農業生物質混煤燃燒發電技術的研究進展

焦慧強

（國網山西省電力公司晉城供電公司，山西 晉城048000）

1 引言

現階段我國的能源消費仍以煤炭為主，煤炭消費總量占全國能源消費總量的比例將近達到70%，能源消費結構不合理和能源消費模式單一成為能源消費的主要問題［1，2］。生物質能在儲量上是僅次于石油、煤和天然氣的第四大能源［3］，在當今化石能源存量銳減和環境問題凸顯的前提下，生物質能的廣泛應用在滿足我國能源需求、改善能源結構、減少環境污染等方面可發揮積極作用。我國的生物質資源主要是以林業資源和農業廢棄物為主，據統計，2010年我國主要農作物秸稈年產量約7.8億t，油菜、甘蔗、木薯等剩余物約1.2億t［4］。目前利用生物質代替化石能源發電仍是生物質能利用的主要方式之一，主要包括直燃發電技術、氣化發電技術和混燃發電技術［5］，其中混燃發電技術能充分利用現有技術和設備，在原有電廠鍋爐上進行改造，是一種成本低、風險小和規模化應用的有效手段。生物質與煤的混燃技術可分為直接燃燒利用和間接燃燒利用兩種形式，直接燃燒技術對生物質進行預處理，然后直接輸送至鍋爐燃燒室燃燒，主要有層燃、流化床和煤粉鍋爐等燃燒形式，主要應用于工業、區域供熱、發電以及熱電聯產等［6，7］。

近年來，國內外眾多學者對生物質與煤混燃進行了研究，主要集中在摻混后的燃燒特性、污染物排放以及經濟性效益分析［8～10］。本文在參閱國內外大量文獻的基礎上，總結近年來針對生物質與煤混燃燃燒特性和污染物排放特性的研究成果，分析其研究結果以及我國生物質與煤混燃發電技術存在的問題和發展方向。

2 我國農業生物質混煤燃燒發電的現狀

生物質混煤燃燒發電系統是一個以生物質和煤為燃料的火力發電系統，其生產過程與常規燃煤電廠類似，主要包括：先將秸稈、稻殼和其他廢棄物原料經預處理加工后與煤一起送入鍋爐內混合燃燒，將生物質原料和煤中的化學能轉變為熱能，鍋爐的汽水系統將變成飽和蒸汽，飽和蒸汽經過熱器變成過熱蒸汽后推動汽輪機做功，最后汽輪機驅動發電機組旋轉產生電能，其原理如圖1［11］。

目前，國外生物質混燃技術應用較為廣泛［12，13］，在美國，生物質與煤混合燃燒發電裝機容量達到了6 000 MW，其次是丹麥和奧地利［14］。我國生物質與煤混燃發電技術較歐洲國家相比起步較晚，主要存在著缺乏核心技術和設備，生物質原料供應困難、發電成本偏高等問題，一直制約著該技術在我國的規模化應用，該技術目前主要應用于小型燃煤電廠中。2005年我國首臺秸稈與煤混燃發電機組在十里泉電廠投產，該項目的所用燃燒技術被認為是國內首創，并取得了較好的社會與環境效益，按20%的秸稈摻混比例，年可減少5.8萬t標準煤消耗，折合燃煤8.2萬t（5 000kCal），同時減少二氧化碳排放6萬t，因此，該技術的廣泛應用具有重要的經濟和社會價值［15］。

3 農業生物質混煤燃燒特性影響因素分析

由于生物質混煤發電系統主要在原有常規燃煤發電系統進行改造，主要面臨的是因生物質原料的特性而引起的燃燒差異，對汽輪機及發電系統的改動較小，因此本文主要針對燃料處理及其燃燒特性進行分析。與常規燃煤系統相比，生物質與煤混燃后主要影響因素有：摻混比、生物質原料的預處理、灰渣特性。

生物質燃料具有高揮發性、低熱值、低硫分、高堿金屬含量以及能量密度低等特點，將生物質與煤進行混燃，一定程度上可減少純煤燃燒過程中的污染物排放，降低化石能源的消耗，但是過高的摻混比例會降低鍋爐燃燒效率，原料內部過高的堿金屬其熔融點較低，易造成鍋爐管道的堵塞和腐蝕，因此，選擇合適的摻混比例是二者進行混燃的重要問題。王曉鋼［16］等在熱重分析儀上研究了木屑、稻殼、稻草及耒陽白沙煤的燃燒特性，分析得出通過摻燒可以使生物質與煤的混合燃料的燃燒特性得到了優化，隨著生物質摻混比例的提高，摻混樣品著火點溫度降低得更加明顯，最大燃燒速率溫度也越低，由此推算大部門農業生物質摻混燃燒特性基本符合這個規律。王春波［17］等在自制管式爐上研究煤粉與生物質混燃后的低溫著火特性，混合燃料的燃燒速率隨著摻混比的增大而加快，燃盡程度提高，在難燃煤中摻混生物質對其著火特性影響比對易燃煤更明顯，同時摻混水分和揮發分含量高的生物質，燃燒初期的失重速率要快于燃燒中后期；摻混生物質中的灰分含量越多，對煤粉燃燒后期的促燃作用越差；燃燒反應活化能隨著生物質摻混比和溫度區間的增大而減小。王智［18］等利用循環流化床對谷殼和煙煤進行摻混燃燒，得出當谷殼的質量分數小于20%時，爐膛內的通過熱電偶得出的溫度場與純煤燃燒時基本相同，當質量分數達到40%時，爐膛溫度才有所降低，因此，在燃煤鍋爐中適當摻混生物質不會影響鍋爐的出力性能，而且可以改善燃煤的燃燒性能方面，摻混過多的生物質會影響鍋爐的出力。

