生物質(zhì)與煤混合燃燒的技術(shù)評述

北京博奇電力科技有限公司 馬志剛 吳樹志 白云峰

　　摘要：生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)是一種低成本、低風(fēng)險可再生能源利用方式。依據(jù)給料方式的不同，混燃可以分為直接混燃和間接混燃兩種方式。受生物質(zhì)特性的影響，混燃會對原有的鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。系統(tǒng)介紹了混燃過程對系統(tǒng)燃燒特性的影響、對SO2、NOx等污染物排放的影響、以及混燃對鍋爐系統(tǒng)的積灰、結(jié)焦及腐蝕的影響；并在此基礎(chǔ)上對混燃的經(jīng)濟性進行了評價，最后給出了目前的混燃研究中存在的問題以及發(fā)展的方向。

　　生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，生物質(zhì)具有高揮發(fā)分，低N、S含量、低灰份的特性。其燃燒過程具有CO2零排放的特點，這對于緩解日益嚴(yán)重的“溫室效應(yīng)”有著特殊的意義。我國是一個農(nóng)業(yè)資源大國，具有豐富的生物質(zhì)資源，研究生物質(zhì)資源的充分利用具有十分重要的意義。常規(guī)的生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)受原料收集儲運等條件的限制，存在著投資運行成本高和效率低等缺點。生物質(zhì)與煤混燃技術(shù)不僅對生物質(zhì)進行了資源化利用，同時減少了常規(guī)污染物和溫室氣體的排放，是一種低成本、低風(fēng)險的可再生能源利用方式。

　　國外從20世紀(jì)90年代開始進行生物質(zhì)和煤混燃技術(shù)的相關(guān)研究及測試[1，2]，迄今為止已經(jīng)在多種爐型上進行了嘗試，機組的規(guī)模從50MW一直到500MW以上。荷蘭Gelderland電廠635MW煤粉爐是歐洲大容量鍋爐混燃技術(shù)的示范項目之一[3]，以廢木材為燃料，其燃燒系統(tǒng)獨立于燃煤系統(tǒng)，對鍋爐運行狀態(tài)沒有影響。系統(tǒng)于1995年投入運行，每年平均消耗約60000t木材(干重)，相當(dāng)于鍋爐熱量輸入的3%～4%，年替代燃煤約45000t。芬蘭Fortum公司于1999年在電廠的一臺315MW四角切圓煤粉爐上進行了為期3個月的混燃測試[4]，煤和鋸末在煤場進行混合后送入磨煤機，采用含水率50%～65%（收到基）的松樹鋸末，鋸末混合比例為9%～25%的質(zhì)量比（體積混合比為25%～50%）。系統(tǒng)基本上運行良好，但是磨煤機系統(tǒng)出現(xiàn)一些問題。

　　我國生物質(zhì)混燃技術(shù)的研究起步較晚，目前也已經(jīng)先后進行了理論及工業(yè)混燒試驗。國內(nèi)首套混燒發(fā)電項目于2005年在山東十里泉發(fā)電廠投產(chǎn)[5]，在原鍋爐系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套秸稈輸送、粉碎設(shè)備，增加兩臺30MW的秸稈燃燒器，增加一個周轉(zhuǎn)備料場。改造結(jié)果表明，混燒不會對機組的安全穩(wěn)定運行造成影響。此后，山東通達電力公司將一臺130t/h循環(huán)流化床鍋爐的左右側(cè)下部的各一個二次風(fēng)噴嘴改造為秸稈輸送噴嘴，同時增加一套物料輸送系統(tǒng)，使改造后的鍋爐可以同時燃燒煤矸石和秸稈[6]。除試驗分析外，國內(nèi)外的很多研究者也針對不同爐型內(nèi)的混燃過程進行了相關(guān)的理論分析及模擬[7，8]。下面將對生物質(zhì)和煤混燃的技術(shù)現(xiàn)狀進行系統(tǒng)的分析。

