生物质燃煤耦合发电技术现状及建议

王剑利，张金柱，吉金芳，梁新磊，商永强，刘亚伟

(华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046)

0 引言

我国能源基本国情是多煤少油少气，因此煤电在我国电力安全供应中长期占据主导地位。电厂在发电的同时消耗大量燃煤，如何减少能源消耗避免环境污染一直是能源行业的探索方向。与此同时，随着我国工农业的发展及人民生活水平的提高，各种固体废弃物产生量日益增多，必须进行妥善处置。国家对固体废物的处理原则是减量化、资源化、无害化，优先选择的处置方法是综合利用，无法综合利用的只能填埋或焚烧。填埋需要占用土地资源，而且填埋渗滤液存在环境污染风险；焚烧处理则需要专业的焚烧设备及焚烧后烟气的专业处理设备，还需要专业技术人员负责运行维护，投资很高且专业技术要求高。

在此情况下，国家能源局、环境保护部于2017年11月27日发布了《关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知》(国能发电力〔2017〕75号，以下简称《通知》)，提出依托现役煤电高效发电系统和污染物集中治理设施兜底消纳农林废弃残余物、生活垃圾、污泥等生物质资源，促进电力行业特别是煤电的低碳清洁发展。但是，由于项目投资高，而且国家没有出台具体的电价补贴政策，所以项目运行经济性并不太理想，需要进一步探索高效、合理、经济的灵活路线。

1 欧洲生物质燃煤耦合发电现状

英国是目前世界上采取生物质混烧技术最多的国家。英国共有16座大型火电厂进行了生物质混烧发电，其中13座为总容量超过1 000 MW的大型燃煤火电厂。混烧生物质燃料有木材废料、木材颗粒、秸秆、棕榈壳、稻壳、污泥等，个别项目将生物质燃料与燃煤预混后送入磨煤机研磨，再通过送粉系统进入炉膛燃烧。有的项目改造为纯烧生物质燃料，将磨煤机更换为生物质研磨机，将煤粉燃烧器更换为生物质燃烧器，改造后实现100%燃烧生物质燃料。生物质燃料主要以废木材颗粒为主，来源为英国国内及周边国家的木材加工厂。

丹麦燃烧多种燃料/生物质的电厂采用多种生物质混烧方式，专门燃烧秸秆的生物质往复炉排锅炉产生超临界参数的蒸汽，与超临界煤粉炉产生的蒸汽混合后进入汽轮机发电，或在超临界煤粉炉中混烧废木材成型颗粒和煤。

芬兰有些电厂将生物质送入生物质气化炉中进行气化，产生的煤气送入煤粉炉中燃烧，实现生物质与燃煤的掺烧。生物质燃料包括木质生物质、切割和板材废弃物、回收的垃圾(如旧轮胎、切碎的塑料等)以及泥煤[1]。

欧洲这些电厂采用生物质耦合发电得益于欧洲有全世界最大的碳排放交易市场，这些电厂采用生物质替代燃煤后减少碳排放可获得巨大的收益；同时，欧洲有些国家从能源综合利用角度考虑对这些项目进行了补贴，保证电厂运行的经济性。

2 国内生物质燃煤耦合发电现状

《通知》确定的技改试点项目共计84个，总投资1 338 688万元，每年消纳生物质1 327万t。其中生物质气化耦合燃烧项目共55个，共消纳生物质688.7万t/a，总投资795 544万元，单位投资1 155元/t生物质；生物质锅炉蒸汽耦合项目1个，消纳生物质22.0万t/a，总投资18 930万元，单位投资860元/t生物质；农林废弃物入炉掺烧项目2个，消纳农林废弃物40.8万t/a，总投资10 428万元，单位投资256元/t农林废弃物；常规生物质电厂处理生物质15.0万t/a，总投资10 750万元，单位投资717元/t。

垃圾焚烧炉蒸汽耦合项目共2个，共消纳垃圾153.3万t/a，总投资242 584万元，单位投资1 582元/t垃圾；常规垃圾发电项目处理垃圾146万t/a，总投资206 312万元，单位投资1 413元/t。

采用污泥干化耦合掺烧的项目共24个，共消纳污泥362.0万t/a，总投资255 071万元，单位投资704元/t污泥；采用干化污泥掺烧的项目共4个，共消纳污泥47.6万t/a，总投资10 152万元，单位投资213元/t污泥；常规污泥焚烧发电项目处理污泥25.0万t/a，总投资23 000万元，单位投资920元/t。

