高清林，高嘉锜，李 毅，陳敦炳

(1.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州362000；3.福建華電邵武能源有限公司，福建 邵武 354000）

0 引言

全球氣候日益變暖迫切要求有效控制溫室氣體排放，推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型已然成為全球共識(shí)。為共同應(yīng)對(duì)當(dāng)前的氣候惡化，實(shí)現(xiàn)全球溫控目標(biāo)，我國(guó)向全世界作出了“3060雙碳”目標(biāo)的鄭重承諾[1]。

有研究表明，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的二氧化碳排放強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱碳排放強(qiáng)度）典型值分別為12，48 g/(kW?h），而 燃 煤 發(fā) 電 卻 高 達(dá)1 001 g/(kW?h）[2]。經(jīng)過(guò)多年節(jié)能降耗的改進(jìn)，我國(guó)煤電機(jī)組的煤耗已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，但其平均碳排放強(qiáng)度仍在800 g/(kW?h）以 上[2]，遠(yuǎn) 超 風(fēng)、光 新 能 源，也 遠(yuǎn) 高 于實(shí)現(xiàn)碳中和所需的 “煤電單位發(fā)電量碳排放強(qiáng)度低 于100 g/(kW?h）”的 要 求[3]。因 此，在“雙 碳”目標(biāo)背景下，風(fēng)、光電等清潔電力將是推動(dòng)我國(guó)能源電力綠色低碳轉(zhuǎn)型的主力軍，而煤電卻是我國(guó)電力系統(tǒng)減碳的主體。

然而，風(fēng)、光電的不可調(diào)、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、缺乏無(wú)功調(diào)節(jié)能力等先天不足，尤其是其強(qiáng)隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性等不穩(wěn)定的能源品質(zhì)，使得風(fēng)、光電根本無(wú)法獨(dú)立保障我國(guó)能源電力的安全和穩(wěn)定。而煤電所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、靈活可調(diào)、可熱電聯(lián)產(chǎn)、不受自然條件影響等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，恰好可以彌補(bǔ)風(fēng)、光電的這些缺陷。正因如此，在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，隨著風(fēng)、光電占比的不斷增加，仍將繼續(xù)保留相當(dāng)比例的煤電以承擔(dān)托底保供、調(diào)峰調(diào)頻、應(yīng)急備用以及供熱等重要作用[4]。

因此，基于我國(guó)以煤電為主的電力產(chǎn)供銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，在“雙碳”目標(biāo)背景下，必須加強(qiáng)煤炭與生物質(zhì)的優(yōu)化組合，致力于燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用，在依托現(xiàn)役燃煤機(jī)組先進(jìn)的環(huán)保設(shè)施和高效的發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)常規(guī)污染物超低排放和高效發(fā)電的同時(shí)，充分發(fā)揮生物質(zhì)碳中性的優(yōu)勢(shì)，大幅降低燃煤機(jī)組的碳排放，并采取相應(yīng)措施規(guī)避耦合風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)煤炭清潔低碳、安全高效利用。

1 煤電低碳化

1.1 實(shí)現(xiàn)煤電低碳化的途徑

煤電的低碳化，即在不減少燃煤機(jī)組發(fā)電量的前提下減少其碳排放量，為此，可有如下實(shí)現(xiàn)途徑：

(1）自身減碳——用技術(shù)先進(jìn)的高參數(shù)大容量機(jī)組替代技術(shù)落后的中低參數(shù)中小容量機(jī)組，并對(duì)存量燃煤機(jī)組進(jìn)行節(jié)能降耗改造，通過(guò)提高煤電行業(yè)整體機(jī)組的發(fā)電效率來(lái)減少燃煤消耗，從而降低自身的碳排放強(qiáng)度。

(2）結(jié)構(gòu)減碳——對(duì)存量燃煤機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，拓展其深度調(diào)峰能力，騰出調(diào)峰容量來(lái)消納風(fēng)光電等低碳能源，從而降低整個(gè)電網(wǎng)的碳排放強(qiáng)度。