　　1生物質(zhì)與煤混燃技術(shù)的分類

　　關(guān)于生物質(zhì)和煤混燃的技術(shù)分類并不一致，大體上可以分為如下幾種[9-11]：

　　1.1生物質(zhì)與煤直接混燃

　　根據(jù)混燃給料方式的不同，直接混燃分為以下幾種方式：

　　(1)煤與生物質(zhì)使用同一加料設(shè)備及燃燒器。生物質(zhì)與煤在給煤機的上游混合后送入磨煤機，按混燃要求的速度分配至所有的粉煤燃燒器。原則上這是最簡單的方案，投資成本最低。但是有降低鍋爐出力的風(fēng)險，僅用于特定的生物質(zhì)原料和非常低的混燃比例。對于煤粉爐，如果采用木質(zhì)生物質(zhì)，生物質(zhì)的混合比例應(yīng)該小于5%質(zhì)量比；對于旋風(fēng)爐，生物質(zhì)的混合比例可以高達20%的質(zhì)量比。因為多數(shù)生物質(zhì)含有大量纖維素并且容積密度非常小，會影響原有磨煤系統(tǒng)的效率，容易產(chǎn)生加料系統(tǒng)堵塞問題；如樹皮由于富含纖維可能會造成磨煤機故障；當(dāng)柳枝稷和稻草的給料尺寸為25～50mm時，很容易導(dǎo)致煤倉堵塞等[2]。生物質(zhì)和煤混燃時，其比例宜控制在20%熱值以下[12]。此外，生物質(zhì)和煤混燃時還應(yīng)注意其混合流動特性，二者的混合流動特性取決于生物質(zhì)的形態(tài)[13]。

　　(2)生物質(zhì)與煤使用不同的加料設(shè)備和相同的燃燒器。生物質(zhì)經(jīng)單獨粉碎后輸送至管路或燃燒器。該方案需要在鍋爐系統(tǒng)中安裝生物質(zhì)燃料輸送管道，容易使混燃系統(tǒng)的改造受限。

　　(3)生物質(zhì)與煤使用不同的預(yù)處理裝置與不同的燃燒器。該方案能夠更好地控制生物質(zhì)的燃燒過程，保持鍋爐的燃燒效率；靈活調(diào)節(jié)生物質(zhì)的摻混比例。但是該方案投資成本最高。生物質(zhì)和煤單獨給料時需要對生物質(zhì)顆粒的粒徑進行考慮[2]。

　　1.2生物質(zhì)與煤間接混燃

　　根據(jù)混燃的原料不同，生物質(zhì)和煤間接混合燃燒可以分為生物質(zhì)氣與煤混燃和生物質(zhì)焦炭與煤混燃兩種方式。生物質(zhì)氣與煤混燃方式指將生物質(zhì)氣化后產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)廨斔椭铃仩t燃燒。該方案將氣化作為生物質(zhì)燃料的一種前期處理形式，氣化產(chǎn)物在800～900℃時通過熱煙氣管道進入燃燒室，鍋爐運行時存在一些風(fēng)險。生物質(zhì)焦炭與煤混燃方式是將生物質(zhì)在300～400℃下熱解，轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)率（60%～80%）的生物質(zhì)焦炭，然后將生物質(zhì)焦炭與煤共燃。上述兩種方案雖然能夠大量處理生物質(zhì)，但是都需要單獨的生物質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)，投資成本相對較高。

　　2生物質(zhì)與煤混燃對鍋爐運行及污染物排放的影響

　　2.1混燃對鍋爐運行的影響

　　生物質(zhì)與煤混燃的燃燒過程分成兩個燃燒階段[14～16]。由于生物質(zhì)的揮發(fā)分析出溫度要遠(yuǎn)低于煤的揮發(fā)分析出溫度，混燃對于煤燃燒前期的放熱有增進作用，促使煤著火燃燒提前。隨著生物質(zhì)加入量的不同，煤的著火性能得到不同程度的改善?；旌先紵龑γ旱娜急M性能影響很小。但是不同變質(zhì)程度的煤（褐煤、煙煤和無煙煤）和生物質(zhì)混燃時所表現(xiàn)出的燃燒特性變化不一[17]。褐煤和煙煤與生物質(zhì)混合后的燃燒最大速率都有所增加，對應(yīng)溫度有前移的趨勢，最大燃燒強度也有所增加；但無煙煤與生物質(zhì)混合時最大燃燒速率及其對應(yīng)溫度變化不大。由于生物質(zhì)的發(fā)熱量低于煤，因此生物質(zhì)與煤混燃時有可能會造成鍋爐輸出功率的下降，因而摻燒比例會受到限制。MarekPronobis的分析表明[18]，在煤粉爐混燃時，生物質(zhì)燃料的特性會造成鍋爐效率的下降以及鍋爐操作參數(shù)的改變（如減溫水的噴射量、熱風(fēng)溫度等）。

