农业生物质混煤燃烧发电技术的研究进展

农业生物质混煤燃烧发电技术的研究进展 摘要：指出了在当今化石能源存量锐减和环境问题凸显的前提下，生物质混煤燃烧技术是一种成本低、风险小和可规模化应用的有效手段，能有效改善我国目前的能源形势与环境问题。介绍了我国目前生物质混煤燃烧发电的现状，总结了生物质与煤混燃过程中的燃烧特性、灰渣特性以及污染物排放规律的研究现状，探讨了生物质混煤燃烧发电技术应用中存在的相应问题，以期为该技术的发展提供参考。 关键词：生物质；煤；掺混；燃烧特性；污染物排放 中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2015）10-0293-03 1 引言 现阶段我国的能源消费仍以煤炭为主，煤炭消费总量占全国能源消费总量的比例将近达到70%，能源消费结构不合理和能源消费模式单一成为能源消费的主要问题1，2。生物质能在储量上是仅次于石油、煤和天然气的第四大能源3，在当今化石能源存量锐减和环境问题凸显的前提下，生物质能的广泛应用在满足我国能源需求、改善能源结构、减少环境污染等方面可发挥积极作用。我国的生物质资源主要是以林业资源和农业废弃物为主，据统计，2010年我国主要农作物秸秆年产量约7.8亿t，油菜、甘蔗、木薯等剩余物约1.2亿t4。目前利用生物质代替化石能源发电仍是生物质能利用的主要方式之一，主要包括直燃发电技术、气化发电技术和混燃发电技术5，其中混燃发电技术能充分利用现有技术和设备，在原有电厂锅炉上进行改造，是一种成本低、风险小和规模化应用的有效手段。生物质与煤的混燃技术可分为直接燃烧利用和间接燃烧利用两种形式，直接燃烧技术对生物质进行预处理，然后直接输送至锅炉燃烧室燃烧，主要有层燃、流化床和煤粉锅炉等燃烧形式，主要应用于工业、区域供热、发电以及热电联产等6，7。 近年来，国内外众多学者对生物质与煤混燃进行了研究，主要集中在掺混后的燃烧特性、污染物排放以及经济性效益分析810。本文在参阅国内外大量文献的基础上，总结近年来针对生物质与煤混燃燃烧特性和污染物排放特性的研究成果，分析其研究结果以及我国生物质与煤混燃发电技术存在的问题和发展方向。 2 我国农业生物质混煤燃烧发电的现状 生物质混煤燃烧发电系统是一个以生物质和煤为燃料的火力发电系统，其生产过程与常规燃煤电厂类似，主要包括：先将秸秆、稻壳和其他废弃物原料经预处理加工后与煤一起送入锅炉内混合燃烧，将生物质原料和煤中的化学能转变为热能，锅炉的汽水系统将变成饱和蒸汽，饱和蒸汽经过热器变成过热蒸汽后推动汽轮机做功，最后汽轮机驱动发电机组旋转产生电能，其原理如图111。 目前，国外生物质混燃技术应用较为广泛12，13，在美国，生物质与煤混合燃烧发电装机容量达到了6 000 MW，其次是丹麦和奥地利14。我国生物质与煤混燃发电技术较欧洲国家相比起步较晚，主要存在着缺乏核心技术和设备，生物质原料供应困难、发电成本偏高等问题，一直制约着该技术在我国的规模化应用，该技术目前主要应用于小型燃煤电厂中。2005年我国首台秸秆与煤混燃发电机组在十里泉电厂投产，该项目的所用燃烧技术被认为是国内首创，并取得了较好的社会与环境效益，按20%的秸秆掺混比例，年可减少5.8万t标准煤消耗，折合燃煤8.2万t（5 000 kCal），同时减少二氧化碳排放6万t，因此，该技术的广泛应用具有重要的经济和社会价值15。 3 农业生物质混煤燃烧特性影响因素分析 由于生物质混煤发电系统主要在原有常规燃煤发电系统进行改造，主要面临的是因生物质原料的特性而引起的燃烧差异，对汽轮机及发电系统的改动较小，因此本文主要针对燃料处理及其燃烧特性进行分析。与常规燃煤系统相比，生物质与煤混燃后主要影响因素有：掺混比、生物质原料的预处理、灰渣特性。 生物质燃料具有高挥发性、低热值、低硫分、高碱金属含量以及能量密度低等特点，将生物质与煤进行混燃，一定程度上可减少纯煤燃烧过程中的污染物排放，降低化石能源的消耗，但是过高的掺混比例会降低锅炉燃烧效率，原料内部过高的碱金属其熔融点较低，易造成锅炉管道的堵塞和腐蚀，因此，选择合适的掺混比例是二者进行混燃的重要问题。王晓钢16等在热重分析仪上研究了木屑、稻壳、稻草及耒阳白沙煤的燃烧特性，分析得出通过掺烧可以使生物质与煤的混合燃料的燃烧特性得到了优化，随着生物质掺混比例的提高，掺混样品着火点温度降低得更加明显，最大燃烧速率温度也越低，由此推算大部门农业生物质掺混燃烧特性基本符合这个规律。