利用燃煤混生物質進行摻混燃燒，可以達到互補效果，既實現了生物質能的廣泛高效利用，又改善了煤粉燃燒特性、降低了環境污染性。然而在實際混燒發電過程中，生物質灰的熔融點低，在溫度較高的情況容易堵塞管道，鍋爐內積灰結渣、腐蝕等一系列問題頻繁發生，這些問題與灰的特性密切相關，一直是困擾學者的難題，另一方面，生物質灰是一種很好的有機肥料，廣泛利用于農業領域，生物質與煤摻混后灰的二次利用問題也是學者研究的焦點。蒲舸［19］等利用熱重–差示掃描量熱儀（TG－DSC）對生物質與高硫劣質煤混燒灰的熔融特性進行研究，結果表明：兩者混燒會降低灰熔融點，生物質的摻混比例越高，下降幅度越大，生物質中灰分含量遠小于高硫劣質煤，混燒灰的灰熔點溫度主要受煤灰的影響。因此，適量生物質燃料的摻混對混合燃料灰渣的熔融特性影響不大，不會造成燃燒設備的腐蝕和堵塞。魯光武［20］等利用灰熔點測試儀分析了常見農業廢棄物和林業廢棄物與煤摻燒后灰的熔融特性，結果指出生物質與煤摻燒時是否結渣與生物質種類和摻混比例有關，稻草、谷殼與煤摻燒后其灰熔點降低，引起了結渣，這是因為稻草和谷殼灰分中的堿性氧化物含量高引起的，而當摻混物為木屑時，混合燃料不會出現灰熔點降低以及引起結渣等問題，經過試驗，木屑的灰熔點與煤相同，灰的軟化溫度高于煤粉，因此，選擇部分灰熔點較高的生物質與煤進行摻混，并不會引起結渣問題。

4 農業生物質混煤燃燒污染物排放特性分析

在當今倡導綠色能源的前提下，可再生能源還不能完全取代化石能源，生物質原料由于S、N元素含量較低，一直被稱為“綠色煤炭”，在燃燒過程中能實現CO2的零排放，生物質混煤燃燒可有效減少煤粉燃燒過程的污染物排放。然而由于生物質種類較多，掌握不同生物質與煤混燃過程中的污染物排放規律，對于生物質混煤燃燒發電技術的發展具有重要意義。徐承浩［21］等利用沉降爐進行了煤和秸稈混燒實驗，掌握了二者混燃過程中的污染物排放規律，結果表明：當摻煤比小于20%時，SO2的生成量較為緩慢，當摻煤比高于20%時，SO2的生成量加快，SO2和NOx的生成量隨摻煤比的增加而增加。黃定寅［22］等在循環流化床上分析了稻殼混煤燃燒過程中的NOx排放特性，在同一燃燒溫度下，NOx的排放量隨著燃料中稻殼所占比重增加而降低；當混合燃料中稻殼的摻混比例恒定時，NOx的排放量隨著燃燒溫度的升高而增加。

5 結論

實踐表明，生物質混煤燃燒發電技術非常適合我國的基本國情，近年來專家學者對其也進行了較為深入的研究，然而也存在部分因素制約了該技術的規模化推廣。

（1）該技術需對常規燃煤鍋爐進行改造，產生了一定的改造費用，而國家目前針對新能源發電的補助只針對純燃生物質鍋爐，生物質與煤混燃不在補貼范圍之內，且近年來，生物質原料價格也在不斷上漲，該技術經濟優勢逐漸下降；

（2）目前該技術仍存在部分問題未完全攻破，專家學者的研究也僅停留在實驗室儀器，尚未在實際運行鍋爐中進行實驗研究；

（3）由于我國地域遼闊，不同地區生物質原料的物理屬性存在較大差異，部分原料與煤混燃燃燒效果不理想，因此該技術的應用應與當地可大規模供應的生物質原料相結合，因地制宜；

（4）目前，我國生物質原料多分布在農業大省和山區，受地形影響，部分生物質分布較為分散，生物質原料的集中供應也存在一定的問題。

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