華能國際電力股份有限公司日照電廠 張 民 辛以波 陳志霞 楊守亮 華能山東發(fā)電有限公司 胡 罡

1 引言

相比于國外，我國的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)雖然有一定成就，但在生產(chǎn)過程中也帶來一定關(guān)聯(lián)性危害，與部分發(fā)達國家相比仍處于弱勢地位。當今世界能源發(fā)展更加傾向于多元化、低碳化以及智能化，生物質(zhì)摻燒發(fā)電作為新的能源技術(shù)，經(jīng)過評估與分析后被認定為21世紀發(fā)展前景良好的可再生能源之一，能夠進一步拓寬綠色可持續(xù)道路。但現(xiàn)階段也發(fā)現(xiàn)該項技術(shù)存在污染物排放、系統(tǒng)匹配度不高、結(jié)焦結(jié)渣以及經(jīng)濟性等問題，因此針對生物質(zhì)摻燒發(fā)電存在問題及探討研究十分有必要。

2 生物質(zhì)摻燒現(xiàn)狀

自2019年歐洲多個國家被“熱浪”席卷后，高溫紀錄被提升一個等級，世界氣象組織針對此次記錄給出了合理的解釋，強調(diào)溫室氣體排放的影響，導(dǎo)致海平面上升和部分極端天氣情況。此事在世界范圍內(nèi)快速發(fā)酵，經(jīng)聯(lián)合國理事會的報告提出“2030年可持續(xù)發(fā)展目標進展報告”，這一舉措意味著溫室氣體排放問題亟待解決。我國在《十三五控制溫室氣體排放工作方案》中，明確指出一些電力集團單位在生物質(zhì)發(fā)電方面的控制目標，保證現(xiàn)役燃煤發(fā)電機供電煤耗在310g/kWh以下。相關(guān)資料顯示，我國生物質(zhì)資源年產(chǎn)量高達34.94億t，其中有4.6億t能夠被作為高潛力的標準煤，尤其生活垃圾方面產(chǎn)量占比相對較大，通過焚燒、氣化等方式能夠進一步實現(xiàn)資源化，利用率高達46%，但林業(yè)、秸稈等能源化相對不足，僅占據(jù)10%，存在資源浪費情況。

3 生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)問題

3.1 SO2、二噁英等污染物排放以及結(jié)焦結(jié)渣問題

在進行生物質(zhì)摻燒發(fā)電的過程中，由于其折算水分相對較高，在摻燒時會使得鍋爐溫度降低，從而附著于管壁，形成結(jié)焦結(jié)渣情況，尤其在使用高溫分離器時，結(jié)焦情況異常明顯，長此以往會造成熱阻問題。加之其中堿金屬和CL元素較多，使得生物質(zhì)中堿性成分含量更高，容易降低灰熔點。在高溫下發(fā)生反應(yīng)，其中的SO2化合后生成硫酸鹽、氧化鐵等物質(zhì)，會直接對Fe2O3保護膜造成腐蝕。除了SO2和NO2等常規(guī)性污染物外，二噁英也是一種亟待解決的污染物，其產(chǎn)生機理如下：

一是當生物質(zhì)摻燒的溫度在800℃以下時，會導(dǎo)致一些含氯乙烯等塑料燃燒不完全，生成二噁英。二是當焚燒物質(zhì)中存在一些銅、鈷等金屬離子時會在其他含氯、碳物質(zhì)的催化下產(chǎn)生二噁英。

3.2 生物質(zhì)破碎系統(tǒng)匹配度問題

當前，生物質(zhì)摻燒項目破碎系統(tǒng)匹配度問題，主要表現(xiàn)為破碎顆粒不均勻以及適用性存在單一性。這一情況使得摻燒過程中存在無法實現(xiàn)對部分種類生物質(zhì)的全面燃燒；一些顆粒不均勻情況也會直接造成堵塞，僅僅依靠部分生物質(zhì)料無法滿足預(yù)期效果。針對這一問題，最佳的解決方式在于進一步加強生物質(zhì)分類，并應(yīng)用不同破碎系統(tǒng)進行針對性處理[1]。但現(xiàn)階段相關(guān)技術(shù)存在一定滯后性，仍須加強對設(shè)備的引進與研發(fā)力度。