　　選擇混合燃燒方案時應(yīng)盡量不干涉整個系統(tǒng)的正常運行，又要秸稈中堿金屬和氯的含量相對較高，同時秸稈飛灰的熔點較低，因此應(yīng)當(dāng)選擇合適的混燃比例。根據(jù)丹麥BWE公司經(jīng)驗，秸稈輸入熱量不超過20%，對鍋爐飛灰性質(zhì)的影響較小，不會對鍋爐尾部受熱面造成較大的侵蝕和堵塞[5]。芬蘭Fortum公司的測試表明[4]，當(dāng)鋸末的混合比較大時（大于14%質(zhì)量比），磨煤機能力出現(xiàn)不足，造成給煤能力受限；當(dāng)鋸末的混合比達到25%（質(zhì)量比）時，鍋爐的出力只有75%。和單純?nèi)济合啾龋?dāng)鋸末的混合比為9%時，飛灰中的未燃炭變化不明顯，但是當(dāng)鋸末混合比為14%（質(zhì)量比）時，飛灰中的未燃炭增加了1%，這主要是由于采用生物質(zhì)和煤采用同一磨煤機進行混合粉碎時造成煤的粒度變化，進而影響煤的燃盡程度。混燃對于鍋爐的燃燒及受熱面沒有明顯影響，除塵器及FGD系統(tǒng)的運行也沒有變化。

　　2.2混燃對SO2排放特性的影響

　　由于大部分生物質(zhì)含硫量極少或不含硫（如木質(zhì)燃料的S含量約為0.01%～0.04%，谷殼為0.05%，花生殼為0.02%）[9]，因此混燃能夠有效降低SO2的排放量。不同的生物質(zhì)和煤混燒降低SO2和NOx的能力不同，含氮、硫越低，揮發(fā)分越高的生物質(zhì)，降低污染物的效果越顯著。這是因為生物質(zhì)燃料中含有高含量揮發(fā)分，燃燒初期的氧氣主要供生物質(zhì)揮發(fā)分燃燒，從而使生物質(zhì)和煤混燒的過程中形成貧氧區(qū)，限制了煤中燃料N的中間產(chǎn)物向NOx的轉(zhuǎn)化和SO2的形成；同時生物質(zhì)本身具有一定的木質(zhì)素和腐植酸，它們具有巨大的比表面積，同時對SO2有較強的吸附能力，延緩了SO2的析出速度，增加了反應(yīng)表面；另外，生物質(zhì)燃料含有相對較多的K、Ca、Na活性成分，可以促進固體硫酸鹽的形成，例如CaSO4、K2SO4、Na2SO4等，從而降低污染物排放[19]。

　　2.3混燃對NOx排放特性的影響

　　燃燒過程中生成的含氮污染物主要有NO、NO2、N2O等，還包括HCN、NH3等含氮中間產(chǎn)物。其產(chǎn)生的種類和生成量與燃料種類、燃燒溫度以及燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)等密切相關(guān)。生物質(zhì)與煤混燃能夠降低NOx的排放濃度的主要原因如下[20]：

　　(1)生物質(zhì)含有大量揮發(fā)分，在低溫下迅速析出進而燃燒，生物質(zhì)揮發(fā)分與煤搶氧燃燒，從而形成較低氧氣濃度，而床內(nèi)NOx的形成取決于燃料中氮的氧化過程與床內(nèi)還原物質(zhì)（如焦碳和HCN、NH3含氮物質(zhì)）對NOx的還原分解過程之間的平衡，當(dāng)床內(nèi)過量空氣系數(shù)低時，有利于NOx的還原分解反應(yīng)[21]。

　　(2)生物質(zhì)本身N含量遠(yuǎn)低于煤，因而對總體NO轉(zhuǎn)化率起“稀釋”作用。同時生物質(zhì)與煤在燃燒過程中相互影響，在800～900℃有較明顯的協(xié)同降低NO排放作用[22]。

　　(3)生物質(zhì)釋放出的揮發(fā)分組分中含有一定量的HCN和NH3，NH3能夠分解成NH2和NH，它們能夠?qū)O還原成N2，從而起到降低NOx作用；而HCN能在O2的作用下分解成NCO，它進一步與NO反應(yīng)會生成污染物N2O。但是混燃對降低燃燒過程中NOx的作用隨生物質(zhì)本身的含N量、煤種（灰成分）以及燃燒方式的不同而差別較大[23]。

　　(4)生物質(zhì)秸稈屬于纖維結(jié)構(gòu)，當(dāng)揮發(fā)分析出后形成大量多孔性焦炭，促進了NOx與焦碳的還原反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

　　NO+(-C)→N2+(-CO)

