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王肖祎1，張張波2，趙龍生1
（1.東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京210096；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096）
摘要：農(nóng)林生物質(zhì)作為“零碳”能源，是“雙碳”目標(biāo)下一種優(yōu)質(zhì)的替代燃料。燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電具有改造成本低、運(yùn)行靈活、節(jié)能降碳等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了直燃耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合三種燃煤機(jī)組耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)方案，從燃料體積、煙氣量、燃燒特性、摻燒比、熱效率等不同角度分析了耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電對燃煤機(jī)組的影響，結(jié)合燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)起步較早的歐美國家發(fā)展歷程，回顧我國技術(shù)應(yīng)用情況，從政策引導(dǎo)、技術(shù)提升、優(yōu)化管理等方面提出了燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展建議。
近年來，我國新能源發(fā)電不斷發(fā)展，燃煤機(jī)組裝機(jī)容量已降低至50%以下，但截至2023年上半年，燃煤發(fā)電量占全口徑發(fā)電量比例依然接近60%，煤電作為我國電力的“壓艙石”，仍是我國電力供應(yīng)的主要來源，且在短時(shí)間內(nèi)難以改變。我國電力行業(yè)二氧化碳排放量占能源活動(dòng)碳排放量超過40%，隨著“30·60”“雙碳”目標(biāo)的提出，電力行業(yè)作為重點(diǎn)排放行業(yè)減排任務(wù)艱巨。
根據(jù)國際能源轉(zhuǎn)型發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，利用可再生能源部分替代燃煤發(fā)電是降低燃煤發(fā)電碳排放的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，生物質(zhì)作為可再生的“零碳”能源，具有清潔、低碳、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是可再生能源替代化石燃料的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用生物質(zhì)減少部分煤炭消耗，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、降低碳排放的同時(shí)，保障燃煤電廠的電力供應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效方法之一。
本文總結(jié)了燃煤與農(nóng)林生物質(zhì)的耦合方式及國內(nèi)外燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了耦合生物質(zhì)對燃煤機(jī)組的影響，提出了燃煤機(jī)組耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展建議。
1燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)概述
目前，燃煤機(jī)組耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電主要有三種技術(shù)方案，分別是直燃耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合[2-4]。
1.1直燃耦合
直燃耦合是將生物質(zhì)與燃煤直接混合進(jìn)入爐膛燃燒，目前主要有5種技術(shù)方案，分別是：（1）原磨煤機(jī)耦合方案，（2）生物質(zhì)與煤預(yù)混合耦合方案，（3）送粉管道耦合方案，（4）原煤燃燒器耦合方案，（5）獨(dú)立生物質(zhì)燃燒器耦合方案[6]。如圖1所示，不同方案區(qū)別在于生物質(zhì)與煤混合的位置不同。
