生物质与煤混燃研究现状与展望

朱峰岸

（国家能源集团宝庆发电有限公司，湖南 邵阳 422000）

进入21世纪以来， 我国经济发展迅速，对能源需求逐年增加，现已成为世界第一大能源消耗国。我国能耗主要来自煤炭，且在未来相当长时间内仍会以煤炭消耗为主[1]。随着煤炭等传统的化石燃料持续燃烧消耗导致的臭氧层稀薄、全球变暖、酸雨等问题越来越严重，如何节约煤炭等化石燃料资源以及寻找替代能源以消除使用化石燃料的不利影响成为目前全球各国急需解决的问题。

1 国外研究现状

生物质是一种可再生绿色能源，生物质燃烧能达到生态意义上的零碳排放。生物质是煤炭等传统化石燃料理想的替代能源。由于生物质能量密度低，热值低，燃料供应受季节和区域影响，不利于远距离运输，且易导致锅炉燃烧不稳定，因此生物质纯燃锅炉的经济性无法得到保证[1]。生物质与煤混燃作为一种很有前景的污染物减排技术，受到了全世界的关注[2]。只需对现有燃煤设备进行小幅度改造，就能实现煤炭与生物质共利用。这不仅对有效利用生物质资源、缓解能源紧张问题、降低环境污染非常有利，还可以促进生物质燃料市场的形成，为社会提供就业机会。因此生物质与煤混燃技术具有重要的经济、社会和环保意义。化学链燃烧（CLC）是一种很有前景的技术，可用于捕获、固定CO2，无需对烟气进行后处理。Bhui等[3]研究了固体燃料的固有成分（灰分、挥发物和焦油）对CLC性能的影响及固体燃料共燃的协同和抑制作用，探讨了CLC过程中NOx和SOx污染物的形成和还原机制，分析了基于CLC火力发电厂的性能。结果表明，与传统发电系统相比，使用CLC技术的发电系统净热效率提高了5%～6%；应用基于混合燃烧的CLC技术，能量损失很小，在实施碳捕获和封存（CCS）方面十分有发展前景。

Fariha等[4]研究了几种生物质和煤的混烧，进行了生物质与煤的工业分析和元素分析以及热值分析，以评估煤和生物质的特性，希望通过实验寻找到可以实现生态友好的能源。结果表明，煤和葵花渣以60∶40的比例混合燃烧是最有效的，与纯煤燃烧相比，混合燃烧烟气中NOx、SOx和CO2的排放更少。该研究结果表明了实验所选生物质残渣与煤炭的混合燃料比传统化石燃料环保且是可持续生产能源，在未来有广阔的应用前景。

Yang等[5]通过实验与模拟相结合，对比分析了生物质与煤混合燃烧特性和NO排放情况以及二者之间的关系。实验结果表明，随着生物质混合重量比的增加，排放物中NO浓度明显降低。当生物质比重达到50%时，NO排放量降低了24%，排放主要集中在稳定的炭燃烧阶段。

Guo等[6]通过热重分析对生物质与煤的燃烧进行了比较研究。生物质和煤的燃烧过程可分为挥发性化合物的释放和燃烧、炭的氧化和燃烧。研究表明，随着生物质比重的增加，最大燃烧速率和燃烧指数会相应增加，而燃尽温度会降低，说明煤的燃烧性能得到了改善。

2 国内研究现状

王华山等[7]通过实验研究了生物质和煤混烧过程。结果表明，混合燃料在一定比例区间内，煤的燃烧温度和综合燃烧特性指数分别随生物质掺混比增加而下降和增大；当生物质与煤以1:1的比例掺混时，掺混物的着火点接近生物质的着火点；综合燃烧、燃尽特性指数随升温速率增加而增大，混合物的燃烧反应移向高温区。该结果为解决降低煤的着火温度问题和缓解煤炭资源不足问题提供了依据。

