胡 南，譚雪梅，劉世杰，趙 冰，鞏太義，王家林，張守玉

(1.長春工程學(xué)院 能源動力工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 3.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300270；4.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

0 引 言

生物質(zhì)是指通過光合作用形成的各種有機(jī)體，包括動物、植物、微生物及其代謝物等。以化學(xué)能形式儲存在生物質(zhì)中的能量為生物質(zhì)能。生物質(zhì)能約占全球一次能源的1/10[1]，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質(zhì)能是生物固碳實(shí)現(xiàn)綠色碳減排的載體，也是唯一可儲存、可運(yùn)輸?shù)目稍偕茉矗瑢τ趯?shí)現(xiàn)我國“碳達(dá)峰”和“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)將發(fā)揮重要作用。

生物質(zhì)能的利用形式主要包括發(fā)電(含熱電聯(lián)產(chǎn))、供熱、燃?xì)?、液體燃料和固體成型燃料等。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)包括生物質(zhì)純燒發(fā)電技術(shù)和耦合發(fā)電技術(shù)，其中生物質(zhì)純燒發(fā)電技術(shù)還可分為直接燃燒發(fā)電、氣化發(fā)電和多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電[2]。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)有利于生物質(zhì)大規(guī)模資源化利用，減少不當(dāng)處置帶來的生態(tài)環(huán)境危害，提升生物質(zhì)能利用的品質(zhì)。由于生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)對原料要求低、系統(tǒng)簡單、投資和運(yùn)行成本較低，我國生物質(zhì)發(fā)電主要以直燃發(fā)電為主。

農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電的核心裝備是鍋爐，主要采用循環(huán)流化床鍋爐或水冷振動爐排爐。循環(huán)流化床鍋爐容量理論上不受限制，蒸氣參數(shù)高，發(fā)電機(jī)組整體效率高；爐膛內(nèi)氣-固兩相流動具有極強(qiáng)的傳熱傳質(zhì)特性，特別適合處理不同尺寸、形狀和熱值的燃料，能夠適應(yīng)生物質(zhì)燃料的復(fù)雜性和多變性；鍋爐在低溫條件下可以穩(wěn)定燃燒，使得污染物的生成和排放更少。因此，循環(huán)流化床鍋爐被認(rèn)為是目前最適合大規(guī)模開發(fā)利用生物質(zhì)資源的燃燒設(shè)備之一[3-4]。近年來，以清華大學(xué)、中科院、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)為代表的的國內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)針對循環(huán)流化床燃生物質(zhì)的相關(guān)理論研究逐步深入，國內(nèi)部分鍋爐廠也積極開展生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)設(shè)計(jì)工作[4]。通過不斷的科研攻關(guān)和應(yīng)用實(shí)踐，鍋爐可用性低、受熱面沾污腐蝕、污染物控制等影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題逐步解決，生物質(zhì)直燃循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)不斷趨于成熟，滿足生物質(zhì)純?nèi)蓟蚋鞣N比例摻燒的要求。

循環(huán)流化床鍋爐農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國已發(fā)展15 a，目前已經(jīng)步入穩(wěn)定發(fā)展時期。為了加快我國可再生能源發(fā)展，滿足碳中和戰(zhàn)略的技術(shù)需求，有必要對循環(huán)流化床鍋爐農(nóng)林生物質(zhì)直燃技術(shù)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行綜合梳理?；诖?，筆者分析了循環(huán)流化床農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電市場需求，梳理核心鍋爐裝備的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題并提出相關(guān)對策建議。

1 生物質(zhì)直燃發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 全球范圍持續(xù)發(fā)展

全球生物質(zhì)資源十分豐富，每年凈生產(chǎn)量超過1 700億 t，儲存的能量約相當(dāng)于世界能源年消耗量的10倍[4]。生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，目前在丹麥、芬蘭、瑞典、荷蘭等歐洲國家，以農(nóng)林生物質(zhì)為燃料的發(fā)電廠有300多座，南亞國家在以稻殼、甘蔗渣等為原料的直燃發(fā)電方面也取得了一定的進(jìn)展[2]。