方案（1）是利用鍋爐原有的磨煤機(jī)，將生物質(zhì)研磨后送入原有的鍋爐燃燒器進(jìn)行耦合發(fā)電。方案（2）是將生物質(zhì)和煤按照一定的比例進(jìn)行預(yù)混，然后利用原有的輸煤管道和磨煤機(jī)混合研磨后輸送至原有燃燒器。方案（1）和方案（2）對原系統(tǒng)改造較少，改造成本低，在不進(jìn)行重大設(shè)備改造的情況下，摻燒比最高可達(dá)10%，由于生物質(zhì)和煤的特性不同，會(huì)對原有制粉系統(tǒng)效率產(chǎn)生影響[2]。方案（3）是為生物質(zhì)配置單獨(dú)的處理系統(tǒng)，將研磨后的生物質(zhì)噴入煤粉管道與煤粉共同進(jìn)入原有燃燒器進(jìn)行耦合。方案（4）是將研磨后的生物質(zhì)直接噴入原有燃燒器進(jìn)行耦合。方案（3）和方案（4）位增設(shè)了生物質(zhì)處理系統(tǒng)，投資相對較高，摻燒比可提升至20%，但可能產(chǎn)生生物質(zhì)堵塞煤粉輸送管道等問題。方案（5）為生物質(zhì)配置獨(dú)立燃燒器，生物質(zhì)經(jīng)過獨(dú)立的預(yù)處理、管道進(jìn)入生物質(zhì)燃燒器后再進(jìn)入鍋爐爐膛進(jìn)行耦合發(fā)電，此方案燃料適應(yīng)性好，摻燒比例高，但改造成本也最高。直燃耦合不同技術(shù)方案對比詳見表1。
1.2間接耦合
間接耦合是將生物質(zhì)在專用設(shè)備中氣化或熱解產(chǎn)生可燃?xì)怏w，將可燃?xì)怏w送至燃煤鍋爐專用燃燒器中，間接耦合系統(tǒng)如圖2所示。
這種處理機(jī)制中，需增加生物質(zhì)氣化爐或熱解爐，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，配合相應(yīng)的燃燒器在鍋爐中燃燒。間接耦合優(yōu)勢是最大程度上降低了直燃耦合中污漬以及腐蝕等問題產(chǎn)生的影響，但此方法系統(tǒng)較復(fù)雜，投資較高，過高的摻燒比會(huì)造成進(jìn)入鍋爐中的鉀含量升高，影響催化劑活性，因此，生物質(zhì)耦合比例建議控制在10%以內(nèi)[7]。間接耦合的核心設(shè)備是氣化爐或熱解爐，采用獨(dú)立的氣化熱解和燃燒器，燃料適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)和煤的灰渣分離，但改造成本與直燃耦合相比較高。
1.3并聯(lián)耦合
并聯(lián)耦合是在已有燃煤鍋爐附近建構(gòu)獨(dú)立的生物質(zhì)燃燒鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽和燃煤鍋爐產(chǎn)生的蒸汽一同進(jìn)入汽輪機(jī)完成發(fā)電[2，4-5]，如圖3所示。這種技術(shù)處理機(jī)制最大的優(yōu)勢是生物質(zhì)可100%耦合，對生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，原有燃煤鍋爐不受影響，缺點(diǎn)是投資成本最高，需要增設(shè)完整的生物質(zhì)鍋爐和管道系統(tǒng)。由于用于耦合的生物質(zhì)熱力系統(tǒng)參數(shù)較低，發(fā)電效率低于間接耦合發(fā)電。
1.4方案比較
燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目三種技術(shù)方案比較如表2所示，可以看出：直燃耦合改造成本最低，適用于含Na、K較少的生物質(zhì)原料；間接耦合改造成本略高，但燃料適應(yīng)性廣；并聯(lián)耦合系統(tǒng)復(fù)雜，改造和維護(hù)成本最高，且對生物質(zhì)熱值要求高。對于耦合系統(tǒng)方案，需要綜合考慮原料特性、改造成本、政策補(bǔ)貼等各方面因素進(jìn)行選擇。
2耦合生物質(zhì)發(fā)電對燃煤機(jī)組的影響
與煤炭相比，生物質(zhì)燃料單位熱值較低，與燃煤耦合后會(huì)造成燃料體積變化，另外，生物質(zhì)由于含氧量較高，摻燒后會(huì)出現(xiàn)煙氣量變化的情況。耦合發(fā)電會(huì)對燃料運(yùn)輸存儲(chǔ)以及受熱面安全等方面產(chǎn)生不同程度的影響。如圖4所示，不同形式的生物質(zhì)燃料單位熱值體積都要高于典型動(dòng)力煤，且自然干燥散料和未干燥生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙氣量會(huì)明顯增加[2]。
在同等熱值下，干燥后的生物質(zhì)體積約為標(biāo)煤的4倍，也就是說摻燒比越大，原有燃料運(yùn)輸和破碎系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)越重。自然干燥和未干燥的生物質(zhì)由于煙氣量增多，從而影響原燃煤鍋爐受熱面。圖4可以看出，成型生物質(zhì)顆粒與普通動(dòng)力煤的特性差距較小，對原燃煤鍋爐影響較小，為提高摻燒比例，應(yīng)優(yōu)先選用成型生物質(zhì)燃料。