(3）燃料減碳——燃煤機(jī)組通過(guò)摻燒一定比例碳中性的生物質(zhì)，減少其實(shí)際發(fā)電煤耗，即可顯著降低碳排放。

(4）煙氣脫碳——在燃煤機(jī)組中應(yīng)用碳捕集、利用和封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技術(shù)，對(duì)煤炭燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行捕集后，再進(jìn)行地質(zhì)封存或加以利用，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳減排。

1.2 煤電低碳化途徑的選擇

燃煤機(jī)組的提效、降耗和深度調(diào)峰，是我國(guó)近年來(lái)一直著力開(kāi)展的工作。截至2021年11月底，全國(guó)燃煤機(jī)組的平均供電煤耗率已降至303.7 g/(kW?h）[5]，國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的燃煤機(jī)組的供電煤耗率已降到了260 g/(kW?h）以下[6]，已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，通過(guò)節(jié)能降耗進(jìn)一步降碳的空間已所剩不多。在煤電機(jī)組的調(diào)峰能力方面，目前我國(guó)煤電機(jī)組的調(diào)峰能力為50%～100%，而科技部定下的2030年的目標(biāo)是把燃煤機(jī)組的調(diào)峰能力拓寬到20%～100%[2]，由此而騰出的調(diào)峰容量雖能爭(zhēng)取到一定的降碳空間，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需的降碳目標(biāo)。

在燃煤機(jī)組中應(yīng)用CCUS，雖然可以在不減少燃煤量的情況下大幅減少碳排放量，但因其成本高、能耗大、商業(yè)模式及利用和封存技術(shù)等尚未成熟，近十年內(nèi)恐怕難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣應(yīng)用。生物質(zhì)能發(fā)電的二氧化碳排放強(qiáng)度典型值僅為18 g/(kW?h）[2]，生物質(zhì)不僅具有化石燃料無(wú)可比擬的碳中性，其燃燒產(chǎn)生的SO2和NOx也比化石燃料少，是一種清潔、低碳、可再生的火電燃料。同時(shí)，生物質(zhì)發(fā)電的安全性和穩(wěn)定性也遠(yuǎn)高于風(fēng)能和太陽(yáng)能，而且能參與深度調(diào)峰，是“雙碳”目標(biāo)背景下煤炭的理想替代品。因此，燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電是當(dāng)前煤電低碳化的不二選擇。

2 燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電的技術(shù)路線及其特點(diǎn)

2.1 燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電的技術(shù)路線

目前，燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電在歐洲和北美一些發(fā)達(dá)國(guó)家已得到一定的應(yīng)用，但在我國(guó)大多尚處于研發(fā)和工程示范階段。其主要技術(shù)路線包括燃料耦合發(fā)電和蒸汽耦合發(fā)電兩種。

燃料耦合發(fā)電的工藝流程如圖1所示。生物質(zhì)燃料經(jīng)相應(yīng)的預(yù)處理后，與燃煤在鍋爐內(nèi)混合燃燒，產(chǎn)生的蒸汽去沖轉(zhuǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。根據(jù)耦合時(shí)生物質(zhì)所處狀態(tài)的不同，燃料耦合發(fā)電又可分為生物質(zhì)直燃耦合發(fā)電和生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電。

圖1 燃料耦合發(fā)電工藝流程Fig.1 Process flow of fuel-coupled power generation

生物質(zhì)直燃耦合發(fā)電時(shí)，生物質(zhì)固體顆粒直接與煤粉在煤粉鍋爐中混合燃燒，其工藝流程如圖1中的①～⑤所示。生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電時(shí)，生物質(zhì)燃料先在氣化裝置中氣化產(chǎn)生可燃?xì)怏w，再將生物質(zhì)燃?xì)鈬娙肴济哄仩t專(zhuān)門(mén)設(shè)置的生物質(zhì)燃?xì)馊紵魅紵?，其工藝流程如圖1中的⑥所示。

蒸汽耦合發(fā)電的工藝流程如圖2所示。生物質(zhì)與燃煤的燃料制備、送粉、燃燒及環(huán)保系統(tǒng)彼此獨(dú)立，將生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽并入燃煤機(jī)組的蒸汽系統(tǒng)耦合發(fā)電。

