淺談生物質與煤粉混合燃燒技術

(陜投集團 陜西 西安 721500)

引言

據統計，全世界每年農村生物質的產量約300億噸，生物質能源占全世界能源消耗的14%，僅次于石油、煤炭及天然氣等化石能源，居第四位。我國是農業大國，每年至少有7億噸的農作物廢棄物，至今這些生物質能源仍占我國農村消費的第一位，約合3.5億噸標準煤。可以看出，生物質能的開發利用潛力巨大。生物質能是取之不盡的太陽能倉庫，可以降低二氧化碳溫室氣體，對生態環境具有保護作用，對國家能源安全建設以及我國農村能源建設具有重要作用。

近十年來，發達國家開始重新審視生物質能源的地位，關注新技術開發利用生物質能源。通過適當的技術和裝置可以將生物質轉化為高效的、與現代用能設備兼容的高檔能源載體，如氣體燃料、液體燃料和電力，可直接替代煤炭、石油和天然氣等礦物燃料。有人預言，到2050年，生物質能源有可能提供世界60%的電力和40%的液體燃料。

目前我國各種生物質資源利用率不高，大量秸稈資源在田間焚燒，不僅污染環境，而且浪費能源。將各類生物質資源，特別是農作物秸稈用于鍋爐直燃發電或供熱，節能效益和環境效益顯著，還可以成為國家最大的支農產業。我國生物質資源潛力巨大，而且到2010年，全國計劃關停534.55萬千瓦小火電機組，生物質可以作為煤燃料的替代品進行關停電廠的改造。未來中等容量的生物質燃料發電將是我國重點發展方向，生物質燃燒技術將成為生物質利用的一條重要途徑。

一、生物質能源開發利用技術現狀

人類對生物質能的利用已有悠久的歷史，但是在漫長的時間里，總是以直接燃燒的方式利用它的熱量。直到20世紀，特別是近一二十年，人們普遍提高了能源與環保意識，對地球固有的化石燃料日趨減少有一種危機感，在可再生能源方面尋求能源持續供給的今天，生物質利用新技術的研究與應用，才有了快速的發展。生物質能按其最終轉化和利用的燃料狀態可劃分為氣態、液態和固態生物質。

二、生物質與煤粉混合燃燒技術

由于各種生物質利用技術的低效率、高成本和高技術風險，可再生能源在能源市場上很難與化石能源競爭。而生物質與煤粉在傳統電站燃煤鍋爐混合燃燒是可再生能源與常規化石能源的綜合利用，可以從兩種不同類型的燃料中獲得最大利益。混合燃燒利用現有化石燃料發電系統的巨額投資和基礎設施，僅需要對生物質燃料部分進行相對適度的投資。當正確的選擇生物質和煤進行鍋爐設計和運行，還可減少傳統的污染物SO2-NOx和溫室氣體CO2-CH4排放。

混合燃燒在許多國家都是完成CO2減排的最經濟的技術措施，其益處包括利用本地資源發電、減少廢棄物的處理量以及資源的高效利用，并且上述優勢以非常低的技術風險有望近期實現。混合燃燒技術在美國、芬蘭、丹麥、德國、奧地利、西班牙和許多其他IEA國家應用較多，電廠裝機容量通常在50-700MW。

生物質燃料混合燃燒的最大挑戰是發展和示范在其經濟上的吸引力。此類技術必須適合于改進后的現有燃煤發電廠，易于運行和控制，影響系統正常運行的風險最小。目前大多數國家缺乏生物質燃料安全的供應鏈。所涉及的風險包括發電廠被迫直接投資于燃料供應的基礎設施，在不同地點主動地建設新的燃料供應體系，控制燃料價格和質量，保護新系統的投資，這對大多數電廠是缺乏吸引力的。

生物質在煤粉爐內直接混合燃燒(圖1)分為四種類型：

第一種方案：生物質燃料與煤在給煤機上游混合。混合燃料被送入磨煤機，然后由磨煤機按混合燃燒要求的速度供給并分配給所有的煤粉燃燒器。原則上，這是最簡單的方案，投資成本最低。但是，這一方案有干擾燃煤鍋爐高容量的高度風險。考慮到各種原因，本方案僅適用于有限種類生物質燃料和非常低的混合燃燒比。

第二種方案：將生物質搬運、計量和粉碎設備分離，處理后的生物質輸入燃燒器上游已粉碎燃料管道或燃燒器。此方案需要在鍋爐正面安裝一定數量的生物質燃料輸送管道，使得鍋爐的正面更加擁擠。實踐證明，在鍋爐正常運行負荷曲線上，控制和維護燃燒器比較困難。

第三種方案：也是將生物質的搬運和粉碎設備分離，生物質燃燒輸入專用燃燒器。此方案投資成本高，但對鍋爐的正常運行影響最小。

第四種方案：將生物質作為再燃燃料，來控制NOx的生成。生物質在燃燒室上部特殊設計的燃燒器中燃燒。目前本方案進行了小規模的測試工作，將成為生物質混合燃燒未來的方向。

圖1 不同生物質混合燃燒利用的系統圖

三、電站鍋爐摻燒生物質產生的新問題

無論生物質在煤粉爐內直接混合燃燒采用哪種方案均會帶來新的問題：

(一)成本-收益風險

降低了系統運行的實用性和靈活性；增加了生物質有關的搬運、點火裝置和鍋爐機組維護與更新費用，導致了更高的投資。

(二)技術-維護風險及其對策

生物質燃燒系統的增加有可能干擾常規煤粉燃燒設備的正常運行：生物質燃燒的控制系統強調盡可能簡單，燃煤系統的啟動和關閉是獨立的，生物質燃燒器允許其與煤粉燃燒器在邏輯上協調一致，顯存的聯鎖必須安全的允許生物質燃燒。

大多數生物質混合燃燒的關鍵問題與生物質-煤粉混合灰的特性有關，二者灰混合帶來的潛在問題包括：增加了鍋爐燃燒室和對流傳熱管束的灰分沉積速率；由于煙氣側腐蝕，增加了鍋爐金屬的損耗率；降低了除塵效率，增加了排灰量；妨礙了脫硫和脫銷設備的正常運行；影響了發電廠固體廢棄物的利用和處置。

四、結論

通過上文的分析可見，生物質的大規模利用技術從經濟、生態環境和社會發展的角度出發均具有很重大的意義，但由于生物質自身燃料特性的影響，其在摻燒過程中仍在效益、安全等方面存在一系列的經濟和技術問題亟待解決。