生物質(zhì)燃料作為一種可再生清潔能源，與煤摻燒可降低燃煤電廠CO2、SO2以及NOx的排放，從生物質(zhì)摻燒的經(jīng)濟性及可能產(chǎn)生的問題等方面分析了內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限公司摻燒生物質(zhì)燃料的可行性，總結(jié)摻燒生物質(zhì)燃料主要存在的問題，并提出相應解決方案，可為電廠帶來直觀的社會效益和經(jīng)濟效益。

引言

0

生物質(zhì)燃料作為一種可再生清潔能源，其揮發(fā)分、硫分、灰分等指標均優(yōu)于燃煤，而且價格相對低廉。內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限公司(以下簡稱托電公司) 計劃在煤中摻燒生物質(zhì)燃料，以達到減少污染物排放、增加發(fā)電效益的目的。

生物質(zhì)燃料概況

1

生物質(zhì)燃料是將農(nóng)林廢棄物(如秸稈、鋸末、甘蔗渣、稻糠等)作為原材料，經(jīng)過粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝，制成各種成型(如顆粒狀)的、可直接燃燒的新型清潔燃料。其中秸稈是生物質(zhì)燃料的最主要原料。常見秸稈與托電公司燃煤各元素的對比見表1。由表1可以看出，生物質(zhì)燃料具有高揮發(fā)分、低碳、低灰分等特點，易于燃燒，同時S和N的質(zhì)量分數(shù)也低于煤，尤其是S的質(zhì)量分數(shù)僅為托電公司燃煤的1/10～1/8，可以降低CO2和SO2等污染物的排放，說明生物質(zhì)燃料是一種清潔能源。

表1 常見秸稈與托電公司燃煤各元素的對比

生物質(zhì)燃料的優(yōu)點

2

2.1 社會效益顯著

2.1.1 降低污染物排放

生物質(zhì)燃料作為一種清潔能源，其固定碳和硫的質(zhì)量分數(shù)遠低于燃煤，以托電公司為例，如以1%的能量比例摻燒生物質(zhì)燃料，每年需燃燒10萬t生物質(zhì)燃料，可減少CO2排放約7萬t，減少SO2生成量1600t，在改善公司環(huán)保指標的同時，也降低了公司脫硫、脫硝系統(tǒng)的運行成本。

2.1.2 減少粉塵的排放

生物質(zhì)燃料的灰分僅為煤的1 /5 左右，因此摻燒生物質(zhì)燃料會減少煙氣中粉塵的含量。以托電公司為例，當玉米秸稈的能量比摻例為1%時，燃料的總灰分將降至27.73%，假設電除塵器出口煙氣粉塵質(zhì)量濃度為50mg/m3(名義工況)，每年粉塵排放量可減少約35t。

2.1.3 帶動地方經(jīng)濟發(fā)展

托克托縣耕地面積為67141.67hm2，主要農(nóng)作物為玉米，按70%耕地種植玉米計算，每年約產(chǎn)玉米秸稈33.83萬t。傳統(tǒng)的處理方式多為就地焚燒，能源利用率極低，而且大量污染物直接排放，對環(huán)境影響很大。

當托電公司以2%的能量比例進行摻燒時，每年需要摻燒玉米秸稈34萬t，相當于托克托縣全年的玉米秸稈產(chǎn)量，不僅能使周邊農(nóng)民直接受益，公司自身也能獲得廉價的燃料。而且托電公司可以將玉米秸稈大規(guī)模、高效率地利用，避免了直接焚燒對大氣的污染。

另外，生物質(zhì)與煤摻燒前需要經(jīng)過粉碎、壓縮、干燥等處理，形成了一個獨立的產(chǎn)業(yè)鏈，大規(guī)模摻燒的前提下，可以建設處理廠，增加就業(yè)崗位，帶動地方經(jīng)濟發(fā)展。

2.2 改善煤的燃燒性能

由于生物質(zhì)燃料具有高揮發(fā)分、低碳的特點，因此其易于燃燒且燃燒主要集中于燃燒前期，而煤由于碳含量高，燃燒主要集中于后期。因此在煤中摻燒秸稈可以改善煤的著火性能，獲得更好的燃盡特性。

2.3 減輕鍋爐設備的磨損

由于生物質(zhì)燃料的灰分僅為煤的1/5左右，因此摻燒生物質(zhì)燃料會減少煙氣中飛灰的含量，減輕鍋爐設備的磨損。同時還可以降低電除塵器的電耗，改善煙氣中的粉塵指標。

2.4 增加鍋爐設備的經(jīng)濟效益

摻燒生物質(zhì)燃料能夠減少燃煤的用量，由于生物質(zhì)的市場價格比煤的價格低廉，摻燒生物質(zhì)燃料可以增加電廠的直接經(jīng)濟效益。

摻燒生物質(zhì)燃料的經(jīng)濟性分析

3

以托電公司為例，2013年耗標煤量達900萬t左右，機組平均煤耗約為325g/(kW˙h)，如以1%的能量比例摻燒玉米秸稈，則需摻燒玉米秸稈約17萬t，可減少標煤耗量9萬t。

