煤粉爐摻燒生物質發電技術研究進展

周 義，張守玉，郎 森，劉思夢，楊濟凡，馬達夫，胡 南，吳玉新

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.長春工程學院，吉林 長春 130103；3.清華大學 熱能工程系，北京 100084)

0 引 言

近年來，化石燃料過度使用造成的環境惡化、氣候變暖等問題受到國際社會重視，控制CO2排放已迫在眉睫。國家主席習近平在聯合國第七十五屆聯合國氣候大會鄭重承諾：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前實現碳達峰，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。

在我國所有工業部門中，發電行業是CO2最大排放者，2019年中國火力發電CO2排放量達4.3 Gt，占全國總排放量的41%。研究認為中國現有能源結構阻礙了碳中和、碳達峰目標的實現[2]。為優化我國能源結構，火力發電需要為新能源讓出發電負荷，然而風能、水能、光伏等新能源由于其隨機性、間歇性等特點導致電網難以消納。此外，現階段燃煤機組調峰能力尚有不足致使“棄風”、“棄光”甚至部分地區“拉閘”現象發生[3-6]。若強制控碳減排，關停煤電機組勢必造成巨大的資產擱置，危害我國能源安全。

聯合國氣候變化委員會發布了各種電源碳排放強度，其中煤電、石油、天然氣、生物質碳排放強度分別為1 001、840、469和18 g/kWh(以CO2計)[7]，與煤電、石油、天然氣相比，生物質的碳排放強度可忽略不計。生物質儲量豐富、可再生、清潔、反應活性好[8-10]，利用現有煤粉爐摻燒生物質僅需適當改造，可實現CO2快速減排，促進鍋爐側燃料靈活性轉變[11]。此外，農林類生物質中揮發分高，與煤混燃能改善燃料燃燒性能，降低著火熱[12]，有助于機組低負荷穩燃并促進其向更低負荷調峰[13]。而生活垃圾、禽畜糞便、污泥及廢棄油脂類生物質能源化利用可使其無害化、資源化，利于環境治理。

燃煤耦合生物質發電技術在歐美國家應用甚廣，煤/生物質混燒電站已達200余家[14]。我國在《能源、電力“十三五”規劃》中也堅定支持發展燃煤耦合生物質發電技術[15]，但由于起步晚，與歐美等發達國家還有一定差距。筆者總結生物質與煤混燃的燃燒特性、結渣特性及污染物排放特性，討論了燃煤電站耦合生物質發電方式、改造路線以及技術壁壘，并對技術壁壘的應對措施進行概述，為燃煤電站摻燒生物質改造提供理論和技術支持。

1 摻燒生物質對燃燒、結渣、排放的影響

在盡量不改變機組結構的同時進行摻燒或煤種改良等，可增強鍋爐燃料靈活性，提高整個機組對燃料的適應性[16]。機組對燃料的適應性是保證燃煤機組調峰潛力的基礎。對于煤粉爐摻燒生物質而言，有必要對生物質燃料特點及其與煤混燃的燃燒、結渣及污染物排放特性進行研究。

1.1 生物質燃料特點

國際能源機構(IEA)將生物質定義為通過光合作用所形成的有機體，包括動植物以及微生物[17]，主要有農林廢棄物、污泥、動物糞便、生活垃圾、廢棄油脂。我國生物質資源量及其能源化利用現狀如圖1所示。同時，筆者對不同類型生物質燃料及煤的燃料性質進行統計，結果見表1。

圖1 我國生物質資源量及其能源化利用現狀Fig.1 Current situation of biomass resources and energy utilization in China

表1 不同生物質及煤的燃料性質統計(平均值)Table 1 Statistics on properties of different types of biomass fuels and coals(average)

1)秸稈。截至2020年，我國秸稈資源年產量為8.29億t，但能源化利用僅有8 821.5萬t[17]，開發利用潛力巨大。秸稈揮發分高、固定碳低、低硫、低灰分，是良好的清潔燃料[21]。但缺點是能量密度低、分布較分散，其供應受季節影響較大。

