生物質與煤混合燃燒發電技術研究進展

閆亞龍, 劉欣瑋

(國能錦界能源有限責任公司,陜西 神木 719319)

0 引言

全球變暖是人類面臨的巨大威脅,如果全球氣溫上升2 ℃,將導致一億人死亡以及數百萬種動植物物種滅絕[1]。 為了減少CO2的排放,向綠色和清潔可再生能源轉型對于社會的可持續發展至關重要。 在可再生能源中,風能、水能和太陽能等新能源具有隨機性和間歇性的特點,這對電網的調峰能力提出了挑戰[2]。 而生物質能源具有儲量豐富、來源全面、排放低的特點,是一種具有較高應用潛力的可再生資源。生物質的發電技術包括直燃發電、混燃發電和氣化發電。 與直燃發電和氣化發電相比,混燃發電具有成本較低、建設周期短,受原料性質影響較小的優點。

燃煤機組混燃生物質作為一種經濟、高效、清潔的利用方式,在碳減排方面具有很大的潛力,僅需對現有燃煤機組進行適當改造,不僅可以降低CO2的排放量,還可以提高鍋爐側燃料的靈活性。本文針對生物質的分類、燃燒特性、預處理方式、混合燃燒方式、發展現狀及遇到的問題等進行了簡單的總結。

1 生物質分類及資源現狀

根據國際能源機構(IEA)的定義,生物質是指通過光合作用形成的各種有機體,包括所有的動植物和微生物以及這些生命體排泄的有機物質。 生物質能來源于太陽能,是繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源。 生物質的種類繁多,包括農業廢棄物、林業廢棄物、畜禽糞便、生活垃圾、污水污泥、廢棄油脂等。 目前,我國生物質資源年產生量約為34.94億t,但利用率不高。 從圖 1 中可以看出,在各類生物質中,禽畜糞便的資源量最高,其次是秸稈,但能源化利用率除生活垃圾外均不超過20%。

圖1 各類生物質2020 年產量及利用率

2 生物質和煤的燃燒特性

燃料特性可由工業分析、元素分析、灰分分析和低位熱值表示[3]。 表1 給出了幾種典型的生物質及煤的燃燒特性,從表1 中可以看出,生物質的揮發分普遍更高一點,當與煤混燒時,有助于提高燃料的反應活性和點火特性[4]。 與煤相比,生物質的水分較多,灰分和固定碳較少。 水分含量是影響燃料燃燒的另一個重要因素,當燃料水分過多時,會使得著火困難。

表1 某些生物質和煤的工業分析

從表2 中可以看出,生物質的C 含量較低,而H、O 含量較多,導致其熱值較低,這是因為與C=C 鍵斷開時釋放的能量相比,生物質中的C-H 鍵和C-O 鍵斷開時釋放的能量較小。 此外,生物質中的O 含量較多,使其氧化的活化能較低,從而擁有更高的反應活性[5]。 生物質中的S 和N 較少,使其燃燒后釋放出來的污染物與燃煤相比較少,與煤混燒時,可以減少污染物的排放。

表2 某些生物質和煤的元素分析

燃料的燒結性越強,則越容易在鍋爐中形成燒結性積灰,而燃料的燒結性主要與燃料中所含的堿性物質有關。 從表3 中可以看出,生物質的堿性物質較煤更多,這使其通常表現出更強的結渣和結垢的傾向。

表3 某些生物質和煤的灰分分析

3 生物質預處理

3.1 浸出

生物質中堿金屬含量較高,容易導致結渣、腐蝕等問題,使得混燒生物質時降低電廠可靠性、增加維護成本和運營成本。 硫和氯的存在會加速鍋爐的腐蝕,同時增加污染物的排放。 因此可以通過浸出來減少生物質燃料中這些成分的存在,以減輕燃燒過程中遇到的問題。

3.2 烘焙

生物質和煤在化學性質和物理性質上都存在差異,生物質的水分較高,能量密度較低,再加上混合特性差,使得生物質和煤的混燒存在問題。 而烘焙可以通過熱處理使得生物質擁有與煤較為接近的物理性質。