3.3 原料價格相對較高

從價格方面來看，在生物質(zhì)燃燒發(fā)電項目進行過程中發(fā)現(xiàn)，部分原料的成本相對較高，且擁有季節(jié)性的特點。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，最開始的收購成本普遍控制在50～150元/t，隨著時間的推移和政策的支持，現(xiàn)如今價格高達300～400元/t。近年來，在“雙碳”戰(zhàn)略的引導(dǎo)下以及國家相關(guān)政策對新能源的支持與推崇下，煤炭價格逐漸下跌，部分生物質(zhì)摻燒項目的進行與煤炭價格倒掛，造成嚴重的虧損問題。

4 生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)探析

4.1 直燃耦合式生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

4.1.1 結(jié)構(gòu)

直燃式生物質(zhì)CFB發(fā)電技術(shù)是比較直接的生產(chǎn)形式，就目前來看，我國在這一技術(shù)上的應(yīng)用設(shè)計主要采用75t/h和130t/h這兩種規(guī)格的鍋爐，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，包括床下點火器、分離器、爐膛以及回料器以及尾部對流煙道等，最關(guān)鍵的部分在于尾部煙道的設(shè)置，能夠根據(jù)燃燒物所排放的污染物質(zhì)類型進行更換，確保綠色可持續(xù)發(fā)展。

圖1 直燃式生物質(zhì)CFP鍋爐結(jié)構(gòu)

4.1.2 技術(shù)問題探析與改進

針對直燃式生物摻燒CPF發(fā)電技術(shù)的探析，主要技術(shù)包括磨煤機耦合、送粉管道耦合、煤粉燃燒器耦合、獨立生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)耦合等。結(jié)合先前各項技術(shù)的優(yōu)勢與不足之處并總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗，提出將預(yù)磨生物質(zhì)直接噴入送粉管道耦合的方案，能夠進一步降低成本縮短生產(chǎn)周期，且對整體生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和結(jié)果的影響相對較小。針對當前所存在的系統(tǒng)匹配度問題可以從生物質(zhì)摻燒比例的角度出發(fā)，利用標煤熱量的收集功能進行比例測算，明確不同地區(qū)的資產(chǎn)成本以及耦合生物質(zhì)發(fā)電比例，根據(jù)比例調(diào)控實現(xiàn)控制發(fā)電量，實現(xiàn)資源化效果。

針對送粉管道耦合工程的優(yōu)化方案設(shè)計方面，本文以350MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組為依據(jù)進行工藝流程擬定，其中鍋爐型式為臨界參數(shù)變壓運行、全鋼構(gòu)架的Π型直流爐，將農(nóng)林廢棄物和秸稈作為主要的燃燒物，完成破碎工序后送入管道中，經(jīng)過獨立生物研磨后作為燃料。其中，針對破碎送粉管道的耦合方案需要在生物質(zhì)散料進倉后進行稱重，將其卸放在料棚，經(jīng)過帶式傳輸機被切割為10mm以下的小段，進行烘干并用螺旋進一步粉碎，直至能夠經(jīng)過1mm濾篩。此時，將管道連接磨煤機，保證單臺爐摻燒10%生物質(zhì)。

針對直燃式生物質(zhì)CFB發(fā)電技術(shù)中存在的結(jié)焦結(jié)渣問題，需要將床溫始終控制在800℃以內(nèi)，從而有效規(guī)避秸稈等物質(zhì)燃燒時出現(xiàn)結(jié)渣結(jié)焦情況。在實際應(yīng)用過程中，由于床溫和生物質(zhì)摻燒的導(dǎo)熱性特點，會形成一定的溫度偏差，此時鍋爐出力情況與設(shè)計值相差20%左右[2]。因此，在使用分離器時可以通過增加送風量的方式促進燃燒，降低結(jié)焦率。針對物質(zhì)高溫燃燒后出現(xiàn)的腐蝕情況，可以將過熱器放置在外部，此外為有效降低CFB鍋爐摻燒過程中的經(jīng)濟成本，可將摻燒量控制在20%以內(nèi)。針對污染物腐蝕性和排放問題還可以從循環(huán)床的角度入手，通過給料系統(tǒng)設(shè)計和循環(huán)流化倍率設(shè)計方案解決問題，加強污染物控制提升摻燒質(zhì)量。

