周國忠

【摘 要】近年來，國家對碳減排的要求不斷加強(qiáng)，燃煤發(fā)電是CO2排放的主要來源之一。對于火力發(fā)電碳減排的需求而言，摻燒生物質(zhì)是一種有效的應(yīng)對措施。常見的生物質(zhì)摻燒技術(shù)可分為直接摻燒和間接摻燒兩種。直接摻燒技術(shù)將生物質(zhì)送入鍋爐，新建設(shè)備較少，成本較低，目前應(yīng)用較廣。間接摻燒技術(shù)將生物質(zhì)氣化后的燃?xì)馑腿脲仩t燃燒，該技術(shù)的原料適應(yīng)性較廣，能避免結(jié)焦結(jié)渣等現(xiàn)象，但需新建設(shè)備較多，投資較高，目前應(yīng)用較少。本文介紹了近年來國內(nèi)生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀，闡述了其中存在的問題，同時(shí)，根據(jù)筆者的調(diào)研經(jīng)驗(yàn)，對生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)；煤；摻燒；發(fā)電

【Abstract】The requirements of carbon reduction have been enhanced recent years in China. Power generation is a main source of CO2 emission. For power generation plants， biomass and coal co-firing an effective method for carbon reduction. In general， biomass and coal co-firing for power generation have 2 ways： direct and indirect co-firing. The direct co-firing way send biomass into the boiler together， then biomass and coal combust for power generation. This method could build less equipment， and save the investment. Thereby， the direct co-firing method is used much wider. The indirect co-firing gasifies biomass first， and then send bio-gas into the boiler for power generation. This method have several advantages： high adaptability for biomass， could avoid coking and slagging. However， the indirect way need to build more equipment， and more investment， thereby have less utilization. This paper reviewed the development of biomass co-firing technology recent years. This paper elaborated the problems in biomass co-firing process. Based on the investigation， discussed the development of biomass co-firing technology.

【Key words】Biomass； Coal； Co-firing； Power generation

0 引言

我國對可再生能源利用技術(shù)逐漸重視，《能源發(fā)展十三五規(guī)劃》提出了“積極發(fā)展生物質(zhì)液體燃料、氣體燃料、固體成型燃料。推動沼氣發(fā)電、生物質(zhì)氣化發(fā)電，合理布局垃圾發(fā)電。有序發(fā)展生物質(zhì)直燃發(fā)電、生物質(zhì)耦合發(fā)電，因地制宜發(fā)展生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)”的發(fā)展要求。

與其他生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)相比，混燃發(fā)電的項(xiàng)目總投資和年運(yùn)行費(fèi)用最低，而年凈收入較高，如圖1所示[1]。生物質(zhì)混燃發(fā)電可以直接利用電廠現(xiàn)有的高參數(shù)鍋爐，提高發(fā)電效率，并在一定程度上降低生物質(zhì)運(yùn)輸昂貴的影響，當(dāng)生物質(zhì)價(jià)格大幅度變化時(shí)，也可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整摻配比例，從而提高摻燒項(xiàng)目的靈活性。發(fā)展生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)既可相應(yīng)政策號召，也可為國內(nèi)火電廠碳減排提供解決方案。利用生物質(zhì)替代部分煤，可減少煤炭消耗，解決當(dāng)?shù)亟斩挼葟U棄物的處理問題，同時(shí)為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來額外收入，具有良好的社會效益和環(huán)境效益。同時(shí)，由于生物質(zhì)是一種CO2零排放的燃料，使用生物質(zhì)發(fā)電可減少CO2排放，在碳交易市場獲得額外收益。

影響生物質(zhì)摻燒發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的因素主要為兩個(gè)：原料經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。其中，原料經(jīng)濟(jì)性是近年來多數(shù)生物質(zhì)利用項(xiàng)目盈利能力下降的重要因素。近年來，由于原料價(jià)格上漲，明顯高出項(xiàng)目初期的原料收購價(jià)格，導(dǎo)致不少生物質(zhì)利用項(xiàng)目出現(xiàn)虧損。

國內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)摻燒技術(shù)可分為直接摻燒和間接摻燒兩種類型。其中，直接摻燒是將生物質(zhì)通過一定預(yù)處理后，直接送入燃煤鍋爐，與煤共同燃燒，帶動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。該方法投資成本較低，目前應(yīng)用較廣，典型項(xiàng)目有華電十里泉發(fā)電有限公司秸稈摻燒發(fā)電項(xiàng)目等。

間接摻燒將首將生物質(zhì)燃料在氣化爐中氣化，生成可燃?xì)怏w，再通入燃煤鍋爐，帶動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。典型項(xiàng)目有國電長源發(fā)電有限公司的10.8MW生物質(zhì)再燃發(fā)電項(xiàng)目等。

然而，目前由于項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)限制，目前生物質(zhì)摻燒技術(shù)仍存在一定問題。本文介紹了近年來國內(nèi)典型生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀，并探討了該技術(shù)的發(fā)展方向。

