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林鵬云，羅永浩，胡元
(上海交通大學熱能工程研究所，上海200240)
摘要：我國能源結構以化石燃料為主，不可再生且污染嚴重，開發和推廣應用可再生能源，逐步調整與優化能源結構，意義重大。生物質能是一種清潔可再生能源，也是當前世界能源研究熱點之一。重點介紹了生物質再燃利用技術的原理和應用現狀，生物質再燃技術包括直接再燃、氣化再燃以及高級再燃，使用生物質用于燃煤鍋爐再燃，既可以合理利用生物質，又能有效降低燃煤鍋爐的NOx排放，NOx減排率可達50%~90%，具有廣闊的推廣和應用前景。
1前言
我國是一個能源生產大國，也是一個能源消費大國。2003年，全國能源生產總量為16.03億噸標準煤，比2002年增長11%，其中：煤炭產量16.67億噸、原油產量1.7億噸、天然氣產量345億立方米；2003年能源消費總量約為16.8億噸，比2002年增長13%，其中：煤炭占67.1%、石油占22.7%、天然氣占2.8%、水電等占7.3%，石油進口達9700萬噸。能源是國民經濟發展的重要基礎，目前能源供應不足已經成為制約經濟發展的重要因素，從長遠來看，能源問題仍將是中國經濟發展面臨的最重要的問題。當前，我國能源發展主要存在以下問題：能源資源約束十分嚴重；能源供應過分依賴煤炭，環境污染問題嚴重；能源利用技術落后，能源利用效率低。優化能源結構，提高可再生能源利用比例，是今后我國能源發展的重要方向。
生物質能是種類眾多的可再生能源的一種，世界上許多國家特別是經濟發達國家，都很重視生物質能的開發和利用。特別是近幾十年來，許多國家特別是發達國家，大力研究、開發利用生物質能轉型優化技術，也就是將低品味的生物質能轉化成液體、氣體、固體、電力等形式的優質能源利用技術以及高效節能技術；并開發種植能源植物，增加生物質能源的資源儲備，作為建立可持續發展能源系統的一項戰略措施。生物質再燃作為生物質能利用的一種方式包括直接再燃、氣化再燃以及高級再燃等技術，可以降低燃煤鍋爐的NOx排放，幅度可達50%~90%，具有很好的應用前景。
2生物質能的利用
生物質能，又稱為綠色能源，是以生物質為載體的能源。生物質是一切有生命的可以生長的有機物質，包括動物、植物和微生物及經其派生、排泄和代謝的許多有機質，是地球上最廣泛存在的物質。它是一種古老的可再生能源。
人類自從發明火以來，至今仍在大量消耗薪材等生物質能源。目前，全球生物質能消費量僅次于煤、石油、天然氣，位居第4位。由于地球上生物數量巨大，由這些生命物質排泄和代謝出許多有機質，這些物質所蘊藏的能量是相當驚人的。
根據生物學家估算，地球上每年生長的生物質能總量約1400億噸~1800億噸(干重)，相當于目前世界總能耗的10倍。我國的生物質能也極為豐富，現在每年農業中的秸稈量約為6.5億噸，到2010年將達7.26億噸，相當于5億噸標煤。
薪材和林業廢棄物數量也很大，林業廢棄物(不包括薪炭林)每年約達3700萬立方米，相當于2000萬噸標煤。如果考慮日益增多的城市垃圾和生活污水，禽畜糞便等其他生物質資源，我國每年的生物質資源達6億噸標煤以上，扣除了部分作飼料和其他原料，可開發為能源的生物質資源達3億多噸標煤。隨著農業和林業的發展，特別是隨著速生薪炭林的開發推廣，我國的生物質資源將越來越多，有非常大的開發和利用潛力。生物質能的利用對于國家的能源可持續發展具有重大的意義，因此很多發達國家都非常重視生物質能利用技術的研究和開發，其中生物質再燃技術就是目前較為關注的一項研究內容。
3再燃技術
