生物質摻燒發電存在問題及探討

華能國際電力股份有限公司日照電廠 張 民 辛以波 陳志霞 楊守亮 華能山東發電有限公司 胡 罡

1 引言

相比于國外，我國的生物質發電技術雖然有一定成就，但在生產過程中也帶來一定關聯性危害，與部分發達國家相比仍處于弱勢地位。當今世界能源發展更加傾向于多元化、低碳化以及智能化，生物質摻燒發電作為新的能源技術，經過評估與分析后被認定為21世紀發展前景良好的可再生能源之一，能夠進一步拓寬綠色可持續道路。但現階段也發現該項技術存在污染物排放、系統匹配度不高、結焦結渣以及經濟性等問題，因此針對生物質摻燒發電存在問題及探討研究十分有必要。

2 生物質摻燒現狀

自2019年歐洲多個國家被“熱浪”席卷后，高溫紀錄被提升一個等級，世界氣象組織針對此次記錄給出了合理的解釋，強調溫室氣體排放的影響，導致海平面上升和部分極端天氣情況。此事在世界范圍內快速發酵，經聯合國理事會的報告提出“2030年可持續發展目標進展報告”，這一舉措意味著溫室氣體排放問題亟待解決。我國在《十三五控制溫室氣體排放工作方案》中，明確指出一些電力集團單位在生物質發電方面的控制目標，保證現役燃煤發電機供電煤耗在310g/kWh以下。相關資料顯示，我國生物質資源年產量高達34.94億t，其中有4.6億t能夠被作為高潛力的標準煤，尤其生活垃圾方面產量占比相對較大，通過焚燒、氣化等方式能夠進一步實現資源化，利用率高達46%，但林業、秸稈等能源化相對不足，僅占據10%，存在資源浪費情況。

3 生物質摻燒發電技術問題

3.1 SO2、二噁英等污染物排放以及結焦結渣問題

在進行生物質摻燒發電的過程中，由于其折算水分相對較高，在摻燒時會使得鍋爐溫度降低，從而附著于管壁，形成結焦結渣情況，尤其在使用高溫分離器時，結焦情況異常明顯，長此以往會造成熱阻問題。加之其中堿金屬和CL元素較多，使得生物質中堿性成分含量更高，容易降低灰熔點。在高溫下發生反應，其中的SO2化合后生成硫酸鹽、氧化鐵等物質，會直接對Fe2O3保護膜造成腐蝕。除了SO2和NO2等常規性污染物外，二噁英也是一種亟待解決的污染物，其產生機理如下：

一是當生物質摻燒的溫度在800℃以下時，會導致一些含氯乙烯等塑料燃燒不完全，生成二噁英。二是當焚燒物質中存在一些銅、鈷等金屬離子時會在其他含氯、碳物質的催化下產生二噁英。

3.2 生物質破碎系統匹配度問題

當前，生物質摻燒項目破碎系統匹配度問題，主要表現為破碎顆粒不均勻以及適用性存在單一性。這一情況使得摻燒過程中存在無法實現對部分種類生物質的全面燃燒；一些顆粒不均勻情況也會直接造成堵塞，僅僅依靠部分生物質料無法滿足預期效果。針對這一問題，最佳的解決方式在于進一步加強生物質分類，并應用不同破碎系統進行針對性處理[1]。但現階段相關技術存在一定滯后性，仍須加強對設備的引進與研發力度。

3.3 原料價格相對較高

從價格方面來看，在生物質燃燒發電項目進行過程中發現，部分原料的成本相對較高，且擁有季節性的特點。根據調查數據顯示，最開始的收購成本普遍控制在50～150元/t，隨著時間的推移和政策的支持，現如今價格高達300～400元/t。近年來，在“雙碳”戰略的引導下以及國家相關政策對新能源的支持與推崇下，煤炭價格逐漸下跌，部分生物質摻燒項目的進行與煤炭價格倒掛，造成嚴重的虧損問題。

4 生物質摻燒發電技術探析

4.1 直燃耦合式生物質發電技術

4.1.1 結構

直燃式生物質CFB發電技術是比較直接的生產形式，就目前來看，我國在這一技術上的應用設計主要采用75t/h和130t/h這兩種規格的鍋爐，其結構如圖1所示。其中，包括床下點火器、分離器、爐膛以及回料器以及尾部對流煙道等，最關鍵的部分在于尾部煙道的設置，能夠根據燃燒物所排放的污染物質類型進行更換，確保綠色可持續發展。

