閆亞龍, 劉欣瑋

(國能錦界能源有限責(zé)任公司,陜西 神木 719319)

0 引言

全球變暖是人類面臨的巨大威脅,如果全球氣溫上升2 ℃,將導(dǎo)致一億人死亡以及數(shù)百萬種動植物物種滅絕[1]。 為了減少CO2的排放,向綠色和清潔可再生能源轉(zhuǎn)型對于社會的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。 在可再生能源中,風(fēng)能、水能和太陽能等新能源具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn),這對電網(wǎng)的調(diào)峰能力提出了挑戰(zhàn)[2]。 而生物質(zhì)能源具有儲量豐富、來源全面、排放低的特點(diǎn),是一種具有較高應(yīng)用潛力的可再生資源。生物質(zhì)的發(fā)電技術(shù)包括直燃發(fā)電、混燃發(fā)電和氣化發(fā)電。 與直燃發(fā)電和氣化發(fā)電相比,混燃發(fā)電具有成本較低、建設(shè)周期短,受原料性質(zhì)影響較小的優(yōu)點(diǎn)。

燃煤機(jī)組混燃生物質(zhì)作為一種經(jīng)濟(jì)、高效、清潔的利用方式,在碳減排方面具有很大的潛力,僅需對現(xiàn)有燃煤機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)改造,不僅可以降低CO2的排放量,還可以提高鍋爐側(cè)燃料的靈活性。本文針對生物質(zhì)的分類、燃燒特性、預(yù)處理方式、混合燃燒方式、發(fā)展現(xiàn)狀及遇到的問題等進(jìn)行了簡單的總結(jié)。

1 生物質(zhì)分類及資源現(xiàn)狀

根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)的定義,生物質(zhì)是指通過光合作用形成的各種有機(jī)體,包括所有的動植物和微生物以及這些生命體排泄的有機(jī)物質(zhì)。 生物質(zhì)能來源于太陽能,是繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源。 生物質(zhì)的種類繁多,包括農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、畜禽糞便、生活垃圾、污水污泥、廢棄油脂等。 目前,我國生物質(zhì)資源年產(chǎn)生量約為34.94億t,但利用率不高。 從圖 1 中可以看出,在各類生物質(zhì)中,禽畜糞便的資源量最高,其次是秸稈,但能源化利用率除生活垃圾外均不超過20%。

圖1 各類生物質(zhì)2020 年產(chǎn)量及利用率

2 生物質(zhì)和煤的燃燒特性

燃料特性可由工業(yè)分析、元素分析、灰分分析和低位熱值表示[3]。 表1 給出了幾種典型的生物質(zhì)及煤的燃燒特性,從表1 中可以看出,生物質(zhì)的揮發(fā)分普遍更高一點(diǎn),當(dāng)與煤混燒時,有助于提高燃料的反應(yīng)活性和點(diǎn)火特性[4]。 與煤相比,生物質(zhì)的水分較多,灰分和固定碳較少。 水分含量是影響燃料燃燒的另一個重要因素,當(dāng)燃料水分過多時,會使得著火困難。

表1 某些生物質(zhì)和煤的工業(yè)分析

從表2 中可以看出,生物質(zhì)的C 含量較低,而H、O 含量較多,導(dǎo)致其熱值較低,這是因?yàn)榕cC=C 鍵斷開時釋放的能量相比,生物質(zhì)中的C-H 鍵和C-O 鍵斷開時釋放的能量較小。 此外,生物質(zhì)中的O 含量較多,使其氧化的活化能較低,從而擁有更高的反應(yīng)活性[5]。 生物質(zhì)中的S 和N 較少,使其燃燒后釋放出來的污染物與燃煤相比較少,與煤混燒時,可以減少污染物的排放。

表2 某些生物質(zhì)和煤的元素分析

燃料的燒結(jié)性越強(qiáng),則越容易在鍋爐中形成燒結(jié)性積灰,而燃料的燒結(jié)性主要與燃料中所含的堿性物質(zhì)有關(guān)。 從表3 中可以看出,生物質(zhì)的堿性物質(zhì)較煤更多,這使其通常表現(xiàn)出更強(qiáng)的結(jié)渣和結(jié)垢的傾向。