相關(guān)技術(shù)研究表明，摻燒生物質(zhì)會(huì)使鍋爐爐膛溫度小幅降低，對主燃燒區(qū)影響較大，對空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度影響較小，摻燒生物質(zhì)后鍋爐煙氣中SO2濃度略有上升，NOx濃度略有降低[9]。
對不同直燃耦合技術(shù)路線的模擬研究表明，生物質(zhì)摻燒會(huì)使鍋爐排煙溫度上升、熱效率降低、廠用電增加、標(biāo)煤耗增加，且與摻燒比有正相關(guān)性，但CO2排放量隨摻燒比上升而降低[10]。
間接耦合和并聯(lián)耦合采用了獨(dú)立的燃料處理系統(tǒng)，不會(huì)對原有制粉和燃燒系統(tǒng)造成顯著影響。生物質(zhì)特別是含有鉀、鈉等堿金屬的秸稈，會(huì)導(dǎo)致鍋爐受熱面腐蝕和催化劑中毒等問題，大比例混合時(shí)應(yīng)避免采用秸稈作為燃料。
3國內(nèi)外燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用情況
3.1國外燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用情況
歐洲是開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)最成熟的地區(qū)。上個(gè)世紀(jì)90年代起，歐洲就開始了燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電相關(guān)研究和實(shí)踐。由于直燃耦合具有改造維護(hù)成本低、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，歐洲國家大多采用直燃耦合的方式。
荷蘭從1993年就開始燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電的相關(guān)試驗(yàn)研究，并開展了相關(guān)示范項(xiàng)目，目前有超過40%的燃煤電廠使用燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)[3]。英國是燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用最多的國家，目前，英國有16座大型燃煤電廠進(jìn)行了耦合生物質(zhì)發(fā)電，其中有13座規(guī)模超過1000MW。其中，Drax作為英國最大的燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電廠，從2004年開始經(jīng)過多次改造，現(xiàn)有6臺(tái)660MW機(jī)組均可實(shí)現(xiàn)100%摻燒比[2]。芬蘭地廣人稀，多為中小型流化床機(jī)組，大型火力發(fā)電機(jī)組較少。由于流化床機(jī)組燃料適應(yīng)性較廣，只需對鍋爐上料系統(tǒng)進(jìn)行簡單改造即可耦合，因此芬蘭燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組較多，多為直燃耦合，Lahti Energia Oy、Vaas Vaskiluodon等電廠采用氣化耦合。德國目前沒有國家政策支持燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電，有部分大型燃煤電廠耦合農(nóng)林生物質(zhì)，但耦合比例均較低。丹麥與荷蘭相似均為北歐國家，多為小型燃煤耦合生物質(zhì)電廠。
除歐洲外，美國在20世紀(jì)90年代也經(jīng)歷過燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的研究和示范，先后在50余家燃煤電廠開展過耦合發(fā)電，但比例一般都在10%以下。從美國的電力結(jié)構(gòu)來看，燃煤發(fā)電所占比例逐漸下降，現(xiàn)已下降至20%。由于耦合生物質(zhì)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較差，且沒有統(tǒng)一激勵(lì)政策，美國生物質(zhì)發(fā)電量從2014年開始逐年下降。
亞洲國家中，日本有12個(gè)電廠18臺(tái)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了耦合生物質(zhì)發(fā)電，但摻燒量較低，均在5%以下，韓國也曾采用直燃耦合的方式進(jìn)行改造。但日韓生物質(zhì)資源匱乏，主要依賴東南亞生物質(zhì)進(jìn)口，受國際影響較大。