截至2020年底，全球生物質(zhì)發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量1.27億kW，約占全球總發(fā)電量的1.4%，主要分布在中國、巴西、美國、印度、德國和英國等國家。自2010年以來，裝機(jī)總量年平均增長6.3%，如圖1所示[5-6]。目前，全球能源消費(fèi)正持續(xù)向能源清潔化轉(zhuǎn)變，由于生物質(zhì)能具有可再生、可存儲、可運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，同時生物質(zhì)發(fā)電具有大規(guī)模消納農(nóng)林生物質(zhì)和廢棄物的優(yōu)勢，因此生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)擁有持續(xù)發(fā)展的動力和廣闊的發(fā)展前景。國際能源署(IEA)預(yù)測到2025年，全球生物質(zhì)發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到1.93億kW，發(fā)電量達(dá)到9 218億kWh[5]。

圖1 全球生物質(zhì)裝機(jī)及發(fā)電情況Fig.1 Global biomass power and generation capacity

1.2 國內(nèi)總量快速增長

2005年12月，國內(nèi)首個煤粉鍋爐摻燒秸稈發(fā)電機(jī)組在華電國際十里泉發(fā)電廠投產(chǎn)。該項(xiàng)目引進(jìn)丹麥秸稈燃燒技術(shù)，對1臺140 MW煤粉鍋爐燃燒器進(jìn)行改造，增加1套秸稈儲存、粉碎、輸送系統(tǒng)[7]。2006年12月，國能單縣生物質(zhì)發(fā)電工程1×30 MW機(jī)組投產(chǎn)，該項(xiàng)目為第1個國家級生物質(zhì)直燃發(fā)電示范項(xiàng)目，采用丹麥BWE公司的130 t/h水冷振動高溫高壓爐排爐?！笆濉币詠恚覈镔|(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，年均增長率約20.3%，處于產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展階段，如圖2所示。2020年，我國生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)2 254萬kW，其中農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量973萬kW[8]。農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目年發(fā)電量468億kWh[2]。在產(chǎn)業(yè)政策方面，國家對2021-01-01前的農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目統(tǒng)一執(zhí)行0.75元/kWh 的標(biāo)桿上網(wǎng)電價。由于純燒生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組在補(bǔ)貼電價計(jì)量和結(jié)算方面的優(yōu)勢，目前國內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電以生物質(zhì)純燒發(fā)電為主。

圖2 我國生物質(zhì)裝機(jī)及發(fā)電情況Fig.2 Biomass power and generation capacity in China

總體上講，在全球能源消費(fèi)持續(xù)向低碳化、清潔化轉(zhuǎn)變的趨勢下，近年來國內(nèi)及全球范圍內(nèi)生物質(zhì)能發(fā)電總量持續(xù)穩(wěn)定增長，國內(nèi)生物質(zhì)能裝機(jī)及發(fā)電量增長速度明顯高于全球平均水平，處于快速增長階段。

2 循環(huán)流化床鍋爐燃農(nóng)林生物質(zhì)的天然優(yōu)勢

2.1 循環(huán)流化床鍋爐主要技術(shù)特點(diǎn)

歐洲針對生物質(zhì)直燃技術(shù)開展的研究及應(yīng)用較早，但是歐洲的生物質(zhì)以木質(zhì)為主，而我國生物質(zhì)主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物，以玉米秸稈、稻殼為主。引進(jìn)歐洲的水冷振動爐排生物質(zhì)直燃技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用過程中存在鍋爐效率低于設(shè)計(jì)值、NOx排放高以及鍋爐腐蝕爆管等問題[9]。循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)興起于20世紀(jì)六七十年代，經(jīng)過多年理論研究與工程實(shí)踐，建立了我國獨(dú)立的循環(huán)流化床煤燃燒理論體系[9-10]。我國在建或已投運(yùn)循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組超過4 000臺，其中正在運(yùn)行的超臨界循環(huán)流化床鍋爐超過40臺[11-12]，目前世界上最大的循環(huán)流化床鍋爐為我國自主研發(fā)制造的山西中煤平朔電廠660 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐。660 MW超超臨界循環(huán)流化床鍋爐也即將投入使用[12-13]。循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)目前已經(jīng)進(jìn)入成熟發(fā)展期，適合于大規(guī)模利用生物質(zhì)資源。