表3 某些生物質(zhì)和煤的灰分分析

3 生物質(zhì)預(yù)處理

3.1 浸出

生物質(zhì)中堿金屬含量較高,容易導(dǎo)致結(jié)渣、腐蝕等問題,使得混燒生物質(zhì)時降低電廠可靠性、增加維護(hù)成本和運(yùn)營成本。 硫和氯的存在會加速鍋爐的腐蝕,同時增加污染物的排放。 因此可以通過浸出來減少生物質(zhì)燃料中這些成分的存在,以減輕燃燒過程中遇到的問題。

3.2 烘焙

生物質(zhì)和煤在化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)上都存在差異,生物質(zhì)的水分較高,能量密度較低,再加上混合特性差,使得生物質(zhì)和煤的混燒存在問題。 而烘焙可以通過熱處理使得生物質(zhì)擁有與煤較為接近的物理性質(zhì)。

(1)烘焙可以去除生物質(zhì)中的水分,提高了生物質(zhì)的熱值并能夠使其形成外觀類似煤的產(chǎn)物;(2)烘焙可以使生物質(zhì)具有良好的疏水特性,提高其抗生物降解的能力[7],大大優(yōu)化了燃料的儲存特性,使其能夠長時間穩(wěn)定儲存;(3)烘焙可以破壞生物質(zhì)的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu),改善了生物質(zhì)的可磨性和流動性,提高燃燒效率,同時有利于煤和生物質(zhì)的均勻混合。

3.3 生物質(zhì)成型燃料

生物質(zhì)作為燃料與傳統(tǒng)化石燃料相比最大的問題是能量密度低,給生物質(zhì)的收集、運(yùn)輸、儲存、預(yù)處理和給送等帶來困難,限制了生物質(zhì)的大規(guī)模應(yīng)用。而生物質(zhì)成型可以很好地解決這一問題,生物質(zhì)成型工藝包括干燥、研磨和壓縮。 經(jīng)過生物質(zhì)成型后可以大大提高燃料的能量密度。 單位能量所需體積減小可以大大降低運(yùn)輸和存儲的成本,且成型后的生物質(zhì)含水量下降,具有較高的低位發(fā)熱量。

4 生物質(zhì)混燃發(fā)電

4.1 混合燃燒方式

4.1.1 直接混合燃燒

生物質(zhì)與煤直接混合燃燒是最常用的技術(shù),就是把預(yù)處理過的生物質(zhì)和煤直接混合送入鍋爐進(jìn)行燃燒,與其他燃燒方式相比,直接混合的投資成本最低。直接混合燃燒根據(jù)耦合位置可以分為4 種類型,如圖2 所示。

圖3 燃燒技術(shù)分類

(1) 制粉處混合:生物質(zhì)和煤混合后送入磨煤機(jī),磨制完成后分配到燃燒器。

(2) 給料混合:生物質(zhì)由單獨(dú)的磨機(jī)粉碎,通過輸送管道與煤粉混合后送入燃燒器。

(3) 燃燒器內(nèi)混合:生物質(zhì)燃料也是由單獨(dú)的磨機(jī)粉碎,但與煤粉在燃燒器中混合。

(4) 爐內(nèi)混合:生物質(zhì)由單獨(dú)的磨機(jī)粉碎后送入專門的燃燒器燃燒,生物質(zhì)的磨制與燃燒是獨(dú)立的。

4.1.2 間接混合燃燒

間接混合燃燒是先將生物質(zhì)氣化,再將產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)廨斔偷藉仩t[8],把燃?xì)庾鳛橐环N再燃燃料,可以減少氮氧化物的排放[9]。 氣化產(chǎn)物主要包括CO、CO2、CH4、H2O、H2、N2和一些輕烴。 氣化產(chǎn)物的熱值與燃料的含水量有關(guān),水分較高時會降低氣化產(chǎn)物中可燃?xì)獾谋壤?/p>

4.1.3 并聯(lián)混合燃燒

并聯(lián)混合燃燒采用了完全分離的生物質(zhì)燃燒系統(tǒng),生物質(zhì)和碳分別在獨(dú)立的鍋爐中燃燒,再將產(chǎn)生的蒸汽輸送到發(fā)電機(jī)組耦合發(fā)電。 并聯(lián)混合燃燒設(shè)計了一個獨(dú)立燃燒生物質(zhì)的鍋爐,優(yōu)化了燃燒過程,使結(jié)渣和腐蝕等問題大大減輕,為大比例摻燒生物質(zhì)提供了更多的可能性,降低了操作風(fēng)險,可靠性更高,但資金投入也大大增加。