圖2 蒸汽耦合發(fā)電工藝流程Fig.2 Process flow of steam coupling power generation

2.2 燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電不同技術(shù)路線的特點(diǎn)

燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電不同技術(shù)路線的特點(diǎn)如表1所示。

表1 燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電不同技術(shù)路線的特點(diǎn)Table 1 Characteristics of different technical routes of coupled biomass power generation in coal-fired units

3 直燃耦合的方案及其特點(diǎn)

對(duì)比上述燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電的不同技術(shù)路線，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)保等因素，并結(jié)合我國(guó)生物質(zhì)資源以農(nóng)作物秸桿為主的特點(diǎn)，目前，我國(guó)的燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要以直燃耦合為主。根據(jù)燃煤與生物質(zhì)燃料耦合位置的不同，直燃耦合發(fā)電可分為備磨備管備燃、同磨同管同燃、異磨同管同燃、異磨異管同燃、異磨異管異燃等5種不同方案，其工藝流程分別如圖1中的①～⑤所示，各種方案的特點(diǎn)如表2所示?？傮w來(lái)講，這5種方案的改造成本及燃料制備和燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜程度依次增加，生物質(zhì)燃料的摻燒比例也依次增大。

表2 直燃耦合不同方案的特點(diǎn)Table 2 Characteristics of different schemes of direct combustion coupling

4 生物質(zhì)直燃耦合對(duì)燃煤機(jī)組的影響

借助某電廠的300 MW煤粉鍋爐摻燒不同質(zhì)量比的玉米秸桿(YM）、小麥秸桿(XM）、花生殼(HSK）和落葉松(SM）等生物質(zhì)的熱力試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析生物質(zhì)直燃耦合對(duì)燃煤機(jī)組各方面的影響[8]。

4.1 對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響

4.1.1對(duì)爐膛理論燃燒溫度的影響

生物質(zhì)摻燒比例對(duì)爐膛理論燃燒溫度變化的影響如圖3所示。

圖3 生物質(zhì)摻燒比例對(duì)爐膛理論燃燒溫度變化的影響Fig.3 Effect of biomass blending ratios on theoretical combustion temperature variation of furnace

由于爐膛的理論燃燒溫度隨著燃料熱值的降低而下降[9]，而生物質(zhì)的熱值遠(yuǎn)低于原煤，因此，爐膛的理論燃燒溫度隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加基本呈線性下降趨勢(shì)。

4.1.2對(duì)爐膛出口煙氣溫度的影響

生物質(zhì)摻燒比例對(duì)爐膛出口煙氣溫度變化的影響如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)摻燒落葉松、花生殼和小麥秸稈時(shí)，隨著摻燒比例的增加，爐膛出口煙氣溫度均有不同程度的升高。這主要是因?yàn)閾綗裏嶂递^低的生物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛的煙氣理論燃燒溫度下降，為保證再熱蒸汽的溫度，必須將燃燒器向上擺動(dòng)，致使火焰中心位置升高，從而使?fàn)t膛出口煙氣溫度有所升高；在較低溫度下，生物質(zhì)的揮發(fā)分即可析出燃燒，使得煤粉周?chē)臒煔鉁囟扔兴?，加速了煤粉的燃燒，一定程度上也提高了爐膛出口的煙氣溫度。而對(duì)于摻燒玉米秸稈而言，因其燃燒產(chǎn)生的煙氣量較大，無(wú)需再通過(guò)擺動(dòng)燃燒器來(lái)調(diào)整再熱蒸汽的溫度，因此，其爐膛出口煙氣溫度隨摻燒比例的增加而有所下降。

圖4 生物質(zhì)摻燒比例對(duì)爐膛出口煙氣溫度變化的影響Fig.4 Effect of biomass blending ratios on the temperature change of flue gas at furnace outlet