托電公司2013年標煤價格約為370元/t，則只要玉米秸稈價格低于195元/t，摻燒就能產(chǎn)生經(jīng)濟效益。各種生物質(zhì)燃料摻燒情況統(tǒng)計見表2(以1%能量比例摻燒)。

表2 各種生物質(zhì)燃料摻燒情況統(tǒng)計

摻燒生物質(zhì)燃料主要存在的問題

4

4.1

燃燒器噴口結(jié)焦、燒損由于生物質(zhì)燃料易于著火，摻燒時會造成著火提前，大量摻燒或單臺磨煤機摻燒時可能會造成燃燒器噴口結(jié)焦或燃燒器燒損。

根據(jù)試驗，當能量摻燒比例小于2%或質(zhì)量摻燒比例小于4%時，摻燒可直接進行，不用對現(xiàn)有設備進行改造，對電廠設備的安全性不會造成任何影響。

4.2

受熱面結(jié)焦、腐蝕生物質(zhì)燃料灰分中堿性成分(K，Ca，Na等)高，與煤摻燒時會降低煙氣的灰熔點，增加受熱面結(jié)焦的可能性，另外，堿金屬也會腐蝕鍋爐受熱面。

生物質(zhì)燃料摻燒對灰熔特性的影響如圖1所示，從圖1可以看出，當生物質(zhì)燃料的質(zhì)量摻燒比例小于5%時，對煙氣的灰熔特性不會產(chǎn)生明顯影響。

圖1 生物質(zhì)燃料摻燒對灰熔特性的影響

4.3 造成選擇性催化還原法(SCＲ)催化劑中毒

由于生物質(zhì)燃料灰分中堿性成分(K，Ca，Na等)高，堿金屬如果與催化劑表面接觸，能夠直接與活性位發(fā)生作用而使催化劑鈍化。催化劑堿金屬中毒反應原理如圖2所示，堿金屬離子質(zhì)量分數(shù)對脫硝效率的影響如圖3所示。

圖2 催化劑堿金屬中毒反應原理

由圖2、圖3可以看出：催化劑堿金屬中毒是由于催化劑與煙氣中的堿金屬離子發(fā)生反應所致，且催化劑活性隨著堿金屬離子質(zhì)量分數(shù)的增加而急劇下降。因此要減輕或避免該類情況的發(fā)生，應采取以下措施：

(1)避免催化劑出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。催化劑所處區(qū)域溫度為350℃左右，遠高于煙氣正常狀態(tài)下的酸露點和水露點，理論上不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。但當爐膛或煙道內(nèi)受熱面發(fā)生泄漏時，大量水蒸氣進入煙氣，使蒸汽在催化劑處凝結(jié)的可能性大大增加。因此，受熱面泄漏時，應停止生物質(zhì)燃料的摻燒工作。

圖3 堿金屬離子質(zhì)量分數(shù)對脫硝效率的影響

(2)控制生物質(zhì)燃料的摻燒比例，避免其對原有的煙氣特性產(chǎn)生明顯影響，也可以降低堿金屬對催化劑活性的影響。

4.4 生物質(zhì)燃料的儲存和輸送

4.4.1 大規(guī)模收集、運輸及儲存難度大我國土地以農(nóng)民家庭為承包經(jīng)營單位，各家各戶相對獨立，種植農(nóng)作物種類多樣、自由，統(tǒng)籌性差，資源相對分散，這給大規(guī)模機械化的秸稈收集造成巨大困難。

原生態(tài)的秸稈膨松，堆積密度小(0.1～0.2g/m3)，體積龐大，裝卸困難，安全系數(shù)低，人工成本高，不適合打車裝運，運輸成本高。

秸稈堆積密度小，儲存占地面積大。實際運行中，原生態(tài)玉米秸稈收集堆垛高3.0m(放置6個月后高2.5m左右)，垛寬5.0m，垛間距寬3.0～5.0m(為消防通道)，2666.7m2場地僅可儲存1500多t玉米秸稈，按年產(chǎn)2萬t玉米秸稈計算，工廠需要原料場地35萬m2。

4.4.2 儲存安全風險大

秸稈屬于易燃易腐物，儲存過程中不僅要高度防火，還要防雨防腐，然而龐大的堆放面積給秸稈的防護工作帶來了高額成本和巨大困難。

另外，生物質(zhì)是韌性纖維質(zhì)材料，可磨性差，大量摻燒時易發(fā)生輸煤系統(tǒng)及制粉系統(tǒng)堵塞。

市場上有干燥、壓縮成型的生物質(zhì)燃料，與原始的生物質(zhì)燃料相比，成型后的生物質(zhì)燃料密度與煤相近，方便儲存和輸送，可磨性較好，易于進行摻燒，但成本較高，經(jīng)濟性較差。

結(jié)束語

5

生物質(zhì)燃料作為一種低硫、低碳的清潔能源，具有良好的著火性能，且與煤摻燒的技術(shù)簡單。雖然可能引起一些問題，但摻燒比例小時，不必對現(xiàn)有設備進行改造，也不會對系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響。而且摻燒生物質(zhì)燃料可以降低電廠的燃料價格，帶來直接的經(jīng)濟效益，還可降低電廠污染物的排放，社會效益較為顯著。