4.2 混合燃燒技術(shù)

大多數(shù)生物質(zhì)混燃項(xiàng)目都是利用現(xiàn)有的燃煤電廠改造以適應(yīng)生物質(zhì)燃料與煤的混合燃燒。 由圖 3可知,燃燒技術(shù)一般分為固定床、流化床和懸浮燃燒。不同燃燒技術(shù)的特點(diǎn)如表4 所示。

表4 爐排爐、流化床和煤粉鍋爐燃燒特點(diǎn)

煤粉鍋爐采用懸浮燃燒技術(shù),對燃料的要求較高。 因?yàn)轭w粒尺寸小,燃料氣化和固定碳燃燒同時發(fā)生,因此,可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載快速變化和高效控制。 通過適當(dāng)?shù)姆蛛A段配風(fēng)可以實(shí)現(xiàn)低過量空氣系數(shù)和低NOX排放量。 同時,與流化床或爐排爐相比,煤粉鍋爐受結(jié)渣、結(jié)垢和腐蝕的影響較小。

流化床燃燒技術(shù)可分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床。 由于混合良好,流化床能靈活處理不同的混合燃料,實(shí)現(xiàn)了燃料多樣化,增加了現(xiàn)有發(fā)電廠的燃料范圍,但對燃料顆粒尺寸有一定要求。

爐排爐屬于固定床的一種,適用于含水量高、灰分含量高和燃料尺寸變化大的生物質(zhì)。 由于過量空氣系數(shù)高,爐排爐的熱效率較低,限制了該燃燒技術(shù)的廣泛應(yīng)用。 目前,爐排爐較多地應(yīng)用于間接混合燃燒和并聯(lián)混合燃燒中。

5 生物質(zhì)混合燃燒發(fā)展現(xiàn)狀

目前,商用的生物質(zhì)混合燃燒技術(shù)以直接混合燃燒和間接混合燃燒為主。 生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電在歐美國家應(yīng)用較廣,約2/3 的大型生物質(zhì)混燒電廠坐落于歐洲,尤其是北歐和西歐。

在歐洲,英國大部分燃煤電廠均采用了生物質(zhì)混合燃燒,總裝機(jī)容量達(dá)到25 366 MW。 英國燃煤電廠中采用了多種生物質(zhì)原料,包括農(nóng)業(yè)剩余物、能源作物和林業(yè)剩余物。 英國部分燃煤電廠如表5 所示,其中部分已停產(chǎn)。 最典型的是英國最大的燃煤電廠Drax,該電廠裝有6 臺660 MW 燃煤機(jī)組。

表5 英國生物質(zhì)混燒電廠

德國最常用的燃料是污水污泥,50%的混燃電廠都使用污水污泥,以3%混燃比混燒,可以不對電廠做出大的改造。 相較于其他生物質(zhì)資源,污水污泥全年可得且通常為負(fù)成本,同時,秸稈和廢木屑也是主要的生物質(zhì)燃料。 表6 列舉了德國一些混燃污水污泥的電廠。 從表6 中可以看出,德國生物質(zhì)混燒電廠以煤粉爐為主,少數(shù)使用流化床。

表6 德國生物質(zhì)混燒電廠

在北美,美國和加拿大是生物質(zhì)混燒發(fā)電的主要應(yīng)用國家。 對于美國和加拿大而言,大規(guī)模進(jìn)行生物質(zhì)混合燃燒的問題在于充足的生物質(zhì)來源、生物質(zhì)的運(yùn)輸和儲存。 截至2010 年,美國560家燃煤電廠中有40 家正在使用生物質(zhì)混燒技術(shù),并在持續(xù)增加中[10]。 所有的生物質(zhì)混燒電廠都采用直接混合燃燒的方式,大多數(shù)為煤粉鍋爐。 美國近50%的生物質(zhì)混燒工廠采用的原料是木制品,如木屑和木材廢料。 表7 列舉了美國部分生物質(zhì)混燒電廠。