圖1 直燃式生物質CFP鍋爐結構

4.1.2 技術問題探析與改進

針對直燃式生物摻燒CPF發電技術的探析，主要技術包括磨煤機耦合、送粉管道耦合、煤粉燃燒器耦合、獨立生物質燃燒爐內耦合等。結合先前各項技術的優勢與不足之處并總結相關經驗，提出將預磨生物質直接噴入送粉管道耦合的方案，能夠進一步降低成本縮短生產周期，且對整體生產結構和結果的影響相對較小。針對當前所存在的系統匹配度問題可以從生物質摻燒比例的角度出發，利用標煤熱量的收集功能進行比例測算，明確不同地區的資產成本以及耦合生物質發電比例，根據比例調控實現控制發電量，實現資源化效果。

針對送粉管道耦合工程的優化方案設計方面，本文以350MW熱電聯產機組為依據進行工藝流程擬定，其中鍋爐型式為臨界參數變壓運行、全鋼構架的Π型直流爐，將農林廢棄物和秸稈作為主要的燃燒物，完成破碎工序后送入管道中，經過獨立生物研磨后作為燃料。其中，針對破碎送粉管道的耦合方案需要在生物質散料進倉后進行稱重，將其卸放在料棚，經過帶式傳輸機被切割為10mm以下的小段，進行烘干并用螺旋進一步粉碎，直至能夠經過1mm濾篩。此時，將管道連接磨煤機，保證單臺爐摻燒10%生物質。

針對直燃式生物質CFB發電技術中存在的結焦結渣問題，需要將床溫始終控制在800℃以內，從而有效規避秸稈等物質燃燒時出現結渣結焦情況。在實際應用過程中，由于床溫和生物質摻燒的導熱性特點，會形成一定的溫度偏差，此時鍋爐出力情況與設計值相差20%左右[2]。因此，在使用分離器時可以通過增加送風量的方式促進燃燒，降低結焦率。針對物質高溫燃燒后出現的腐蝕情況，可以將過熱器放置在外部，此外為有效降低CFB鍋爐摻燒過程中的經濟成本，可將摻燒量控制在20%以內。針對污染物腐蝕性和排放問題還可以從循環床的角度入手，通過給料系統設計和循環流化倍率設計方案解決問題，加強污染物控制提升摻燒質量。

針對二噁英物質排放方面的問題目前尚未研發出能夠實現直接監測的設備，一般情況下會將CO作為輔助來遏制二噁英物質的生產，相關研究人員發現可以利用可調諧激光電離聯合飛行時間質譜技術實現對二噁英的檢測，利用關聯性模型獲得其濃度含量。在應用時選擇低壓連續氣力輸送工藝進行氣力輸送，可以設置雙線切換模式，利用兩臺破碎機進行傳送，且確保傳送皮帶的封閉性。在卸料位置設置攝像頭實現相關信號的傳輸，降低操作誤差。由于輸送末端爐膛正壓，因此需要進行封閉處理，設置快速閥門。

4.1.3 優勢分析

從機組效率的角度來看，相比于以往直燃技術應用，35MW摻燒10%直燃生物機組的生物質摻燒發電量相對較高，并充分考慮生物質的獨立性需求，無論是效率還是質量均在傳統機組之上。在生物質耦合比例存在失衡情況時，這種送粉管道耦合方案能夠凸顯摻燒發電項目的優勢，同時利用尾部煙道降低污染物的排放情況，進行二次處理，節能減排效果可觀。循環流化床（CFB）鍋爐對生物質摻燒顆粒粒徑的包容性較強，能夠在850～900℃下實現持續性燃燒，是現階段燃燒比例較高的技術之一，現役CFB機組約88260MW，能夠在破碎后直接進行直燃，無需進行多余步驟，從而降低經濟成本。應用CFB爐能夠做到生物摻燒燃盡，其產生的灰燼可以回收并用于還林還田，不僅能夠實現發電，還具有一定環境效益。

4.2 間接耦合式CFB發電技術

4.2.1 結構

間接耦合生物質發電技術主要通過將生物質進行氣化處理。現階段生物質摻燒氣化處理普遍應用流化床鍋爐來實現，在保證高溫低氧的環境下將其中的高分子碳氫化合物進行分解處理，變為具有可燃性的H2和CO。整個流程中包括熱解、氧化、還原這三個關鍵性步驟，同時還需凈化、過濾排煙口的雜質，從而獲取高質量燃氣實現發電功能[3]。生物質摻燒氣化過程一般應用流化床反應器和固定床反應器兩種。其中，流化床反應器可以根據風速情況分為循環床和鼓泡床，如圖2所示，其床體是橄欖石或硅物質組成，具有一定的惰性特質，在高溫狀態下會呈現液態狀態，與燃料反應后生成灰分。