2)林業剩余物。林業剩余物主要指林業的“三剩物”即砍伐剩余物、造材剩余物及加工剩余物，我國年林業剩余物產量約3.5億t[17]。與農業廢棄物秸稈相比，林業剩余物不僅具有高揮發分、低灰、低硫等特點，其纖維素含量較低、木質素含量較高，易破碎為粉末顆粒，較適于煤粉爐直接摻燒。

3)污泥。由《3060零碳生物質能發展潛力藍皮書》可知，我國2020年污水污泥干重產量為1 447萬t，僅有114.6萬t被能源化利用[17]。污泥主要特點為：高水分、高灰分、低熱值以及較高的重金屬含量[22]。

4)動物糞便。我國2020年畜禽糞便干重產量達18.7億t，沼氣化利用僅為2.11億t[17]。糞便類生物質主要特點為高水分、低灰分、相對較低的熱值[23]。

5)生活垃圾。當前我國生活垃圾年產量為3.1億t，其中垃圾焚燒量約為1.43億t[17]。其特點為：熱值低、重金屬含量高、污染重。

6)廢棄油脂。油脂廢棄物指食品加工業及餐飲業中不能再使用的動植物油脂，我國廢棄油脂年產量為1 055.1萬t，能源化利用量為52.76萬t[17]。

1.2 生物質/煤混燃燃燒特性

燃料的燃燒特性是鍋爐燃燒設備設計的主要依據，主要包括燃料的燃點、燃燒速率、熱值、燃盡溫度等[24]。

對于農林廢棄物類生物質而言，其高揮發分、低碳含量的燃料性質決定了該類生物質具有較好的反應活性及低熱值[25-29]。而煤較低的揮發分、較高的含碳量決定了煤的高熱值，也導致反應活性較差。相對燃煤而言，生物質與煤混燃增加了燃料揮發分含量，使其燃燒過程中局部揮發分增加，提高局部揮發分與氧氣體積分數的比值,燃點為不同環境溫度與揮發分等參量的函數，揮發分與氧氣體積分數比越大越易著火[30]。因此，摻燒該類生物質可降低混合燃料的燃點使燃燒提前[26]。王健等[27]對不同摻混比例下平朔煤與棉桿混合焦的燃燒特性進行研究，發現摻入一定比例棉桿焦可降低混合焦燃燒活化能從而降低燃點、提高燃燒速率，但生物質焦與煤焦燃燒速率及奪氧能力的不同使混合燃料的燃燒速率與摻燒比例呈非線性變化。戴惠玉[28]研究不同比例鋸末和煤的燃燒特性，發現隨生物質摻燒量的增加，燃料燃燒性能越好，而燃盡性能變化不大，但仍存在最佳混燃比。王華山等[29]研究了蘭炭和稻殼混燃的燃盡性能，發現生物質灰熔融溫度低，隨生物質添加比例增加，燃燒產生的灰分會堵塞燃料細孔，抑制揮發分析出和焦炭燃燒。綜上，雖然生物質摻燒可降低燃料燃點，促進煤燃燒，但摻混比對燃燒速率及燃盡性能的影響不同，仍需進一步研究。

對于污泥類生物質，其含水量高和灰分高的特點導致熱值較低，但經干燥脫水后熱值與褐煤相當[21]，增加了其能源化利用的可能性。煤與干化后污泥混燃時，由于污泥中揮發分相對較高，混合燃料的燃點降低，著火穩定性高于煤。高揮發分燃料性質特點往往會使燃盡提前[30]。但污泥灰含量較高，其綜合燃燒特性指數低于煤，整體燃燒性能不如煤。

煤粉爐摻燒禽畜糞便、濕垃圾等生物質時，通常將該類生物質經氣化爐生成CH4、CO、H2等低燃點生物質氣，然后通入煤粉爐耦合燃燒。低燃點氣體的作用與揮發分類似，可降低燃點，改善燃燒特性，提高燃燒穩定性[31]。

