煤粉炉掺烧生物质发电技术研究进展

周 义，张守玉，郎 森，刘思梦，杨济凡，马达夫，胡 南，吴玉新

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2.长春工程学院，吉林 长春 130103；3.清华大学 热能工程系，北京 100084)

0 引 言

近年来，化石燃料过度使用造成的环境恶化、气候变暖等问题受到国际社会重视，控制CO2排放已迫在眉睫。国家主席习近平在联合国第七十五届联合国气候大会郑重承诺：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和[1]。

在我国所有工业部门中，发电行业是CO2最大排放者，2019年中国火力发电CO2排放量达4.3 Gt，占全国总排放量的41%。研究认为中国现有能源结构阻碍了碳中和、碳达峰目标的实现[2]。为优化我国能源结构，火力发电需要为新能源让出发电负荷，然而风能、水能、光伏等新能源由于其随机性、间歇性等特点导致电网难以消纳。此外，现阶段燃煤机组调峰能力尚有不足致使“弃风”、“弃光”甚至部分地区“拉闸”现象发生[3-6]。若强制控碳减排，关停煤电机组势必造成巨大的资产搁置，危害我国能源安全。

联合国气候变化委员会发布了各种电源碳排放强度，其中煤电、石油、天然气、生物质碳排放强度分别为1 001、840、469和18 g/kWh(以CO2计)[7]，与煤电、石油、天然气相比，生物质的碳排放强度可忽略不计。生物质储量丰富、可再生、清洁、反应活性好[8-10]，利用现有煤粉炉掺烧生物质仅需适当改造，可实现CO2快速减排，促进锅炉侧燃料灵活性转变[11]。此外，农林类生物质中挥发分高，与煤混燃能改善燃料燃烧性能，降低着火热[12]，有助于机组低负荷稳燃并促进其向更低负荷调峰[13]。而生活垃圾、禽畜粪便、污泥及废弃油脂类生物质能源化利用可使其无害化、资源化，利于环境治理。

燃煤耦合生物质发电技术在欧美国家应用甚广，煤/生物质混烧电站已达200余家[14]。我国在《能源、电力“十三五”规划》中也坚定支持发展燃煤耦合生物质发电技术[15]，但由于起步晚，与欧美等发达国家还有一定差距。笔者总结生物质与煤混燃的燃烧特性、结渣特性及污染物排放特性，讨论了燃煤电站耦合生物质发电方式、改造路线以及技术壁垒，并对技术壁垒的应对措施进行概述，为燃煤电站掺烧生物质改造提供理论和技术支持。

1 掺烧生物质对燃烧、结渣、排放的影响

在尽量不改变机组结构的同时进行掺烧或煤种改良等，可增强锅炉燃料灵活性，提高整个机组对燃料的适应性[16]。机组对燃料的适应性是保证燃煤机组调峰潜力的基础。对于煤粉炉掺烧生物质而言，有必要对生物质燃料特点及其与煤混燃的燃烧、结渣及污染物排放特性进行研究。

1.1 生物质燃料特点

国际能源机构(IEA)将生物质定义为通过光合作用所形成的有机体，包括动植物以及微生物[17]，主要有农林废弃物、污泥、动物粪便、生活垃圾、废弃油脂。我国生物质资源量及其能源化利用现状如图1所示。同时，笔者对不同类型生物质燃料及煤的燃料性质进行统计，结果见表1。

图1 我国生物质资源量及其能源化利用现状Fig.1 Current situation of biomass resources and energy utilization in China

表1 不同生物质及煤的燃料性质统计(平均值)Table 1 Statistics on properties of different types of biomass fuels and coals(average)

1)秸秆。截至2020年，我国秸秆资源年产量为8.29亿t，但能源化利用仅有8 821.5万t[17]，开发利用潜力巨大。秸秆挥发分高、固定碳低、低硫、低灰分，是良好的清洁燃料[21]。但缺点是能量密度低、分布较分散，其供应受季节影响较大。