2.1.1燃料適應(yīng)性

國內(nèi)生物質(zhì)燃料的熱值、水分、灰分、形狀和粒徑等變化范圍寬，采用水冷振動爐排，在燃料特性波動較大時會出現(xiàn)鍋爐出力不足、燃燒效率下降等問題。循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)含有大量的固體循環(huán)物料顆粒，其中絕大部分是惰性的循環(huán)灰顆粒和燃料灰渣，根據(jù)燃煤循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，床料中燃料僅占1%～3%。循環(huán)流化床爐膛內(nèi)氣固兩相流動具有極強(qiáng)的傳熱傳質(zhì)特性，大量高溫固體顆?？梢允沽捷^大、水分較高的入爐燃料迅速升溫至燃點(diǎn)溫度以上，因而燃料適應(yīng)范圍更廣，特別適合處理不同尺寸、形狀和熱值的燃料，能夠適應(yīng)生物質(zhì)燃料的多變性和復(fù)雜性。

2.1.2燃燒效率

循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率高，一方面由于大部分循環(huán)床料中的燃料被分離器捕捉返回爐膛繼續(xù)燃燒，提高了燃料在爐膛內(nèi)的停留時間；另一方面，爐內(nèi)床料和燃料在一次風(fēng)流化和二次風(fēng)的擾動作用下，傳熱、傳質(zhì)強(qiáng)度高，燃料與空氣接觸幾率大，燃料的燃燒過程擴(kuò)展到整個爐膛以及分離器內(nèi)[14]。典型燃用玉米秸稈的循環(huán)流化床鍋爐效率為90%～92%，而燃用玉米秸稈的水冷振動爐排效率約87%～90%。

2.1.3NOx原始排放

循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)較強(qiáng)的傳熱傳質(zhì)能力，使得燃料在相對較低的溫度條件下即可穩(wěn)定高效燃燒。生物質(zhì)燃料揮發(fā)分高，燃點(diǎn)低，相比于燃煤鍋爐燃燒溫度可進(jìn)一步降低，有效抑制熱力型NOx的生成。循環(huán)床料中的焦炭在顆粒團(tuán)和乳化相中形成良好的還原性條件，可以進(jìn)一步降低燃料型NOx的生成。通過嚴(yán)格控制爐膛溫度和爐內(nèi)過量空氣系數(shù)，合理選擇一、二次風(fēng)比例以及增加物料循環(huán)量可以進(jìn)一步增強(qiáng)循環(huán)流化床爐膛內(nèi)燃燒反應(yīng)的還原性氣氛，降低NOx的生成[9]。目前，部分循環(huán)流化床生物質(zhì)直燃鍋爐可以將NOx原始排放質(zhì)量濃度控制在100 mg/m3內(nèi)，不需投運(yùn)脫硝設(shè)備即可達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍

循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)大量的高溫固體顆粒使得新入爐的燃料更容易著火，尤其對于揮發(fā)分高、燃點(diǎn)較低的生物質(zhì)燃料，即使在較低負(fù)荷的工況下，也不會出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，因此循環(huán)流化床鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍更寬。