摻燒農林類生物質及生物質氣可改善燃燒特性。煤粉爐摻燒農林生物質及生物質氣時爐膛只需維持在煤粉燃點以上[32]，即可順利著火。一次風著火距離與燃料揮發分呈負相關關系[30]，即揮發分含量越高著火距離越短，越有利于鍋爐穩定燃燒。因此，利用該特性可在鍋爐不投油時，增加鍋爐低負荷燃燒穩定性，提高機組調峰能力。

1.3 生物質/煤混燃結渣特性

鍋爐結渣是復雜的物理化學過程，農林類生物質及污泥類生物質中富含大量無機元素，其與煤混燃過程中易生成氣相冷凝細灰及低溫共熔體[33]，黏附在換熱面上易造成結渣。結渣是生物質/煤混燃的最大風險，而灰熔融溫度及煙氣中堿金屬含量是反映鍋爐結渣狀況的重要參數。

影響生物質/煤灰熔融溫度的元素主要有K、Na、Ca、Mg、S、Cl、Fe、Al、Si、P等[22]。黃東東等[34]認為灰中成分可分為酸性氧化物(SiO2、Al2O3)及堿性氧化物(K2O、Na2O、CaO、Fe2O3、MgO)，酸性陽離子具有較高的離子勢，易與氧離子結合形成多聚物提高灰熔融溫度；而離子勢較低的堿性陽離子作為氧的給予體能解聚多聚物，降低灰熔融溫度。非金屬元素Cl、S含量對堿金屬及堿土金屬的成灰過程有重要影響，Cl元素可以增大燃燒過程中堿金屬的析出比例[35]，S元素雖然會與堿金屬發生硫化反應降低煙氣中堿金屬含量，但生成的硫酸鹽易在換熱面上冷凝，形成黏性表層進而捕獲煙氣中灰顆粒造成鍋爐結渣[36]。因此，煤粉爐摻燒生物質需考慮混合燃料的酸堿比及堿金屬含量[35]。農林廢棄物堿金屬含量高，大量摻燒時易結渣；而污泥灰含量較高，相較于農林廢棄物更易積灰，因此污泥摻燒過程中需控制污泥摻燒量，注意爐膛及時吹灰；而摻燒生物質氣可一定程度緩解灰熔融溫度低引起的爐底結渣[21]，但生物質氣中仍含有堿金屬，易形成氣相冷凝細灰進而造成結渣。

1.4 生物質/煤混燃污染物排放特性

煤粉爐摻燒生物質可有效降低CO2排放，但SOx、NOx等污染物排放取決于燃料硫含量、氮含量及爐膛燃燒溫度等[37-38]。

1)SOx排放。農林類生物質硫含量較低[18]，因此在摻燒生物質時鍋爐硫化物排放量低。此外，生物質中富含K、Ca、Mg等堿金屬，其與煤燃燒過程中，堿金屬會與煙氣SO2反應生成硫酸鹽起到良好的固硫作用，可進一步降低煙氣中SOx含量[39]。而污泥含硫量通常比煤高且主要以易揮發的有機硫形態賦存[23]，不適合大量摻燒，但低比例摻燒時，煤中Ca等礦物質可與SOx發生反應固硫，對SOx排放影響不大[40]。生物質氣中硫含量極低，摻燒生物質氣可有效降低SOx排放[41]。

2)NOx排放。燃煤鍋爐煙氣中NOx生成方式比較復雜。燃燒過程中生成的NOx可分為燃料型、熱力型及快速型，燃料型NOx占75%左右，熱力型約占20%，快速型NOx生成量較少[42]。

摻燒農林生物質是減少NOx排放的重要方法，該類生物質與煤混燃過程中，生物質中揮發分大量釋放并與煤粉奪氧燃燒導致煤粉周圍出現局部貧氧，可有效抑制中間產物向NOx轉化[43]。其次，生物質中氮常以氨基形式存在，易于還原氣氛下生成CHi、NHi等基團，將生成的NOx轉化為HCN和N2[44]。此外，生物質熱值較低，摻燒生物質時爐膛溫度相應降低，可減少熱力型NOx的生成，但鍋爐過低的煙溫易導致SCR脫硝催化劑失活[32]。倪剛等[18]在50 kW下行爐上對生物質與貧煤混燃的摻燒位置進行研究，發現生物質從還原區且接近燃盡區射入對NO的還原效果較好。但實際改造過程中考慮到摻燒方式、燃料性質及改造成本，生物質通常從鍋爐最上層或最下層備用燃燒器噴入[44]。

