煤粉锅炉耦合生物质气化供热发电技术研究

煤粉锅炉耦合生物质气化供热发电技术研究

郭波 雷凯超

中电投东北能源科技有限公司，辽宁 沈阳 110179

摘要：在碳达峰、碳中和的大背景下，生物质作为可再生能源在我国资源丰富，利用潜力巨大。燃煤耦合生物质气化供热发电是一种高效的生物质能利用方式。本文结合当前国内外生物质气化理论研究、燃煤锅炉耦合生物质气化供热发电项目的可行性研究，提出煤粉耦合生物质燃烧技术路线，总结减少煤粉与生物质混烧中出现的结渣腐蚀的方法，为煤粉耦合生物质气化供热发电创新示范工程的建设提供参考。

关键词：燃煤耦合生物质，碳减排，供热发电，结渣腐蚀

1引言

为了减少二氧化碳的排放，向绿色和清洁可再生能源转型对于社会的可持续发展至关重要。 在可再生能源中，风能、水能和太阳能等新能源具有随机性和间歇性的特点，这对电网的调峰能力提出了挑战。而生物质能源是一种具有较高应用潜力的可再生资源。生物质的发电技术包括直燃发电、混燃发电和气化发电。与直燃发电和气化发电相比，混燃发电具有成本较低、建设周期短，受原料性质影响较小的优点[1]。我国的能源结构仍以煤炭为主，煤电超低排放改造工作是我国积极应对气候变化，主动兑现 减排承诺的重要手段。而燃煤机组耦合生物质气化高效发电技术仅需对现有燃煤机组进行适当改造,不仅可以降低二氧化碳的排放量，还可以提高锅炉侧燃料的灵活性，在碳减排方面具有很大的潜力[2]。

本文结合当前国内外生物质气化理论研究、燃煤锅炉耦合生物质气化供热发电项目的可行性研究，针对生物质的分类、燃烧特性、预处理方式、混合燃烧方式、发展现状及遇到的问题等进行了简单的总结；提出煤粉耦合生物质燃烧技术路线，总结减少煤粉与生物质混烧中出现的结渣腐蚀的方法，为煤粉耦合生物质气化供热发电创新示范工程的建设提供参考。

2生物质种类及燃烧特性

根据国际能源机构( IEA) 的定义，生物质是指通过光合作用形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物以及这些生命体排泄的有机物质[3]。生物质能来源于太阳能，是继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源。 生物质的种类繁多，包括农业废弃物、林业废弃物、畜禽粪便、生活垃圾、污水污泥、废弃油脂等。目前我国生物质资源年产生量约为34. 94亿t,但利用率不高。在各类生物质中，禽畜粪便的资源量最高，其次是秸秆，但能 源化利用率除生活垃圾外均不超过 20%[4]。

生物质燃料具有密度小、发热量低、含碳量少、含氧量高、硫和灰分含量低、挥发分含量高，K、Cl含量高等特性。生物质密度小，在燃烧利用过程中会显著影响运输成本、燃料存储、料仓及给料等各环节的设计；挥发分高，易着火，燃烧活性强，在400℃下，大部分 挥发分即可释放，而煤一般在800℃时才释放出30％左右的挥发分[5]；碱金属含量高，直接燃烧容易引发结渣及腐蚀问题，将生物质与煤粉掺烧可以大大缓解该问题的出现。

3燃煤锅炉耦合生物质供热发电技术路线

根据生物质掺烧位置和及掺烧方式的不同，燃煤机组耦合生物质发电技术路线主要有直接耦合供热发电、间接耦合供热发电和并联耦合供热发电三种。

3.1 直接耦合供热发电

直接耦合即在燃烧侧实现混烧，要求将生物质燃料预先处理成可以和煤粉混烧的状态直接送入炉膛实现混烧。 国外电厂多采用直接混合燃烧，典型案例为英国的Drax电厂；国内十里泉电厂、宝鸡二电厂采用直接混合燃烧；2021年，华能日照、国华寿光电厂等开始实施生物质直接耦合发电技术改造[6]。生物质直接耦合发电燃料可采用原始未处理的生物质原料、成型颗粒以及外购生物质粉。 原始未处理的生物质原料需另外设置秸秆厂房、破碎系统等，存在系统流程复杂、占地面积大、工作环境差、系统故障多等缺点。

直接耦合，优点是：替代燃煤电厂燃煤耗量，降低二氧化碳排放水平，是燃煤电厂减少碳排放的有效途径；充分利用大容量机组的高效发电系统，提高生物质转化为电能的效率；可实现生物质废弃物减量化、无害化、资源化和规模化处置；投资相对较低。缺点是：生物质资源分散、季节性明显、收储运存在一定的困难；燃料市场不稳定，价格波动较大；缺少国家政策支持，经济性差；国内秸秆等生物质钠钾含量偏高，对锅炉有腐蚀性，掺烧比例低。

直接耦合投资费用：直接耦合工艺系统投资主要包括生物质燃料储运系统、上料系统、制粉系统、输送系统、计量系统等，造价约500～2000元/千瓦。

3.2间接耦合供热发电

间接耦合即气化耦合（或液化，以气化为主），生物质原料先在气化炉中进行气化，气化产生的生物质燃气喷入煤粉炉中实现混烧。 生物质间接耦合起源于1990年，在欧洲有数个气化耦合和液化耦合的应用案例，但目前几乎都已经停产；国内典型案例为湖北荆门发电厂、大唐长山电厂、华电襄阳电厂等。

