淺談生物質(zhì)與煤粉混合燃燒技術(shù)

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引言

據(jù)統(tǒng)計，全世界每年農(nóng)村生物質(zhì)的產(chǎn)量約300億噸，生物質(zhì)能源占全世界能源消耗的14%，僅次于石油、煤炭及天然氣等化石能源，居第四位。我國是農(nóng)業(yè)大國，每年至少有7億噸的農(nóng)作物廢棄物，至今這些生物質(zhì)能源仍占我國農(nóng)村消費的第一位，約合3.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。可以看出，生物質(zhì)能的開發(fā)利用潛力巨大。生物質(zhì)能是取之不盡的太陽能倉庫，可以降低二氧化碳溫室氣體，對生態(tài)環(huán)境具有保護(hù)作用，對國家能源安全建設(shè)以及我國農(nóng)村能源建設(shè)具有重要作用。

近十年來，發(fā)達(dá)國家開始重新審視生物質(zhì)能源的地位，關(guān)注新技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能源。通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和裝置可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高效的、與現(xiàn)代用能設(shè)備兼容的高檔能源載體，如氣體燃料、液體燃料和電力，可直接替代煤炭、石油和天然氣等礦物燃料。有人預(yù)言，到2050年，生物質(zhì)能源有可能提供世界60%的電力和40%的液體燃料。

目前我國各種生物質(zhì)資源利用率不高，大量秸稈資源在田間焚燒，不僅污染環(huán)境，而且浪費能源。將各類生物質(zhì)資源，特別是農(nóng)作物秸稈用于鍋爐直燃發(fā)電或供熱，節(jié)能效益和環(huán)境效益顯著，還可以成為國家最大的支農(nóng)產(chǎn)業(yè)。我國生物質(zhì)資源潛力巨大，而且到2010年，全國計劃關(guān)停534.55萬千瓦小火電機(jī)組，生物質(zhì)可以作為煤燃料的替代品進(jìn)行關(guān)停電廠的改造。未來中等容量的生物質(zhì)燃料發(fā)電將是我國重點發(fā)展方向，生物質(zhì)燃燒技術(shù)將成為生物質(zhì)利用的一條重要途徑。

一、生物質(zhì)能源開發(fā)利用技術(shù)現(xiàn)狀

人類對生物質(zhì)能的利用已有悠久的歷史，但是在漫長的時間里，總是以直接燃燒的方式利用它的熱量。直到20世紀(jì)，特別是近一二十年，人們普遍提高了能源與環(huán)保意識，對地球固有的化石燃料日趨減少有一種危機(jī)感，在可再生能源方面尋求能源持續(xù)供給的今天，生物質(zhì)利用新技術(shù)的研究與應(yīng)用，才有了快速的發(fā)展。生物質(zhì)能按其最終轉(zhuǎn)化和利用的燃料狀態(tài)可劃分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)生物質(zhì)。

二、生物質(zhì)與煤粉混合燃燒技術(shù)

由于各種生物質(zhì)利用技術(shù)的低效率、高成本和高技術(shù)風(fēng)險，可再生能源在能源市場上很難與化石能源競爭。而生物質(zhì)與煤粉在傳統(tǒng)電站燃煤鍋爐混合燃燒是可再生能源與常規(guī)化石能源的綜合利用，可以從兩種不同類型的燃料中獲得最大利益。混合燃燒利用現(xiàn)有化石燃料發(fā)電系統(tǒng)的巨額投資和基礎(chǔ)設(shè)施，僅需要對生物質(zhì)燃料部分進(jìn)行相對適度的投資。當(dāng)正確的選擇生物質(zhì)和煤進(jìn)行鍋爐設(shè)計和運行，還可減少傳統(tǒng)的污染物SO2-NOx和溫室氣體CO2-CH4排放。

混合燃燒在許多國家都是完成CO2減排的最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施，其益處包括利用本地資源發(fā)電、減少廢棄物的處理量以及資源的高效利用，并且上述優(yōu)勢以非常低的技術(shù)風(fēng)險有望近期實現(xiàn)。混合燃燒技術(shù)在美國、芬蘭、丹麥、德國、奧地利、西班牙和許多其他IEA國家應(yīng)用較多，電廠裝機(jī)容量通常在50-700MW。