污泥中有較多蛋白質，其氮元素含量高于原煤。少量摻燒時，污泥中揮發分會奪氧燃燒并生成CHi及NHi基團，降低熱力型NOx生成，但大量摻燒會導致燃料型NOx排放增加。TAN等[45]通過現場試驗發現污泥摻燒比小于7.35%(質量比)時，NOx排放量隨摻混比上升而下降。

生物質氣的主要成分為CH4、CO、H2等氣體，均為可與NO發生反應的還原性氣體，摻燒生物質氣可有效降低NOx排放量。楊章寧等[46]在50 kW下行爐上對生物質氣與貧煤混燃的摻燒量、摻燒位置進行研究，發現生物質氣從燃盡區附近噴入燃燒對NOx排放量的降低效果最好，且隨著生物質氣摻燒量的增加，NOx排放量逐漸降低。

3)顆粒物排放。燃煤機組顆粒物排放主要來源于燃料灰分，通常燃料灰分越高，煙氣中的顆粒物含量越高[47]。農林生物質和生物質氣中灰含量低，摻燒會降低煙塵排放，但農林生物質燃燒后會生成大量亞微米細顆粒，常規的靜電除塵無法將其完全脫除，因此需要加裝布袋除塵器等除塵設備[32]。污泥灰分高，摻燒時顆粒物排放高。

4)重金屬排放。相較于農林廢棄物、生物質氣，污泥富含重金屬，電廠摻燒污泥后鍋爐煙氣以及飛灰中的重金屬也會增加[48]。污泥摻燒過程中，揮發性較強的重金屬如As、Hg、Se富集于煙氣中，而揮發性較差的重金屬如Pb、Cu、Cr、Ni多富集在灰渣中[40]。李德波等[49]對某330 MW鍋爐摻燒不同比例污泥，研究了重金屬排放特性，發現污泥摻燒質量分數在8%以下時對機組重金屬排放無明顯影響。

2 摻燒方式靈活性

2.1 農林廢棄物的摻燒方式

適用于燃煤電站耦合生物質的方案有3種：直接耦合、間接耦合和并聯耦合[2]。直接耦合是將預處理后的生物質與煤粉一同送入鍋爐燃燒；間接耦合是將生物質燃燒或氣化后生成的氣體引入鍋爐發電，禽畜糞便、濕垃圾及廢棄油脂類生物質通常采用該種耦合方式；并聯耦合是煤與生物質分別采用各自的燃燒系統即煤粉爐和生物質鍋爐，二者產生的蒸氣進入機組熱力系統耦合發電。3種摻燒方案示意如圖2所示。

圖2 煤粉爐摻燒生物質的技術路線Fig.2 Technical routes of biomass blending in pulverized coal furnace

間接耦合可避免因堿金屬含量高引發的鍋爐結渣問題，避免生物質制粉繁瑣問題，燃料適應性強，也利于回收粉煤灰。并聯耦合同樣可減少摻燒生物質帶來的沾污、結渣問題，有利于粉煤灰及生物質灰的分級回收利用。但間接耦合需要加裝生物質氣化爐，并聯耦合需要新增生物質鍋爐。間接耦合和并聯耦合改造成本及運行成本都較高，是直接耦合生物質的4～9倍，3種耦合形式的改造投資及運行成本[14]見表2。直接耦合更適合我國燃煤機組的改造。

表2 摻燒生物質直接、間接和并聯耦合的改造、運行成本Table 2 Modification and operating costs of direct,indirect and parallel coupling of biomass blending 元/kWh

直接耦合根據生物質的摻燒位置不同有4種耦合方式[50]：制粉處耦合、一次風管處耦合、燃燒器處耦合以及獨立燃燒器處耦合方式，具體如圖2所示。

制粉處耦合即將預處理后生物質與煤一起送入磨煤機中磨制成粉，在一次風氣流的作用下經燃燒器進入爐膛燃燒。該種耦合方式幾乎不需對現有鍋爐設備進行改造，成本較低。但生物質磨制困難且易堵塞輸粉管道[51]，生物質可摻燒比例較小(熱值比0～10%)[14]。

