浅谈生物质与煤粉混合燃烧技术

2020-06-18

福建质量管理 2020年11期

(陕投集团陕西西安 721500)

引言

据统计，全世界每年农村生物质的产量约300亿吨，生物质能源占全世界能源消耗的14%，仅次于石油、煤炭及天然气等化石能源，居第四位。我国是农业大国，每年至少有7亿吨的农作物废弃物，至今这些生物质能源仍占我国农村消费的第一位，约合3.5亿吨标准煤。可以看出，生物质能的开发利用潜力巨大。生物质能是取之不尽的太阳能仓库，可以降低二氧化碳温室气体，对生态环境具有保护作用，对国家能源安全建设以及我国农村能源建设具有重要作用。

近十年来，发达国家开始重新审视生物质能源的地位，关注新技术开发利用生物质能源。通过适当的技术和装置可以将生物质转化为高效的、与现代用能设备兼容的高档能源载体，如气体燃料、液体燃料和电力，可直接替代煤炭、石油和天然气等矿物燃料。有人预言，到2050年，生物质能源有可能提供世界60%的电力和40%的液体燃料。

目前我国各种生物质资源利用率不高，大量秸秆资源在田间焚烧，不仅污染环境，而且浪费能源。将各类生物质资源，特别是农作物秸秆用于锅炉直燃发电或供热，节能效益和环境效益显著，还可以成为国家最大的支农产业。我国生物质资源潜力巨大，而且到2010年，全国计划关停534.55万千瓦小火电机组，生物质可以作为煤燃料的替代品进行关停电厂的改造。未来中等容量的生物质燃料发电将是我国重点发展方向，生物质燃烧技术将成为生物质利用的一条重要途径。

一、生物质能源开发利用技术现状

人类对生物质能的利用已有悠久的历史，但是在漫长的时间里，总是以直接燃烧的方式利用它的热量。直到20世纪，特别是近一二十年，人们普遍提高了能源与环保意识，对地球固有的化石燃料日趋减少有一种危机感，在可再生能源方面寻求能源持续供给的今天，生物质利用新技术的研究与应用，才有了快速的发展。生物质能按其最终转化和利用的燃料状态可划分为气态、液态和固态生物质。

二、生物质与煤粉混合燃烧技术

由于各种生物质利用技术的低效率、高成本和高技术风险，可再生能源在能源市场上很难与化石能源竞争。而生物质与煤粉在传统电站燃煤锅炉混合燃烧是可再生能源与常规化石能源的综合利用，可以从两种不同类型的燃料中获得最大利益。混合燃烧利用现有化石燃料发电系统的巨额投资和基础设施，仅需要对生物质燃料部分进行相对适度的投资。当正确的选择生物质和煤进行锅炉设计和运行，还可减少传统的污染物SO2-NOx和温室气体CO2-CH4排放。

混合燃烧在许多国家都是完成CO2减排的最经济的技术措施，其益处包括利用本地资源发电、减少废弃物的处理量以及资源的高效利用，并且上述优势以非常低的技术风险有望近期实现。混合燃烧技术在美国、芬兰、丹麦、德国、奥地利、西班牙和许多其他IEA国家应用较多，电厂装机容量通常在50-700MW。

生物质燃料混合燃烧的最大挑战是发展和示范在其经济上的吸引力。此类技术必须适合于改进后的现有燃煤发电厂，易于运行和控制，影响系统正常运行的风险最小。目前大多数国家缺乏生物质燃料安全的供应链。所涉及的风险包括发电厂被迫直接投资于燃料供应的基础设施，在不同地点主动地建设新的燃料供应体系，控制燃料价格和质量，保护新系统的投资，这对大多数电厂是缺乏吸引力的。

生物质在煤粉炉内直接混合燃烧(图1)分为四种类型：

第一种方案：生物质燃料与煤在给煤机上游混合。混合燃料被送入磨煤机，然后由磨煤机按混合燃烧要求的速度供给并分配给所有的煤粉燃烧器。原则上，这是最简单的方案，投资成本最低。但是，这一方案有干扰燃煤锅炉高容量的高度风险。考虑到各种原因，本方案仅适用于有限种类生物质燃料和非常低的混合燃烧比。

第二种方案：将生物质搬运、计量和粉碎设备分离，处理后的生物质输入燃烧器上游已粉碎燃料管道或燃烧器。此方案需要在锅炉正面安装一定数量的生物质燃料输送管道，使得锅炉的正面更加拥挤。实践证明，在锅炉正常运行负荷曲线上，控制和维护燃烧器比较困难。

第三种方案：也是将生物质的搬运和粉碎设备分离，生物质燃烧输入专用燃烧器。此方案投资成本高，但对锅炉的正常运行影响最小。

第四种方案：将生物质作为再燃燃料，来控制NOx的生成。生物质在燃烧室上部特殊设计的燃烧器中燃烧。目前本方案进行了小规模的测试工作，将成为生物质混合燃烧未来的方向。