4.1.3對(duì)SCR脫硝入口煙氣溫度的影響

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝系統(tǒng)的正常工作溫度為320～420℃，低于300℃將無(wú)法正常運(yùn)行[12]。摻燒生物質(zhì)后，不同摻燒比例全負(fù)荷工況下的SCR脫硝系統(tǒng)的入口煙氣溫度為266.8～372.5℃。由此可見(jiàn)，在啟停機(jī)或低負(fù)荷時(shí)段，SCR脫硝系統(tǒng)的入口煙氣溫度仍然可能偏低，導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)工作失常；加之摻燒生物質(zhì)后，其飛灰將加劇脫硝催化劑活性下降，從而導(dǎo)致NOx排放超標(biāo)。因此，大比例摻燒生物質(zhì)后，應(yīng)增設(shè)旁路煙道以提高啟停機(jī)和低負(fù)荷工況下SCR脫硝系統(tǒng)的入口煙氣溫度，采用大孔距蜂窩式催化劑并加強(qiáng)運(yùn)行過(guò)程中催化劑的吹灰，以保證全負(fù)荷工況下的脫硝效率。

4.1.4對(duì)排煙溫度的影響

生物質(zhì)摻燒比例對(duì)排煙溫度變化的影響如圖5所示。由圖5可以看出，摻燒不同生物質(zhì)后的排煙溫度均隨著摻燒比例的增加而升高。這是因?yàn)楫a(chǎn)生相同的熱量時(shí)，生物質(zhì)產(chǎn)生的煙氣量較原煤多，而其燃燒所需的空氣量卻比原煤少，故而摻燒生物質(zhì)后的排煙溫度均隨著摻燒比例的增加而升高。過(guò)高的排煙溫度將降低空預(yù)器轉(zhuǎn)子軸承和布袋除塵器的可靠性[13]，一般而言，只要在鍋爐的尾部煙道加裝低溫省煤器，用以吸收煙氣余熱，即可避免摻燒生物質(zhì)后因排煙溫度過(guò)高而影響空預(yù)器轉(zhuǎn)子軸承和布袋除塵器的正常運(yùn)行。

圖5 生物質(zhì)摻燒比例對(duì)排煙溫度變化的影響Fig.5 Effect of biomass blending ratios on the variation of exhaust gas temperature

4.1.5對(duì)鍋爐熱效率的影響

生物質(zhì)摻燒比例對(duì)鍋爐熱效率變化的影響如圖6所示。由圖6可以看出，摻燒不同生物質(zhì)后，鍋爐的熱效率均隨著摻燒比例的增加而降低。究其原因，摻燒生物質(zhì)后，煙氣量的增加和排煙溫度的升高導(dǎo)致了排煙熱損失增大，因而鍋爐的熱效率均隨著摻燒比例的增大而降低。

圖6 生物質(zhì)摻燒比例對(duì)鍋爐熱效率變化的影響Fig.6 Effect of biomass blending ratios on the variation of boiler thermal efficiency

4.1.6對(duì)過(guò)熱蒸汽減溫水量的影響

生物質(zhì)摻燒比例對(duì)過(guò)熱蒸汽減溫水量的影響如圖7所示。由圖7可以看出，摻燒不同生物質(zhì)后，過(guò)熱蒸汽的減溫水量均隨著摻燒比例的增加而增大。這是因?yàn)閾綗镔|(zhì)后，煙氣量的增加和爐膛出口煙氣溫度的升高使對(duì)流換熱增強(qiáng)，過(guò)熱蒸汽溫度升高，因而過(guò)熱蒸汽的減溫水量均隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加而增大。當(dāng)摻燒比例較大時(shí)，需要對(duì)原有的減溫水系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造，以滿足汽溫調(diào)節(jié)需求。

圖7 生物質(zhì)摻燒比例對(duì)過(guò)熱蒸汽減溫水量的影響Fig.7 Effects of biomass blending ratios on the amount of water reduced by superheated steam

4.2 對(duì)鍋爐受熱面沾污和腐蝕的影響

鍋爐受熱面的沾污和腐蝕一直是影響燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。生物質(zhì)中含有的K，Na等堿金屬和Cl元素是引起鍋爐積灰、結(jié)渣和腐蝕的主要原因。