針對二噁英物質(zhì)排放方面的問題目前尚未研發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)直接監(jiān)測的設(shè)備，一般情況下會將CO作為輔助來遏制二噁英物質(zhì)的生產(chǎn)，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用可調(diào)諧激光電離聯(lián)合飛行時間質(zhì)譜技術(shù)實現(xiàn)對二噁英的檢測，利用關(guān)聯(lián)性模型獲得其濃度含量。在應(yīng)用時選擇低壓連續(xù)氣力輸送工藝進行氣力輸送，可以設(shè)置雙線切換模式，利用兩臺破碎機進行傳送，且確保傳送皮帶的封閉性。在卸料位置設(shè)置攝像頭實現(xiàn)相關(guān)信號的傳輸，降低操作誤差。由于輸送末端爐膛正壓，因此需要進行封閉處理，設(shè)置快速閥門。

4.1.3 優(yōu)勢分析

從機組效率的角度來看，相比于以往直燃技術(shù)應(yīng)用，35MW摻燒10%直燃生物機組的生物質(zhì)摻燒發(fā)電量相對較高，并充分考慮生物質(zhì)的獨立性需求，無論是效率還是質(zhì)量均在傳統(tǒng)機組之上。在生物質(zhì)耦合比例存在失衡情況時，這種送粉管道耦合方案能夠凸顯摻燒發(fā)電項目的優(yōu)勢，同時利用尾部煙道降低污染物的排放情況，進行二次處理，節(jié)能減排效果可觀。循環(huán)流化床（CFB）鍋爐對生物質(zhì)摻燒顆粒粒徑的包容性較強，能夠在850～900℃下實現(xiàn)持續(xù)性燃燒，是現(xiàn)階段燃燒比例較高的技術(shù)之一，現(xiàn)役CFB機組約88260MW，能夠在破碎后直接進行直燃，無需進行多余步驟，從而降低經(jīng)濟成本。應(yīng)用CFB爐能夠做到生物摻燒燃盡，其產(chǎn)生的灰燼可以回收并用于還林還田，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電，還具有一定環(huán)境效益。

4.2 間接耦合式CFB發(fā)電技術(shù)

4.2.1 結(jié)構(gòu)

間接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要通過將生物質(zhì)進行氣化處理?，F(xiàn)階段生物質(zhì)摻燒氣化處理普遍應(yīng)用流化床鍋爐來實現(xiàn)，在保證高溫低氧的環(huán)境下將其中的高分子碳氫化合物進行分解處理，變?yōu)榫哂锌扇夹缘腍2和CO。整個流程中包括熱解、氧化、還原這三個關(guān)鍵性步驟，同時還需凈化、過濾排煙口的雜質(zhì)，從而獲取高質(zhì)量燃氣實現(xiàn)發(fā)電功能[3]。生物質(zhì)摻燒氣化過程一般應(yīng)用流化床反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器兩種。其中，流化床反應(yīng)器可以根據(jù)風速情況分為循環(huán)床和鼓泡床，如圖2所示，其床體是橄欖石或硅物質(zhì)組成，具有一定的惰性特質(zhì)，在高溫狀態(tài)下會呈現(xiàn)液態(tài)狀態(tài)，與燃料反應(yīng)后生成灰分。

圖2 生物質(zhì)摻燒氣化爐工作流程

4.2.2 技術(shù)問題探析與改進

目前，生物質(zhì)間接耦合摻燒發(fā)電技術(shù)應(yīng)用效果較好的系統(tǒng)為芬蘭電廠制造，所用的燃料普遍為木質(zhì)生物質(zhì)，灰分、堿金屬以及氯含量相對較少，能夠?qū)崿F(xiàn)與煤粉的結(jié)合燃燒，并利用CFB分離器將煙氣回收再進入爐內(nèi)進行燃燒。該方式所得到的發(fā)電效果和對煤粉爐運行質(zhì)量來說具有一定積極影響。當前，我國在這一技術(shù)應(yīng)用方面存在的問題在于燃燒物質(zhì)的單一性，且成本相對較大。我國作為農(nóng)業(yè)大國，在應(yīng)用間接耦合式CFB發(fā)電技術(shù)時，生物質(zhì)摻燒材料以農(nóng)林剩余物為主，大部分為灰分、堿金屬以及氯含量較高的秸稈物質(zhì)，往往還需在原有機組上安裝過濾凈化等設(shè)備，造成一定成本問題，且對煤粉鍋爐影響較大。

