生物質與煤混燃研究現狀與展望

朱峰岸

（國家能源集團寶慶發電有限公司，湖南 邵陽 422000）

進入21世紀以來， 我國經濟發展迅速，對能源需求逐年增加，現已成為世界第一大能源消耗國。我國能耗主要來自煤炭，且在未來相當長時間內仍會以煤炭消耗為主[1]。隨著煤炭等傳統的化石燃料持續燃燒消耗導致的臭氧層稀薄、全球變暖、酸雨等問題越來越嚴重，如何節約煤炭等化石燃料資源以及尋找替代能源以消除使用化石燃料的不利影響成為目前全球各國急需解決的問題。

1 國外研究現狀

生物質是一種可再生綠色能源，生物質燃燒能達到生態意義上的零碳排放。生物質是煤炭等傳統化石燃料理想的替代能源。由于生物質能量密度低，熱值低，燃料供應受季節和區域影響，不利于遠距離運輸，且易導致鍋爐燃燒不穩定，因此生物質純燃鍋爐的經濟性無法得到保證[1]。生物質與煤混燃作為一種很有前景的污染物減排技術，受到了全世界的關注[2]。只需對現有燃煤設備進行小幅度改造，就能實現煤炭與生物質共利用。這不僅對有效利用生物質資源、緩解能源緊張問題、降低環境污染非常有利，還可以促進生物質燃料市場的形成，為社會提供就業機會。因此生物質與煤混燃技術具有重要的經濟、社會和環保意義。化學鏈燃燒（CLC）是一種很有前景的技術，可用于捕獲、固定CO2，無需對煙氣進行后處理。Bhui等[3]研究了固體燃料的固有成分（灰分、揮發物和焦油）對CLC性能的影響及固體燃料共燃的協同和抑制作用，探討了CLC過程中NOx和SOx污染物的形成和還原機制，分析了基于CLC火力發電廠的性能。結果表明，與傳統發電系統相比，使用CLC技術的發電系統凈熱效率提高了5%～6%；應用基于混合燃燒的CLC技術，能量損失很小，在實施碳捕獲和封存（CCS）方面十分有發展前景。

Fariha等[4]研究了幾種生物質和煤的混燒，進行了生物質與煤的工業分析和元素分析以及熱值分析，以評估煤和生物質的特性，希望通過實驗尋找到可以實現生態友好的能源。結果表明，煤和葵花渣以60∶40的比例混合燃燒是最有效的，與純煤燃燒相比，混合燃燒煙氣中NOx、SOx和CO2的排放更少。該研究結果表明了實驗所選生物質殘渣與煤炭的混合燃料比傳統化石燃料環保且是可持續生產能源，在未來有廣闊的應用前景。

Yang等[5]通過實驗與模擬相結合，對比分析了生物質與煤混合燃燒特性和NO排放情況以及二者之間的關系。實驗結果表明，隨著生物質混合重量比的增加，排放物中NO濃度明顯降低。當生物質比重達到50%時，NO排放量降低了24%，排放主要集中在穩定的炭燃燒階段。

Guo等[6]通過熱重分析對生物質與煤的燃燒進行了比較研究。生物質和煤的燃燒過程可分為揮發性化合物的釋放和燃燒、炭的氧化和燃燒。研究表明，隨著生物質比重的增加，最大燃燒速率和燃燒指數會相應增加，而燃盡溫度會降低，說明煤的燃燒性能得到了改善。

2 國內研究現狀

王華山等[7]通過實驗研究了生物質和煤混燒過程。結果表明，混合燃料在一定比例區間內，煤的燃燒溫度和綜合燃燒特性指數分別隨生物質摻混比增加而下降和增大；當生物質與煤以1:1的比例摻混時，摻混物的著火點接近生物質的著火點；綜合燃燒、燃盡特性指數隨升溫速率增加而增大，混合物的燃燒反應移向高溫區。該結果為解決降低煤的著火溫度問題和緩解煤炭資源不足問題提供了依據。

馬彥花等[8]通過Fluent軟件模擬300 MW爐內煤與生物質的混燃過程，分別研究了在空氣及O2/CO2燃燒氣氛下，生物質燃料的摻燒及氧濃度對爐內溫度場、速度場和組分分布等方面的影響。結果表明，富氧氣氛下燃料的著火及燃盡比空氣氣氛下要晚，CO排放量增加，且燃燒區氣體流速減慢；生物質的摻混改善了燃燒特性，使著火和燃盡提前，使CO排放量減少。

呂媛等[9]研究了混合燃料中生物質與煤摻混比例對灰熔融特性的影響，并進行了動力學分析。研究發現，生物質混合比增加可使混燃物中鋁和鉀含量分別下降和升高，更多低熔點物質的生成將導致灰熔融溫度下降。此外，動力學分析發現灰熔融反應活化能隨生物質混合比增加而降低。

陳博文[10]通過沉降爐模擬了電廠中鍋爐實際運行工況下煤與生物質混燃。研究發現，堿金屬（尤其是K，Na，Ca）對灰熔融特性的影響顯著。堿金屬含量高，會導致混燃物灰熔融變形溫度降低。灰渣中堿金屬含量隨生物質摻混比增加而增加。產生較多粘附力強、熔點低的物質，將導致灰渣成渣。

生物質與煤在大型電廠鍋爐中混燃是當前研究熱點之一。王凱等[11]通過數值模擬方法，以670MW燃煤鍋爐為研究對象，研究了燃料粒徑、氣體再燃、噴入位置等因素對產生污染物的影響。研究發現，用生物質替代下層煤粉后，NOx排放明顯減少，且爐膛下部整體溫度下降；但燃盡溫度升高，可能會導致過熱器超溫。這些發現對研究和實際應用煤與生物質在大型燃煤鍋爐中的混燃具有一定的現實參考意義。

嵇順[12]通過實驗研究了生物質與煤混燃過程中添加劑的影響、混燃特性和結渣特性。研究表明，添加劑可以促進燃燒，減輕結渣，但會導致NO排放量增加，且過多的添加劑會影響傳熱；混合燃料著火、燃盡溫度及NO生成量隨著生物質比例增加而降低。生物質灰中含較多助熔物CaO、Fe2O3，可促進低溫共熔反應，導致結渣性增強。

張小桃等[13]研究發現，摻混生物質后鍋爐效率和系統效率為純煤燃燒的88%～93%；隨著生物質摻混比增大，煙氣中氮硫化合物排放量相應減少。此結論為生物質的實際合理應用及減小現有燃煤電廠的污染物排放量提供了理論依據。

3 結論與展望

將生物質與煤混燒，不僅能在簡單改造現有設備后直接投產利用，降低投資成本，還可以顯著減少污染排放。發展生物質與煤混合燃燒發電技術意義重大且前景廣闊。

由于我國傳統火電技術較成熟，因此暫時還未在生物質與煤混合燃燒技術與設備等方面加以重視。現階段，由于我國生物質與煤混合燃燒技術的理念和配套設施還不夠成熟，再加上生物質與煤混合燃燒易導致的爐內積灰結渣等問題還會嚴重影響安全性、可靠性，因此生物質與煤混合燃燒技術目前還沒有得到國家相應政策的大力扶持。不過，隨著我國持續調整能源的結構和持續提高節能減排的標準，部分燃煤電廠為響應國家發展計劃，已經對現有設備進行了改造。

我國生物質資源豐富。充分利用生物質資源，在形成生物質燃料市場后，可以帶動部分地區經濟的發展，能夠有效節約化石燃料和減輕環境污染，具有顯著的經濟、能源、社會、環境效益。我國應根據相關研究成果和資料，充分發揮生物質與煤混燃的諸多優勢，加大技術研發和資金投入力度，制定科學的生物質與煤混合燃燒技術方案，研制高效的相關設備，制定相關扶持政策并加大對生物質與煤混合燃燒技術的宣傳力度，以推動相關技術的發展。