2)林业剩余物。林业剩余物主要指林业的“三剩物”即砍伐剩余物、造材剩余物及加工剩余物，我国年林业剩余物产量约3.5亿t[17]。与农业废弃物秸秆相比，林业剩余物不仅具有高挥发分、低灰、低硫等特点，其纤维素含量较低、木质素含量较高，易破碎为粉末颗粒，较适于煤粉炉直接掺烧。

3)污泥。由《3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书》可知，我国2020年污水污泥干重产量为1 447万t，仅有114.6万t被能源化利用[17]。污泥主要特点为：高水分、高灰分、低热值以及较高的重金属含量[22]。

4)动物粪便。我国2020年畜禽粪便干重产量达18.7亿t，沼气化利用仅为2.11亿t[17]。粪便类生物质主要特点为高水分、低灰分、相对较低的热值[23]。

5)生活垃圾。当前我国生活垃圾年产量为3.1亿t，其中垃圾焚烧量约为1.43亿t[17]。其特点为：热值低、重金属含量高、污染重。

6)废弃油脂。油脂废弃物指食品加工业及餐饮业中不能再使用的动植物油脂，我国废弃油脂年产量为1 055.1万t，能源化利用量为52.76万t[17]。

1.2 生物质/煤混燃燃烧特性

燃料的燃烧特性是锅炉燃烧设备设计的主要依据，主要包括燃料的燃点、燃烧速率、热值、燃尽温度等[24]。

对于农林废弃物类生物质而言，其高挥发分、低碳含量的燃料性质决定了该类生物质具有较好的反应活性及低热值[25-29]。而煤较低的挥发分、较高的含碳量决定了煤的高热值，也导致反应活性较差。相对燃煤而言，生物质与煤混燃增加了燃料挥发分含量，使其燃烧过程中局部挥发分增加，提高局部挥发分与氧气体积分数的比值,燃点为不同环境温度与挥发分等参量的函数，挥发分与氧气体积分数比越大越易着火[30]。因此，掺烧该类生物质可降低混合燃料的燃点使燃烧提前[26]。王健等[27]对不同掺混比例下平朔煤与棉杆混合焦的燃烧特性进行研究，发现掺入一定比例棉杆焦可降低混合焦燃烧活化能从而降低燃点、提高燃烧速率，但生物质焦与煤焦燃烧速率及夺氧能力的不同使混合燃料的燃烧速率与掺烧比例呈非线性变化。戴惠玉[28]研究不同比例锯末和煤的燃烧特性，发现随生物质掺烧量的增加，燃料燃烧性能越好，而燃尽性能变化不大，但仍存在最佳混燃比。王华山等[29]研究了兰炭和稻壳混燃的燃尽性能，发现生物质灰熔融温度低，随生物质添加比例增加，燃烧产生的灰分会堵塞燃料细孔，抑制挥发分析出和焦炭燃烧。综上，虽然生物质掺烧可降低燃料燃点，促进煤燃烧，但掺混比对燃烧速率及燃尽性能的影响不同，仍需进一步研究。

对于污泥类生物质，其含水量高和灰分高的特点导致热值较低，但经干燥脱水后热值与褐煤相当[21]，增加了其能源化利用的可能性。煤与干化后污泥混燃时，由于污泥中挥发分相对较高，混合燃料的燃点降低，着火稳定性高于煤。高挥发分燃料性质特点往往会使燃尽提前[30]。但污泥灰含量较高，其综合燃烧特性指数低于煤，整体燃烧性能不如煤。

煤粉炉掺烧禽畜粪便、湿垃圾等生物质时，通常将该类生物质经气化炉生成CH4、CO、H2等低燃点生物质气，然后通入煤粉炉耦合燃烧。低燃点气体的作用与挥发分类似，可降低燃点，改善燃烧特性，提高燃烧稳定性[31]。