一次風管處耦合是將預處理后生物質送入專用磨煤機磨制成粉，磨制完的生物質粉與煤粉在一次風管處混合并由一次風攜帶經燃燒器進入鍋爐燃燒。輥式磨煤機、錘片磨和直吹式制粉系統較適合生物質粉的磨制運輸[32,44]。該種耦合方式改造成本除新增專用生物質制粉設備外，無其他投資且改造過程不影響原機組運行。目前，該種燃燒方式最多可以摻燒20%(熱值比)的生物質[14]。

燃燒器處耦合和一次風管處耦合相似，采用同樣的獨立生物質制粉設備，但生物質粉與煤粉于燃燒器處混合。該種耦合方式大大降低了生物質粉堵管風險，擴大了生物質粉粒徑要求，提高了生物質耦合比例(10%～50%)[14]，但仍需建設復雜的生物質粉輸送管路。此外，由于生物質堿金屬含量高、燃點低、著火距離短，摻燒過程中可能會出現燃燒器結焦、燒毀現象，因此還需對原煤粉燃燒器進行相應改造[52]。

獨立燃燒器耦合方案即生物質磨制完成后經專用輸粉管道直接由生物質專用燃燒器送入爐膛燃燒。此時，生物質粉制備以及燃燒完全獨立于燃煤系統，進一步提高了生物質摻燒比例(50%～100%)[14]。該方案改造成本在4種方案中最高，生物質摻燒量也最高。

2.2 污泥的摻燒方式

摻燒污泥方式通常分為直接摻燒、機組煙氣直接干化后摻燒及蒸氣間接干化后摻燒3種。煤粉爐的濕污泥含水量高、熱值低不適合直接摻燒，通常需將污泥干化后摻燒[53]。

煙氣直接干化污泥摻燒即利用鍋爐高溫煙氣作為熱源干燥污泥，干化后污泥與煤混合后一同送入磨煤機制粉，干化后產生的廢氣送入爐膛燃燒，如圖3所示。爐膛高溫及鍋爐的脫硫、脫硝系統可滿足污泥適量摻燒的排放問題。該種方案對鍋爐效率影響不大，成本適中，但摻燒量過大時，所需煙氣量大，易降低鍋爐主蒸氣參數[53]。

圖3 煙氣直接干化污泥摻燒工藝Fig.3 Process route of sludge dried by flue gas directly blending in co-combustion

蒸氣間接干化污泥摻燒即利用汽輪機抽汽作為熱源干燥污泥，干化后的污泥與原煤一同送入磨煤機制粉。干化產生的可凝廢氣通過冷凝器冷凝成水，不可凝廢氣則通入鍋爐燃燒，如圖4所示。該種摻燒方式的熱源來自汽輪機抽氣，對鍋爐主蒸氣參數影響較小，可實現污泥的大量干化摻燒，但對凝結廢水的處理較為困難，成本較高[40]。

圖4 蒸氣間接干化污泥摻燒工藝Fig.4 Process route of sludge dired by steam indirectly blending in co-combustion

3 煤粉爐摻燒生物質壁壘及應對措施

3.1 農林廢棄物的供應與儲運

煤粉爐摻燒生物質對燃料的需求量大，生物質原料供應是限制生物質發電的核心問題。我國農業作業多以家庭式耕種為主，作物種植規模小，相對分散。其次，我國農業廢棄物需要集中化收購且收購過程較大程度依賴農戶意愿。因此，需建立較全面的農業生產體系，優化秸稈收購模式，建全生物質供應的相關政策，推進生物質能的利用。

對于生物質儲運而言，先進燃煤機組摻燒生物質不可能將生物質以散料形式運到布置緊湊的電廠。將生物質壓縮成型后運輸至發電廠，可減少生物質散料運輸成本及火電廠的儲藏成本，且經壓縮成型后的生物質顆粒能量密度及抗壓強度也會顯著提高[10]，利于火力發電廠的摻燒利用。