通过对比以上各类项目可知，生物质和垃圾在常规燃煤电厂进行耦合发电时，如直接与燃煤掺烧并发电，投资比常规发电项目要低，如采用气化、蒸汽耦合等形式，则投资与常规发电项目相当。污泥耦合掺烧发电项目中，湿污泥需在电厂内进行干化后再掺烧，干污泥则可直接与燃煤掺烧，这类项目比常规污泥焚烧发电项目投资要低一些。

3 污泥掺烧

一般来说，处理1万t日常生活污水可产生约10 t含水率为80%的污泥[2]。1 000万人口的城市，按每人产生污水250 L/d计算，则可产生含水率为80%的污泥2 500 t/d，干化后可产生含水率为30%的污泥约700 t/d[3]。2台600 MW火电机组燃煤量约为12 000 t/d，700 t/d的污泥相当于机组燃煤量的5.8%，掺烧比例非常低。根据王裕明的研究，循环流化床锅炉掺烧污泥，燃烧效率可达到97%以上[4]，掺烧基本不会影响锅炉效率。考虑火电厂运行负荷率为50%的情况，只需要4台600 MW火电机组即可完全消纳以上污泥。生活污水污泥产生于人口集中的城市，同时城市也是用电负荷集中的地方，周边都有火电厂，可以很方便地对这些生活污泥进行消纳处理，防止污泥二次污染。

4 农林生物质掺烧

农林生物质包括秸秆、果壳、木片等，热值只是它们最基本的利用价值。我国2017年农作物总播种面积为166.332×106hm2，其中谷物为100.765×106hm2，占全国播种面积的60.60%。另外，我国各种农作物的种植分布很不均匀：新疆的棉花种植面积占全国的69.40%，黑龙江的豆类种植面积占全国的39.60%，排名前5的谷物种植省份为河南(10.33%)、黑龙江(9.93%)、山东(8.17%)、安徽(6.55%)、河北(6.31%)。

《2017年国民经济和社会发展统计公报》[5]显示，2017年全年稻谷产量为21 267.6万t，小麦产量为13 433.4万t，玉米产量为25 907.1万t。因此，2017年全国粮食平均单位面积产量为：稻谷，6.92 t/hm2；小麦，5.48 t/hm2；玉米，6.11 t/hm2。按照稻谷草谷比为0.9、小麦草谷比为1.1、玉米草谷比为1.2计算[6]，则2017年秸秆单位面积产量为：稻秆，6.23 t/hm2；麦秆，6.03 t/hm2；玉米秆，7.33 t/hm2。

图1 循环流化床锅炉掺烧生物质方案流程

图2 煤粉炉掺烧生物质方案流程

根据以上数据可知，我国的农业生物质资源很丰富，秸秆产生量很大，所以秸秆在田间燃烧对环境的影响很大。目前，秸秆可行的利用方式有发电、还田、制取饲料、制取沼气、制取燃气、制取生物质炭、制取液体肥。生物质在电厂内进行掺烧需要考虑电厂锅炉形式，目前电厂锅炉主要为煤粉锅炉及循环流化床锅炉，不同形式的锅炉掺烧方式不同。生物质可以与煤泥掺混进入炉膛燃烧，并且具有很好的固硫作用，降低污染物的产生[7]。生物质与煤的成分不同，含有的氯离子、碱性金属成分高，对锅炉受热面会产生腐蚀，因此，燃煤机组掺烧生物质比例不能太高[8]。

循环流化床锅炉进行生物质掺烧耦合发电非常简单，只需将生物质简单破碎或制成颗粒就可以送入炉膛掺烧。可以在炉前安装料仓，通过螺旋给料装置将物料送入炉膛内燃烧，也可以通过气力输送的方式直接将预处理后的物料送入炉膛内燃烧，如图1所示。这2种系统结构都很简单，投资低、运行维护方便、运行成本低，只要生物质按照热值折算后价格低于煤炭就有经济性。