掺烧农林类生物质及生物质气可改善燃烧特性。煤粉炉掺烧农林生物质及生物质气时炉膛只需维持在煤粉燃点以上[32]，即可顺利着火。一次风着火距离与燃料挥发分呈负相关关系[30]，即挥发分含量越高着火距离越短，越有利于锅炉稳定燃烧。因此，利用该特性可在锅炉不投油时，增加锅炉低负荷燃烧稳定性，提高机组调峰能力。

1.3 生物质/煤混燃结渣特性

锅炉结渣是复杂的物理化学过程，农林类生物质及污泥类生物质中富含大量无机元素，其与煤混燃过程中易生成气相冷凝细灰及低温共熔体[33]，黏附在换热面上易造成结渣。结渣是生物质/煤混燃的最大风险，而灰熔融温度及烟气中碱金属含量是反映锅炉结渣状况的重要参数。

影响生物质/煤灰熔融温度的元素主要有K、Na、Ca、Mg、S、Cl、Fe、Al、Si、P等[22]。黄东东等[34]认为灰中成分可分为酸性氧化物(SiO2、Al2O3)及碱性氧化物(K2O、Na2O、CaO、Fe2O3、MgO)，酸性阳离子具有较高的离子势，易与氧离子结合形成多聚物提高灰熔融温度；而离子势较低的碱性阳离子作为氧的给予体能解聚多聚物，降低灰熔融温度。非金属元素Cl、S含量对碱金属及碱土金属的成灰过程有重要影响，Cl元素可以增大燃烧过程中碱金属的析出比例[35]，S元素虽然会与碱金属发生硫化反应降低烟气中碱金属含量，但生成的硫酸盐易在换热面上冷凝，形成黏性表层进而捕获烟气中灰颗粒造成锅炉结渣[36]。因此，煤粉炉掺烧生物质需考虑混合燃料的酸碱比及碱金属含量[35]。农林废弃物碱金属含量高，大量掺烧时易结渣；而污泥灰含量较高，相较于农林废弃物更易积灰，因此污泥掺烧过程中需控制污泥掺烧量，注意炉膛及时吹灰；而掺烧生物质气可一定程度缓解灰熔融温度低引起的炉底结渣[21]，但生物质气中仍含有碱金属，易形成气相冷凝细灰进而造成结渣。

1.4 生物质/煤混燃污染物排放特性

煤粉炉掺烧生物质可有效降低CO2排放，但SOx、NOx等污染物排放取决于燃料硫含量、氮含量及炉膛燃烧温度等[37-38]。

1)SOx排放。农林类生物质硫含量较低[18]，因此在掺烧生物质时锅炉硫化物排放量低。此外，生物质中富含K、Ca、Mg等碱金属，其与煤燃烧过程中，碱金属会与烟气SO2反应生成硫酸盐起到良好的固硫作用，可进一步降低烟气中SOx含量[39]。而污泥含硫量通常比煤高且主要以易挥发的有机硫形态赋存[23]，不适合大量掺烧，但低比例掺烧时，煤中Ca等矿物质可与SOx发生反应固硫，对SOx排放影响不大[40]。生物质气中硫含量极低，掺烧生物质气可有效降低SOx排放[41]。

2)NOx排放。燃煤锅炉烟气中NOx生成方式比较复杂。燃烧过程中生成的NOx可分为燃料型、热力型及快速型，燃料型NOx占75%左右，热力型约占20%，快速型NOx生成量较少[42]。

掺烧农林生物质是减少NOx排放的重要方法，该类生物质与煤混燃过程中，生物质中挥发分大量释放并与煤粉夺氧燃烧导致煤粉周围出现局部贫氧，可有效抑制中间产物向NOx转化[43]。其次，生物质中氮常以氨基形式存在，易于还原气氛下生成CHi、NHi等基团，将生成的NOx转化为HCN和N2[44]。此外，生物质热值较低，掺烧生物质时炉膛温度相应降低，可减少热力型NOx的生成，但锅炉过低的烟温易导致SCR脱硝催化剂失活[32]。倪刚等[18]在50 kW下行炉上对生物质与贫煤混燃的掺烧位置进行研究，发现生物质从还原区且接近燃尽区射入对NO的还原效果较好。但实际改造过程中考虑到掺烧方式、燃料性质及改造成本，生物质通常从锅炉最上层或最下层备用燃烧器喷入[44]。