首先，燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)后，因爐膛出口煙氣 溫 度 升 高，而 生 物 質(zhì) 灰 中 富 含 的K，Na，S，Cl，P，Ca，Mg，F(xiàn)e，Si等 無(wú) 機(jī) 元 素 又 降 低 了 其 灰 熔 點(diǎn)[7]，致使?fàn)t膛出口的受熱面極易積灰結(jié)渣。同時(shí)，生物質(zhì)中的堿金屬與硅、硫相結(jié)合，在氯的協(xié)同作用下會(huì)加劇鍋爐受熱面的沾污和腐蝕[7]。其次，在生物質(zhì)燃燒過(guò)程中，K元素大多以氣態(tài)釋放，進(jìn)一步與金屬、飛灰及煙氣相互作用，形成鉀鹽覆蓋在對(duì)流受熱面上[6]，還有一些堿金屬元素會(huì)與Si元素生成K2O?Al2SO3?SiO2，NaAl2Si5O14，K2Si2O5等 易 熔 化 合物，從而加速了積灰層的增長(zhǎng)[10]，[11]，甚至在很短時(shí)間內(nèi)即可堵塞對(duì)流受熱面的煙氣走廊。再者，生物質(zhì)燃燒后生成的Cl2和HCI氣體會(huì)與積灰中的固態(tài)或熔融態(tài)的KCI、硫酸鹽等協(xié)同作用，從而導(dǎo)致鍋爐受熱面發(fā)生氯腐蝕和堿金屬腐蝕，最終導(dǎo)致泄漏乃至爆管(圖8）。

圖8 摻燒生物質(zhì)后鍋爐受熱面腐蝕情況Fig.8 Corrosion of the heating surface of the boiler after blending biomass

為減少摻燒生物質(zhì)引起的鍋爐受熱面的沾污和腐蝕，必要時(shí)可以采取如下措施：①選擇合適的生物質(zhì)摻混比，嚴(yán)格控制入爐燃料的Cl，K，Na等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14]；②向爐內(nèi)噴射粉煤灰，以降低堿金屬的濃度；③針對(duì)我國(guó)農(nóng)作物秸稈類(lèi)生物質(zhì)燃料，在燃料中加入相應(yīng)的抗結(jié)渣添加劑，以提高其灰熔點(diǎn)；④對(duì)爐膛出口后的對(duì)流受熱面進(jìn)行改造，采用順列大間距布置，以降低煙氣流速，并在運(yùn)行時(shí)加強(qiáng)管束的吹灰；⑤添加富硫劑，以便在受熱面上生成致密的硫酸鹽保護(hù)膜；⑥在受熱面上涂抹鎳鉻合金或陶瓷涂層。

4.3 對(duì)鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的影響

與原煤相比，生物質(zhì)燃料的含氧量更高，其燃燒所需的理論空氣量更少；盡管因?yàn)樯镔|(zhì)的熱值較低，相同負(fù)荷下所需消耗的燃料總量會(huì)有所增加，但增加不多。因此，煤粉鍋爐摻燒生物質(zhì)后，其所需的理論空氣量將隨著摻燒比例的增大而有所下降(圖9），即使大比例摻燒生物質(zhì)，原有的送風(fēng)系統(tǒng)也能滿足需求[14]。但因混合燃料總量增加了，燃燒后產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量流量增大，加之排煙溫度升高，致使煙氣的體積流量會(huì)有較大的增加，可能需要對(duì)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行增容改造[14]。

圖9 生物質(zhì)摻燒比例對(duì)理論空氣量的影響Fig.9 Effects of biomass blending ratios on theoretical air volume

4.4 對(duì)制粉系統(tǒng)的影響

生物質(zhì)大多是纖維素含量高的燃料，其破碎特性與原煤差異較大。采用以研磨、碾壓為主的中速磨和球磨機(jī)難以將其破碎到合格的粒徑，若將生物質(zhì)和原煤混在一起在原有的磨煤機(jī)上共磨，二者粒度難以匹配，且容易造成磨煤機(jī)和送粉管道堵塞，還會(huì)導(dǎo)致制粉系統(tǒng)出力大幅下降，因此，共磨時(shí)摻燒比例將受到很大的限制。若要大比例摻燒生物質(zhì)，通常需要為生物質(zhì)燃料增設(shè)專(zhuān)用的錘磨機(jī)和送粉管道，但目前我國(guó)相關(guān)行業(yè)仍缺少高性能、大容量的生物質(zhì)錘磨機(jī)的制造技術(shù)，難以滿足高比例摻燒的需求[7]。