马彦花等[8]通过Fluent软件模拟300 MW炉内煤与生物质的混燃过程，分别研究了在空气及O2/CO2燃烧气氛下，生物质燃料的掺烧及氧浓度对炉内温度场、速度场和组分分布等方面的影响。结果表明，富氧气氛下燃料的着火及燃尽比空气气氛下要晚，CO排放量增加，且燃烧区气体流速减慢；生物质的掺混改善了燃烧特性，使着火和燃尽提前，使CO排放量减少。

吕媛等[9]研究了混合燃料中生物质与煤掺混比例对灰熔融特性的影响，并进行了动力学分析。研究发现，生物质混合比增加可使混燃物中铝和钾含量分别下降和升高，更多低熔点物质的生成将导致灰熔融温度下降。此外，动力学分析发现灰熔融反应活化能随生物质混合比增加而降低。

陈博文[10]通过沉降炉模拟了电厂中锅炉实际运行工况下煤与生物质混燃。研究发现，碱金属（尤其是K，Na，Ca）对灰熔融特性的影响显著。碱金属含量高，会导致混燃物灰熔融变形温度降低。灰渣中碱金属含量随生物质掺混比增加而增加。产生较多粘附力强、熔点低的物质，将导致灰渣成渣。

生物质与煤在大型电厂锅炉中混燃是当前研究热点之一。王凯等[11]通过数值模拟方法，以670MW燃煤锅炉为研究对象，研究了燃料粒径、气体再燃、喷入位置等因素对产生污染物的影响。研究发现，用生物质替代下层煤粉后，NOx排放明显减少，且炉膛下部整体温度下降；但燃尽温度升高，可能会导致过热器超温。这些发现对研究和实际应用煤与生物质在大型燃煤锅炉中的混燃具有一定的现实参考意义。

嵇顺[12]通过实验研究了生物质与煤混燃过程中添加剂的影响、混燃特性和结渣特性。研究表明，添加剂可以促进燃烧，减轻结渣，但会导致NO排放量增加，且过多的添加剂会影响传热；混合燃料着火、燃尽温度及NO生成量随着生物质比例增加而降低。生物质灰中含较多助熔物CaO、Fe2O3，可促进低温共熔反应，导致结渣性增强。

张小桃等[13]研究发现，掺混生物质后锅炉效率和系统效率为纯煤燃烧的88%～93%；随着生物质掺混比增大，烟气中氮硫化合物排放量相应减少。此结论为生物质的实际合理应用及减小现有燃煤电厂的污染物排放量提供了理论依据。

3 结论与展望

将生物质与煤混烧，不仅能在简单改造现有设备后直接投产利用，降低投资成本，还可以显著减少污染排放。发展生物质与煤混合燃烧发电技术意义重大且前景广阔。

由于我国传统火电技术较成熟，因此暂时还未在生物质与煤混合燃烧技术与设备等方面加以重视。现阶段，由于我国生物质与煤混合燃烧技术的理念和配套设施还不够成熟，再加上生物质与煤混合燃烧易导致的炉内积灰结渣等问题还会严重影响安全性、可靠性，因此生物质与煤混合燃烧技术目前还没有得到国家相应政策的大力扶持。不过，随着我国持续调整能源的结构和持续提高节能减排的标准，部分燃煤电厂为响应国家发展计划，已经对现有设备进行了改造。

我国生物质资源丰富。充分利用生物质资源，在形成生物质燃料市场后，可以带动部分地区经济的发展，能够有效节约化石燃料和减轻环境污染，具有显著的经济、能源、社会、环境效益。我国应根据相关研究成果和资料，充分发挥生物质与煤混燃的诸多优势，加大技术研发和资金投入力度，制定科学的生物质与煤混合燃烧技术方案，研制高效的相关设备，制定相关扶持政策并加大对生物质与煤混合燃烧技术的宣传力度，以推动相关技术的发展。