间接耦合发电，优点是：替代燃煤电厂燃煤耗量，降低二氧化碳排放水平，是燃煤电厂减少碳排放的有效途径；生物质气化燃气对锅炉几乎无腐蚀影响。缺点：系统复杂，占地面积大，投资较高，需对锅炉进行改造，停炉施工，运行维护成本较高，能源利用率较低。

间接耦合投资费用：间接耦合工艺系统投资主要包括生物质燃料储 运系统、上料系统、气化系统、燃气净化冷却系统、燃气输送系统、计量系统等，造价约6000～7000元/千瓦。

3.3 并联耦合供热发电

并联耦合即在蒸汽侧实现“混烧”，生物质燃烧采用单独燃烧生物质的锅炉，但锅炉的蒸汽参数和燃煤锅炉一样，将纯燃生物质锅炉产生的蒸汽并入煤粉炉的蒸汽管网，共用汽轮机实现发电。 蒸汽耦合的案例很少，主要是丹麦依托其小型生物质锅炉技术发展而来，国内尚无示范项目。

并联耦合发电，优点是：与燃煤机组共用汽轮发电机组，与纯生物质发电相比，投资费用降低，效率提高，对燃煤锅炉无腐蚀影响，能够利用多种生物质燃料，特别适用于高碱金属和氯化物的生物质，燃烧后的生物质灰和煤灰互相分离，有利于生物质灰资源化利用。 缺点是：系统复杂，占地面积大，投资较高，经济性差，存在生物质锅炉蒸汽参数和燃煤锅炉蒸汽参数匹配的问题，应用业绩极少。

并联耦合投资费用： 并联耦合工艺系统投资主要包括除汽轮发电机外的整套纯生物质发电系统、并联管网等，造价约4000～6000元/千瓦。

4煤与生物质混合燃烧存在的结渣腐蚀问题及解决方法

生物质中灰分的形成过程与煤粉燃烧相似，在生物质颗粒燃烧和焦炭颗粒形成过程中,挥发性有机金属化合物首先析出，再进行脱挥发分，最后部分碱金属和碱土金属以及挥发性微量元素扩散出来。随着气体温度的降低，挥发性组分成核并冷凝形成亚微米颗粒。高浓度 K和Na通过成核、冷凝和反应会导致各种严重的灰相关问题，如碱诱导结渣、硅酸盐熔体诱导结渣和团聚。KCl被认为是整个燃烧过程中最稳定的气相含碱金属物质，也是影响生物质结渣的主要物质。

在燃烧过程中,烟气中的Cl2 、HCl、NaCl、KCl等物质在高温下会破坏金属的氧化层加速金属的氧化而导致直接腐蚀，或者形成熔融状碱盐对过热器造成腐蚀，而在低温下当受热面的壁温低于酸露点时,会凝结成酸液对金属发生腐蚀作用。可以采用优质合金或者抗腐蚀涂层来减少腐蚀。对于生物质混烧过程中的结渣、腐蚀和积灰等问题，存在多种对策，包括使用添加剂和浸出等方法。浸出直接从来源中去除K，使用添加剂旨在改变灰分成分，并进一步减少挥发性碱物质的存在。石灰、方解石、高岭土和长石等矿物被用作添加剂,有望改善生物质燃烧过程中与灰有关的问题。当与燃料混合或添加到燃烧系统中时，这些添加剂可 以：(1)通过改变或稀释灰中的耐火元素来提高灰的熔化温度；(2)与低熔点化合物结合并将其转化为高熔点化合物；(3)通过物理吸附降低燃烧系统中有问题的灰种浓度。浸出是一种有效的预处理手段,可以去除生物质中的无机物质，特别是碱金属、硫和氯减少结渣积灰等问题。浸出可分为水浸出、醋酸浸出和酸浸出。约100%的Cl和90%的碱金属可溶于水,因此,人们对水浸出的研究非常关注。

5结束语

生物质与煤直接混合燃烧仅需对目前的火电厂进行改造，投资成本较低，是目前的主流技术路线，且生物质混烧电厂向大容量机组发展。生物质的挥发分较高，C、N、S含量较少,燃煤电厂混烧生物质可以提高燃料的反应活性，不仅实现大幅度二氧化碳减排, 还减少了SOX、 NOX 和烟尘等污染物的排放。对于生物质混烧中出现的结渣、腐蚀和积灰等问题可以通过生物质预处理及使用添加剂来解决。

参考文献

[1] 信光,李荣玉,刘志超,等.生物质与煤混燃的灰分特性分析[J].中国电机工程学报，２００９，２９（２６）:１１８－１２４．

[2] 宁新宇,李诗媛,吕清刚,等.秸秆类生物质与石煤在流化床中的混烧与黏结机理[J].中国电机工程学报,２００８，２８（２９）:１０５－１１０.

[3] 潘升全,谭厚章,刘潇,等.大型电厂煤粉炉掺烧成型生物质试验[J].中国电力,２０１０,４３（１２）:５１－５５.

[4] 周建斌,周秉亮,马欢欢,等.生物质气化多联产技术的集成创新与应用[J].林业大学学报，２０１６,１（２）:１－８.

[5] 叶勇健,龙辉.煤电机组应对二氧化碳减排的策略[J].上海电力学院学报,２０１８,３４ （４）：３１５－３２１.

[6] 毛健雄.燃煤耦合生物质发电[J].分布式能源,２０１７，２（５）:４７－５４.

作者简介:

郭波（1980-），男，本科，工程师，主要从事电厂环保专业方面工作。

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