針對這一問題，相關(guān)研究人員針對生物質(zhì)氣化過程進行試驗，以硫化速度、風擋板、床料阻力等角度為切入點，提出有關(guān)于低倍率CFB的方案。在實際操作過程中應(yīng)用MATLB實現(xiàn)模型仿真，模擬反應(yīng)過程從而了解氣化反應(yīng)的合理性，再對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。本次研究針對300MW CFB鍋爐的模擬結(jié)果為依據(jù)，分析再染比例以及不同摻燒參數(shù)對發(fā)電效率的影響[4]。生物質(zhì)摻燒行為需要保證在特定溫度環(huán)境、爐內(nèi)壓力以及催化劑條件下產(chǎn)生反應(yīng)，其中爭議較大的部分在于催化劑的使用，根據(jù)試驗結(jié)果選擇合適的催化劑，分別包括白云石類、Ni催化劑、SiO2以及堿金屬類催化劑，分析各自優(yōu)勢。通過試驗表明，白云石類物質(zhì)能夠幫助生物質(zhì)實現(xiàn)充分燃燒提升發(fā)電效率，在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的蒸汽也能實現(xiàn)回收利用，能夠保證能量循環(huán)。

4.2.3 優(yōu)勢分析

基于對CFB生物質(zhì)摻燒間接耦合發(fā)電技術(shù)方式的研究前景十分廣闊，現(xiàn)階段的研究重點可以轉(zhuǎn)向催化劑、氣化劑以及相關(guān)摻燒參數(shù)方面，進一步提升產(chǎn)物的可持續(xù)性。通過研究發(fā)現(xiàn)，控制發(fā)電鍋爐耦合能夠降低一些隱患問題，同時在摻燒過程中發(fā)現(xiàn)，水分問題仍然是占比較大的阻礙因素，但摻燒生物質(zhì)能夠進一步降低NO的排放量，還能將其還原成N2進行循環(huán)燃燒，使得N2氣體的最終排放量有所降低。此外，相關(guān)研究表示在爐內(nèi)摻燒一些谷殼能夠抑制SO2氣體的排放量。間接耦合式CFB發(fā)電技術(shù)還能實現(xiàn)摻燒生物質(zhì)的存儲與破碎，控制入爐燃料量和密度，實現(xiàn)快速高效的共燃。

5 結(jié)論與展望

以某項目工程為例，利用生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)的工況為：全天使用燃煤3371t，工業(yè)固廢369t、生物質(zhì)196.8t，比例為24.7%。其中，SO2排放濃度12mg/Nm3；NO2排放濃度37mg/Nm3；二噁英排放濃度低于0.00051ng TEQ/m3，根據(jù)相關(guān)煙氣報告顯示，所排出的污染物均在標準極限值內(nèi)。

本文針對生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)存在問題的改進方案進行深度探析，其中在直接耦合式發(fā)電技術(shù)中針對送粉管道、二噁英排放、破碎系統(tǒng)匹配度以及結(jié)焦結(jié)渣問題進行系統(tǒng)化分析與改造，在耦合比例不足的情況下應(yīng)用送粉管道耦合方案，配合傳輸皮帶與快速閥門實現(xiàn)節(jié)能減排。針對間接耦合式CFB發(fā)電技術(shù)則從機組安裝、MATLB模型仿真的角度展開分析，解決部分循環(huán)燃燒和摻燒參數(shù)的問題。

針對NO2與SO2的超低排放方面的問題需要加大研究力度，同時解決相關(guān)附屬產(chǎn)業(yè)以及發(fā)電計量、用途方面的問題。對于生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)的發(fā)展建議方面，可以優(yōu)先進行10%以下比例的摻燒行為，項目研發(fā)過程中還需融入對現(xiàn)役CFB鍋爐的維護，亦可與熱點或垃圾供熱進行聯(lián)產(chǎn)，深入研究相關(guān)發(fā)電技術(shù)，同時堅持以低碳環(huán)保為基本原則，以實現(xiàn)負碳排放為主要目標。為實現(xiàn)更加精準的計算，可以采用陳列矩陣式皮帶秤實現(xiàn)對摻燒生物質(zhì)的質(zhì)量檢測，將不同單元的稱按照串聯(lián)模式安裝在皮帶機上，利用單元數(shù)據(jù)差異實現(xiàn)對皮帶張力的控制，保證系統(tǒng)精度實現(xiàn)瞬時流量、流速的信號傳輸，進行變頻控制。此外，針對經(jīng)濟成本方面的問題需要加強對材料的評估，在項目開展之前進行生物質(zhì)摻燒種類需求、收集方式、運輸時間、價格等綜合性思考，利用秸稈、農(nóng)業(yè)種植情況進行季節(jié)性收集。