2.2 生物質(zhì)CFB鍋爐技術(shù)快速發(fā)展

燃煤循環(huán)流化床鍋爐在我國經(jīng)歷40余年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，滿足生物質(zhì)純?nèi)技芭c煤在多比例下?lián)綗囊螅瑸樯镔|(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。2007年4月，國內(nèi)第1臺生物質(zhì)直燃循環(huán)流化床鍋爐在中節(jié)能宿遷電廠投運(yùn)，該鍋爐蒸發(fā)量為75 t/h，中溫中壓。2008年，黑龍江慶翔集團(tuán)在慶安投運(yùn)了2臺同參數(shù)的循環(huán)流化床鍋爐。由于當(dāng)時生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)匱乏，存在上料系統(tǒng)堵塞、鍋爐腐蝕爆管、受熱面沾污等一系列問題導(dǎo)致鍋爐可靠性低。此后，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校及科研院所相繼投入力量進(jìn)行研發(fā)，國內(nèi)鍋爐制造企業(yè)不斷提高設(shè)計(jì)和制造水平，生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)日趨成熟[15-17]。鍋爐蒸氣參數(shù)不斷提高，從75 t/h中溫中壓、90 t/h高溫次高壓、130 t/h 高溫高壓發(fā)展至260 t/h高溫超高壓再熱鍋爐，同時小容量高參數(shù)鍋爐越來越受到市場的青睞，包括75 t/h高溫高壓、90 t/h高溫高壓、120 t/h高溫超高壓再熱鍋爐，見表1。

表1 循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐系列參數(shù)

總體而言，由于循環(huán)流化床鍋爐燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒效率高、NOx原始排放低以及負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)勢，在技術(shù)上較適合生物質(zhì)直燃發(fā)電，目前已經(jīng)成為生物質(zhì)直燃發(fā)電的主力。吉林省能源“十三五”期間規(guī)劃的單機(jī)30 MW以上等級生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組中，采用循環(huán)流化床鍋爐的項(xiàng)目占比85%以上。

3 生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐關(guān)鍵技術(shù)

早期循環(huán)流化床燃煤鍋爐的結(jié)構(gòu)不適應(yīng)生物質(zhì)燃料物理特性、燃燒特性和結(jié)渣沾污特性，鍋爐運(yùn)行周期僅5～10 d。對此，眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員在爐內(nèi)氣固流態(tài)化、NOx排放控制、爐內(nèi)防沾污腐蝕等方面進(jìn)行了深入的理論研究及實(shí)踐探索。

3.1 氣固流化特性

循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)氣固流化特性決定燃料燃燒、受熱面?zhèn)鳠?，進(jìn)而決定鍋爐出力及性能。生物質(zhì)顆?；蛩槠ǔ３叽巛^大、密度較小、粒徑分布較寬以及形狀不規(guī)則。同時，生物質(zhì)燃料水分和揮發(fā)分均較高，在爐膛內(nèi)受熱干燥及脫揮發(fā)分過程中迅速變形[18]。因此，生物質(zhì)的流化特性相比煤有很大差異。

基于生物質(zhì)顆粒的特殊流化特性，在生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行過程中需要在爐內(nèi)添加另一種固體顆粒，一般是某種惰性介質(zhì)，如河沙、爐渣等，以促進(jìn)生物質(zhì)顆粒的流化和燃燒。PILAR等[19-20]測定了不同粒徑和密度的顆粒混合物的臨界流化速度Umf，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的Umf預(yù)測式均不能給出可靠的結(jié)果。RAO等[21]測定了生物質(zhì)顆粒和砂?；旌衔锏呐R界流化速度Umf。發(fā)現(xiàn)混合物的Umf隨生物質(zhì)占比的增加而增大，隨砂粒密度和粒徑的增大而增大，并引入混合物有效密度ρeff和有效顆粒直徑dp,eff的概念，給出Umf預(yù)測式：

(1)

其中，ug為流化風(fēng)速，m/s；ρg為氣體密度，kg/m3；g為重力加速度。部分學(xué)者針對更高風(fēng)速下生物質(zhì)與床料混合的流態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[22-24]，發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)整體氣固流動規(guī)律與常規(guī)顆粒流動無明顯差別，顆粒與生物質(zhì)的混合與分層情況取決于生物質(zhì)顆粒的性狀。但是，由于生物質(zhì)進(jìn)入高溫爐膛后，迅速干燥脫揮發(fā)分而變形，對爐膛內(nèi)氣固流動的影響幾乎可以忽略。

傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐在燃用劣質(zhì)煤和低成本污染控制方面具有一定優(yōu)勢，但早期實(shí)踐中存在廠用電率高和可用率低的問題。相比于煤粉鍋爐，循環(huán)流化床鍋爐需要更高的一次風(fēng)壓以實(shí)現(xiàn)床料流化和物料循環(huán)，因此廠用電比同容量煤粉爐高2%～3%[9]。清華大學(xué)基于對循環(huán)流化床鍋爐氣固流態(tài)化和反應(yīng)過程的深入探索，提出了“定態(tài)設(shè)計(jì)”理論，歸納總結(jié)了循環(huán)流化床鍋爐流態(tài)圖譜[25]。在此基礎(chǔ)上提出“流態(tài)重構(gòu)”理論，減少密相區(qū)無效床料的存量，保證參與循環(huán)的有效床料存量，從而增強(qiáng)了水冷壁換熱，降低了床層壓力，減輕了床料對水冷壁的磨損[25-27]。實(shí)踐證明，采用該技術(shù)的循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組廠用電率可以從7%～8%降至4%～5%，機(jī)組可用率大大提高[28]?；凇傲鲬B(tài)重構(gòu)”理論，針對生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐選取合適的爐膛惰性床料的粒度，通過優(yōu)化分離器阻力，合理控制循環(huán)灰粒度和床壓，可以有效減少鍋爐密相區(qū)磨損、降低一次風(fēng)機(jī)功耗、提高燃燒及換熱效果。

3.2 NOx排放控制

NOx是生物質(zhì)燃燒過程中產(chǎn)生的主要?dú)怏w污染物，學(xué)者針對循環(huán)流化床鍋生物質(zhì)燃燒過程N(yùn)Ox生成機(jī)理進(jìn)行了大量研究[29-36]。生物質(zhì)燃燒過程及N元素遷徙過程如圖3所示，約80%的燃料N作為揮發(fā)分N釋放出來，轉(zhuǎn)變?yōu)榻褂椭械腘和含N的氣體組分，其余部分為焦炭N。燃料N經(jīng)過復(fù)雜反應(yīng)后，轉(zhuǎn)變?yōu)镹O、NO2以及N2[32]。

圖3 生物質(zhì)燃燒過程及N元素遷徙過程[32]Fig.3 Release of fuel-bound nitrogen and main reaction pathways of nitrogen during biomass combustion[32]

研究表明，爐膛溫度是影響循環(huán)流化床燃燒過程中NOx生成的主要因素。為實(shí)現(xiàn)對鍋爐NOx排放控制，應(yīng)嚴(yán)格控制爐膛燃燒溫度不高于900 ℃[33]。影響NOx生成及還原的另一個重要因素是氧化還原氣氛。試驗(yàn)證明，流化床燃燒過程中NOx的還原主要與CO在焦炭表面發(fā)生[34-36]。

通過優(yōu)化爐內(nèi)床料粒徑，減少密相區(qū)大顆粒，增加循環(huán)灰顆粒，提升二次風(fēng)比例和單股二次風(fēng)穿透能力，可以改善爐膛內(nèi)氧氣分布的均勻性。由于一次風(fēng)份額降低，密相區(qū)還原性氣氛增強(qiáng)，同時二次風(fēng)口的上移致使下部還原氣氛的空間增大，對NOx的生成具有很好的抑制作用[33,37]。