3.2我國燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用情況
我國從2004年就開始了大型煤粉爐耦合生物質(zhì)相關(guān)實(shí)踐，華電十里泉發(fā)電廠是最早開展耦合生物質(zhì)發(fā)電的大型火力發(fā)電廠，該項(xiàng)目引入丹麥BWE公司獨(dú)立噴燃技術(shù)，煤粉爐采用直燃耦合方式，配置了獨(dú)立破碎機(jī)和生物質(zhì)燃燒器，設(shè)計(jì)摻燒比為20%，主要摻燒原料為秸稈[11]，項(xiàng)目投運(yùn)初期生物質(zhì)價(jià)格較低且有補(bǔ)貼，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但由于后續(xù)扶持政策向生物質(zhì)直燃電廠傾斜，且生物質(zhì)價(jià)格升高，導(dǎo)致?lián)綗?jīng)濟(jì)性較差，現(xiàn)已停止運(yùn)行。2010年，國電寶雞第二發(fā)電廠采用西安交大提出的成型生物質(zhì)摻燒技術(shù)，采用預(yù)混合耦合的方式，只對磨煤機(jī)部分進(jìn)行技改，初投資較低，該項(xiàng)目實(shí)施后得到了當(dāng)?shù)亟o予的發(fā)電小時(shí)增多政策[12]。2016年，國能長源荊門熱電廠對其640MW發(fā)電機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電，采用間接耦合技術(shù)，配置流化床氣化爐，采用稻殼、秸稈等生物質(zhì)原料進(jìn)行氣化，將氣化后的可燃?xì)怏w送入鍋爐專用燃燒器，間接耦合生物質(zhì)氣所發(fā)電量可與生物質(zhì)直燃電廠政策上享受同等電價(jià)，該項(xiàng)目是目前國內(nèi)唯一獲得國家統(tǒng)一補(bǔ)貼的生物質(zhì)耦合發(fā)電項(xiàng)目。
2018年，國家能源局、生態(tài)環(huán)境部下發(fā)了《關(guān)于燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（國能發(fā)電力〔2018〕53號(hào)），共有84個(gè)項(xiàng)目作為試點(diǎn)項(xiàng)目獲批，涉及23個(gè)省、自治區(qū)、直轄市。但后續(xù)由于生物質(zhì)價(jià)格升高、補(bǔ)貼退坡等原因，只有華電襄陽發(fā)電廠和大唐吉林長山熱電廠完成了改造。華電襄陽發(fā)電廠600MW機(jī)組采用間接耦合的方式，該項(xiàng)目生物質(zhì)采用稻殼和成型生物質(zhì)燃料各一半的配比，配置一座負(fù)壓循環(huán)流化床（CFB）氣化爐，耦合發(fā)電功率10.8MW[13]。大唐吉林長山熱電廠600MW機(jī)組同樣采用間接耦合方式，生物質(zhì)采用秸稈、稻殼、廢木柴等原料，采用微正壓CFB氣化爐，耦合功率為20MW[14]。
2020年，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，我國電力行業(yè)降低碳排放勢在必行，耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是切實(shí)可行降碳手段，2021年由于結(jié)構(gòu)性問題引起的動(dòng)力煤價(jià)格飆升，也使得生物質(zhì)耦合技術(shù)繼續(xù)發(fā)展。2021年，華潤賀州電廠1000MW機(jī)組投產(chǎn)，該項(xiàng)目摻燒成型生物質(zhì)顆粒耦合發(fā)電，年摻燒生物質(zhì)10萬t，減少CO2排放約5.7萬t。2022年，國能河北龍山發(fā)電廠、山東日照發(fā)電廠、大唐淮北發(fā)電廠相繼完成600MW燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電，均采用直燃耦合技術(shù)路線。
由我國燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展可以看出，我國最開始進(jìn)行的生物質(zhì)耦合采用了直燃耦合技術(shù)，后續(xù)由于生物質(zhì)氣化耦合所發(fā)電量可與生物質(zhì)直燃發(fā)電享受同等電價(jià)，間接耦合得到了一定的發(fā)展，但隨著生物質(zhì)電廠補(bǔ)貼的退坡，“雙碳”政策的提出，近年直燃耦合又成為主流。
4燃煤耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)展望
