托电公司掺烧生物质燃料的可行性分析

冯玉锋

(内蒙古大唐国际托克托发电有限公司，呼和浩特 010206)

0 引言

生物质燃料作为一种可再生清洁能源，其挥发分、硫分、灰分等指标均优于燃煤，而且价格相对低廉。内蒙古大唐国际托克托发电有限公司(以下简称托电公司)计划在煤中掺烧生物质燃料，以达到减少污染物排放、增加发电效益的目的。

1 生物质燃料概况

生物质燃料是将农林废弃物(如秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等)作为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型(如颗粒状)的、可直接燃烧的新型清洁燃料。其中秸秆是生物质燃料的最主要原料。常见秸秆与托电公司燃煤各元素的对比见表1。由表1可以看出，生物质燃料具有高挥发分、低碳、低灰分等特点，易于燃烧，同时S和N的质量分数也低于煤，尤其是S的质量分数仅为托电公司燃煤的1/10～1/8，可以降低CO2和SO2等污染物的排放，说明生物质燃料是一种清洁能源。

表1 常见秸秆与托电公司燃煤各元素的对比

2 生物质燃料的优点

2.1 社会效益显著

2.1.1 降低污染物排放

生物质燃料作为一种清洁能源，其固定碳和硫的质量分数远低于燃煤，以托电公司为例，如以1%的能量比例掺烧生物质燃料，每年需燃烧10万t生物质燃料，可减少CO2排放约7万t，减少SO2生成量1 600 t，在改善公司环保指标的同时，也降低了公司脱硫、脱硝系统的运行成本。

2.1.2 减少粉尘的排放

生物质燃料的灰分仅为煤的1/5左右，因此掺烧生物质燃料会减少烟气中粉尘的含量。以托电公司为例，当玉米秸秆的能量比掺例为1%时，燃料的总灰分将降至27.73%，假设电除尘器出口烟气粉尘质量浓度为50 mg/m3(名义工况)，每年粉尘排放量可减少约35 t。

2.1.3 带动地方经济发展

托克托县耕地面积为67 141.67 hm2，主要农作物为玉米，按70%耕地种植玉米计算，每年约产玉米秸秆33.83万t。传统的处理方式多为就地焚烧，能源利用率极低，而且大量污染物直接排放，对环境影响很大。

当托电公司以2%的能量比例进行掺烧时，每年需要掺烧玉米秸秆34万t，相当于托克托县全年的玉米秸秆产量，不仅能使周边农民直接受益，公司自身也能获得廉价的燃料。而且托电公司可以将玉米秸秆大规模、高效率地利用，避免了直接焚烧对大气的污染。

另外，生物质与煤掺烧前需要经过粉碎、压缩、干燥等处理，形成了一个独立的产业链，大规模掺烧的前提下，可以建设处理厂，增加就业岗位，带动地方经济发展。

2.2 改善煤的燃烧性能

由于生物质燃料具有高挥发分、低碳的特点，因此其易于燃烧且燃烧主要集中于燃烧前期，而煤由于碳含量高，燃烧主要集中于后期。因此在煤中掺烧秸秆可以改善煤的着火性能，获得更好的燃尽特性。

2.3 减轻锅炉设备的磨损

由于生物质燃料的灰分仅为煤的1/5左右，因此掺烧生物质燃料会减少烟气中飞灰的含量，减轻锅炉设备的磨损。同时还可以降低电除尘器的电耗，改善烟气中的粉尘指标。

2.4 增加锅炉设备的经济效益

掺烧生物质燃料能够减少燃煤的用量，由于生物质的市场价格比煤的价格低廉，掺烧生物质燃料可以增加电厂的直接经济效益。

3 掺烧生物质燃料的经济性分析

以托电公司为例，2013年耗标煤量达900万t左右，机组平均煤耗约为325 g/(kW·h)，如以1%的能量比例掺烧玉米秸秆，则需掺烧玉米秸秆约17万t，可减少标煤耗量9万t。