再燃降低NOx排放的方法是將燃料分級送入爐膛，在燃燒區火焰的上方噴入另外的碳氫燃料，以建立一個富燃料區使生成的NOx還原，比較典型的就是，將80%~85%的燃料(稱為一次燃料)送入第一級燃燒區(主燃料區)，在>1的條件下燃燒并生成NOx。其余15%~20%的燃料(稱為二次燃料、再燃燃料)則在主燃燒器的上部送入二級燃燒區(再燃區)，在<1的條件下形成很強的還原性氣氛，在主燃燒區生成的NOx就會通過反應(1)~(5)被還原成氮分子(N2)。
再燃區中不僅能使已生成的NOx得到還原，同時還抑制了新的NOx生成，可使NOx的排放濃度進一步降低。此外，再燃區的上面還需布置燃盡風噴口以形成第三級燃燒區(燃盡區)，以保證在再燃區中生成的未完全燃燒產物的燃盡。圖1為再燃技術原理的示意圖。
燃料分級燃燒時所使用的二次燃料可以是固體燃料，例如煤粉爐可以利用煤粉或木屑等生物質來作為二次燃料，也可以采用碳氫類氣體或液體燃料作為二次燃料。但是由于燃料分級燃燒時在爐膛內需要經過燃盡區燃燒完全，這使得燃料和煙氣在再燃區內的停留時間相對較短，所以二次燃料宜于選用容易著火和燃燒的燃料。
4生物質再燃
4.1直接再燃
生物質直接再燃，通常是把固體生物質燃料進行適當的預處理之后，作為再燃燃料噴入爐膛，這樣才能比較容易完全燃燒，起到降低NOx的效果。預處理包括干燥、粉碎成較小的顆粒等。這方面的研究國內開展得比較少，而國外已經廣泛進行了試驗研究，并且有的已經進入工業示范階段，取得了較好的效果。
浙江大學李戈等人在小型滴管爐內進行了采用生物質廢棄物木屑、桔皮和稻殼作為再燃燃料還原煙氣中的NOx的熱態試驗，在一定的條件下可以達到50%~70%的NOx減排效果。
B.R.Adams等人對使木屑作為再燃燃料噴入煤粉爐的可行性進行了數值模擬，結果顯示，至少可以實現40%的NOx減排，如果使用煙氣來攜帶木屑，NOx減排效果可以達到55%。J.Brouwer等人對使用木屑作為再燃燃料進行了實驗研究，結果顯示，在再燃區過量空氣系數<0.9，再燃燃料在再燃區的停留時間>0.3s，再燃燃料噴入位置的溫度>1650K時，NOx減排效果可以達到60%。美國能源部的生物質項目也對生物質直接再燃作了研究，VladimirM.Za-mansky等人的研究報告顯示，家具廢木料和核桃殼作為再燃燃料與天然氣再燃的效果相近，NOx減排分別達到58%和65%，柳木作為再燃燃料的NOx減排效果可以達到50%。由于大部分的生物質成分中都含有氯、堿金屬和重金屬等成分，所以作為再燃燃料直接燃燒對普通鍋爐也存在加劇腐蝕、影響熱效率等問題，實際應用中需要特別注意。
4.2氣化再燃
生物質除了可以直接燃燒使用之外，還可以對生物質進行預處理，使其熱解成為生物質氣，也就是生物質氣化，然后作為再燃燃料噴入燃煤鍋爐使用。這種方法的優點，在于那些并不想要的組分，例如：堿金屬、氯成分、重金屬成分等，都可以不進入鍋爐，以免影響現有鍋爐的操作和運行，而且考慮到環境效益和經濟效益也使生物質氣化再燃技術成為關注的焦點。氣化之后，生物質原料被分成了可作為能源的氣體和固體殘余物，而且生物質氣被用作燃煤鍋爐再燃燃料時對氮氧化物(NOx)的減排有顯著的效果。
固體殘余物還可以進一步利用或處理。氣化預處理的目的是把生物質中那些有問題的成分固定在固體殘余物中，以免出現鍋爐的操作問題。生物質氣化利用技術是近幾年來國內外能源領域研究的一個重要分支，該技術通過一定的氣化裝置將可再生固態生物質轉換成高品位氣態可燃物質，在有效利用生物質能源的同時，避免了直接焚燒帶來的有毒、有害氣體，同時也緩解了長期存在的化石燃料短缺問題，對于像我國這樣的高能耗國家具有重要的經濟效益和社會效益。