　　NO+CH2→N2+H2CO

　　但是生物質(zhì)的加入對降低NOx的作用隨溫度的升高而降低，很可能是因為一方面高溫下的熱力NOx的產(chǎn)率增加；另一方面生物質(zhì)秸稈燃點低，溫度越高，殘余揮發(fā)分就越少，這樣揮發(fā)分釋放的物質(zhì)對NOx的還原作用就降低[23]。隨混燃比例增加，N2O的削減率幅度減少，而NOx的削減率幅度基本不變[24]。國外的有關(guān)研究表明[2]，生物質(zhì)和煤混燃時，尤其是采用稻草及其他高灰、高活性堿金屬的草本類生物質(zhì)時，會出現(xiàn)SCR系統(tǒng)的催化劑失活現(xiàn)象。

　　2.4混燃對積灰結(jié)焦及腐蝕的影響

　　生物質(zhì)一般含有較高的堿金屬氧化物和鹽類，單純將生物質(zhì)進行流化床燃燒時，容易造成床料顆粒的嚴(yán)重?zé)Y(jié)。其原因是堿金屬氧化物和鹽類可以與SiO2發(fā)生以下反應(yīng)[25]：

　　2SiO2+Na2CO3→Na2O·2SiO2+CO2

　　4SiO2+K2CO3→K2O·4SiO2+CO2

　　研究表明[6]，生物質(zhì)在燃燒過程中形成的絕大多數(shù)堿金屬鹽不會被煙氣帶走，而是沉淀在燃燒后所形成的灰中。這些堿金屬鹽本身的熔點較低，并且當(dāng)多種堿金屬鹽（K2SO4、K2CO3、KCl、Na2SO4等）與堿土金屬鹽（CaSO4、MgSO4等）共存時，將形成熔點更低的共晶體[26，27]。而煤灰屬于鋁硅酸鹽，其中Fe、Ca、K和Mg等造渣元素含量相對較低，難以熔解，具有較低的結(jié)渣和腐蝕趨向。秸稈灰是由石英和簡單無機物（如Fe、Ca、Mg和Na等）以及S、磷酸鹽和Cl組成，熔點較低，具有較高的結(jié)渣、結(jié)垢和腐蝕趨向。木材灰的化學(xué)成分在許多方面與秸稈灰類似，但SiO2、CaO和P2O5含量有較大不同。

　　影響生物質(zhì)灰沉積的因素可分為與固體顆粒有關(guān)因素（熱遷移和慣性撞擊）和與氣體有關(guān)因素（凝結(jié)和化學(xué)反應(yīng)）。熱遷移是由于爐內(nèi)存在溫度梯度而驅(qū)使灰分顆粒從高溫區(qū)向低溫區(qū)運動，這對直徑小于10µm的顆粒尤為重要。

　　對于直徑大于10μm的顆粒，慣性力是造成灰粒向受熱面的壁面輸送的重要因素，當(dāng)含灰粒氣流轉(zhuǎn)向時，具有較大慣性動量的灰粒離開氣流而撞擊到受熱面的壁面上。凝結(jié)和化學(xué)反應(yīng)是指在火焰中，燃料中無機物組分處于極高溫度狀態(tài)，許多無機物發(fā)生反應(yīng)，然后以硫酸鹽或氯化物的形式冷凝在飛灰顆粒和受熱面的壁面上，從而使積灰層增厚[10]。

　　生物質(zhì)與煤混燃時還應(yīng)注意Cl腐蝕。James等對英國20世紀(jì)70～80年代燃煤電廠再熱器、過熱器和爐墻等部位進行腐蝕研究[28]，發(fā)現(xiàn)煤中氯含量增加將加快金屬的腐蝕速度，特別是爐墻火焰?zhèn)鹊母g，Cl含量在0.20%以下對腐蝕無影響。國外的某80MW循環(huán)流化床鍋爐煙氣腐蝕試驗表明[3]，當(dāng)煤和秸稈的熱輸入比為1:1時，過熱器管壁腐蝕速率比單獨使用煤時的速率快5～25倍。Blander等對麥稈燃燒的模擬也發(fā)現(xiàn)[29]，麥稈中含量最高的兩種元素Si和K在燃燒時形成低熔點的硅酸鹽沉積在燃燒設(shè)備的金屬上會造成燃燒設(shè)備的腐蝕，因為金屬的氧化保護層會溶解在沉積的熔渣中。