污泥中有较多蛋白质，其氮元素含量高于原煤。少量掺烧时，污泥中挥发分会夺氧燃烧并生成CHi及NHi基团，降低热力型NOx生成，但大量掺烧会导致燃料型NOx排放增加。TAN等[45]通过现场试验发现污泥掺烧比小于7.35%(质量比)时，NOx排放量随掺混比上升而下降。

生物质气的主要成分为CH4、CO、H2等气体，均为可与NO发生反应的还原性气体，掺烧生物质气可有效降低NOx排放量。杨章宁等[46]在50 kW下行炉上对生物质气与贫煤混燃的掺烧量、掺烧位置进行研究，发现生物质气从燃尽区附近喷入燃烧对NOx排放量的降低效果最好，且随着生物质气掺烧量的增加，NOx排放量逐渐降低。

3)颗粒物排放。燃煤机组颗粒物排放主要来源于燃料灰分，通常燃料灰分越高，烟气中的颗粒物含量越高[47]。农林生物质和生物质气中灰含量低，掺烧会降低烟尘排放，但农林生物质燃烧后会生成大量亚微米细颗粒，常规的静电除尘无法将其完全脱除，因此需要加装布袋除尘器等除尘设备[32]。污泥灰分高，掺烧时颗粒物排放高。

4)重金属排放。相较于农林废弃物、生物质气，污泥富含重金属，电厂掺烧污泥后锅炉烟气以及飞灰中的重金属也会增加[48]。污泥掺烧过程中，挥发性较强的重金属如As、Hg、Se富集于烟气中，而挥发性较差的重金属如Pb、Cu、Cr、Ni多富集在灰渣中[40]。李德波等[49]对某330 MW锅炉掺烧不同比例污泥，研究了重金属排放特性，发现污泥掺烧质量分数在8%以下时对机组重金属排放无明显影响。

2 掺烧方式灵活性

2.1 农林废弃物的掺烧方式

适用于燃煤电站耦合生物质的方案有3种：直接耦合、间接耦合和并联耦合[2]。直接耦合是将预处理后的生物质与煤粉一同送入锅炉燃烧；间接耦合是将生物质燃烧或气化后生成的气体引入锅炉发电，禽畜粪便、湿垃圾及废弃油脂类生物质通常采用该种耦合方式；并联耦合是煤与生物质分别采用各自的燃烧系统即煤粉炉和生物质锅炉，二者产生的蒸气进入机组热力系统耦合发电。3种掺烧方案示意如图2所示。

图2 煤粉炉掺烧生物质的技术路线Fig.2 Technical routes of biomass blending in pulverized coal furnace

间接耦合可避免因碱金属含量高引发的锅炉结渣问题，避免生物质制粉繁琐问题，燃料适应性强，也利于回收粉煤灰。并联耦合同样可减少掺烧生物质带来的沾污、结渣问题，有利于粉煤灰及生物质灰的分级回收利用。但间接耦合需要加装生物质气化炉，并联耦合需要新增生物质锅炉。间接耦合和并联耦合改造成本及运行成本都较高，是直接耦合生物质的4～9倍，3种耦合形式的改造投资及运行成本[14]见表2。直接耦合更适合我国燃煤机组的改造。

表2 掺烧生物质直接、间接和并联耦合的改造、运行成本Table 2 Modification and operating costs of direct,indirect and parallel coupling of biomass blending 元/kWh