目前，燃煤機(jī)組仍是我國的基礎(chǔ)電源，具有保障供電和深度調(diào)峰等重要作用，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，我國不具備大規(guī)模淘汰燃煤機(jī)組條件。生物質(zhì)具有資源分布廣、成本低、獲取便利等特點(diǎn)。大型燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電與單獨(dú)建設(shè)生物質(zhì)電廠不同，可依托現(xiàn)有電廠場地、設(shè)施、人員等，對電廠做小規(guī)模技改，就可達(dá)到生物質(zhì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的目的。大型燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電單位投資僅為生物質(zhì)電廠的20%~30%，同時(shí)由于大型燃煤機(jī)組發(fā)電效率較高，耦合生物質(zhì)發(fā)電比生物質(zhì)直燃發(fā)電效率高。
現(xiàn)階段政策對燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電的支持力度不大，但由于“雙碳”目標(biāo)的提出，大型發(fā)電集團(tuán)有降碳減排的壓力，煤炭價(jià)格的上升，也使得大型燃煤電站亟需轉(zhuǎn)型之路，這些都推動(dòng)了燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。目前，國內(nèi)燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)尚未形成共識(shí)，生物質(zhì)原料有散料、顆粒、壓塊等多種形態(tài)，制粉方式有利用現(xiàn)有磨煤機(jī)單獨(dú)制粉、與煤混合制粉、獨(dú)立生物質(zhì)制粉系統(tǒng)等?？傮w來看直燃耦合和氣化耦合在國內(nèi)應(yīng)用較多，但沒有明確的最優(yōu)方案。
為使燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，緩解燃煤機(jī)組和新能源發(fā)電相融合的矛盾，提出以下建議：
1）政策引導(dǎo)改造方案規(guī)?；?。目前燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)多樣性，很多是由于補(bǔ)貼而建設(shè)的，脫離了補(bǔ)貼難以維持。大型燃煤機(jī)組分屬不同集團(tuán)，難以形成統(tǒng)一的改造計(jì)劃，建議由政府引導(dǎo)，建立試點(diǎn)比選改造方式，提出可以形成規(guī)?；几牡姆桨?。
2）高比例混燃技術(shù)升級(jí)。由于生物質(zhì)體積大、熱值低等特點(diǎn)，使得我國煤粉爐高比例摻燒生物質(zhì)技術(shù)仍存在瓶頸，應(yīng)加強(qiáng)生物質(zhì)和煤混合燃燒特性基礎(chǔ)研究，從制粉系統(tǒng)、生物質(zhì)煤粉燃燒器、摻燒比例在線檢測等方面升級(jí)混燃技術(shù)。
3）優(yōu)化生物質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)管理。建立統(tǒng)一的生物質(zhì)資源管理平臺(tái)，優(yōu)化生物質(zhì)供應(yīng)、利用、儲(chǔ)運(yùn)、調(diào)配，避免惡意競爭，使得生物質(zhì)資源可以得到充分利用。
5結(jié)語
與歐洲國家相比，我國燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)起步較晚，近年由于生物質(zhì)價(jià)格較高、激勵(lì)政策不到位、高比例耦合技術(shù)限制等因素，使得我國燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展較慢。
隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，生物質(zhì)作為一種“零碳”能源與燃煤耦合發(fā)電是降低燃煤機(jī)組碳排放的關(guān)鍵技術(shù)之一，將在我國電力行業(yè)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能降碳方面發(fā)揮重要作用。這就需要在政策上予以引導(dǎo)并給予一定的補(bǔ)貼，在關(guān)鍵技術(shù)上給予一定的政策扶持，推動(dòng)基礎(chǔ)研究、高比例混燃等技術(shù)發(fā)展。
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