　　玉米秸稈和石煤在流化床的混燒結(jié)果表明[30]：石煤灰能夠在生物質(zhì)流態(tài)化燃燒過程中有效地抑制流化床床料黏結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生；因為石煤灰中的Al和Fe能夠與生物質(zhì)灰中的堿金屬化合物以及低熔點共熔物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成高熔點物質(zhì)，并且覆蓋在生物質(zhì)碳顆粒與石英砂顆粒表面形成隔絕層，從而阻止低熔點物質(zhì)的生成與遷移。李桂榮認(rèn)為生物質(zhì)與煤混合燃燒的成灰特性受多種因素的影響[31]，主要包括燃料的混合比例、燃料成分以及燃燒溫度等。溫度是影響生物質(zhì)與煤混合燃燒成灰特性的主要因素，會對灰中礦物質(zhì)及灰的熔融性產(chǎn)生影響。生物質(zhì)與煤的混合比例對灰渣成分有一定影響，但二者間不存在明顯的線性關(guān)系。燃料中的堿金屬、氯、硫是引起結(jié)渣積灰的主要物質(zhì)。生物質(zhì)與煤混合燃燒的成灰特性還受燃料顆粒粒徑及燃料濕度等因素的影響，但影響效果不明顯。

　　韓小梅等對流化床混燃時的除塵器測試發(fā)現(xiàn)[32]：生物與煤混燃時，煙氣量有所增大；煙氣中水蒸氣含量較高，能一定程度上提高電除塵器的電氣性能；混燃后粉塵粒徑較大，易于電除塵器的捕集，生物質(zhì)與高灰分煤混燒能適當(dāng)降低電除塵器進口含塵濃度；飛灰中可燃物含量較高。D.A.Tillman認(rèn)為混燃后的飛灰作為水泥添加劑使用時會對水泥性能造成一定的影響[2]，但是目前尚無更深入的研究結(jié)論及解決方案。

　　3生物質(zhì)和煤混燃的經(jīng)濟性評價

　　生物質(zhì)和煤混燃的經(jīng)濟性主要是指改造成本和改造后的經(jīng)濟、社會效益等方面。SaraNienow采用線性分析方法的分析表明[33]，混燃為電廠節(jié)約了成本，又改善了環(huán)境，減少了溫室氣體的排放，可謂一舉兩得。采用一次或者二次木材加工后的下腳料用于混燃，對于電廠而言是一種比較經(jīng)濟的方式。國外的改造數(shù)據(jù)表明[34]，在電廠原有的燃料處理系統(tǒng)中預(yù)混合煤與生物質(zhì)，再將預(yù)混燃料送入鍋爐進行混燒時，系統(tǒng)的改造費用約為$50～100/kW；當(dāng)生物質(zhì)和煤采用單獨的進料系統(tǒng)時，系統(tǒng)的改造費用可達$175～200/kW。

　　肖軍等人認(rèn)為將低溫?zé)峤夂蟮纳镔|(zhì)與煤預(yù)混合直接燃燒，可以節(jié)省大量設(shè)備改造費用[20]。董信光等人在400t/h四角切圓煤粉爐上進行了混燃試驗及模型分析表明[35]，爐膛氧量是影響系統(tǒng)經(jīng)濟性和排放特性的最關(guān)鍵因素，其最佳控制值為3.7%。爐膛溫度對NO的排放影響很大，對SO2的排放影響甚小。在一定范圍內(nèi)生物質(zhì)粒徑對經(jīng)濟性和排放特性沒有影響。鍋爐的最佳運行方式是：一次風(fēng)配風(fēng)采用上下均勻配風(fēng)方式，二次風(fēng)采用束腰型配風(fēng)方式。

　　4總結(jié)

　　生物質(zhì)與煤共燃發(fā)電是有效利用生物質(zhì)的一種經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展方式，進行生物質(zhì)與煤共燃的研究對解決我國能源短缺、改善污染問題有重要作用。采用混燃技術(shù)來改造50MW及以下的常規(guī)小火電機組，可以節(jié)約大量的基礎(chǔ)投資，目前國內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)和煤的混燃技術(shù)研究雖然已經(jīng)取得了一些相應(yīng)的成果，但仍有很多問題等待進一步的探索。主要的技術(shù)問題包括[36]：

　　(1)生物質(zhì)的品種繁多，如何選擇適合混燃的生物質(zhì)種類，混燃的最大比例與燃料前處理和燃燒技術(shù)的關(guān)系；

　　(2)針對特定的鍋爐系統(tǒng)，如何選擇具有最佳技術(shù)經(jīng)濟性的生物質(zhì)給料粒徑以及燃料輸送、上料和燃燒系統(tǒng)。

　　(3)生物質(zhì)中的某些元素，如堿金屬、氯離子等，容易導(dǎo)致鍋爐積灰、結(jié)焦和腐蝕，如何才能對其進行有效的抑制和清除。

　　(4)生物質(zhì)和煤混燃后的飛灰對SCR系統(tǒng)失效的影響，還有待進一步的研究。

　　(5)各種不同類型的生物質(zhì)原料和粒徑對灰渣特性及飛灰銷售的影響等。

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