淺析生物質能發展及在差速循環流化床中的應用

摘 ?要：2030實現碳達峰，2060實現碳中和。這場由生態環境問題引發的能源革命，需要穩中求進，以能源安全為原則，充分考慮傳統能源和新能在能源構成中的意義，大力推進綠色低碳經濟發展。生物質能作為新能源中代表，因其可實現零碳甚至負碳的特性，在實現“雙碳”的能源變革中具有重要意義。生物質能應用的領域非常廣泛，本文只介紹了生物質作為燃料的特點以及在差速循環流化床中的應用。

關鍵詞：碳達峰;碳中和;生物質;差速環流化床

前言

2020年，75屆聯合國大會一般性辯論上提出了我國的“雙碳”目標，即“力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。

我國是二氧化碳的排放大國，而煤電行業二氧化碳的排放占全國碳排放的半數。為了實現“雙碳”目標，在這場因氣候問題推動的能源革命中體現大國的擔當，我國的能源結構應向綠色低碳、安全高效的結構轉型。生物質能作為唯一含碳新能源，在向低碳能源轉型的過程中發揮近零排放的優勢，為實現碳中和作出重大貢獻。

1.我國能源的利用情況

我國二氧化碳排放量是非常大的。碳排放最大的是能源領域。能源在生產和利用過程中會產生大量二氧化碳，而煤電的碳排放強度是能源領域最大的行業。在實現雙碳目標的過程中，能源轉型和優化組合勢在必行。

電力是社會發展的動力。目前我國發電總裝容量約22億KW，其中煤炭發電的占比很大。雖然國家大力發展新能源，尤其是可再生能源，但是煤炭消耗量在電力領域仍占總量的一半以上。

2030年碳中和到2060年碳達峰，我國可利用的時間僅有30年。歐美等發達國家已基本實現碳達峰，到實現碳中和也有40～50年可以利用。從可利用的時間來看，我國的碳中和的目標是很緊迫的，因此在這場能源革命中需要積極推進低碳產業的發展。

2.生物質能源的優勢

我國的一次能源中，煤碳的存儲量、消耗量均居首位。煤炭利用過程中的碳排放強度也居首位。為了力保2060年碳中和，我國需要逐步減少煤炭在能源構成中的占比，在保證能源供應和安全的原則下，推進煤炭同可再生能源的優化，增加可在能能源在能源結構中的比例。

風能、太陽能、生物質能都屬于可再生能源，也是低碳能源。近幾年風能、水能、太陽能發展勢頭很猛，在非化石能源領域的比例較高，而生物質能源的發展相對來說暗淡些。風能、太陽能在利用過程中會受到自然條件的影響，具有間歇性、隨機性、波動性且不容易調節等特點，是靠天吃飯的能源。鑒于上述特點，若這幾種能源用戶發電的比例超過一定數值，會影響電能利用的安全性。而且風能、電能可用于發電，但不能供熱，也不能代替煤炭在其他領域的應用。

可再生能源中唯一的含碳能源是生物質能。生物質也是碳、氫化合物，不僅同煤的結構類似，也同煤炭一樣具有可以儲存、運輸的特點，這也是其他可再生能源無可比擬的。

3.生物質能在差速循環流化床中的燃燒技術

3.1生物質能的特點

生物質包括林業資源、農業資源、畜禽糞便、生活污水、工業有機廢水、城市固體廢物等幾大類。生物質能雖然內部結構和特性與煤炭等化石能源相似，但是生物質能源還是有些特點是不同于煤炭的，故在設計采用生物質能發電的項目時，需要充分了解生物的特性，進行差異化設計。

生物質能作為燃料消納時，具有以下特點：（1）燃料熱值波動大、水分變化大;（2）揮發分高;（3）密度低;（4）含硫量低;（5）氯、鈉、鉀含量高。

基于生物質的上述特點，當鍋爐設計時以生物質作為燃料，需要考慮以下幾個關鍵問題：

（1）鍋爐在設計燃燒時，需要考慮熱值、水分波動對燃燒、煙氣量的影響;

（2）生物質揮發分高，燃燒速度快，火焰長，設計時需要考慮燃料在爐膛內不同區域的燃燒份額及燃料與氧氣混合的問題;

（3）生物質的密度比煤炭的密度小很多，同樣的消耗量，生物質的體積比煤炭龐大許多，故生物質需要考慮儲存、輸送、給料困難的問題;