4.5 對(duì)燃煤機(jī)組環(huán)保特性的影響

4.5.1對(duì)燃煤機(jī)組常規(guī)污染物排放的影響

對(duì)燃煤機(jī)組常規(guī)污染物排放的研究表明，摻燒生物質(zhì)有助于降低NOx，SO2和粉塵的排放量。

生物質(zhì)的灰分一般都比較低，煤粉鍋爐摻燒生物質(zhì)后通?？梢詼p少煙塵排放量，但其富含的揮發(fā)分和堿金屬會(huì)增加煙塵中微細(xì)顆粒的排放量。

NOx排放量降低的可能原因：①生物質(zhì)燃料的含N量一般低于原煤，且其N(xiāo)元素主要以氨基形式存在[7]，而NH3向NOx的轉(zhuǎn)化率較低；②當(dāng)生物質(zhì)從上層還原區(qū)的燃燒器送入爐膛時(shí)，其熱解產(chǎn)生大量的CHi和NHi基團(tuán)，通過(guò)再燃和熱力脫硝，可將下層煤粉燃燒生成的NOx還原為HCN或N2[7]；③摻燒生物質(zhì)使?fàn)t膛溫度降低，抑制了部分熱力型NOx的生成；④生物質(zhì)揮發(fā)分的析出并燃燒，使?fàn)t膛燃燒區(qū)域煙氣溫度升高，在促進(jìn)煤粉燃燒的同時(shí)，也有利于燃料氮產(chǎn)生的氮氧化物在燃燒器區(qū)域提前釋放，在還原區(qū)被有效地還原，從而使?fàn)t膛出口的NOx排放降低。但生物質(zhì)灰分中富含的堿金屬可能會(huì)引起催化劑中毒[7]，從而降低SCR系統(tǒng)的脫硝效率。

SO2排放量降低的可能原因：①生物質(zhì)燃料的含硫量一般比原煤低，其原始生成的SO2較少[1]；②富含堿金屬的生物質(zhì)飛灰顆粒和底灰捕獲了部分SO2[7]。但采用濕法脫硫時(shí)，生物質(zhì)燃燒生成的HCl氣體可能會(huì)與石灰石溶液反應(yīng)[1]，而其產(chǎn)生的微細(xì)粉塵進(jìn)入脫硫設(shè)備后可能會(huì)抑制石灰石的溶解[15]，從而削弱石灰石的活性，使脫硫效率降低。

雖然我國(guó)的燃煤機(jī)組已基本完成了超低排放改造，直燃耦合一般不會(huì)對(duì)燃煤機(jī)組造成煙塵、SO2和NOx等常規(guī)污染物排放超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)[14]，但燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)后，煙氣量將大幅增加，生物質(zhì)燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量的常規(guī)靜電除塵器難以徹底脫除的微細(xì)粉塵。因此，當(dāng)大比例摻燒生物質(zhì)時(shí)，須考慮對(duì)除塵系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)容改造，并增設(shè)布袋除塵器，在進(jìn)一步減少粉塵排放的同時(shí)，也減少微細(xì)粉塵對(duì)脫硫的不利影響。此外，為減輕生物質(zhì)灰中的堿金屬引起的脫硝催化劑中毒，可采用堿金屬含量較低的木本生物質(zhì)并選擇適當(dāng)?shù)膿交毂壤?，也可通過(guò)向爐內(nèi)添加粉煤灰以降低煙氣中的堿金屬濃度。

4.5.2對(duì)燃煤機(jī)組碳排放的影響

生物質(zhì)多為低碳或零碳燃料，燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電時(shí)，生物質(zhì)燃料替代了一部分原煤，因而可顯著降低機(jī)組的碳排放，且CO2排放量隨生物質(zhì)耦合比例的增大而大幅減少。假設(shè)300 MW機(jī)組年發(fā)電小時(shí)數(shù)為4 500 h，耦合比例為20%，則每年可減排CO2約18.4萬(wàn)t。

