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梁彥軍
（文/河北建投融碳資產管理有限公司）
摘要：碳中和背景下，生物質能源因其零碳排放和資源循環利用的特點，將逐步被關注、重視。本文簡要分析了摻燒生物質燃料對循環流化床鍋爐的影響，有針對性地提出解決循環流化床鍋爐摻燒生物質燃料的適應性措施，希望能為循環流化床鍋爐摻燒生物質的運行調整和研究提供一定的參考和幫助，為循環流化床燃煤電廠摻燒生物質燃料的低碳化發展提供參考。
生物質燃料是可再生的清潔能源，我國生物質燃料豐富，預計2025年、2030年生物質燃料利用將分別達到1.6億噸、2億噸標煤的規模。循環流化床燃燒技術具有高適應性的特點。能摻燒協同處理垃圾、生物質和污泥等各種廢棄物的能力。近年來，大容量、高參數的循環流化床鍋爐在我國得到了快速發展，在碳中和政策背景下，循環流化床鍋爐摻燒生物質能源，在一定程度上可減少和代替化石能源的使用，降低二氧化碳排放，同時有助于解決其他污染物的排放問題，有助于研究摻燒生物質燃料對循環流化床鍋爐運行的影響，有助于提出相關適應性措施，以延長鍋爐壽命并提高摻燒生物質的鍋爐效率。
一、生物質的利用
生物質燃料的利用方式主要有：（1）電廠利用生物質直接燃燒發電和供熱；（2）大型火力發電廠利用生物質氣化后產生的生物質氣與煤粉耦合發電；（3）生物質資源綜合利用項目，通過與污水等綜合利用制沼氣，用于北方散煤替代，農村使用取暖和生活用氣，或提純至生物質天然氣（CH4）罐裝銷售，用于汽車加氣或電站鍋爐等使用；（4）由于循環流化床鍋爐的高適應性的特點，可以直接摻燒一定比例的生物質顆粒，替代化石燃料，減少化石燃料的使用。
農林生物質收集難度大、成本高的特點，對生物質的廣泛利用有一定限制，大型電站的耦合及資源化利用等生物質氣化發電，或罐裝銷售等項目一次性投資較大，且存在二次污染問題，需投入治理，利用循環流化床鍋爐直接摻燒制備的生物質顆粒，投資較小，對循環流化床鍋爐影響較小，是生物質大范圍利用的主要形式。
二、鍋爐摻燒生物質的影響
?。ㄒ唬╁仩t摻燒生物質燃料后，燃燒特性的變化
摻燒生物質后的循環流化床鍋爐隨著摻燒比例增加，產生了明顯的變化：由于摻燒生物質，燃料的揮發分增加，提高了燃料的燃燒特性，易著火，爐膛中上部溫度提高，尾部受熱面溫度下降；鍋爐的底渣和飛灰量減少，含碳量降低，鍋爐效率小幅提高。研究表明，在300MW循環流化床鍋爐摻燒生物質，摻燒比例10%以下時，對鍋爐的燃燒特性影響較小。
（二）生物質含水率對鍋爐燃燒及污染物排放的影響
當前，我國的生物質燃料的含水率普遍很高，甚至有些生物質入爐水分達到了30%—50%。（1）生物質含水量高，導致鍋爐著火相應延遲，鍋爐燃燒效率下降，部分受熱面壁溫超溫，帶來安全生產的隱患；同時導致鍋爐密相區床溫難控制，低負荷穩燃較差；由于含水量增加，煙氣量增多、著火及火焰中心靠后，導致排煙溫度升高，鍋爐的排煙損失增大，鍋爐效率下降。（2）生物質含水量增加時，煙氣成分也隨之變化，CO、NO2、NO、SO2排放量及強度隨含水率的增加而降低，但是SO3會隨生物質的含水率升高而升高。氮氧化物的減少是因為當摻燒高濕度生物質燃料時，流化床內溫度降低，燃燒速率降低增強了NO還原為N2效應，同時導致NO2相應減少；一氧化碳隨水分的增加而降低，是因為燃燒效率降低，燃料停留時間較長，導致與O2充分接觸反應，同時燃燒速率降低導致燃燒緩慢，產生CO速率降低，導致平均濃度降低，從而導致煙氣中CO降低，由于含水率高導致燃燒速率降低，產生SO2停留時間較長與O2接觸時間較長，導致SO3平均濃度增加，SO2的濃度降低，但由于生物質燃料本身含硫量較低，摻燒生物質燃料后，SOx污染物的整體排放水平較摻燒前有所降低。
?。ㄈ┥镔|灰分對鍋爐燃燒及排放的影響