煤粉炉进行生物质掺烧耦合发电目前有2种方式，生物质研磨成粉掺烧和生物质气化掺烧，如图2所示[9]。方式1：将秸秆粉碎磨成与煤粉一样的细度，通过专用生物质粉燃烧器将生物质粉喷入炉膛内参与燃烧，根据研究，采用该方式进行掺烧时，煤粉炉中掺烧生物质的最佳比例是15%[10]。目前该方式在欧洲有很多应用案例，但在国内还没有应用案例。方式2：将秸秆在气化炉内进行高温气化制取燃气，锅炉上增加燃气燃烧器，将燃气通过燃烧器送入炉膛内燃烧[11]。根据研究，采用该方式掺烧，掺烧比例达到30%时锅炉效率为92.72%～93.71%，并且可以降低污染物的产生[12-13]。但生物质气化产生的燃气中含有焦油，容易引起管道及燃烧器堵塞，运行中需要予以考虑，并采取可靠的焦油控制技术[14]。该技术目前在国内投运业绩有70多台，但投资及运行费用较高，没有电价补贴政策的支持，很难保证经济效益。

另外，可以将生物质气化与制取生物质炭[15]、木醋液、木焦油有机结合，以提高气化耦合的经济性，如图3所示。木醋液也叫植物酸，是木材等生物质干馏后导出的蒸汽、气体混合物经冷凝分离后得到的一种红褐色液体。将木醋液进一步加工可得到醋酸(或醋酸盐)、丙酸、丁酸、甲醇和有机溶剂等产品。木焦油是生物质原料经热裂解后生成的棕黑色黏稠液体，pH值较低，主要成分是木杂酚油，含有C，H，O，N，S及少量金属元素，含有酚类、呋喃类、酸类、酮类、醇类等物质，可用于提取化工、医药原料。

图3 生物质多联产方案流程

20万t秸秆可生产燃气4 900×104m3，燃气收到基低位热值为5 MJ/m3，折合标准煤0.84万t，可发电25.33 GW·h，按上网电价0.31元/(kW·h)计算，收益为785万元。产生6万t炭，按单价1 500元/t计，收益为9 000万元；产生8万t木醋液，按单价1 000元/t计，经济收益可达8 000万元[16-17]。总收益为17 785万元。

按照秸秆热值为15 000 kJ/kg计算，20万t秸秆可折合标准煤10万t，可发电300 GW·h，按上网电价0.31元/(kW·h)计，收益为9 300万元。试验研究发现，掺烧生物质不仅可以降低燃煤着火温度[18]，生物质中的碱金属还可以对炉膛中NOx，SO2的释放有抑制作用，降低污染物的产生[19]。

根据以上分析可知，采用生物质气化与制取副产品结合技术比直接掺烧发电收益高90%，经济效益明显。在目前国内生物质耦合发电补贴电价政策没有落实的情况下，采用生物质气化与制取副产品结合的技术具有显著优势，也更符合国家资源综合利用的政策。

5 固废掺烧

城市生产生活中还会产生一些有燃烧热值的一般工业固废，国内比较常见的是纺织类边角料，包括衣服边角料、鞋子边角料等，以布料、网布、泡棉、海绵等材料为主，热值为20 934 kJ/kg左右。这类工业固废很难破碎成粉状，只能切割成小尺寸的片状，采用煤粉锅炉很难进行掺烧，但非常适宜采用循环流化床锅炉进行掺烧处理。需要说明的是，纺织类边角料中含有一定的氯离子和金属离子，燃烧中会产生二噁英。循环流化床锅炉燃烧温度较高，燃料停留时间较长，有利于抑制二噁英的生成[20]；同时，锅炉布置有尾部受热面，烟气降温速率很快，可防止二噁英低温再生成；再者，可以在烟气系统中加装活性炭吸附装置，吸附二噁英并通过除尘器捕集后落入灰中。但是，烟气通过脱硝催化剂层时，在催化剂的作用下会有利于二噁英的生成。因此，在循环流化床锅炉中掺烧这类固废需要对二噁英的产生进行重点分析，确保符合环保要求。

6 结论

生活污水污泥产生于人口集中的城市，同时城市也是用电负荷集中的地方，周边都有火电厂，可以很方便地对这些生活污泥进行消纳处理，防止污泥的二次污染。

生物质气化与制取副产品结合技术比直接掺烧发电收益高90%，经济效益明显。在国内生物质耦合发电电价补贴政策没有落实的情况下，采用生物质气化与制取副产品结合的技术具有显著优势，也更符合国家资源综合利用的政策。

一般工业固废在火电厂锅炉中进行掺烧时，需要对固废成分及燃烧产生的灰及烟气成分进行分析，确保符合环保要求。在符合环保要求的情况下，结合循环流化床锅炉对燃料适应性广的特点，掺烧固废可有效降低机组发电成本，也能对城市固废起到很好的环保处置作用。