4.5.3對(duì)燃煤機(jī)組灰渣利用的影響

因生物質(zhì)燃料的灰分含量較低，當(dāng)生物質(zhì)摻燒比例較低時(shí)，一般不會(huì)影響燃煤的灰渣利用。若摻燒比例較大，其灰渣可通過(guò)粒徑篩分實(shí)現(xiàn)資源梯級(jí)利用，如用作水處理凈化劑、農(nóng)業(yè)碳基復(fù)合肥原料、建筑或填埋路基的原料等[1]。

4.6 對(duì)煤的燃燒特性的影響

有研究表明，燃煤耦合生物質(zhì)混燒后，降低了煤的著火溫度、燃盡溫度和表觀活化能[16]，改善了煤的著火性能和綜合燃燒特性。究其原因：①生物質(zhì)的揮發(fā)分高于煤，且更易揮發(fā)，摻燒生物質(zhì)增加了燃料中的揮發(fā)分含量，而揮發(fā)分的析出增加了燃料顆粒的孔隙率，增大了與反應(yīng)氣體的接觸面積[17]，并使燃燒產(chǎn)物更易于逸出，改善了耦合燃料的燃燒反應(yīng)性；②生物質(zhì)的揮發(fā)分可在較低溫度下析出燃燒，其產(chǎn)生的熱量對(duì)耦合燃料中的固定碳起到了預(yù)熱和結(jié)構(gòu)疏松的作用[17]，促使煤提前著火燃燒，同時(shí)也降低了煤的燃盡溫度；③生物質(zhì)揮發(fā)分在燃燒過(guò)程中釋放出的富氫氣體和熱量，以及生物質(zhì)灰富含的堿金屬和堿土金屬，對(duì)焦炭燃燒都有很好的催化作用[18]，使煤的燃燒更加快速且完全；④生物質(zhì)的灰分比煤少，摻混生物質(zhì)減少了耦合燃料中的灰分，降低了灰分阻燃的影響，并使燃燒產(chǎn)生的氣體更加易于逸出[18]；⑤摻燒生物質(zhì)后，燃料混燃過(guò)程中的揮發(fā)分析出濃度升高，其分子間發(fā)生碰撞的概率增大，普通分子轉(zhuǎn)化為活性分子更容易，從而降低了耦合燃料的表觀活化能，降低了混合燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的能量勢(shì)壘[18]，使燃燒反應(yīng)更容易進(jìn)行。

4.7 對(duì)燃煤機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

摻燒生物質(zhì)后，燃煤鍋爐的排煙量增大、排煙溫度升高，因而其排煙熱損失增加，鍋爐效率下降。耦合發(fā)電后，雖然機(jī)組的燃煤消耗量減少了，但其折算后的供電煤耗率卻有所增加[19]，加之生物質(zhì)燃料成本較高，耦合發(fā)電將導(dǎo)致燃煤機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有所下降。因此，有專(zhuān)家建議發(fā)電單位積極爭(zhēng)取電價(jià)補(bǔ)貼、電量補(bǔ)貼或碳稅補(bǔ)貼等[20]。

5 結(jié)語(yǔ)

燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)直燃發(fā)電，既利用了現(xiàn)有高參數(shù)大容量燃煤機(jī)組先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，提高了生物質(zhì)的發(fā)電效率，又充分發(fā)揮了生物質(zhì)碳中性的優(yōu)勢(shì)，大幅度降低了燃煤機(jī)組的碳排放；同時(shí)，還借助了燃煤機(jī)組先進(jìn)的脫硫、脫硝、除塵等環(huán)保設(shè)施，使常規(guī)污染物達(dá)到了超低排放，從而實(shí)現(xiàn)了煤炭的清潔低碳、安全高效利用。但是，燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)直燃發(fā)電在我國(guó)尚處于研發(fā)和工程示范階段，在燃料制備和燃燒組織等方面，尚缺乏成熟的高性能的生物質(zhì)專(zhuān)用錘磨機(jī)和高比例摻燒生物質(zhì)的煤粉燃燒器，難以實(shí)現(xiàn)煤粉和生物質(zhì)大比例高效混燒。