表7 美國生物質(zhì)混燒電廠

在亞洲,中國、日本和韓國等國家也開始采用生物質(zhì)混燃技術(shù)。 在這些地方,生物質(zhì)混燒的主要原料是木質(zhì)顆粒。 2013 年,日本有24 臺燃煤機(jī)組開始混燒生物質(zhì)試驗(yàn)或已投入運(yùn)行,到2017 年,約有29 個大型燃煤煤機(jī)組混燒生物質(zhì)。

國內(nèi)的生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電技術(shù)起步較晚,也是以間接混燃和直接混燃為主。 國內(nèi)生物質(zhì)混燒電廠,如表8 所示。 2005 年,國內(nèi)首個生物質(zhì)混燒電廠華電十里泉發(fā)電廠建成,引進(jìn)丹麥BWE 公司的秸稈發(fā)電技術(shù),生物質(zhì)發(fā)電容量26.0 MW[12]。 2010 年國電寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司在300 MW 燃煤機(jī)組上進(jìn)行生物質(zhì)預(yù)處理成型與煤小比例混燃的試驗(yàn),但由于運(yùn)行期間虧損嚴(yán)重,目前已停運(yùn)[13]。 2012 年,國電長源荊門電廠采用生物質(zhì)間接混燒技術(shù)將640 MW 煤電機(jī)組改造為燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目,是間接混燃技術(shù)在我國大型燃煤電廠的首次成功應(yīng)用[12]。 大唐長山熱電廠是目前國內(nèi)投運(yùn)的容量最大的生物質(zhì)混燃發(fā)電機(jī)組,采用CFB 微正壓空氣氣化后送入660 MW 超臨界鍋爐燃燒[14]。 華電襄陽發(fā)電廠6 號機(jī)組是國內(nèi)首個以秸稈為主要原料的生物質(zhì)間接混燃發(fā)電機(jī)組,于2018 年投產(chǎn)。

表8 國內(nèi)生物質(zhì)混燒電廠[11]

6 生物質(zhì)混合燃燒存在的問題及解決方法

6.1 結(jié)渣、腐蝕和積灰

生物質(zhì)中灰分的形成過程與煤粉燃燒相似[15],在生物質(zhì)顆粒燃燒和焦炭顆粒形成過程中,揮發(fā)性有機(jī)金屬化合物首先析出,再進(jìn)行脫揮發(fā)分,最后部分堿金屬和堿土金屬以及揮發(fā)性微量元素擴(kuò)散出來。隨著氣體溫度的降低,揮發(fā)性組分成核并冷凝形成亞微米顆粒。 高濃度K 和Na 通過成核、冷凝和反應(yīng)會導(dǎo)致各種嚴(yán)重的灰相關(guān)問題,如堿誘導(dǎo)結(jié)渣、硅酸鹽熔體誘導(dǎo)結(jié)渣和團(tuán)聚。 KCl 被認(rèn)為是整個燃燒過程中最穩(wěn)定的氣相含堿金屬物質(zhì),也是影響生物質(zhì)結(jié)渣的主要物質(zhì)[16]。

在燃燒過程中,煙氣中的Cl2、HCl、NaCl、KCl 等物質(zhì)在高溫下會破壞金屬的氧化層加速金屬的氧化而導(dǎo)致直接腐蝕,或者形成熔融狀堿鹽對過熱器造成腐蝕,而在低溫下當(dāng)受熱面的壁溫低于酸露點(diǎn)時,會凝結(jié)成酸液對金屬發(fā)生腐蝕作用。 可以采用優(yōu)質(zhì)合金或者抗腐蝕涂層來減少腐蝕。

對于生物質(zhì)混燒過程中的結(jié)渣、腐蝕和積灰等問題,存在多種對策,包括使用添加劑和浸出等方法。浸出直接從來源中去除K,使用添加劑旨在改變灰分成分,并進(jìn)一步減少揮發(fā)性堿物質(zhì)的存在。

石灰、方解石、高嶺土和長石等礦物被用作添加劑,有望改善生物質(zhì)燃燒過程中與灰有關(guān)的問題。 當(dāng)與燃料混合或添加到燃燒系統(tǒng)中時,這些添加劑可以:(1)通過改變或稀釋灰中的耐火元素來提高灰的熔化溫度;(2)與低熔點(diǎn)化合物結(jié)合并將其轉(zhuǎn)化為高熔點(diǎn)化合物;(3)通過物理吸附降低燃燒系統(tǒng)中有問題的灰種濃度[17]。