直接耦合根据生物质的掺烧位置不同有4种耦合方式[50]：制粉处耦合、一次风管处耦合、燃烧器处耦合以及独立燃烧器处耦合方式，具体如图2所示。

制粉处耦合即将预处理后生物质与煤一起送入磨煤机中磨制成粉，在一次风气流的作用下经燃烧器进入炉膛燃烧。该种耦合方式几乎不需对现有锅炉设备进行改造，成本较低。但生物质磨制困难且易堵塞输粉管道[51]，生物质可掺烧比例较小(热值比0～10%)[14]。

一次风管处耦合是将预处理后生物质送入专用磨煤机磨制成粉，磨制完的生物质粉与煤粉在一次风管处混合并由一次风携带经燃烧器进入锅炉燃烧。辊式磨煤机、锤片磨和直吹式制粉系统较适合生物质粉的磨制运输[32,44]。该种耦合方式改造成本除新增专用生物质制粉设备外，无其他投资且改造过程不影响原机组运行。目前，该种燃烧方式最多可以掺烧20%(热值比)的生物质[14]。

燃烧器处耦合和一次风管处耦合相似，采用同样的独立生物质制粉设备，但生物质粉与煤粉于燃烧器处混合。该种耦合方式大大降低了生物质粉堵管风险，扩大了生物质粉粒径要求，提高了生物质耦合比例(10%～50%)[14]，但仍需建设复杂的生物质粉输送管路。此外，由于生物质碱金属含量高、燃点低、着火距离短，掺烧过程中可能会出现燃烧器结焦、烧毁现象，因此还需对原煤粉燃烧器进行相应改造[52]。

独立燃烧器耦合方案即生物质磨制完成后经专用输粉管道直接由生物质专用燃烧器送入炉膛燃烧。此时，生物质粉制备以及燃烧完全独立于燃煤系统，进一步提高了生物质掺烧比例(50%～100%)[14]。该方案改造成本在4种方案中最高，生物质掺烧量也最高。

2.2 污泥的掺烧方式

掺烧污泥方式通常分为直接掺烧、机组烟气直接干化后掺烧及蒸气间接干化后掺烧3种。煤粉炉的湿污泥含水量高、热值低不适合直接掺烧，通常需将污泥干化后掺烧[53]。

烟气直接干化污泥掺烧即利用锅炉高温烟气作为热源干燥污泥，干化后污泥与煤混合后一同送入磨煤机制粉，干化后产生的废气送入炉膛燃烧，如图3所示。炉膛高温及锅炉的脱硫、脱硝系统可满足污泥适量掺烧的排放问题。该种方案对锅炉效率影响不大，成本适中，但掺烧量过大时，所需烟气量大，易降低锅炉主蒸气参数[53]。

图3 烟气直接干化污泥掺烧工艺Fig.3 Process route of sludge dried by flue gas directly blending in co-combustion

蒸气间接干化污泥掺烧即利用汽轮机抽汽作为热源干燥污泥，干化后的污泥与原煤一同送入磨煤机制粉。干化产生的可凝废气通过冷凝器冷凝成水，不可凝废气则通入锅炉燃烧，如图4所示。该种掺烧方式的热源来自汽轮机抽气，对锅炉主蒸气参数影响较小，可实现污泥的大量干化掺烧，但对凝结废水的处理较为困难，成本较高[40]。

图4 蒸气间接干化污泥掺烧工艺Fig.4 Process route of sludge dired by steam indirectly blending in co-combustion

3 煤粉炉掺烧生物质壁垒及应对措施

3.1 农林废弃物的供应与储运

煤粉炉掺烧生物质对燃料的需求量大，生物质原料供应是限制生物质发电的核心问题。我国农业作业多以家庭式耕种为主，作物种植规模小，相对分散。其次，我国农业废弃物需要集中化收购且收购过程较大程度依赖农户意愿。因此，需建立较全面的农业生产体系，优化秸秆收购模式，建全生物质供应的相关政策，推进生物质能的利用。

对于生物质储运而言，先进燃煤机组掺烧生物质不可能将生物质以散料形式运到布置紧凑的电厂。将生物质压缩成型后运输至发电厂，可减少生物质散料运输成本及火电厂的储藏成本，且经压缩成型后的生物质颗粒能量密度及抗压强度也会显著提高[10]，利于火力发电厂的掺烧利用。