(1)烘焙可以去除生物質中的水分,提高了生物質的熱值并能夠使其形成外觀類似煤的產物;(2)烘焙可以使生物質具有良好的疏水特性,提高其抗生物降解的能力[7],大大優化了燃料的儲存特性,使其能夠長時間穩定儲存;(3)烘焙可以破壞生物質的木質纖維素結構,改善了生物質的可磨性和流動性,提高燃燒效率,同時有利于煤和生物質的均勻混合。

3.3 生物質成型燃料

生物質作為燃料與傳統化石燃料相比最大的問題是能量密度低,給生物質的收集、運輸、儲存、預處理和給送等帶來困難,限制了生物質的大規模應用。而生物質成型可以很好地解決這一問題,生物質成型工藝包括干燥、研磨和壓縮。 經過生物質成型后可以大大提高燃料的能量密度。 單位能量所需體積減小可以大大降低運輸和存儲的成本,且成型后的生物質含水量下降,具有較高的低位發熱量。

4 生物質混燃發電

4.1 混合燃燒方式

4.1.1 直接混合燃燒

生物質與煤直接混合燃燒是最常用的技術,就是把預處理過的生物質和煤直接混合送入鍋爐進行燃燒,與其他燃燒方式相比,直接混合的投資成本最低。直接混合燃燒根據耦合位置可以分為4 種類型,如圖2 所示。

圖3 燃燒技術分類

(1) 制粉處混合:生物質和煤混合后送入磨煤機,磨制完成后分配到燃燒器。

(2) 給料混合:生物質由單獨的磨機粉碎,通過輸送管道與煤粉混合后送入燃燒器。

(3) 燃燒器內混合:生物質燃料也是由單獨的磨機粉碎,但與煤粉在燃燒器中混合。

(4) 爐內混合:生物質由單獨的磨機粉碎后送入專門的燃燒器燃燒,生物質的磨制與燃燒是獨立的。

4.1.2 間接混合燃燒

間接混合燃燒是先將生物質氣化,再將產生的生物質燃氣輸送到鍋爐[8],把燃氣作為一種再燃燃料,可以減少氮氧化物的排放[9]。 氣化產物主要包括CO、CO2、CH4、H2O、H2、N2和一些輕烴。 氣化產物的熱值與燃料的含水量有關,水分較高時會降低氣化產物中可燃氣的比例。

4.1.3 并聯混合燃燒

并聯混合燃燒采用了完全分離的生物質燃燒系統,生物質和碳分別在獨立的鍋爐中燃燒,再將產生的蒸汽輸送到發電機組耦合發電。 并聯混合燃燒設計了一個獨立燃燒生物質的鍋爐,優化了燃燒過程,使結渣和腐蝕等問題大大減輕,為大比例摻燒生物質提供了更多的可能性,降低了操作風險,可靠性更高,但資金投入也大大增加。

4.2 混合燃燒技術

大多數生物質混燃項目都是利用現有的燃煤電廠改造以適應生物質燃料與煤的混合燃燒。 由圖 3可知,燃燒技術一般分為固定床、流化床和懸浮燃燒。不同燃燒技術的特點如表4 所示。

表4 爐排爐、流化床和煤粉鍋爐燃燒特點

煤粉鍋爐采用懸浮燃燒技術,對燃料的要求較高。 因為顆粒尺寸小,燃料氣化和固定碳燃燒同時發生,因此,可以實現負載快速變化和高效控制。 通過適當的分階段配風可以實現低過量空氣系數和低NOX排放量。 同時,與流化床或爐排爐相比,煤粉鍋爐受結渣、結垢和腐蝕的影響較小。

流化床燃燒技術可分為鼓泡流化床和循環流化床。 由于混合良好,流化床能靈活處理不同的混合燃料,實現了燃料多樣化,增加了現有發電廠的燃料范圍,但對燃料顆粒尺寸有一定要求。

爐排爐屬于固定床的一種,適用于含水量高、灰分含量高和燃料尺寸變化大的生物質。 由于過量空氣系數高,爐排爐的熱效率較低,限制了該燃燒技術的廣泛應用。 目前,爐排爐較多地應用于間接混合燃燒和并聯混合燃燒中。

5 生物質混合燃燒發展現狀

目前,商用的生物質混合燃燒技術以直接混合燃燒和間接混合燃燒為主。 生物質混合燃燒發電在歐美國家應用較廣,約2/3 的大型生物質混燒電廠坐落于歐洲,尤其是北歐和西歐。