3.3 受熱面防積灰、腐蝕

沾污及腐蝕問題一直是影響生物質(zhì)能源化利用的關(guān)鍵問題之一[38-40]。生物質(zhì)中鉀元素和氯元素含量相對較高，是引起結(jié)渣、積灰及腐蝕的主要原因。生物質(zhì)燃燒過程中，鉀元素在高溫區(qū)域容易以氣態(tài)形式釋放，進(jìn)一步與煙氣、飛灰及金屬相互作用，形成復(fù)雜的鹽覆蓋在對流受熱面上[38]。堿性化合物還可能與硅的化合物生成易熔的共晶體，形成有黏性的灰層，促進(jìn)積灰層的快速增長，在短時間內(nèi)甚至可以堵塞對流受熱面的煙氣走廊[41]，如圖4所示。

圖4 生物質(zhì)鍋爐受熱面沾污Fig.4 Biomass boiler heating surface fouling

學(xué)者針對對流受熱面積灰沾污問題進(jìn)行了研究。WANG等[42]發(fā)現(xiàn)鍋爐管束錯排時，隨著煙氣流速的降低，循環(huán)流化床鍋爐受熱面結(jié)渣沾污程度呈正比減少。溫度對堿金屬的氣態(tài)釋放影響最為顯著[43]。受熱面沾污可分為高溫灰沉積和低溫灰沉積2種類型。低溫灰沉積主要出現(xiàn)在溫度可能低于酸露點(diǎn)或水露點(diǎn)的管壁表面上，如鍋爐省煤器、管式空預(yù)器；高溫灰沉積主要發(fā)生在溫度處于灰粒變形溫度下某一范圍內(nèi)的高溫對流受熱面上，由沉積的灰粒經(jīng)化學(xué)反應(yīng)和積灰層燒結(jié)面形成，如鍋爐低溫過熱器。

針對生物質(zhì)結(jié)渣、沾污問題，國內(nèi)外學(xué)者對添加劑、共燃、化學(xué)預(yù)處理、涂層等進(jìn)行了大量研究，通過改變生物質(zhì)利用過程中含鉀氯化物和硫酸鹽的生成和轉(zhuǎn)化過程以達(dá)到抗結(jié)渣的效果[44-47]。針對燃料的處理辦法成本相對較高，對鍋爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)更加可行。實(shí)踐證明，鍋爐低溫過熱器、省煤器采用順列大間距布置，以降低煙氣流速，緩解沾污；空氣預(yù)熱器臥式順列小管箱布置，可以有效降低積灰沾污帶來的危害[37]。

氣態(tài)HCl以及積灰中的熔融態(tài)KCl均是引起積灰腐蝕問題的主要物質(zhì)[48]，對金屬管道造成嚴(yán)重腐蝕，甚至引起泄漏或爆管，如圖5所示。MVLLER等[49]指出提高生物質(zhì)流化床燃燒爐的溫度會明顯加快生物質(zhì)灰的結(jié)渣速度以及加劇結(jié)渣的嚴(yán)重程度，因此合理控制爐內(nèi)溫度可以有效防止生物質(zhì)鍋爐沾污腐蝕問題。劉志等[41]研究發(fā)現(xiàn)管束迎風(fēng)面的積灰傾向弱于背風(fēng)面，這是因?yàn)闊煔鈱τL(fēng)面的沖刷作用強(qiáng)于其攜帶灰顆粒的撞擊作用，不利于灰顆粒的沉積和腐蝕。基于這一特性，控制受熱面腐蝕可以充分利用循環(huán)流化床爐膛中存在高濃度物料的特點(diǎn)，處于爐膛中的受熱面始終受到循環(huán)物料的不斷沖刷，能夠有效抑制爐內(nèi)沾污問題。因而將壁溫較高的受熱面布置在爐膛，可以有效緩解高溫受熱面的結(jié)垢腐蝕問題，這是循環(huán)流化床燃燒生物質(zhì)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢[37]。

圖5 生物質(zhì)鍋爐受熱面腐蝕Fig.5 Biomass boiler heating surface corrosion

隨著對生物質(zhì)燃燒機(jī)理研究的不斷深入，在爐內(nèi)氣固流態(tài)化、污染物排放控制、爐內(nèi)防結(jié)渣沾污等方面取得了實(shí)質(zhì)性突破，循環(huán)流化床燃生物質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)相繼得到解決，可以滿足純?nèi)忌镔|(zhì)及不同比例摻燒的需要。目前部分運(yùn)行管理較好的機(jī)組，連續(xù)運(yùn)行周期甚至達(dá)到200 d以上，非計(jì)劃停爐的情況持續(xù)減少。

