nóng)林廢棄物的供應(yīng)與儲(chǔ)運(yùn)

煤粉爐摻燒生物質(zhì)對(duì)燃料的需求量大，生物質(zhì)原料供應(yīng)是限制生物質(zhì)發(fā)電的核心問(wèn)題。我國(guó)農(nóng)業(yè)作業(yè)多以家庭式耕種為主，作物種植規(guī)模小，相對(duì)分散。其次，我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物需要集中化收購(gòu)且收購(gòu)過(guò)程較大程度依賴(lài)農(nóng)戶(hù)意愿。因此，需建立較全面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，優(yōu)化秸稈收購(gòu)模式，建全生物質(zhì)供應(yīng)的相關(guān)政策，推進(jìn)生物質(zhì)能的利用。

對(duì)于生物質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)而言，先進(jìn)燃煤機(jī)組摻燒生物質(zhì)不可能將生物質(zhì)以散料形式運(yùn)到布置緊湊的電廠。將生物質(zhì)壓縮成型后運(yùn)輸至發(fā)電廠，可減少生物質(zhì)散料運(yùn)輸成本及火電廠的儲(chǔ)藏成本，且經(jīng)壓縮成型后的生物質(zhì)顆粒能量密度及抗壓強(qiáng)度也會(huì)顯著提高[10]，利于火力發(fā)電廠的摻燒利用。

3.2 制粉、燃燒系統(tǒng)適應(yīng)性

農(nóng)林廢棄物類(lèi)生物質(zhì)難以破碎，需采取合適的生物質(zhì)制粉設(shè)備，如錘磨機(jī)、輥式磨煤機(jī)可滿(mǎn)足生物質(zhì)制粉需求。其次，對(duì)原料進(jìn)行烘焙處理使其可磨性較好、疏水、熱值增加[14]，提高該類(lèi)生物質(zhì)摻燒對(duì)制粉系統(tǒng)的適應(yīng)性。農(nóng)林廢棄物揮發(fā)分高，摻燒時(shí)易造成著火提前，引起燃燒器超溫進(jìn)而造成燃燒器表面結(jié)焦或燒毀。因此，大比例摻燒生物質(zhì)時(shí)，需適當(dāng)調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的風(fēng)速，提高該類(lèi)生物質(zhì)摻燒對(duì)燃燒系統(tǒng)的適應(yīng)性。

污泥類(lèi)生物質(zhì)含水量多，經(jīng)干化后含水量仍達(dá)30%[40]，極易堵塞煤倉(cāng)下料口及磨煤機(jī)入口，因此需控制污泥摻燒量并使污泥與煤混合均勻。

3.3 摻燒農(nóng)林生物質(zhì)的沾污、結(jié)渣問(wèn)題

摻燒生物質(zhì)的最大風(fēng)險(xiǎn)為鍋爐的沾污、結(jié)渣問(wèn)題。生物質(zhì)中堿金屬含量高，燃燒過(guò)程中引發(fā)的結(jié)渣[21]嚴(yán)重威脅機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性。燃料預(yù)處理及抗結(jié)渣添加劑可緩解摻燒生物質(zhì)帶來(lái)的結(jié)渣情況。相關(guān)研究表明[34]向燃料中摻燒一些富含SiO2、Al2O3的酸性添加劑改變灰分酸堿比可起到抗結(jié)渣作用。利用水洗、醋酸銨洗以及鹽酸洗等洗滌方式[54]脫除了生物質(zhì)中不同賦存形式的鉀，可在提高生物質(zhì)灰熔融溫度的同時(shí)降低了鍋爐爐膛煙氣中鉀含量，降低鍋爐結(jié)渣的可能，也可減少堿金屬含量高可能帶來(lái)催化劑堵塞、中毒等問(wèn)題[55]。

3.4 煤粉爐摻燒生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性

按熱值折算生物質(zhì)發(fā)電成本大多高于煤炭。無(wú)政府補(bǔ)貼的情況下，發(fā)電企業(yè)摻燒生物質(zhì)大多虧本。污泥類(lèi)生物質(zhì)的摻燒雖會(huì)增加發(fā)電成本，但考慮到環(huán)境效益且依據(jù)現(xiàn)有補(bǔ)貼[56]仍可獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。而摻燒農(nóng)林廢棄物類(lèi)生物質(zhì)因其生物質(zhì)摻燒發(fā)電量難以精確計(jì)量，無(wú)法獲取國(guó)家財(cái)政支持，步履維艱[57]。間接耦合及并聯(lián)耦合中生物質(zhì)發(fā)電量的監(jiān)測(cè)手段已取得一定突破，但直接耦合中生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)量技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。清華大學(xué)孟慶慧等[58]提出一種14C同位素在線監(jiān)測(cè)生物質(zhì)混燃比的方法，可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電量的精確檢測(cè)，該技術(shù)已成功示范。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

面對(duì)雙碳?jí)毫?，我?guó)優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行，生物質(zhì)作為碳排放量極低的碳質(zhì)燃料具有來(lái)源廣、產(chǎn)量豐富等特點(diǎn)，利用潛力巨大，生物質(zhì)摻燒可實(shí)現(xiàn)CO2快速減排。目前限制生物質(zhì)大量摻燒的因素主要為：生物質(zhì)燃料的來(lái)源及儲(chǔ)運(yùn)、生物質(zhì)燃料發(fā)電量的單獨(dú)計(jì)量。對(duì)此，提出如下建議：

1)生物質(zhì)分布零散，儲(chǔ)存與運(yùn)輸成本高。建議推行集中化的生物質(zhì)收購(gòu)模式，建立合理生物質(zhì)市場(chǎng)秩序。同時(shí)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)，提高生物質(zhì)成型燃料的抗壓強(qiáng)度、能量密度，降低生物質(zhì)供應(yīng)鏈的風(fēng)險(xiǎn)。

2)由于生物質(zhì)發(fā)電量難以單獨(dú)計(jì)量導(dǎo)致其暫無(wú)法獲得財(cái)政補(bǔ)貼，摻燒生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)難以盈利。建議采用14C同位素在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電量的精準(zhǔn)計(jì)量。

3)農(nóng)林廢棄物類(lèi)生物質(zhì)反應(yīng)活性好、揮發(fā)分含量高、燃點(diǎn)低，摻燒高揮發(fā)分燃料可以提升鍋爐低負(fù)荷下穩(wěn)燃能力。受制于生物質(zhì)燃料的供應(yīng)，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組大量摻燒生物質(zhì)，建議將其作為調(diào)峰“煤”使用[13]。上海理工大學(xué)碳基燃料清潔轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室以新疆棉桿及新疆褐煤為原料，研究摻燒生物質(zhì)對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，并運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件采用燃燒器處耦合方案對(duì)鍋爐低負(fù)荷下?lián)綗镔|(zhì)的穩(wěn)燃性能進(jìn)行仿真，相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)及仿真模型正在搭建中。