3.2 制粉、燃烧系统适应性

农林废弃物类生物质难以破碎，需采取合适的生物质制粉设备，如锤磨机、辊式磨煤机可满足生物质制粉需求。其次，对原料进行烘焙处理使其可磨性较好、疏水、热值增加[14]，提高该类生物质掺烧对制粉系统的适应性。农林废弃物挥发分高，掺烧时易造成着火提前，引起燃烧器超温进而造成燃烧器表面结焦或烧毁。因此，大比例掺烧生物质时，需适当调节一、二次风的风速，提高该类生物质掺烧对燃烧系统的适应性。

污泥类生物质含水量多，经干化后含水量仍达30%[40]，极易堵塞煤仓下料口及磨煤机入口，因此需控制污泥掺烧量并使污泥与煤混合均匀。

3.3 掺烧农林生物质的沾污、结渣问题

掺烧生物质的最大风险为锅炉的沾污、结渣问题。生物质中碱金属含量高，燃烧过程中引发的结渣[21]严重威胁机组安全性和经济性。燃料预处理及抗结渣添加剂可缓解掺烧生物质带来的结渣情况。相关研究表明[34]向燃料中掺烧一些富含SiO2、Al2O3的酸性添加剂改变灰分酸碱比可起到抗结渣作用。利用水洗、醋酸铵洗以及盐酸洗等洗涤方式[54]脱除了生物质中不同赋存形式的钾，可在提高生物质灰熔融温度的同时降低了锅炉炉膛烟气中钾含量，降低锅炉结渣的可能，也可减少碱金属含量高可能带来催化剂堵塞、中毒等问题[55]。

3.4 煤粉炉掺烧生物质的经济性

按热值折算生物质发电成本大多高于煤炭。无政府补贴的情况下，发电企业掺烧生物质大多亏本。污泥类生物质的掺烧虽会增加发电成本，但考虑到环境效益且依据现有补贴[56]仍可获得一定的经济效益。而掺烧农林废弃物类生物质因其生物质掺烧发电量难以精确计量，无法获取国家财政支持，步履维艰[57]。间接耦合及并联耦合中生物质发电量的监测手段已取得一定突破，但直接耦合中生物质发电量计量技术仍需进一步研究。清华大学孟庆慧等[58]提出一种14C同位素在线监测生物质混燃比的方法，可实现生物质发电量的精确检测，该技术已成功示范。

4 结语与展望

面对双碳压力，我国优化能源产业结构势在必行，生物质作为碳排放量极低的碳质燃料具有来源广、产量丰富等特点，利用潜力巨大，生物质掺烧可实现CO2快速减排。目前限制生物质大量掺烧的因素主要为：生物质燃料的来源及储运、生物质燃料发电量的单独计量。对此，提出如下建议：

1)生物质分布零散，储存与运输成本高。建议推行集中化的生物质收购模式，建立合理生物质市场秩序。同时进一步开发生物质压缩成型技术，提高生物质成型燃料的抗压强度、能量密度，降低生物质供应链的风险。

2)由于生物质发电量难以单独计量导致其暂无法获得财政补贴，掺烧生物质发电企业难以盈利。建议采用14C同位素在线监测技术以实现生物质发电量的精准计量。

3)农林废弃物类生物质反应活性好、挥发分含量高、燃点低，掺烧高挥发分燃料可以提升锅炉低负荷下稳燃能力。受制于生物质燃料的供应，短期内难以实现燃煤机组大量掺烧生物质，建议将其作为调峰“煤”使用[13]。上海理工大学碳基燃料清洁转化实验室以新疆棉杆及新疆褐煤为原料，研究掺烧生物质对燃烧稳定性的影响，并运用计算流体力学软件采用燃烧器处耦合方案对锅炉低负荷下掺烧生物质的稳燃性能进行仿真，相关试验台及仿真模型正在搭建中。