（4）硫、鈉、鉀、氯等元素為燃料中的有害物質。生物質燃料中除硫元素含量較低外，鈉、鉀、氯元素都要比煤炭高出很多。故生物質燃料燃燒時會產生硫酸氣體以及使灰的熔點降低的鈉、鉀化合物，這些物質會使受熱面產生高溫腐蝕、低溫腐蝕、積灰、結焦等不利因素，影響鍋爐穩定運行。

生物質能與傳統化石能源相比發展的相對較晚，但是經過幾十年的發展，對生物能認識越來越完善，積累了豐富的經驗，也取得了一定成績。在利用生物質的過程中，充分考慮生物質能的特點，生物質能的優勢在“雙碳”目標中會被更好的展示。

3.2差速循環流化床燃燒技術的特點

流化燃燒技術與層燃爐、懸浮燃燒不同之處在于，該爐型需要設計布風裝置，還需在布風裝置上鋪設惰性床料。根據爐內床料的多少有高循環倍率、低循環倍率之分;根據爐內流化速度的大小有高速床、低速床之分。差速循環流化床屬于低速、低循環倍率的燃燒方式。

差速循環流化床（即差速床）由爐膛、分離器、尾部煙道組成。爐膛為主燃區，生物質燃料通過給料口送入爐膛進行燃燒。爐膛分成上下兩部分，上部為稀相區，下部為密相區。密相區設有雙床，即高速床和低速床;稀相區為低速區，四周為膜式壁結構; 稀相區出口的后部布置有旋風分離器;分離器的出口連接尾部煙道，煙道里布置對流受熱面。

差速循環流化床采用低速、低循環倍率流化床技術，不僅可以促進燃燒，還可以減少磨損。低速以及爐內較低的物料濃度，在爐膛密相區、稀相區過度區域形成負壓區，便于低密度的生物質順利燃料送入爐膛，很大程度的減少了堵料、卡料的概率。生物質燃料通過給料口送入下部密相區高速床，燃料在下部流化，床內物料的混合強烈，給強化燃燒創造了條件。密相區設計雙床時，高速床不設計埋管，埋管布置低速床，這種設計具有強化燃燒、受熱面利用率高、防磨的特點。

本技術除高速床外，低速床和稀相區均選擇較低的煙氣速度，該設計更能適應生物質燃料密度低、揮發分高的的特點，低速可以保證燃料在爐膛內有充足的燃燒時間，燃燒時析出的揮發分氣體可以在爐膛的中下部燃燒，減少爐膛出口的燃燒份額，降低爐膛出口的煙氣溫度。根據生物質燃料灰渣的結渣特性，選擇合適的爐膛溫度及進入尾部煙道的煙氣溫度，以降低受熱面結渣的可能性。

燃料經爐膛前墻進入密相區，燃料在爐膛內燃燒后，產生大量煙氣，經過爐膛出口的過熱器，進入帶加速段的臥式水冷旋風分離器，物料和煙氣在分離器中進行分離，被分離出來的物料經回送裝置再返回爐膛，實現循環燃燒，降低飛灰含碳量。經過分離器的煙氣進入尾部煙道，經過蒸發器、省煤器、空氣預熱器由尾部煙道排出。

4.結語

今后幾十年的時間里，煤炭仍然為我國能源組成的壓艙石，這是由我國是煤炭儲存大國的現狀決定的;從2030年到2060年實現碳中和，我國的“雙碳”目標在時間上也是很緊迫。時間緊任務重，在保障能源供需平衡的基礎下，發展綠色低碳循環經濟。在去碳化的進程中，積極推進生物能的發展是非常有意義。

生物質能作為燃料應用于電力行業中，逐步代替煤炭，不僅可以去碳還可以實現電力能源的調峰能力，保障電網的穩定性，進而為社會經濟的健康發展保駕護航。

參考文獻

[1]倪維斗.毛健雄等 .生物質能在我國實現碳達峰與碳中和的巨大潛力.中國循環流化床發電，2021.10

[2]周宏春等.我國能源領域科學低碳轉型研究與思考.中國煤炭.2022.1

作者簡介：

趙儒萍（1980.12-），漢族，女，江蘇徐州人，本科（工學學士），工程師，研究方方向：循環流化床鍋爐。