循環硫化床摻燒生物質需要專門設備壓縮制備生物質床料顆粒，密度達到0.8—1.2t/m3，熱值達到3000—5000kcal，生物質燃料中含灰量約在3%—10%之間，實際運行中，生物質，尤其是農、林廢棄物，夾帶雜質較多，經過制備后還存在大量雜質，導致灰分實際增加2—3倍。對于循環流化床鍋爐而言，爐膛內灰濃度對鍋爐負荷和床溫影響較大，導致爐膛溫度降低，著火延遲，鍋爐效率下降，并加快鍋爐受熱面的磨損，同時會影響爐膛內流化質量，灰分較大時，將引起鍋爐大范圍的結焦。灰分較大會增加尾部受熱面的積灰，影響熱傳導，從而導致介質吸熱效率下降，鍋爐效率降低。但當摻燒生物質燃料比例較大時，為穩定流化狀態，要提高生物質燃料的含灰量或向床料中添加惰性物料，保持正常的物料和循環狀態。
?。ㄋ模┥镔|摻燒比例的影響
生物質的摻燒比對燃燒特性有很大的影響。由于生物質揮發分較高，在燃燒初期通過熱解，生物質釋放大量還原性氣體的揮發分，快速與氧氣反應，從而短期形成欠氧環境，抑制氮氧化物的生成，同時生物質比燃煤含氮量少，最終導致氮氧化物的產生，隨著摻燒比例的增加而降低。對于SO2和SO3而言，生物質中含S量比燃煤中要小得多，質量分數在0.1%—0.15%，而目前的燃煤中S元素含量要求是低硫煤基本含量在1%左右，所以隨著產生比例的增加，SO2和SO3會急劇下降；也因為生物質的揮發，會對SO2和SO3的產生抑制作用。對于CO2而言，因為要達到同樣的熱量輸出，所以基本需要的碳數量一定，產生的CO2變化不大，但是對于生物質燃料而言，在短期內生物質是固碳—利用—固碳的循環，生物質燃料屬于零碳排放，因此在實際產生溫室氣體效應的CO2排放，會隨摻燒生物質燃料的增加而降低，大比例摻燒生物質燃料，或資源化利用生物質，也是能源行業實現碳達峰碳中和的重要途徑之一。
三、摻燒生物質后鍋爐注意事項和應對措施
生物質中富含鉀、氯等元素，因此混合燃料在鍋爐中燃燒后，產生的灰渣就會含有大量堿金屬鹽，隨摻燒比例的增加而增加，堿金屬鹽熔點較低，生物質中堿金屬燒結溫度在680—750℃，沙和灰的熔點都在1000℃以上，如果是摻燒生物質的混合燃料，容易使混合燃料燃燒后在700℃左右與灰分中SiO2反應生產共晶體，產生流動并粘結更多的灰分，形成結塊，造成循環物料顆粒增大，所以在運行的過程中及時排出大顆粒物料，并及時補充合適的循環物料替代。對尾部或中部的對流受熱面的積灰問題，在設備改造方面，及時更換受熱面管子為抗腐蝕材料，或對管子外部噴涂耐腐蝕的材料；防腐的同時改變管子排列，在運行調整方面，要根據受熱面積灰情況加強局部吹灰；對于尾部受熱面在運行而言，可提高空預器入口空氣溫度，例如，增加暖風器加熱空氣溫度，綜合考慮運行的經濟性。
四、結語
在碳中和的政策背景下，利用化石燃料發電的企業，盡快研究摻燒生物質燃料的經濟性和技術可行性，通過改進運行方式和增加設備防護，在循環流化床鍋爐上實現大比例摻燒生物質燃料替代部分燃煤，降低溫室氣體排放總量，是我國大型發電企業降低碳排放實現碳中和的重要途徑。
參考文獻：
[1]張自麗.循環流化床鍋爐燃煤耦合污泥技術研究與展望[J].熱力發電，2020（05）.
[2]李云罡，龍慎偉，馬同勝，等.循環流化床鍋爐燃用混煤特性研究[J].清潔煤與能源，2020（01）.
[3]曹怡欣，曹德鳴，曹習功，等.超低排放節能型生物質循環流化床鍋爐[P].中國，210462983U，2020-05-05.
[4]黃彪斌，池毓菲，廖志強，等.燃煤電廠耦合生物質固廢發電前景分析[J].電力與能源進展，2020（06）.
[5]孫錦奇.一種循環流化床鍋爐低氮燃燒排放系統[P].中國，210320012U，2020-04-14.
[6]李予安.生物質固體燃料流化床燃燒NOx排放模擬研究[D].杭州:浙江大學，2020年. |