王春波17等在自制管式炉上研究煤粉与生物质混燃后的低温着火特性，混合燃料的燃烧速率随着掺混比的增大而加快，燃尽程度提高，在难燃煤中掺混生物质对其着火特性影响比对易燃煤更明显，同时掺混水分和挥发分含量高的生物质，燃烧初期的失重速率要快于燃烧中后期；掺混生物质中的灰分含量越多，对煤粉燃烧后期的促燃作用越差；燃烧反应活化能随着生物质掺混比和温度区间的增大而减小。王智18等利用循环流化床对谷壳和烟煤进行掺混燃烧，得出当谷壳的质量分数小于20%时，炉膛内的通过热电偶得出的温度场与纯煤燃烧时基本相同，当质量分数达到40%时，炉膛温度才有所降低，因此，在燃煤锅炉中适当掺混生物质不会影响锅炉的出力性能，而且可以改善燃煤的燃烧性能方面，掺混过多的生物质会影响锅炉的出力。 利用燃煤混生物质进行掺混燃烧，可以达到互补效果，既实现了生物质能的广泛高效利用，又改善了煤粉燃烧特性、降低了环境污染性。然而在实际混烧发电过程中，生物质灰的熔融点低，在温度较高的情况容易堵塞管道，锅炉内积灰结渣、腐蚀等一系列问题频繁发生，这些问题与灰的特性密切相关，一直是困扰学者的难题，另一方面，生物质灰是一种很好的有机肥料，广泛利用于农业领域，生物质与煤掺混后灰的二次利用问题也是学者研究的焦点。蒲舸19等利用热重?C差示扫描量热仪（TG-DSC）对生物质与高硫劣质煤混烧灰的熔融特性进行研究，结果表明：两者混烧会降低灰熔融点，生物质的掺混比例越高，下降幅度越大，生物质中灰分含量远小于高硫劣质煤，混烧灰的灰熔点温度主要受煤灰的影响。因此，适量生物质燃料的掺混对混合燃料灰渣的熔融特性影响不大，不会造成燃烧设备的腐蚀和堵塞。鲁光武20等利用灰熔点测试仪分析了常见农业废弃物和林业废弃物与煤掺烧后灰的熔融特性，结果指出生物质与煤掺烧时是否结渣与生物质种类和掺混比例有关，稻草、谷壳与煤掺烧后其灰熔点降低，引起了结渣，这是因为稻草和谷壳灰分中的碱性氧化物含量高引起的，而当掺混物为木屑时，混合燃料不会出现灰熔点降低以及引起结渣等问题，经过试验，木屑的灰熔点与煤相同，灰的软化温度高于煤粉，因此，选择部分灰熔点较高的生物质与煤进行掺混，并不会引起结渣问题。 4 农业生物质混煤燃烧污染物排放特性分析 在当今倡导绿色能源的前提下，可再生能源还不能完全取代化石能源，生物质原料由于S、N元素含量较低，一直被称为“绿色煤炭”，在燃烧过程中能实现CO2的零排放，生物质混煤燃烧可有效减少煤粉燃烧过程的污染物排放。然而由于生物质种类较多，掌握不同生物质与煤混燃过程中的污染物排放规律，对于生物质混煤燃烧发电技术的发展具有重要意义。徐承浩21等利用沉降炉进行了煤和秸秆混烧实验，掌握了二者混燃过程中的污染物排放规律，结果表明：当掺煤比小于20%时，SO2的生成量较为缓慢，当掺煤比高于20%时，SO2的生成量加快，SO2和NOx的生成量随掺煤比的增加而增加。黄定寅22等在循环流化床上分析了稻壳混煤燃烧过程中的NOx排放特性，在同一燃烧温度下，NOx的排放量随着燃料中稻壳所占比重增加而降低；当混合燃料中稻壳的掺混比例恒定时，NOx的排放量随着燃烧温度的升高而增加。 5 结论 实践表明，生物质混煤燃烧发电技术非常适合我国的基本国情，近年来专家学者对其也进行了较为深入的研究，然而也存在部分因素制约了该技术的规模化推广。 （1）该技术需对常规燃煤锅炉进行改造，产生了一定的改造费用，而国家目前针对新能源发电的补助只针对纯燃生物质锅炉，生物质与煤混燃不在补贴范围之内，且近年来，生物质原料价格也在不断上涨，该技术经济优势逐渐下降； （2）目前该技术仍存在部分问题未完全攻破，专家学者的研究也仅停留在实验室仪器，尚未在实际运行锅炉中进行实验研究； （3）由于我国地域辽阔，不同地区生物质原料的物理属性存在较大差异，部分原料与煤混燃燃烧效果不理想，因此该技术的应用应与当地可大规模供应的生物质原料相结合，因地制宜； （4）目前，我国生物质原料多分布在农业大省和山区，受地形影响，部分生物质分布较为分散，生物质原料的集中供应也存在一定的问题。 参考文献： 1刘永坤，李 成.我国能源效率及其影响因素分析J.热力发电，2015（3）：17. 2汪 锋，豆南南，喻冬梅，等.基于电力系统碳排放流的分省化石能源消费CO2排放量测算J.电力系统自动化，2014（17）：105112. 3Lei Shen，Litao Liu，Zhijun Yao，et al. 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