1 生物質(zhì)摻燒技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 直接摻燒

一般來說，生物質(zhì)的由于生物質(zhì)的折算水分高、熱值低，在摻燒過程中，高生物質(zhì)摻燒比例會降低鍋爐的理論燃燒溫度，導(dǎo)致鍋爐燃燒效率降低。另外，由于生物質(zhì)與煤混燒的灰分比煤高，更易附著于鍋爐管壁，產(chǎn)生的熱阻大于煤灰產(chǎn)生的熱阻，導(dǎo)致熱交換效率降低。生物質(zhì)中較多的堿金屬和Cl元素，容易引起結(jié)渣和腐蝕。生物質(zhì)灰中的堿性成分含量高，而堿性成分的灰熔點(diǎn)低于酸性成分，并容易形成低熔點(diǎn)的共熔物，降低灰熔點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)渣現(xiàn)象。同時(shí)，堿金屬在高溫下發(fā)生升華，并凝結(jié)在管壁上與煙氣中的SO2化合生成硫酸鹽或堿性硫酸鹽、氧化鐵及復(fù)合硫酸鹽等，導(dǎo)致管子表面的Fe2O3保護(hù)膜被消耗掉，最終使管壁變薄，造成腐蝕[2]。endprint

近年來，國內(nèi)已有多個(gè)生物質(zhì)摻燒發(fā)電項(xiàng)目示范及運(yùn)行。華電國際十里泉發(fā)電廠是國內(nèi)較早開展生物質(zhì)摻燒的電廠之一。該廠于2005年進(jìn)行技術(shù)改造，進(jìn)行秸稈摻燒發(fā)電。新增秸稈了收購、儲存、粉碎、輸送設(shè)備，兩臺專用秸稈燃燒器，并改造了供風(fēng)系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)，鍋爐原有系統(tǒng)和參數(shù)不變?？紤]到秸稈的熱值低、輸送難、堿金屬和氯含量高，為保證機(jī)組的正常發(fā)電，對秸稈摻燒比例要有一定限制。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)秸稈與煤粉的混合比例不超過40%時(shí)，對鍋爐飛灰性質(zhì)影響較小，不會對鍋爐尾部受熱面造成較大的腐蝕、堵塞和磨損。秸稈摻燒的發(fā)電成本高于燃煤發(fā)電，無直接經(jīng)濟(jì)效益，但具有明顯的社會效益和環(huán)保效益。若按最大年消耗10萬噸秸稈計(jì)算，可年節(jié)約原煤7萬噸，減少CO2排放15萬噸、SO2排放1500噸，并增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入3000萬元[3]。

由于生物質(zhì)收集成本高、技術(shù)不如常規(guī)火電成熟，生物質(zhì)摻燒發(fā)電需改造和新增設(shè)備，導(dǎo)致生物質(zhì)摻燒發(fā)電成本高于常規(guī)火力發(fā)電。目前生物質(zhì)摻燒發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性很大程度上依賴于發(fā)電補(bǔ)貼政策。據(jù)報(bào)道，寶應(yīng)協(xié)鑫生物質(zhì)發(fā)電有限公司的1#、2#機(jī)組使用30%（熱值比）的生物質(zhì)作為燃料，同時(shí)3#機(jī)組采用純生物質(zhì)作為燃料，以滿足國家對生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電廠的補(bǔ)貼政策要求，該公司在獲得了補(bǔ)貼后，每度電盈利0.007元，處于盈利狀態(tài)。豐縣鑫源生物質(zhì)環(huán)保熱電有限公司的生物質(zhì)摻混比例大約為20%（質(zhì)量比），主要燃料為煤炭，由于不滿足發(fā)電的補(bǔ)貼政策要求，混燃發(fā)電處于虧損狀態(tài)[4]。

1.2 間接摻燒

生物質(zhì)間接摻燒發(fā)電技術(shù)首先將生物質(zhì)氣化，轉(zhuǎn)化為合成氣后與煤混燃發(fā)電。這種方式能保持大型機(jī)組發(fā)電效率高的優(yōu)點(diǎn)，且對原鍋爐燃燒影響較小。研究表明，在相同發(fā)電量基礎(chǔ)上，生物質(zhì)氣化與煤混燃發(fā)電的CO2和SO2的生成量比生物質(zhì)直燃發(fā)電的生成量少；機(jī)組發(fā)電效率和氣化效率的提高可以明顯降低CO2和SO2的排放量。生物質(zhì)與煤間接摻燒具有一定的環(huán)保排放優(yōu)勢[5]。同時(shí)，采用氣化的方式可以簡化原料預(yù)處理過程，擴(kuò)大了生物質(zhì)原料來源，并能避免生物質(zhì)灰進(jìn)入鍋爐，避免了結(jié)焦、高溫腐蝕等現(xiàn)象[6]。