4 面臨問題及對策

我國農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富，作為碳中性的可再生能源技術(shù)，生物質(zhì)能源化利用還有很大的發(fā)展空間。然而，目前農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)尚未得到充分發(fā)展，發(fā)展規(guī)模低于預(yù)設(shè)目標(biāo)，主要問題包括經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)業(yè)政策以及企業(yè)自身等多方面因素。

4.1 農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電成本高

在我國垃圾發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀好于農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電。垃圾發(fā)電除享受上網(wǎng)電價補(bǔ)貼外，還享受地方政府支付的垃圾處理費(fèi)，因此經(jīng)濟(jì)效益較好，近年來增長很快，總量高于農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電。農(nóng)林生物質(zhì)在發(fā)電成本方面處于明顯劣勢，主要由于以下幾方面：

1)燃料成本高。生物質(zhì)電廠與燃煤電廠不同，秸稈燃料產(chǎn)自附近耕地，來源分散。秸稈能量密度低，運(yùn)輸成本高，通常經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑僅為100 km左右。按照秸稈散料的市場價格，單位熱值成本高于煤炭。目前部分電廠自購秸稈收割打包設(shè)備，直接從耕地收割、打包、運(yùn)輸秸稈，解決了農(nóng)民收割問題，也可以大幅降低燃料成本。

2)單機(jī)規(guī)模小，投資、運(yùn)行成本高。絕大部分農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電廠單機(jī)規(guī)模在100 MW以下，遠(yuǎn)低于大型燃煤電站，單位發(fā)電功率投資成本高。目前新建的生物質(zhì)發(fā)電廠普遍采用高壓和超高壓參數(shù)，部分機(jī)組帶有一次再熱循環(huán)，發(fā)電效率相比中溫中壓技術(shù)得以提高，但相比于大型燃煤電站，依然較低。廠用電率一般在10%以上，供電效率低于30%。2019年，全國6 000 kW及以上火電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗306.4 g/kWh，先進(jìn)的1 000 MW二次再熱機(jī)組供電煤耗已經(jīng)低至260 g/kWh以下，但常規(guī)高壓參數(shù)的生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組供電煤耗達(dá)到400 g/kWh以上，遠(yuǎn)高于燃煤發(fā)電機(jī)組。

3)鍋爐可用率相對較低。在國內(nèi)可研單位和鍋爐制造企業(yè)的共同努力下，純?nèi)忌镔|(zhì)鍋爐容量、參數(shù)和可用率明顯改善，但生物質(zhì)燃料的特殊性導(dǎo)致鍋爐可用率仍然低于燃煤機(jī)組。

4.2 政府補(bǔ)貼退坡

由于生物質(zhì)燃料成本高，且可再生能源電價補(bǔ)貼及政府增值稅返還政策造成應(yīng)收賬款數(shù)額高，返還時間存在不確定性，因此生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目普遍存在較大現(xiàn)金流壓力[50]。2020年9月，財政部、發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《完善生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行的實(shí)施方案》，規(guī)定自2021-01-01起，規(guī)劃內(nèi)已核準(zhǔn)未開工、新核準(zhǔn)的生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目全部通過競爭方式配置并確定上網(wǎng)電價；新納入補(bǔ)貼范圍的項(xiàng)目補(bǔ)貼資金由中央地方共同承擔(dān)，分地區(qū)合理確定分擔(dān)比例，中央分擔(dān)部分逐年調(diào)整并有序退出。同月，三部委發(fā)布了《關(guān)于<關(guān)于促進(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見>有關(guān)事項(xiàng)的補(bǔ)充通知》，通知明確農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電全生命周期合理利用小時數(shù)為82 500 h，補(bǔ)貼電量在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。上述文件表明國家層面對生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的補(bǔ)貼已經(jīng)開始啟動逐步退出機(jī)制。