生物質(zhì)燃料混合燃燒的最大挑戰(zhàn)是發(fā)展和示范在其經(jīng)濟(jì)上的吸引力。此類技術(shù)必須適合于改進(jìn)后的現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠，易于運行和控制，影響系統(tǒng)正常運行的風(fēng)險最小。目前大多數(shù)國家缺乏生物質(zhì)燃料安全的供應(yīng)鏈。所涉及的風(fēng)險包括發(fā)電廠被迫直接投資于燃料供應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，在不同地點主動地建設(shè)新的燃料供應(yīng)體系，控制燃料價格和質(zhì)量，保護(hù)新系統(tǒng)的投資，這對大多數(shù)電廠是缺乏吸引力的。

生物質(zhì)在煤粉爐內(nèi)直接混合燃燒(圖1)分為四種類型：

第一種方案：生物質(zhì)燃料與煤在給煤機(jī)上游混合。混合燃料被送入磨煤機(jī)，然后由磨煤機(jī)按混合燃燒要求的速度供給并分配給所有的煤粉燃燒器。原則上，這是最簡單的方案，投資成本最低。但是，這一方案有干擾燃煤鍋爐高容量的高度風(fēng)險。考慮到各種原因，本方案僅適用于有限種類生物質(zhì)燃料和非常低的混合燃燒比。

第二種方案：將生物質(zhì)搬運、計量和粉碎設(shè)備分離，處理后的生物質(zhì)輸入燃燒器上游已粉碎燃料管道或燃燒器。此方案需要在鍋爐正面安裝一定數(shù)量的生物質(zhì)燃料輸送管道，使得鍋爐的正面更加擁擠。實踐證明，在鍋爐正常運行負(fù)荷曲線上，控制和維護(hù)燃燒器比較困難。

第三種方案：也是將生物質(zhì)的搬運和粉碎設(shè)備分離，生物質(zhì)燃燒輸入專用燃燒器。此方案投資成本高，但對鍋爐的正常運行影響最小。

第四種方案：將生物質(zhì)作為再燃燃料，來控制NOx的生成。生物質(zhì)在燃燒室上部特殊設(shè)計的燃燒器中燃燒。目前本方案進(jìn)行了小規(guī)模的測試工作，將成為生物質(zhì)混合燃燒未來的方向。

圖1 不同生物質(zhì)混合燃燒利用的系統(tǒng)圖

三、電站鍋爐摻燒生物質(zhì)產(chǎn)生的新問題

無論生物質(zhì)在煤粉爐內(nèi)直接混合燃燒采用哪種方案均會帶來新的問題：

(一)成本-收益風(fēng)險

降低了系統(tǒng)運行的實用性和靈活性；增加了生物質(zhì)有關(guān)的搬運、點火裝置和鍋爐機(jī)組維護(hù)與更新費用，導(dǎo)致了更高的投資。

(二)技術(shù)-維護(hù)風(fēng)險及其對策

生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)的增加有可能干擾常規(guī)煤粉燃燒設(shè)備的正常運行：生物質(zhì)燃燒的控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)盡可能簡單，燃煤系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉是獨立的，生物質(zhì)燃燒器允許其與煤粉燃燒器在邏輯上協(xié)調(diào)一致，顯存的聯(lián)鎖必須安全的允許生物質(zhì)燃燒。

大多數(shù)生物質(zhì)混合燃燒的關(guān)鍵問題與生物質(zhì)-煤粉混合灰的特性有關(guān)，二者灰混合帶來的潛在問題包括：增加了鍋爐燃燒室和對流傳熱管束的灰分沉積速率；由于煙氣側(cè)腐蝕，增加了鍋爐金屬的損耗率；降低了除塵效率，增加了排灰量；妨礙了脫硫和脫銷設(shè)備的正常運行；影響了發(fā)電廠固體廢棄物的利用和處置。

四、結(jié)論

通過上文的分析可見，生物質(zhì)的大規(guī)模利用技術(shù)從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展的角度出發(fā)均具有很重大的意義，但由于生物質(zhì)自身燃料特性的影響，其在摻燒過程中仍在效益、安全等方面存在一系列的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)問題亟待解決。