在歐洲,英國大部分燃煤電廠均采用了生物質混合燃燒,總裝機容量達到25 366 MW。 英國燃煤電廠中采用了多種生物質原料,包括農業剩余物、能源作物和林業剩余物。 英國部分燃煤電廠如表5 所示,其中部分已停產。 最典型的是英國最大的燃煤電廠Drax,該電廠裝有6 臺660 MW 燃煤機組。

表5 英國生物質混燒電廠

德國最常用的燃料是污水污泥,50%的混燃電廠都使用污水污泥,以3%混燃比混燒,可以不對電廠做出大的改造。 相較于其他生物質資源,污水污泥全年可得且通常為負成本,同時,秸稈和廢木屑也是主要的生物質燃料。 表6 列舉了德國一些混燃污水污泥的電廠。 從表6 中可以看出,德國生物質混燒電廠以煤粉爐為主,少數使用流化床。

表6 德國生物質混燒電廠

在北美,美國和加拿大是生物質混燒發電的主要應用國家。 對于美國和加拿大而言,大規模進行生物質混合燃燒的問題在于充足的生物質來源、生物質的運輸和儲存。 截至2010 年,美國560家燃煤電廠中有40 家正在使用生物質混燒技術,并在持續增加中[10]。 所有的生物質混燒電廠都采用直接混合燃燒的方式,大多數為煤粉鍋爐。 美國近50%的生物質混燒工廠采用的原料是木制品,如木屑和木材廢料。 表7 列舉了美國部分生物質混燒電廠。

表7 美國生物質混燒電廠

在亞洲,中國、日本和韓國等國家也開始采用生物質混燃技術。 在這些地方,生物質混燒的主要原料是木質顆粒。 2013 年,日本有24 臺燃煤機組開始混燒生物質試驗或已投入運行,到2017 年,約有29 個大型燃煤煤機組混燒生物質。

國內的生物質混合燃燒發電技術起步較晚,也是以間接混燃和直接混燃為主。 國內生物質混燒電廠,如表8 所示。 2005 年,國內首個生物質混燒電廠華電十里泉發電廠建成,引進丹麥BWE 公司的秸稈發電技術,生物質發電容量26.0 MW[12]。 2010 年國電寶雞第二發電有限責任公司在300 MW 燃煤機組上進行生物質預處理成型與煤小比例混燃的試驗,但由于運行期間虧損嚴重,目前已停運[13]。 2012 年,國電長源荊門電廠采用生物質間接混燒技術將640 MW 煤電機組改造為燃煤耦合生物質發電項目,是間接混燃技術在我國大型燃煤電廠的首次成功應用[12]。 大唐長山熱電廠是目前國內投運的容量最大的生物質混燃發電機組,采用CFB 微正壓空氣氣化后送入660 MW 超臨界鍋爐燃燒[14]。 華電襄陽發電廠6 號機組是國內首個以秸稈為主要原料的生物質間接混燃發電機組,于2018 年投產。

表8 國內生物質混燒電廠[11]

6 生物質混合燃燒存在的問題及解決方法

6.1 結渣、腐蝕和積灰

生物質中灰分的形成過程與煤粉燃燒相似[15],在生物質顆粒燃燒和焦炭顆粒形成過程中,揮發性有機金屬化合物首先析出,再進行脫揮發分,最后部分堿金屬和堿土金屬以及揮發性微量元素擴散出來。隨著氣體溫度的降低,揮發性組分成核并冷凝形成亞微米顆粒。 高濃度K 和Na 通過成核、冷凝和反應會導致各種嚴重的灰相關問題,如堿誘導結渣、硅酸鹽熔體誘導結渣和團聚。 KCl 被認為是整個燃燒過程中最穩定的氣相含堿金屬物質,也是影響生物質結渣的主要物質[16]。

在燃燒過程中,煙氣中的Cl2、HCl、NaCl、KCl 等物質在高溫下會破壞金屬的氧化層加速金屬的氧化而導致直接腐蝕,或者形成熔融狀堿鹽對過熱器造成腐蝕,而在低溫下當受熱面的壁溫低于酸露點時,會凝結成酸液對金屬發生腐蝕作用。 可以采用優質合金或者抗腐蝕涂層來減少腐蝕。