3.2 制粉、燃燒系統適應性

農林廢棄物類生物質難以破碎，需采取合適的生物質制粉設備，如錘磨機、輥式磨煤機可滿足生物質制粉需求。其次，對原料進行烘焙處理使其可磨性較好、疏水、熱值增加[14]，提高該類生物質摻燒對制粉系統的適應性。農林廢棄物揮發分高，摻燒時易造成著火提前，引起燃燒器超溫進而造成燃燒器表面結焦或燒毀。因此，大比例摻燒生物質時，需適當調節一、二次風的風速，提高該類生物質摻燒對燃燒系統的適應性。

污泥類生物質含水量多，經干化后含水量仍達30%[40]，極易堵塞煤倉下料口及磨煤機入口，因此需控制污泥摻燒量并使污泥與煤混合均勻。

3.3 摻燒農林生物質的沾污、結渣問題

摻燒生物質的最大風險為鍋爐的沾污、結渣問題。生物質中堿金屬含量高，燃燒過程中引發的結渣[21]嚴重威脅機組安全性和經濟性。燃料預處理及抗結渣添加劑可緩解摻燒生物質帶來的結渣情況。相關研究表明[34]向燃料中摻燒一些富含SiO2、Al2O3的酸性添加劑改變灰分酸堿比可起到抗結渣作用。利用水洗、醋酸銨洗以及鹽酸洗等洗滌方式[54]脫除了生物質中不同賦存形式的鉀，可在提高生物質灰熔融溫度的同時降低了鍋爐爐膛煙氣中鉀含量，降低鍋爐結渣的可能，也可減少堿金屬含量高可能帶來催化劑堵塞、中毒等問題[55]。

3.4 煤粉爐摻燒生物質的經濟性

按熱值折算生物質發電成本大多高于煤炭。無政府補貼的情況下，發電企業摻燒生物質大多虧本。污泥類生物質的摻燒雖會增加發電成本，但考慮到環境效益且依據現有補貼[56]仍可獲得一定的經濟效益。而摻燒農林廢棄物類生物質因其生物質摻燒發電量難以精確計量，無法獲取國家財政支持，步履維艱[57]。間接耦合及并聯耦合中生物質發電量的監測手段已取得一定突破，但直接耦合中生物質發電量計量技術仍需進一步研究。清華大學孟慶慧等[58]提出一種14C同位素在線監測生物質混燃比的方法，可實現生物質發電量的精確檢測，該技術已成功示范。

4 結語與展望

面對雙碳壓力，我國優化能源產業結構勢在必行，生物質作為碳排放量極低的碳質燃料具有來源廣、產量豐富等特點，利用潛力巨大，生物質摻燒可實現CO2快速減排。目前限制生物質大量摻燒的因素主要為：生物質燃料的來源及儲運、生物質燃料發電量的單獨計量。對此，提出如下建議：

1)生物質分布零散，儲存與運輸成本高。建議推行集中化的生物質收購模式，建立合理生物質市場秩序。同時進一步開發生物質壓縮成型技術，提高生物質成型燃料的抗壓強度、能量密度，降低生物質供應鏈的風險。

2)由于生物質發電量難以單獨計量導致其暫無法獲得財政補貼，摻燒生物質發電企業難以盈利。建議采用14C同位素在線監測技術以實現生物質發電量的精準計量。

3)農林廢棄物類生物質反應活性好、揮發分含量高、燃點低，摻燒高揮發分燃料可以提升鍋爐低負荷下穩燃能力。受制于生物質燃料的供應，短期內難以實現燃煤機組大量摻燒生物質，建議將其作為調峰“煤”使用[13]。上海理工大學碳基燃料清潔轉化實驗室以新疆棉桿及新疆褐煤為原料，研究摻燒生物質對燃燒穩定性的影響，并運用計算流體力學軟件采用燃燒器處耦合方案對鍋爐低負荷下摻燒生物質的穩燃性能進行仿真，相關試驗臺及仿真模型正在搭建中。