圖2 生物質摻燒氣化爐工作流程

4.2.2 技術問題探析與改進

目前，生物質間接耦合摻燒發電技術應用效果較好的系統為芬蘭電廠制造，所用的燃料普遍為木質生物質，灰分、堿金屬以及氯含量相對較少，能夠實現與煤粉的結合燃燒，并利用CFB分離器將煙氣回收再進入爐內進行燃燒。該方式所得到的發電效果和對煤粉爐運行質量來說具有一定積極影響。當前，我國在這一技術應用方面存在的問題在于燃燒物質的單一性，且成本相對較大。我國作為農業大國，在應用間接耦合式CFB發電技術時，生物質摻燒材料以農林剩余物為主，大部分為灰分、堿金屬以及氯含量較高的秸稈物質，往往還需在原有機組上安裝過濾凈化等設備，造成一定成本問題，且對煤粉鍋爐影響較大。

針對這一問題，相關研究人員針對生物質氣化過程進行試驗，以硫化速度、風擋板、床料阻力等角度為切入點，提出有關于低倍率CFB的方案。在實際操作過程中應用MATLB實現模型仿真，模擬反應過程從而了解氣化反應的合理性，再對相關參數進行優化設計。本次研究針對300MW CFB鍋爐的模擬結果為依據，分析再染比例以及不同摻燒參數對發電效率的影響[4]。生物質摻燒行為需要保證在特定溫度環境、爐內壓力以及催化劑條件下產生反應，其中爭議較大的部分在于催化劑的使用，根據試驗結果選擇合適的催化劑，分別包括白云石類、Ni催化劑、SiO2以及堿金屬類催化劑，分析各自優勢。通過試驗表明，白云石類物質能夠幫助生物質實現充分燃燒提升發電效率，在生產過程中所產生的蒸汽也能實現回收利用，能夠保證能量循環。

4.2.3 優勢分析

基于對CFB生物質摻燒間接耦合發電技術方式的研究前景十分廣闊，現階段的研究重點可以轉向催化劑、氣化劑以及相關摻燒參數方面，進一步提升產物的可持續性。通過研究發現，控制發電鍋爐耦合能夠降低一些隱患問題，同時在摻燒過程中發現，水分問題仍然是占比較大的阻礙因素，但摻燒生物質能夠進一步降低NO的排放量，還能將其還原成N2進行循環燃燒，使得N2氣體的最終排放量有所降低。此外，相關研究表示在爐內摻燒一些谷殼能夠抑制SO2氣體的排放量。間接耦合式CFB發電技術還能實現摻燒生物質的存儲與破碎，控制入爐燃料量和密度，實現快速高效的共燃。

5 結論與展望

以某項目工程為例，利用生物質摻燒發電技術的工況為：全天使用燃煤3371t，工業固廢369t、生物質196.8t，比例為24.7%。其中，SO2排放濃度12mg/Nm3；NO2排放濃度37mg/Nm3；二噁英排放濃度低于0.00051ng TEQ/m3，根據相關煙氣報告顯示，所排出的污染物均在標準極限值內。

本文針對生物質摻燒發電技術存在問題的改進方案進行深度探析，其中在直接耦合式發電技術中針對送粉管道、二噁英排放、破碎系統匹配度以及結焦結渣問題進行系統化分析與改造，在耦合比例不足的情況下應用送粉管道耦合方案，配合傳輸皮帶與快速閥門實現節能減排。針對間接耦合式CFB發電技術則從機組安裝、MATLB模型仿真的角度展開分析，解決部分循環燃燒和摻燒參數的問題。

針對NO2與SO2的超低排放方面的問題需要加大研究力度，同時解決相關附屬產業以及發電計量、用途方面的問題。對于生物質摻燒發電技術的發展建議方面，可以優先進行10%以下比例的摻燒行為，項目研發過程中還需融入對現役CFB鍋爐的維護，亦可與熱點或垃圾供熱進行聯產，深入研究相關發電技術，同時堅持以低碳環保為基本原則，以實現負碳排放為主要目標。為實現更加精準的計算，可以采用陳列矩陣式皮帶秤實現對摻燒生物質的質量檢測，將不同單元的稱按照串聯模式安裝在皮帶機上，利用單元數據差異實現對皮帶張力的控制，保證系統精度實現瞬時流量、流速的信號傳輸，進行變頻控制。此外，針對經濟成本方面的問題需要加強對材料的評估，在項目開展之前進行生物質摻燒種類需求、收集方式、運輸時間、價格等綜合性思考，利用秸稈、農業種植情況進行季節性收集。