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(jì)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(yīng)解決方案，可為電廠帶來直觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

引言

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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(biāo)均優(yōu)于燃煤，而且價(jià)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(jì)劃在煤中摻燒生物質(zhì)燃料，以達(dá)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

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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(diǎn)，易于燃燒，同時(shí)S和N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也低于煤，尤其是S的質(zhì)量分?jǐn)?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(diǎn)

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2.1 社會(huì)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?jǐn)?shù)遠(yuǎn)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(biāo)的同時(shí)，也降低了公司脫硫、脫硝系統(tǒng)的運(yùn)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(huì)減少煙氣中粉塵的含量。以托電公司為例，當(dāng)玉米秸稈的能量比摻例為1%時(shí)，燃料的總灰分將降至27.73%，假設(shè)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(dòng)地方經(jīng)濟(jì)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(jì)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(dāng)托電公司以2%的能量比例進(jìn)行摻燒時(shí)，每年需要摻燒玉米秸稈34萬t，相當(dāng)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(jià)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(gè)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)鏈，大規(guī)模摻燒的前提下，可以建設(shè)處理廠，增加就業(yè)崗位，帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，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(shè)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(huì)減少煙氣中飛灰的含量，減輕鍋爐設(shè)備的磨損。同時(shí)還可以降低電除塵器的電耗，改善煙氣中的粉塵指標(biāo)。

2.4 增加鍋爐設(shè)備的經(jīng)濟(jì)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(jià)格比煤的價(jià)格低廉，摻燒生物質(zhì)燃料可以增加電廠的直接經(jīng)濟(jì)效益。

摻燒生物質(zhì)燃料的經(jīng)濟(jì)性分析

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以托電公司為例，2013年耗標(biāo)煤量達(dá)900萬t左右，機(jī)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(biāo)煤耗量9萬t。

托電公司2013年標(biāo)煤價(jià)格約為370元/t，則只要玉米秸稈價(jià)格低于195元/t，摻燒就能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。各種生物質(zhì)燃料摻燒情況統(tǒng)計(jì)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(jì)

摻燒生物質(zhì)燃料主要存在的問題

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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(shí)會(huì)造成著火提前，大量摻燒或單臺(tái)磨煤機(jī)摻燒時(shí)可能會(huì)造成燃燒器噴口結(jié)焦或燃燒器燒損。

根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)能量摻燒比例小于2%或質(zhì)量摻燒比例小于4%時(shí)，摻燒可直接進(jìn)行，不用對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，對電廠設(shè)備的安全性不會(huì)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(shí)會(huì)降低煙氣的灰熔點(diǎn)，增加受熱面結(jié)焦的可能性，另外，堿金屬也會(huì)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(dāng)生物質(zhì)燃料的質(zhì)量摻燒比例小于5%時(shí)，對煙氣的灰熔特性不會(huì)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(yīng)原理如圖2所示，堿金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?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(yīng)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(yīng)所致，且催化劑活性隨著堿金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?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(yīng)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(yuǎn)高于煙氣正常狀態(tài)下的酸露點(diǎn)和水露點(diǎn)，理論上不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。但當(dāng)爐膛或煙道內(nèi)受熱面發(fā)生泄漏時(shí)，大量水蒸氣進(jìn)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(shí)，應(yīng)停止生物質(zhì)燃料的摻燒工作。

圖3 堿金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?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(chǔ)存和輸送

4.4.1 大規(guī)模收集、運(yùn)輸及儲(chǔ)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(dú)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(jī)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(yùn)，運(yùn)輸成本高。

秸稈堆積密度小，儲(chǔ)存占地面積大。實(shí)際運(yùn)行中，原生態(tài)玉米秸稈收集堆垛高3.0m(放置6個(gè)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(chǔ)存1500多t玉米秸稈，按年產(chǎn)2萬t玉米秸稈計(jì)算，工廠需要原料場地35萬m2。

4.4.2 儲(chǔ)存安全風(fēng)險(xiǎn)大

秸稈屬于易燃易腐物，儲(chǔ)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(hù)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(shí)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(chǔ)存和輸送，可磨性較好，易于進(jìn)行摻燒，但成本較高，經(jīng)濟(jì)性較差。

結(jié)束語

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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(shí)，不必對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，也不會(huì)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(jià)格，帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，還可降低電廠污染物的排放，社會(huì)效益較為顯著。