對于生物質混燒過程中的結渣、腐蝕和積灰等問題,存在多種對策,包括使用添加劑和浸出等方法。浸出直接從來源中去除K,使用添加劑旨在改變灰分成分,并進一步減少揮發性堿物質的存在。

石灰、方解石、高嶺土和長石等礦物被用作添加劑,有望改善生物質燃燒過程中與灰有關的問題。 當與燃料混合或添加到燃燒系統中時,這些添加劑可以:(1)通過改變或稀釋灰中的耐火元素來提高灰的熔化溫度;(2)與低熔點化合物結合并將其轉化為高熔點化合物;(3)通過物理吸附降低燃燒系統中有問題的灰種濃度[17]。

浸出是一種有效的預處理手段,可以去除生物質中的無機物質,特別是堿金屬、硫和氯減少結渣積灰等問題。 浸出可分為水浸出、醋酸浸出和酸浸出。 約100%的Cl 和90%的堿金屬可溶于水,因此,人們對水浸出的研究非常關注。

6.2 污染物排放

6.2.1 SOX排放

混燃生物質可以降低 SOX排放量主要是因為生物質中的S 含量較低,如農林廢棄物的平均含硫量僅為0.38%,低于煤的平均含硫量1%[20]。 此外,生物質中堿金屬含量較高,與煙氣中SO2反應生成硫酸鹽起到固硫作用,也會減少SOX的排放量。 目前,電廠中應用最廣泛的脫硫技術是石灰石/石膏濕法脫硫(FGD),但當生物質中的氯含量較高時,產生的HCl可能會影響FGD 的脫硫效率。

6.2.2 NOX排放

生物質混燒可以降低電廠中NOX的排放量。 首先,生物質中N 含量較低,使得燃料型NOX減少。 其次,生物質的熱值較煤炭低,混燒生物質時爐膛溫度降低,可以減少熱力型NOX的生成量。 最后,生物質燃燒的中間產物是NH3,其向NOX的轉化率較低[18]。

通過燃料分級、煙氣再循環和爐內空氣分級等可以有效控制NOX的排放。 在此基礎上,使用選擇性催化還原脫硝技術(SCR)可以進一步降低排放量,實現超低排放。 但在使用SCR 時,過低的煙溫以及生物質灰中的無機揮發物可能會導致催化劑失活[19]。使用堿金屬含量較低的生物質以及選擇合適的共燃比可減少這一問題。

6.2.3 煙塵排放

煙塵排放主要來源于燃料中的灰分,生物質中的灰分含量較低,所以混燒生物質時通常會降低煙塵的排放,但生物質高揮發分和堿金屬含量的特點使煙氣中存在大量亞微米級懸浮顆粒。 采用靜電除塵器難以將其完全去除,需加裝袋式除塵器,但要防止微細氣溶膠堵塞布袋。 同時,由于生物質熱值較低,混燒后產生的煙氣量較大,選擇除塵技術時要考慮到這一點。

7 結語

在“雙碳”壓力下我國面臨著能源轉型,燃煤電廠混燒生物質發電技術可有效減少CO2排放量,是實現低碳發展最為經濟有效的方法,在世界各地得到了廣泛應用。

(1)通過對生物質和煤燃燒特性的分析可發現,生物質的揮發分較高,C、N、S含量較少,燃煤電廠混燒生物質可以提高燃料的反應活性,不僅實現大幅度CO2減排,還減少了SOX、NOX和煙塵等污染物的排放。

(2)通過浸出、烘焙、生物質成型燃料等與處理方式可以提高生物質燃料的能量密度,解決生物質燃料在儲存、運輸方面存在的問題。

(3)通過對國內外生物質混燒發展現狀的總結可以發現,直接混合燃燒僅需對目前的火電廠進行改造,投資成本較低,是目前的主流技術路線,且生物質混燒電廠向大容量機組發展。 我國的生物質混燒技術與歐美國家存在差距,電廠發電機組容量較小,生物質混燒項目的建設和運營還需要國家政策補貼。

(4)對于生物質混燒中出現的結渣、腐蝕和積灰等問題可以通過生物質預處理及使用添加劑來解決。