4.3 企業(yè)管控水平有待提高

目前生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)以民營企業(yè)居多。相比于大型火力發(fā)電企業(yè)(以國企為主)，生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)在機(jī)組運(yùn)行管控水平方面經(jīng)驗(yàn)和水平不足。鍋爐運(yùn)行過程中，效率低、污染物排放高甚至很多運(yùn)行事故是由于操作不當(dāng)造成的。嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)、嚴(yán)格控制爐溫、合理配風(fēng)、合理吹灰，是保障機(jī)組安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。此外，生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)在人力資源管控方面能力不足，在引進(jìn)人才、培養(yǎng)人才、留住人才方面，缺少系統(tǒng)的管理體系，部分企業(yè)管理松散。

5 結(jié)語與展望

農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電在國內(nèi)歷經(jīng)15 a發(fā)展，到目前為止，投產(chǎn)項(xiàng)目達(dá)400余家，循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)和設(shè)備制造水平及運(yùn)行管理水平得到飛速發(fā)展。大力推動生物質(zhì)能利用，有助于我國實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。我國生物質(zhì)極具發(fā)展?jié)摿?，生物質(zhì)直燃發(fā)電可以深入開發(fā)利用農(nóng)業(yè)剩余價值，助力農(nóng)業(yè)強(qiáng)國建設(shè)。盡管發(fā)展過程中面臨一些問題和挑戰(zhàn)，但是在我國碳中和目標(biāo)的大背景下，循環(huán)流化床農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電產(chǎn)業(yè)通過不斷發(fā)掘自身潛力，提高企業(yè)盈利水平。為此，對產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展提出如下建議：

1)重點(diǎn)發(fā)展小容量、高參數(shù)循環(huán)流化床農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組。一方面，提高循環(huán)蒸汽參數(shù)、增加再熱循環(huán)可以提高發(fā)電機(jī)組效率，有效解決發(fā)電效率偏低的問題；另一方面，由于秸稈燃料來源分散，選擇小容量機(jī)組，可以減少生物質(zhì)消耗，減小燃料收購覆蓋面，降低運(yùn)輸成本。因此，針對生物質(zhì)純?nèi)及l(fā)電效率低、成本高的問題，我國應(yīng)發(fā)展小容量超高參數(shù)機(jī)組，目前越來越多超高壓一次再熱機(jī)組投入運(yùn)行，下一步應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展小容量亞臨界機(jī)組，有效提高企業(yè)綜合效益。

2)2020-12-31，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》。目前，全國碳市場的交易系統(tǒng)基本建設(shè)完成。隨著碳交易的逐步開展，涉及產(chǎn)業(yè)不斷拓寬。由于生物質(zhì)燃料的零碳性質(zhì)，其成本將在碳交易體系中體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，未來生物質(zhì)與煤的直燃耦合將有更大的發(fā)展空間。

3)2017年12月，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布了《促進(jìn)生物質(zhì)能供熱發(fā)展的指導(dǎo)意見》，強(qiáng)調(diào)要大力發(fā)展縣域農(nóng)林生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)，到2020年，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量超過1 200萬kW。但目前來看，沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)就地收集原料、就地加工轉(zhuǎn)化、就近消費(fèi)，構(gòu)成城鎮(zhèn)分布式清潔供熱體系，既減少農(nóng)村秸稈露天焚燒，又提供清潔電力和熱力，帶動生物質(zhì)能轉(zhuǎn)型升級。我國中小型燃煤供熱鍋爐數(shù)量較多，清潔燃料替代任務(wù)較重，生物質(zhì)能供熱在終端消費(fèi)環(huán)節(jié)直接替代燃煤，有較大發(fā)展空間。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以提高熱力系統(tǒng)綜合效率，供熱可以提高企業(yè)收入。