國電長源生物質(zhì)再燃項(xiàng)目采用生物質(zhì)燃?xì)庠偃技夹g(shù)，氣化爐設(shè)計(jì)出力折合約為10.8MW 電負(fù)荷，以含水量小于15%的稻殼作為原料，額定燃料量8t/h，氣化效率>70%，產(chǎn)氣量14000-18000Nm3/h，可燃?xì)鉄嶂?-5MJ/Nm3，氣化爐整體熱效率>85%。燃?xì)馊霠t與煤混燃，不改變鍋爐原有設(shè)計(jì)性能[7]。氣化產(chǎn)生的焦油通入鍋爐燃燒，生物質(zhì)發(fā)電利用效率在34%以上，高于現(xiàn)有生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目。采用高速循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化工藝，用空氣將生物質(zhì)高效氣化，產(chǎn)生低熱值燃?xì)?，結(jié)合已有的600MW 大型煤粉燃燒發(fā)電鍋爐，將生物質(zhì)燃?xì)馑腿脲仩t與煤粉混燒發(fā)電，發(fā)電能源利用效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有生物質(zhì)直燃電廠的21%-23%發(fā)電利用效率，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效利用并替代部分化石能源。

2 生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術(shù)存在問題

目前，生物質(zhì)摻燒項(xiàng)目普遍存在的問題包括以下3個(gè)方面：

（1）生物質(zhì)破碎系統(tǒng)匹配度不高。具體表現(xiàn)為適用性不夠廣，破碎粒度不均勻。該問題易導(dǎo)致無法利用目標(biāo)地區(qū)的部分種類生物質(zhì)；而粒度不均勻則導(dǎo)致氣力輸送過程中易堵塞。根據(jù)筆者調(diào)研結(jié)果，一些電廠為避免破碎粒度不均導(dǎo)致的易堵塞現(xiàn)象，僅使用部分生物質(zhì)原料，不能有效利用當(dāng)?shù)仄溆喾N類的生物質(zhì)原料。未來的生物質(zhì)摻燒發(fā)電項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)種類，選擇適用的破碎機(jī)及輸送設(shè)備。

（2）原料價(jià)格高。目前生物質(zhì)摻燒發(fā)電項(xiàng)目中普遍存在原料收購成本高。根據(jù)筆者調(diào)研結(jié)果，一些項(xiàng)目的生物質(zhì)收購成本從開始時(shí)的50-150元/t升高至300-400元/t，加之前幾年煤炭價(jià)格低落，生物質(zhì)價(jià)格與煤炭價(jià)格倒掛嚴(yán)重，不少摻燒項(xiàng)目因此出現(xiàn)虧損情況。在新建生物質(zhì)摻燒項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)提前對生物質(zhì)收集成本進(jìn)行詳細(xì)評估，包括當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)種類、價(jià)格、運(yùn)送距離、收集方式、是否有其他企業(yè)爭奪生物質(zhì)資源、農(nóng)民提供秸稈資源意愿等問題，并結(jié)合當(dāng)?shù)匮a(bǔ)貼政策，計(jì)算對應(yīng)生物質(zhì)價(jià)格下的摻燒發(fā)電成本，確定合理的摻燒比例。

（3）受熱面結(jié)焦結(jié)渣。生物質(zhì)普遍含有豐富的堿金屬和堿土金屬，同時(shí)Cl含量也較高，在高溫下易揮發(fā)并粘結(jié)在鍋爐受熱面上，導(dǎo)致受熱面結(jié)焦和高溫腐蝕。但是，考慮到生物質(zhì)中灰分含量較低，若能控制好生物質(zhì)摻配比例，則對鍋爐受熱面的影響較小，同時(shí)，也可根據(jù)生物質(zhì)灰成分，添加一些其他添加劑，避免結(jié)焦結(jié)渣現(xiàn)象的發(fā)生。一些研究也發(fā)現(xiàn)：摻燒生物質(zhì)會導(dǎo)致飛灰中的K和Cl質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，但飛灰的物理化學(xué)特性變化不明顯。對飛灰的混凝土特性參數(shù)測試表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)摻燒生物質(zhì)不會影響飛灰在建筑行業(yè)的應(yīng)用[8]。

3 結(jié)論及展望

現(xiàn)階段的生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目，由于機(jī)組容量小，生物質(zhì)利用效率不高。摻燒發(fā)電可以利用電廠現(xiàn)有大容量機(jī)組發(fā)電，后續(xù)脫硫、脫硝、除塵等系統(tǒng)可以直接利用電廠現(xiàn)有設(shè)備，投資較小，是現(xiàn)階段更為可行的發(fā)電方式。

根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，生物質(zhì)摻燒項(xiàng)目出現(xiàn)的普遍問題是對原料成本估計(jì)不足、預(yù)處理設(shè)備適用性不廣。在較高摻燒比例時(shí)，可能出現(xiàn)受熱面結(jié)焦的現(xiàn)象。對此，新建摻燒項(xiàng)目時(shí)應(yīng)根據(jù)所摻燒的生物質(zhì)特性，選用合適的破碎和輸送設(shè)備；同時(shí)對重點(diǎn)關(guān)注當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)收購成本；并控制合適的摻配比例。在新建項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)廣泛與當(dāng)?shù)卣疁贤ǎ瑺幦∠鄳?yīng)的補(bǔ)貼政策。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint