生物質(zhì)鍋爐富氧燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

丁 先, 李汪繁, 馬達(dá)夫, 吳何來(lái), 劉平元

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,上海 200240)

近年來(lái),綠色低碳轉(zhuǎn)型已成為國(guó)際能源行業(yè)發(fā)展的主要方向,許多國(guó)家或經(jīng)濟(jì)體已結(jié)合自身實(shí)際作出了碳減排承諾[1],我國(guó)也在2020年第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出“雙碳”目標(biāo)?！?030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》提出“到2030年,非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右,單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降65%以上”等主要目標(biāo)。從能源生產(chǎn)和消費(fèi)的角度看,據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2022》,2021年全國(guó)非化石能源發(fā)電量為28 962億kW·h,比上年增長(zhǎng)12.1%,約占全國(guó)發(fā)電量的34.0%;從碳排放的角度看,2021年我國(guó)碳排放量約100億t,約占全球碳排放量的30%,全國(guó)單位發(fā)電量CO2排放約558 g/(kW·h),比上年降低1.2%,比2005年降低35.0%[2-3]。因此,在現(xiàn)階段新能源發(fā)電有效容量相對(duì)較低的情況下,開(kāi)發(fā)利用零/低碳燃料已成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要一環(huán)。

生物質(zhì)能作為世界第四大能源種類,是一種零碳可再生燃料,具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4]。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),生物質(zhì)能資源豐富,農(nóng)作物秸稈、木材廢料、城市垃圾、微藻等生物質(zhì)總量已超過(guò)10億t[5],但其中大多被露天焚燒或被丟棄自然降解[6]。因此,積極高效利用生物質(zhì)能可成為我國(guó)現(xiàn)階段快速實(shí)現(xiàn)碳減排的重要途徑之一,其中直燃技術(shù)是目前大規(guī)模利用的主要方式[7]。由于生物質(zhì)燃料存在熱值較低的不足,富氧燃燒可作為一種有效改善燃燒穩(wěn)定性和燃盡率的方式,且在富氧燃燒改造后煙囪出口處煙氣CO2濃度較高[8],有利于更有效地分離CO2,實(shí)現(xiàn)高濃度CO2的捕集、封存和再利用。

筆者系統(tǒng)梳理了生物質(zhì)燃料的基本特性,重點(diǎn)介紹了生物質(zhì)富氧燃燒特性及相關(guān)工程研究現(xiàn)狀,分析了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)措施,并對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。以期為推動(dòng)生物質(zhì)鍋爐富氧燃燒技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展及其商業(yè)化進(jìn)程提供參考。

1 生物質(zhì)燃料基本特性

生物質(zhì)通過(guò)光合作用以木質(zhì)纖維素等形式固定CO2,并在燃燒過(guò)程中釋放CO2至大氣中,從包括生物質(zhì)燃燒利用在內(nèi)的全生命周期角度可將其視為“零碳燃料”。近年來(lái),生物質(zhì)被廣泛應(yīng)用于電/熱生產(chǎn)行業(yè),表1中給出了部分種類生物質(zhì)和煤的物理化學(xué)性質(zhì)[9]。從化學(xué)元素組成角度看,由于生物質(zhì)中富含碳水化合物,大多數(shù)生物質(zhì)干燥時(shí)的O質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%,C元素作為生物質(zhì)中的主要元素,在干燥時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%左右,H質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～7%,同時(shí)也含有一定量的N、S和Cl等元素,通常質(zhì)量分?jǐn)?shù)都小于1.5%。生物質(zhì)中的元素組成、礦物組分和灰熔點(diǎn)等性質(zhì)會(huì)對(duì)其燃燒利用產(chǎn)生較大影響,具體分析如下:

表1 常見(jiàn)的生物質(zhì)與煤物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)比[9]

(1) 在受熱面灰沉積方面,燃料在燃燒過(guò)程中,釋放到煙氣中的部分物質(zhì)會(huì)在氣、固、液形態(tài)間發(fā)生轉(zhuǎn)變,經(jīng)過(guò)慣性碰撞、熱泳、凝結(jié)擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程后,部分物質(zhì)會(huì)附著在受熱面表面,一定程度上降低鍋爐效率[10]。對(duì)于燃用含K和Cl含量相對(duì)較高的燃料的生物質(zhì)鍋爐而言,其受熱面的沉積比燃煤鍋爐更為嚴(yán)重[11],當(dāng)燃燒溫度高于700 ℃時(shí),生物質(zhì)中的堿金屬會(huì)以KCl為主要形式開(kāi)始快速釋放到煙氣中,且Cl元素的存在會(huì)加速堿金屬氯化物的釋放[12]。KCl在流場(chǎng)的作用下沖刷到溫度相對(duì)較低的受熱面表面,并凝結(jié)形成沉積的初始層,由于KCl增加了表面的黏性,受熱面開(kāi)始捕獲煙氣中的灰顆粒,進(jìn)一步促進(jìn)沉積層的生長(zhǎng),同時(shí)最外層的溫度也會(huì)由于換熱效率降低而逐漸升高[13]。另外,堿金屬的存在一定程度上降低了灰熔點(diǎn)[14],當(dāng)灰顆粒在沉積層表面發(fā)生熔融時(shí),將會(huì)進(jìn)一步加劇受熱面的灰沉積。

(2) 在受熱面高溫腐蝕方面,由于受熱面表面KCl等堿金屬氯化物的沉積,生物質(zhì)鍋爐受熱面會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的高溫腐蝕問(wèn)題。相關(guān)研究表明,當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí),KCl開(kāi)始與金屬Cr發(fā)生腐蝕反應(yīng),并產(chǎn)生Cl2[15-16]。影響腐蝕速率的因素主要包括堿金屬含量和金屬表面溫度,Cha[17]研究發(fā)現(xiàn)隨著堿金屬含量的增加,灰沉積對(duì)受熱面表面的腐蝕加重;Montgomery等[18-19]通過(guò)精準(zhǔn)控制金屬壁溫在450～620 ℃后發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度低于470 ℃時(shí),腐蝕速率小于50 nm/h,當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí),腐蝕速率增加了近20倍,且溫度對(duì)腐蝕的反應(yīng)過(guò)程也存在較大影響。

(3) 在主要污染物排放方面,各類生物質(zhì)燃料中S質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍低于0.5%,遠(yuǎn)低于煤的S含量,但由于生物質(zhì)在揮發(fā)分析出后會(huì)形成較為松散的炭灰,在爐內(nèi)流場(chǎng)的作用下會(huì)解體形成大量的飛灰,當(dāng)進(jìn)入脫硫系統(tǒng)后,這些飛灰可能附著于石灰石表面,抑制其溶解從而影響活性[20];各類生物質(zhì)燃料中N質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.5%～1.5%,且在燃燒過(guò)程中約80%的N會(huì)轉(zhuǎn)化為NOx[21],因此生物質(zhì)燃料在N元素含量和NOx轉(zhuǎn)化率兩方面均普遍低于煤[22]。另外,生物質(zhì)燃料熱值較低,爐內(nèi)燃燒溫度相對(duì)較低,同樣在一定程度上減少了NOx的生成。但生物質(zhì)燃燒生成的堿金屬鹽會(huì)隨煙氣進(jìn)入選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng),存在造成催化劑中毒的風(fēng)險(xiǎn),降低了脫硝效率[23]。根據(jù)相關(guān)報(bào)道,可考慮采用選擇性催化還原-選擇性非催化還原(SCR-SNCR)耦合的脫硝技術(shù),充分利用2個(gè)有效反應(yīng)區(qū),該技術(shù)具有脫硝效率高、催化劑用量小等優(yōu)點(diǎn),且可有效降低運(yùn)行成本[21]。同時(shí),也應(yīng)當(dāng)注意及時(shí)吹掃和清洗催化劑表面,降低催化劑失活的風(fēng)險(xiǎn)。

2 生物質(zhì)富氧燃燒特性與工程研究

富氧燃燒是一種助燃?xì)怏w中的氧濃度高于空氣的燃燒方法,其助燃?xì)怏w的極限氧濃度為純氧。與傳統(tǒng)燃燒方式相比,富氧燃燒可以降低燃料燃點(diǎn),使得燃燒過(guò)程提前開(kāi)始。同時(shí),富氧燃燒需要的助燃?xì)怏w量較少,可減少熱量損失,提高單位時(shí)間內(nèi)的燃燒強(qiáng)度和燃料的燃燒效率,增強(qiáng)爐內(nèi)的輻射傳熱[24-25]。

2.1 富氧燃燒特性

2.1.1 燃燒性質(zhì)

熱重分析是用于研究固體燃料(如木屑或煤等)燃燒和熱解過(guò)程的常用手段[26]。圖1和圖2給出了常規(guī)條件下不同生物質(zhì)和燃煤的熱重分析(TG)和導(dǎo)數(shù)熱重分析(DTG)曲線,以木屑為生物質(zhì)代表,根據(jù)其失重過(guò)程分析得到生物質(zhì)和煤的具體燃燒性能如表2所示。其中,Tv為失重過(guò)程開(kāi)始時(shí)的溫度;Tf為失重過(guò)程結(jié)束時(shí)的溫度;vDTGmax為最大失重速率;TDTGmax為失重速率最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度?？梢钥闯?木屑與煤的燃燒過(guò)程存在明顯差異,二者主要失重過(guò)程的溫度區(qū)間分別為192.1～784.6 ℃和404.7～939.9 ℃。木屑揮發(fā)性物質(zhì)開(kāi)始釋放的溫度較煤低212.6 K,因此木屑的燃燒過(guò)程相對(duì)煤而言發(fā)生在溫度較低的區(qū)間內(nèi),著火熱和著火溫度相對(duì)較低;同時(shí),木屑的最大失重速率為-15.89%/min,是煤的2.56倍,因此木屑的燃燒過(guò)程相對(duì)煤而言反應(yīng)更為劇烈,燃盡時(shí)間相對(duì)較短。綜上,可認(rèn)為以木屑為代表的生物質(zhì)在燃燒過(guò)程中因烷烴類易揮發(fā)、易燃燒的物質(zhì)含量較多,其揮發(fā)分析出溫度、著火溫度、燃盡溫度均低于煤。

圖1 不同生物質(zhì)和燃煤熱解TG曲線[27-29]

圖2 不同生物質(zhì)和燃煤熱解DTG曲線[27-29]

而針對(duì)生物質(zhì)在富氧條件下的燃燒特性,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了理論研究,探究其著火溫度、燃燒速率和燃盡溫度等性質(zhì),為富氧燃燒技術(shù)路線設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)[8]。王麗朋[30]采用熱分析法在不同氣氛條件下對(duì)5種不同類型的生物質(zhì)進(jìn)行熱解過(guò)程分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著氧體積分?jǐn)?shù)的升高可以降低生物質(zhì)的著火點(diǎn)、提高燃燒速率,對(duì)其燃燒性能有明顯提升。Xiao等[29]對(duì)城市垃圾在富氧條件下進(jìn)行熱重分析,發(fā)現(xiàn)隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加,DTG曲線的最小值向低溫偏移,即表示在較高的氧濃度下需要較低的溫度可達(dá)到該值,富氧可以減少生物質(zhì)的燃燒時(shí)間,提高其燃燒活性。Chen等[31]研究發(fā)現(xiàn),氧濃度增加會(huì)改善微藻的燃燒特性,但當(dāng)氧濃度超過(guò)60%時(shí),改善效果有所減弱。Zhang等[32]利用熱重分析研究了煤矸石和松木屑混合物在富氧條件下的燃燒特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)松木屑存在2個(gè)明顯的燃燒過(guò)程,而煤矸石的2個(gè)燃燒過(guò)程存在部分交叉現(xiàn)象,同時(shí)木屑顯著提高了煤矸石的燃燒速率。馬俊豪[33]在4種氧體積分?jǐn)?shù)下對(duì)松木進(jìn)行熱重分析,結(jié)果如圖3和表3所示。可以看出,松木有2個(gè)失重峰,觀察第一個(gè)失重過(guò)程(主要發(fā)生松木中半纖維素和纖維素等析出),隨著氧體積分?jǐn)?shù)從10%增至40%時(shí),Tv提前了27 ℃,vDTGmax增大了0.452 %/℃,TDTGmax提前了19 ℃,說(shuō)明氧濃度對(duì)其熱解過(guò)程影響顯著,通過(guò)富氧可以讓松木提前著火,且增大燃燒速率。

圖3 不同氧體積分?jǐn)?shù)下松木的DTG曲線[33]

表3 松木熱解DTG特征參數(shù)[33]

2.1.2 成灰特性

不同燃燒條件下生物質(zhì)燃燒飛灰成分種類大致相同,主要包括SiO2、CaO、黃長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)、鈣鐵榴石、白榴石(KAlSi2O6)和Al2O3等,成灰過(guò)程主要反應(yīng)如式(1)～式(4)[34]。但由于生物質(zhì)中的Si和Al含量較少,K和Cl含量較高,會(huì)造成煙氣中KCl含量相對(duì)較高,這嚴(yán)重加劇了受熱面沾污問(wèn)題,沾污過(guò)程中堿金屬轉(zhuǎn)化機(jī)理如圖4所示。邢文斌[35]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室制灰分析了不同氣氛下灰分中的礦物成分演化規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn)富氧條件下灰中低熔點(diǎn)的鈣長(zhǎng)石和鈣黃長(zhǎng)石等物質(zhì)含量增加,加大了受熱面結(jié)渣的可能性,同時(shí)發(fā)現(xiàn)O2/CO2氣氛下高濃度CO2會(huì)增加K和Na等堿金屬的析出。李意等[36]利用沉降爐對(duì)煤粉富氧燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)O2/CO2氣氛會(huì)抑制煙氣中含鐵氧化物的生成,造成更多的含鐵礦物相向硅酸鹽玻璃體演化,說(shuō)明煙氣再循環(huán)有加劇受熱面結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 生物質(zhì)燃燒過(guò)程中堿金屬轉(zhuǎn)化機(jī)理

K2SO4+2HCl

(1)

(2)

(3)

(4)

綜上所述,富氧燃燒對(duì)生物質(zhì)燃燒性質(zhì)的影響主要集中在著火溫度、TDTGmax和燃燒速率等,隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加,生物質(zhì)的揮發(fā)分釋放溫度、著火溫度和燃盡溫度普遍呈下降趨勢(shì);此外,富氧燃燒和煙氣再循環(huán)會(huì)加大受熱面結(jié)渣的傾向,應(yīng)合理控制氧體積分?jǐn)?shù)和燃燒溫度?；谏鲜龈谎跞紵龑?duì)生物質(zhì)燃燒特性方面的影響,對(duì)生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行富氧燃燒改造可帶來(lái)諸多利好:

(1) 富氧燃燒可在一定程度上提高爐內(nèi)燃燒溫度和傳熱效果。一方面,助燃空氣中氧體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)提高燃燒溫度;另一方面,由于煙氣中的N2體積分?jǐn)?shù)減小,CO2和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增大,火焰的黑度明顯增大。因此,對(duì)于輻射換熱為主的鍋爐,富氧燃燒對(duì)輻射換熱效率有顯著提高,進(jìn)而提升了鍋爐熱效率。

(2) 富氧燃燒可降低生物質(zhì)的著火溫度和燃盡溫度。甲烷和一氧化碳在純氧中的著火溫度較空氣中分別低76 K和211 K。由于爐內(nèi)氣氛和溫度等燃燒條件改變,生物質(zhì)在進(jìn)入爐內(nèi)后可提前著火并燃盡,假設(shè)生物質(zhì)在爐內(nèi)的停留時(shí)間一定,不僅可增加生物質(zhì)熱釋放效率和釋放量,還可提高鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(3) 富氧燃燒可提高生物質(zhì)燃燒強(qiáng)度和燃燒速率。在爐內(nèi)空間和生物質(zhì)爐內(nèi)停留時(shí)間一定時(shí),由于助燃?xì)怏w中氧體積分?jǐn)?shù)的增加,加大了可燃物質(zhì)與氧氣發(fā)生有效碰撞的概率,可提高生物質(zhì)的燃盡率,減少了機(jī)械不完全燃燒損失和化學(xué)不完全燃燒損失。

(4) 富氧燃燒可減少助燃?xì)怏w量,提高鍋爐熱效率。一方面,因?yàn)橹細(xì)怏w中氧體積分?jǐn)?shù)增加,即可減少入爐氣體用量;另一方面,采用富氧燃燒可在一定范圍內(nèi)降低過(guò)量空氣系數(shù),進(jìn)一步減少入爐氣體用量。因此,鍋爐排氣量有所降低,即可降低鍋爐排煙損失和送/引風(fēng)機(jī)用電量,提高鍋爐熱效率。

2.2 工程研究

當(dāng)前,富氧燃燒常被用于燃煤鍋爐改造上[37],瑞典大瀑布電力公司[38],日本日立公司[39]及國(guó)內(nèi)東南大學(xué)和華中科技大學(xué)[40]等團(tuán)隊(duì)均在該技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)研究,積極推動(dòng)其工業(yè)化應(yīng)用。而對(duì)生物質(zhì)富氧燃燒的研究主要集中在機(jī)理和理論基礎(chǔ)方面,對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的工藝研究尚處于起步階段。常見(jiàn)的富氧燃燒改造技術(shù)路線主要有:(1) 采用純氧替代部分助燃空氣;(2) 在再循環(huán)煙氣中注入純氧,圖5為2種技術(shù)路線示意圖。為探究不同技術(shù)路線的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化,相關(guān)學(xué)者對(duì)生物質(zhì)富氧燃燒工藝開(kāi)展了數(shù)值計(jì)算和中試試驗(yàn)運(yùn)行研究,典型研究案例見(jiàn)表4。

圖5 富氧燃燒技術(shù)路線

表4 生物質(zhì)鍋爐富氧燃燒工程研究典型案例

2.2.1 數(shù)值計(jì)算

王克等[41]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)某垃圾爐排焚燒爐的富氧燃燒進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并對(duì)比分析了有無(wú)煙氣再循環(huán)工況下的計(jì)算結(jié)果,結(jié)果顯示采用煙氣再循環(huán)富氧燃燒時(shí),爐膛出口溫度由973.8 ℃降至876.4 ℃,降低了97.4 K,而無(wú)煙氣再循環(huán)富氧燃燒時(shí)爐膛出口溫度升高了56.2 K,同時(shí)有煙氣再循環(huán)時(shí)爐膛出口煙氣中的CO體積分?jǐn)?shù)也遠(yuǎn)低于無(wú)煙氣再循環(huán)時(shí),說(shuō)明煙氣再循環(huán)可以有效提高爐內(nèi)湍流強(qiáng)度,調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度,并保證可燃物質(zhì)燃燒完全,提高鍋爐效率。單福朋等[42]通過(guò)理論計(jì)算分析了不同氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)某燃用城市垃圾的爐排爐富氧燃燒過(guò)程的影響,得出當(dāng)一次風(fēng)中氧體積分?jǐn)?shù)由0.21增至0.40時(shí),爐膛出口煙溫由950 ℃增至1 200 ℃,爐內(nèi)溫度的增加會(huì)加速垃圾干燥和揮發(fā)分析出的速度,有利于高水分低熱值的垃圾充分燃盡。趙陽(yáng)[43]以某生物質(zhì)鏈條爐為研究對(duì)象,通過(guò)FLIC和Fluent分析不同富氧條件對(duì)生物質(zhì)燃燒特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著助燃空氣氧體積分?jǐn)?shù)由0.21增至0.30時(shí),生物質(zhì)的最大燃燒速率由23 kg/(m2·s)增至36 kg/(m2·s),增加了56.5%,且對(duì)應(yīng)的床層位置由4.2 m處提前至2.6 m處,說(shuō)明氧體積分?jǐn)?shù)的增加提高了床層溫度,繼而可提前生物質(zhì)燃燒過(guò)程并大幅提高燃燒速率。

2.2.2 中試研究

Ma等[44]在無(wú)煙氣再循環(huán)的8 MWth燃用城市垃圾爐排爐上進(jìn)行了富氧燃燒研究,分析助燃空氣氧體積分?jǐn)?shù)為0.21、0.24和0.27時(shí)的污染物排放特性和燃燒性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙氣中的SOx顯著減少,NOx明顯增加,爐內(nèi)燃燒溫度略有上升,省煤器出口煙氣溫度由185 ℃增至207 ℃,垃圾燃燒更加充分,鍋爐熱效率由89.19%提升至89.81%,升高了0.62百分點(diǎn)。對(duì)于污泥等熱值較低的燃料,可添加易燃的生物質(zhì)作為輔助燃料混合燃燒,Sung等[45]以某臺(tái)30 kWth燃用污泥和木屑混合燃料的循環(huán)流化床為研究對(duì)象,分析了富氧條件下不同煙氣再循環(huán)比例對(duì)燃燒特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),因?yàn)橛性傺h(huán)煙氣的富氧燃燒較常規(guī)空氣燃燒時(shí)的爐內(nèi)燃燒溫度和N2含量均降低,在煙氣再循環(huán)比例為60%時(shí),爐膛出口煙氣的CO體積分?jǐn)?shù)由0.10%上升至0.91%,會(huì)對(duì)鍋爐熱效率產(chǎn)生一定負(fù)面影響,而爐膛出口煙氣的NO體積分?jǐn)?shù)由3.90×10-5降至1.40×10-5。Bien等[46]以某100 kWth燃用污泥的循環(huán)流化床為研究對(duì)象,分析了不同富氧條件(O2和CO2體積分?jǐn)?shù)比分別為21∶79、25∶75、30∶70和35∶65)對(duì)爐內(nèi)燃燒特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧濃度對(duì)燃燒室內(nèi)溫度有很大影響,在φ(O2)∶φ(CO2)=21∶79氣氛下燃燒室溫度約為770 ℃,隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增大,燃燒室溫度達(dá)到830～880 ℃。

綜上所述,采用純氧替代部分助燃空氣時(shí)可在一定程度上提高爐內(nèi)燃燒溫度、燃料燃燒速率和鍋爐熱效率,但結(jié)合前文生物質(zhì)燃料的基本特性分析,這可能會(huì)對(duì)爐內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕和NOx生成產(chǎn)生不利影響。而采用再循環(huán)煙氣中注純氧的技術(shù)路線可以有效控制爐內(nèi)的溫度水平,緩解污染物排放問(wèn)題,并且可通過(guò)控制煙氣再循環(huán)比例和氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐內(nèi)溫度水平進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況可對(duì)爐內(nèi)燃燒和污染物排放進(jìn)行合理控制,但在設(shè)備材料和運(yùn)行成本方面會(huì)有所增加,鍋爐熱效率也會(huì)較純氧替代部分助燃空氣的方案有所降低。

2.3 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及解決措施建議

目前,生物質(zhì)鍋爐富氧燃燒技術(shù)尚處于研究示范階段,在國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程應(yīng)用方面報(bào)道較少。對(duì)傳統(tǒng)生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行富氧燃燒改造需要包括氧氣摻混等部分鍋爐改造,實(shí)際工程中可能存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)此提出了防范措施建議。

2.3.1 富氧系統(tǒng)

當(dāng)富氧系統(tǒng)與生物質(zhì)鍋爐耦合時(shí),可能在純氧注入時(shí)未能充分混合均勻,入爐燃燒時(shí)發(fā)生局部氧含量過(guò)高而導(dǎo)致高溫現(xiàn)象,造成局部受熱面結(jié)渣和高溫腐蝕嚴(yán)重,且存在NOx排放超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此,需要針對(duì)富氧系統(tǒng)的注氧和混氧環(huán)節(jié)開(kāi)展裝置開(kāi)發(fā)工作,確保高濃度氧氣與高溫?zé)煔獍踩揖鶆虻鼗旌?。同時(shí),根據(jù)富氧燃燒的規(guī)律,不同鍋爐負(fù)荷下應(yīng)存在最佳供氧體積分?jǐn)?shù),為減少富氧燃燒運(yùn)行成本,需針對(duì)不同爐型和生物質(zhì)燃料,探究助燃?xì)怏w氧體積分?jǐn)?shù)和鍋爐負(fù)荷之間的規(guī)律,并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。

2.3.2 配風(fēng)系統(tǒng)

一次風(fēng)和二次風(fēng)的配風(fēng)方式對(duì)爐內(nèi)燃燒組織有重要意義,以燃用生物質(zhì)的爐排爐為例,其過(guò)量空氣系數(shù)一般為1.25左右,其中一次風(fēng)與二次風(fēng)比例約為4∶6。爐排的運(yùn)動(dòng)(往復(fù)或振動(dòng)等)和一次風(fēng)共同作用于生物質(zhì)在床層上的混合、著火和燃燒過(guò)程。床層表面生物質(zhì)受爐內(nèi)輻射升溫著火后,沿一次風(fēng)反向向床層內(nèi)燃料擴(kuò)散,同時(shí),溫度相對(duì)較低的一次風(fēng)合理射入,也起到冷卻降溫作用,避免爐排因溫度過(guò)高而加速損耗。二次風(fēng)主要影響爐內(nèi)氣相燃燒過(guò)程,對(duì)燃盡率和污染物生成起關(guān)鍵作用。通過(guò)二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)在火焰中心形成高溫還原性區(qū)域,可以有效抑制NOx生成,并通過(guò)燃盡風(fēng)保證可燃物質(zhì)充分燃盡[47]。

因此,合理的配風(fēng)方式會(huì)顯著改善爐內(nèi)燃燒狀況和污染物排放,然而在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整存在一定的盲目性和滯后性,需要針對(duì)不同爐型和生物質(zhì)燃料,研究爐膛出口溫度、CO和NOx濃度等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與配風(fēng)方式之間的規(guī)律,并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。

2.3.3 受熱面防沾污處理

通過(guò)改變鍋爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)來(lái)解決受熱面沾污問(wèn)題較為直接有效,但成本過(guò)高。為減輕和緩解在氧濃度增加時(shí)生物質(zhì)中堿金屬造成受熱面沾污嚴(yán)重的問(wèn)題,可采取以下措施:(1) 生物質(zhì)水洗預(yù)處理去除堿金屬,該方法可有效去除生物質(zhì)中的堿金屬和氯,但處理后需要對(duì)燃料進(jìn)行干燥處理,增加了運(yùn)行成本[48];(2) 煙氣中噴淋添加劑,在爐內(nèi)噴入硫酸銨液體,可以與煙氣中的低熔點(diǎn)KCl(熔點(diǎn)770 ℃)反應(yīng)生成較為穩(wěn)定的K2SO4(熔點(diǎn)1 067 ℃),反應(yīng)式如式(1)所示[49];(3) 燃料中使用添加劑,在生物質(zhì)中添加高嶺土、鋁土礦和硅藻土等含Si和Al的物質(zhì),會(huì)在燃燒過(guò)程中與煙氣中的KCl反應(yīng)生成熔點(diǎn)較高的白榴石(KAlSi2O6,熔點(diǎn)(1 686±5) ℃)和六方鉀霞石(KAlSiO4,熔點(diǎn)1 100 ℃),反應(yīng)式如式(5)和式(6)所示[50]。

2KAlSi2O6+H2O+2HCl

(5)

(6)

2.3.4 全爐膛密封處理

為避免發(fā)生煙氣泄露和安全事故,提高鍋爐運(yùn)行效率,常通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)保持爐內(nèi)處于微負(fù)壓的狀態(tài)[51]。但由于富氧燃燒時(shí)爐內(nèi)與大氣中氧濃度存在差異,富氧燃燒改造后的生物質(zhì)鍋爐在負(fù)壓運(yùn)行時(shí)難以控制入爐氧量,會(huì)對(duì)燃料燃燒和鍋爐效率產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。為實(shí)現(xiàn)全爐膛密封運(yùn)行,可采用以下措施:(1) 設(shè)置密封風(fēng)系統(tǒng);(2) 鍋爐給料采用CO2密封或擠壓燃料密封等;(3) 鍋爐出渣采用濕法出渣;(4) 采用微正壓燃燒。

3 生物質(zhì)富氧燃燒發(fā)展趨勢(shì)

3.1 政策發(fā)展趨勢(shì)

在“雙碳”、鄉(xiāng)村振興、縣域經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)、新型能源體系與新型電力系統(tǒng)建設(shè)等多重國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略因素的驅(qū)動(dòng)下,“十三五”以來(lái)國(guó)家在生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)相繼頒布的相關(guān)政策主要有11項(xiàng),如圖6所示?？傮w來(lái)看,“十三五”以來(lái)國(guó)家政策從大力發(fā)展生物質(zhì)能發(fā)電、完善生物質(zhì)能發(fā)電政策補(bǔ)貼,到推動(dòng)生物質(zhì)能發(fā)電市場(chǎng)化運(yùn)作,引導(dǎo)補(bǔ)貼退坡。政策的變化意味著生物質(zhì)能發(fā)電市場(chǎng)已達(dá)到一定規(guī)模,行業(yè)正朝著規(guī)范化、市場(chǎng)化方向發(fā)展,生物質(zhì)能正迎來(lái)全新的發(fā)展階段?，F(xiàn)階段主要面臨的挑戰(zhàn)包括:

圖6 生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)相關(guān)政策

(1) 對(duì)生物質(zhì)能的定位認(rèn)識(shí)不充分,其環(huán)境、生態(tài)價(jià)值尚未充分體現(xiàn)。受傳統(tǒng)生物質(zhì)能“臟亂差”影響,部分地區(qū)對(duì)發(fā)展生物質(zhì)能的重要性認(rèn)識(shí)不足,個(gè)別省市甚至認(rèn)為生物質(zhì)燃料是高污染燃料采取限制政策,生物質(zhì)清潔供熱至今不能享受“煤改電”、“煤改氣”支持政策[52]。此外,國(guó)家針對(duì)生物質(zhì)發(fā)電,雖在利用端電價(jià)中給予一定補(bǔ)貼支持,但在處理端只有垃圾、污泥等存在處理費(fèi)補(bǔ)貼,針對(duì)生物質(zhì)非電利用,在廢棄物處理端和資源化利用端,均未建立完善的生物質(zhì)能環(huán)境、民生、扶貧和公共服務(wù)的社會(huì)價(jià)值的普遍補(bǔ)償機(jī)制,生物質(zhì)能的環(huán)境、社會(huì)、生態(tài)價(jià)值未得到有效凸顯。

(2) 電價(jià)補(bǔ)貼退坡影響較大,產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力不強(qiáng)。在生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中,可再生能源發(fā)展基金發(fā)揮了有力的推動(dòng)和促進(jìn)作用,但隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大和生物質(zhì)利用率提高,補(bǔ)貼政策的適應(yīng)性難以為繼,補(bǔ)貼退坡不可避免,2020年補(bǔ)貼新政明確規(guī)定自2021年1月1日起,規(guī)劃內(nèi)已核準(zhǔn)未開(kāi)工、新核準(zhǔn)的生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目全部通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式配置并確定上網(wǎng)電價(jià),這對(duì)行業(yè)發(fā)展將是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),在較大程度上影響行業(yè)的發(fā)展,倒逼行業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展[53]。

(3) 產(chǎn)業(yè)發(fā)展不平衡,規(guī)范化管理有待加強(qiáng)。國(guó)內(nèi)生物質(zhì)能利用與歐美國(guó)家相反,主要以發(fā)電為主,非電利用為輔,由于缺少有力的支持政策以及相關(guān)體制機(jī)制不健全等問(wèn)題,生物質(zhì)能在非電領(lǐng)域利用方面得不到重視和發(fā)展,出現(xiàn)了生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展不平衡的局面。此外,針對(duì)生物質(zhì)發(fā)電利用領(lǐng)域,在項(xiàng)目規(guī)劃布局、生物質(zhì)燃料保障、污染物排放治理等環(huán)節(jié)規(guī)范化管理水平仍然不足,行業(yè)的監(jiān)管力度有待加強(qiáng)[54]。

隨著全國(guó)碳交易市場(chǎng)的建立,未來(lái)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)企業(yè)也將通過(guò)碳減排配額交易,獲得可觀收益,每年生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)的碳減排量能夠通過(guò)碳交易市場(chǎng)進(jìn)行買(mǎi)賣(mài),將為補(bǔ)貼退坡中的發(fā)電企業(yè)帶來(lái)強(qiáng)有力的收益支持。待綠證交易市場(chǎng)成熟后,同樣可為生物質(zhì)發(fā)電創(chuàng)造新的盈利空間,以抵消電價(jià)補(bǔ)貼退坡帶來(lái)的收入減少,未來(lái)生物質(zhì)能的碳匯價(jià)值將得到更加深入的挖掘。從中長(zhǎng)期來(lái)看,生物質(zhì)能高效利用耦合碳捕集與封存(BECCS)可能成為重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向:一方面該技術(shù)有利于在碳交易市場(chǎng)中獲得優(yōu)勢(shì)地位,通過(guò)售賣(mài)碳排放權(quán)獲利;另一方面,可為主動(dòng)探索CO2制甲醇等高附加值產(chǎn)品提供原料基礎(chǔ)。

3.2 生物質(zhì)富氧燃燒耦合碳捕集與封存

BECCS是碳捕集與封存的前沿領(lǐng)域,通過(guò)捕獲生物質(zhì)能利用過(guò)程中產(chǎn)生的CO2并將CO2高價(jià)值再利用或永久封存,是一種能夠在移除大氣中CO2的同時(shí)提供持續(xù)能源供應(yīng)的技術(shù),示意圖如圖7所示。根據(jù)英國(guó)能源安全和凈零排放部發(fā)布的《Bio-mass Strategy 2023》,提出將持續(xù)擴(kuò)大生物質(zhì)在電力和供熱等行業(yè)的應(yīng)用,并有望通過(guò)BECCS實(shí)現(xiàn)“負(fù)碳”以平衡難脫碳行業(yè)產(chǎn)生的碳排放。英國(guó)Drax公司于2021年3月向英國(guó)政府申請(qǐng)開(kāi)發(fā)CO2捕獲規(guī)模為800萬(wàn)t/a的BECCS設(shè)備,并計(jì)劃于2024年開(kāi)工建設(shè)。日本于2009年9月在三川生物質(zhì)發(fā)電廠建設(shè)了CO2捕獲能力為3 000 t/a的中試設(shè)備[55],后續(xù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改良,并于2020年10月在該電廠投運(yùn)了捕獲CO2規(guī)模為18萬(wàn)t/a的BECCS系統(tǒng)[56]。

圖7 BECCS示意圖

富氧燃燒聯(lián)合煙氣再循環(huán)系統(tǒng)可在有效改善生物質(zhì)燃料清潔高效利用的同時(shí)降低污染物的排放,并為碳捕集及利用提供高濃度CO2煙氣,目前該技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外仍處于示范階段[57]。在當(dāng)前大規(guī)?？稍偕茉囱b機(jī)有效容量不高的情況下,“綠電”制氫中作為副產(chǎn)物的“綠氧”利用率不高,將其應(yīng)用于生物質(zhì)鍋爐富氧改造可實(shí)現(xiàn)其高效回收利用,有助于在優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈的同時(shí)提升經(jīng)濟(jì)效益。此外,基于碳捕集技術(shù)制取的高純度CO2具有廣闊的資源化應(yīng)用前景,可用來(lái)制造甲醇、純堿、尿素和汽水,也可用于保藏食品和人工降雨,經(jīng)濟(jì)附加值顯著[58-59]。

未來(lái),在充分利用生物質(zhì)電廠原有設(shè)備的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行富氧燃燒改造,并結(jié)合碳捕集系統(tǒng)工藝技術(shù),可在規(guī)?；谩熬G氧”,提高“綠電”消納能力的同時(shí),實(shí)現(xiàn)具有高經(jīng)濟(jì)附加值的高濃度CO2生產(chǎn),也為生物質(zhì)電廠高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了“負(fù)碳電廠”新思路新模式。因此,基于生物質(zhì)富氧燃燒的BECCS技術(shù)有望成為生物質(zhì)電廠轉(zhuǎn)型發(fā)展的途徑之一,并且生物質(zhì)鍋爐富氧燃燒模塊與碳捕集模塊相對(duì)獨(dú)立,可結(jié)合生物質(zhì)電廠的資源稟賦(如可再生能源分布情況)、下游用戶需求(如制甲醇)等不同情況,靈活組合優(yōu)化提供“一廠一策”的個(gè)性化解決方案,為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景拓展及商業(yè)模式創(chuàng)新提供示范。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 生物質(zhì)普遍熱值偏低、堿金屬含量偏高,富氧燃燒可在一定程度上減少熱量損失,提高燃燒穩(wěn)定性和鍋爐熱效率。

(2) 富氧燃燒技術(shù)易造成高溫、結(jié)渣等問(wèn)題,通過(guò)煙氣再循環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)整再循環(huán)比例可有效控制爐內(nèi)的溫度水平,緩解污染物排放問(wèn)題,但是設(shè)備材料和運(yùn)行成本會(huì)增加。

(3) 生物質(zhì)鍋爐富氧燃燒改造可能在富氧系統(tǒng)、配風(fēng)系統(tǒng)、受熱面結(jié)渣和全爐膛密封等方面存在技術(shù)問(wèn)題,合適的注氧和混氧方式、氧量和配風(fēng)方式動(dòng)態(tài)調(diào)整、防結(jié)渣處理和密封改造是防范風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵措施。

(4) 基于生物質(zhì)富氧燃燒的BECCS技術(shù)可在規(guī)模化利用“綠氧”的同時(shí),生產(chǎn)具有高經(jīng)濟(jì)附加值的高濃度CO2,為生物質(zhì)電廠高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了“負(fù)碳電廠”新思路新模式。