浸出是一種有效的預(yù)處理手段,可以去除生物質(zhì)中的無機(jī)物質(zhì),特別是堿金屬、硫和氯減少結(jié)渣積灰等問題。 浸出可分為水浸出、醋酸浸出和酸浸出。 約100%的Cl 和90%的堿金屬可溶于水,因此,人們對水浸出的研究非常關(guān)注。

6.2 污染物排放

6.2.1 SOX排放

混燃生物質(zhì)可以降低 SOX排放量主要是因?yàn)樯镔|(zhì)中的S 含量較低,如農(nóng)林廢棄物的平均含硫量僅為0.38%,低于煤的平均含硫量1%[20]。 此外,生物質(zhì)中堿金屬含量較高,與煙氣中SO2反應(yīng)生成硫酸鹽起到固硫作用,也會減少SOX的排放量。 目前,電廠中應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù)是石灰石/石膏濕法脫硫(FGD),但當(dāng)生物質(zhì)中的氯含量較高時,產(chǎn)生的HCl可能會影響FGD 的脫硫效率。

6.2.2 NOX排放

生物質(zhì)混燒可以降低電廠中NOX的排放量。 首先,生物質(zhì)中N 含量較低,使得燃料型NOX減少。 其次,生物質(zhì)的熱值較煤炭低,混燒生物質(zhì)時爐膛溫度降低,可以減少熱力型NOX的生成量。 最后,生物質(zhì)燃燒的中間產(chǎn)物是NH3,其向NOX的轉(zhuǎn)化率較低[18]。

通過燃料分級、煙氣再循環(huán)和爐內(nèi)空氣分級等可以有效控制NOX的排放。 在此基礎(chǔ)上,使用選擇性催化還原脫硝技術(shù)(SCR)可以進(jìn)一步降低排放量,實(shí)現(xiàn)超低排放。 但在使用SCR 時,過低的煙溫以及生物質(zhì)灰中的無機(jī)揮發(fā)物可能會導(dǎo)致催化劑失活[19]。使用堿金屬含量較低的生物質(zhì)以及選擇合適的共燃比可減少這一問題。

6.2.3 煙塵排放

煙塵排放主要來源于燃料中的灰分,生物質(zhì)中的灰分含量較低,所以混燒生物質(zhì)時通常會降低煙塵的排放,但生物質(zhì)高揮發(fā)分和堿金屬含量的特點(diǎn)使煙氣中存在大量亞微米級懸浮顆粒。 采用靜電除塵器難以將其完全去除,需加裝袋式除塵器,但要防止微細(xì)氣溶膠堵塞布袋。 同時,由于生物質(zhì)熱值較低,混燒后產(chǎn)生的煙氣量較大,選擇除塵技術(shù)時要考慮到這一點(diǎn)。

7 結(jié)語

在“雙碳”壓力下我國面臨著能源轉(zhuǎn)型,燃煤電廠混燒生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)可有效減少CO2排放量,是實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展最為經(jīng)濟(jì)有效的方法,在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。

(1)通過對生物質(zhì)和煤燃燒特性的分析可發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)的揮發(fā)分較高,C、N、S含量較少,燃煤電廠混燒生物質(zhì)可以提高燃料的反應(yīng)活性,不僅實(shí)現(xiàn)大幅度CO2減排,還減少了SOX、NOX和煙塵等污染物的排放。

(2)通過浸出、烘焙、生物質(zhì)成型燃料等與處理方式可以提高生物質(zhì)燃料的能量密度,解決生物質(zhì)燃料在儲存、運(yùn)輸方面存在的問題。

(3)通過對國內(nèi)外生物質(zhì)混燒發(fā)展現(xiàn)狀的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn),直接混合燃燒僅需對目前的火電廠進(jìn)行改造,投資成本較低,是目前的主流技術(shù)路線,且生物質(zhì)混燒電廠向大容量機(jī)組發(fā)展。 我國的生物質(zhì)混燒技術(shù)與歐美國家存在差距,電廠發(fā)電機(jī)組容量較小,生物質(zhì)混燒項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營還需要國家政策補(bǔ)貼。

(4)對于生物質(zhì)混燒中出現(xiàn)的結(jié)渣、腐蝕和積灰等問題可以通過生物質(zhì)預(yù)處理及使用添加劑來解決。