托电公司2013年标煤价格约为370元/t，则只要玉米秸秆价格低于195元/t，掺烧就能产生经济效益。各种生物质燃料掺烧情况统计见表2(以1%能量比例掺烧)。

表2 各种生物质燃料掺烧情况统计

4 掺烧生物质燃料主要存在的问题

4.1 燃烧器喷口结焦、烧损

由于生物质燃料易于着火，掺烧时会造成着火提前，大量掺烧或单台磨煤机掺烧时可能会造成燃烧器喷口结焦或燃烧器烧损。

根据试验，当能量掺烧比例小于2%或质量掺烧比例小于4%时，掺烧可直接进行，不用对现有设备进行改造，对电厂设备的安全性不会造成任何影响。

4.2 受热面结焦、腐蚀

生物质燃料灰分中碱性成分(K，Ca，Na等)高，与煤掺烧时会降低烟气的灰熔点，增加受热面结焦的可能性，另外，碱金属也会腐蚀锅炉受热面。

生物质燃料掺烧对灰熔特性的影响如图1所示，从图1可以看出，当生物质燃料的质量掺烧比例小于5%时，对烟气的灰熔特性不会产生明显影响。

图1 生物质燃料掺烧对灰熔特性的影响

4.3 造成选择性催化还原法(SCR)催化剂中毒

由于生物质燃料灰分中碱性成分(K，Ca，Na等)高，碱金属如果与催化剂表面接触，能够直接与活性位发生作用而使催化剂钝化。催化剂碱金属中毒反应原理如图2所示，碱金属离子质量分数对脱硝效率的影响如图3所示。

图2 催化剂碱金属中毒反应原理

图3 碱金属离子质量分数对脱硝效率的影响

由图2、图3可以看出：催化剂碱金属中毒是由于催化剂与烟气中的碱金属离子发生反应所致，且催化剂活性随着碱金属离子质量分数的增加而急剧下降。因此要减轻或避免该类情况的发生，应采取以下措施。

(1)避免催化剂出现结露现象。催化剂所处区域温度为350 ℃左右，远高于烟气正常状态下的酸露点和水露点，理论上不会出现结露现象。但当炉膛或烟道内受热面发生泄漏时，大量水蒸气进入烟气，使蒸汽在催化剂处凝结的可能性大大增加。因此，受热面泄漏时，应停止生物质燃料的掺烧工作。

(2)控制生物质燃料的掺烧比例，避免其对原有的烟气特性产生明显影响，也可以降低碱金属对催化剂活性的影响。

4.4 生物质燃料的储存和输送

4.4.1 大规模收集、运输及储存难度大

我国土地以农民家庭为承包经营单位，各家各户相对独立，种植农作物种类多样、自由，统筹性差，资源相对分散，这给大规模机械化的秸秆收集造成巨大困难。

原生态的秸秆膨松，堆积密度小(0.1～0.2 g/m3)，体积庞大，装卸困难，安全系数低，人工成本高，不适合打车装运，运输成本高。

秸秆堆积密度小，储存占地面积大。实际运行中，原生态玉米秸秆收集堆垛高3.0 m(放置6个月后高2.5 m左右)，垛宽5.0 m，垛间距宽3.0～5.0 m(为消防通道)，2 666.7 m2场地仅可储存1 500多t玉米秸秆，按年产2万t玉米秸秆计算，工厂需要原料场地35万m2。

4.4.2 储存安全风险大

秸秆属于易燃易腐物，储存过程中不仅要高度防火，还要防雨防腐，然而庞大的堆放面积给秸秆的防护工作带来了高额成本和巨大困难。

另外，生物质是韧性纤维质材料，可磨性差，大量掺烧时易发生输煤系统及制粉系统堵塞。

市场上有干燥、压缩成型的生物质燃料，与原始的生物质燃料相比，成型后的生物质燃料密度与煤相近，方便储存和输送，可磨性较好，易于进行掺烧，但成本较高，经济性较差。

5 结束语

生物质燃料作为一种低硫、低碳的清洁能源，具有良好的着火性能，且与煤掺烧的技术简单。虽然可能引起一些问题，但掺烧比例小时，不必对现有设备进行改造，也不会对系统产生显著影响。而且掺烧生物质燃料可以降低电厂的燃料价格，带来直接的经济效益，还可降低电厂污染物的排放，社会效益较为显著。