國外自20世紀70年代開始研究生物質氣化利用技術，目前已經取得了很大的進展。歐盟、日本、美國等發達國家已經建立了多個生物質氣化發電示范工程，如瑞典的Varnamo電站，美國的夏威夷電站等。采用100%的生物質氣化發電，氣化效率已經超過80%，熱值可以到20.0MJ/m3。利用生物質氣化再燃可以有效降低燃煤鍋爐的NOx排放，是一種經濟可行、對環境有益的技術。國內外已經有大學和研究機構對此技術進行了研究與探討。
德國斯圖加特大學Hein等人以生物質氣化所得到的氣體作為再燃燃料在實驗臺上進行了實驗，實驗結果顯示生物質氣非常適合作為再燃燃料，有很好的NOx減排效果，對于不同的生物質類型(包括草、木屑和淤泥等)進行氣化后作為再燃燃料都有明顯效果，NOx減排可以達到<200mg/m3。丹麥科技術大學P.Glarborg等人對混合模擬氣作為再燃燃料對NOx減排的效果進行了實驗，實驗結果顯示這些非碳氫化合物作為再燃燃料可以減排20%~30%的NOx，減排幅度隨著反應溫度的升高而升高，再燃燃料的熱量輸入比例越大，減排幅度也就越大，最終接近于碳氫化合物燃料作為再燃燃料的效果。
如果考慮到再燃燃料對于主燃燃料的部分替代作用，NOx的生成量也會同比例下降。法國國家燃燒實驗室PhilippeDagaut等人[10]也對生物質氣化所得到的氣體作為再燃燃料進行了實驗研究，得到類似的結果。研究表明：反應溫度越高與相對再燃燃料濃度越高的情況下，NOx的減排效果越明顯，與先前許多以其它簡單碳氫化合物作為再燃燃料所得到的研究結果是一致的。
臺灣工業技術研究所K-TWu等人對生物質氣作為再燃燃料在煤粉鍋爐的燃燒工況進行了數值模擬，通過數值模擬顯示生物質作為再燃燃料對NOx的減排是有明顯效果的。不同的再燃工況下，NOx減排效果的變化范圍為12%~46%，最高46%的NOx減排是在再燃燃料輸入量為23%時，在傳統的再燃布置工況下達到的數值模擬結果同樣顯示，生物質氣組分的小幅度變化對再燃效果并無顯著影響。
4.3高級再燃
普通再燃包括前面所述的直接再燃和氣化再燃，對于NOx的減排效果一般最高只能達到70%左右。所以，為了滿足更高要求的NOx排放標準，高級再燃就是一種可供選擇的技術方案。高級再燃(AdvanceReburning)是在再燃區下游添加了含氮的催化劑，例如氨或尿素。與常規再燃相比，高級再燃NOx減排效果更好，而且二次燃料的輸入量可以減少。高級再燃通常將選擇性非催化還原SNCR與普通再燃串聯構成。這種聯合形式的二次燃料的熱量輸入比例為10%~18%，可以達到80%以上的NOx減排效果。
生物質高級再燃的二次燃料可以是固體形式也可以是氣化之后的生物質氣，國外對于這2種生物質高級再燃都有研究報道。美國能源部的生物質項目對生物質高級再燃作了研究，VladimirM.Zamansky等人的研究報告顯示，在再燃區或燃盡區或者與燃盡風一起噴入含氮的催化劑，如：氨或尿素，可以提高生物質再燃降低NOx的效率，如若含氮催化劑和碳酸鈉(Na2CO3)一起噴入則效果更佳。以家具廢木料和柳木作為再燃燃料的高級再燃，NOx減排效果最高分別可以達到83%和78%。歐盟委員會的JOULEⅢ項目中對生物質氣的高級再燃進行了研究，在實驗臺架上，生物質氣再燃結合噴入氨氣可以使NOx濃度從800mg/m3降到40mg/m3~50mg/m3，在2MW規模的煤粉爐上也進行了工業應用，NOx排放濃度可以降到120mg/m3~130mg/m3，而且對鍋爐的飛灰含碳量等參數都沒什么影響。
5結束語
鑒于礦物、石油燃料資源的有限性以及它們燃燒時所排出的SO2、NOx，將加劇環境污染，所排出的CO2，將加劇全球的溫室效應，人們不得不重新考慮使用那些在自然界不會枯竭的可再生能源的可能性，生物質能的利用就是其中的一例。
目前國內開展生物質直接再燃技術研究的報道不多，還沒有開展生物質氣化氣直接用于鍋爐再燃和高級再燃技術的研究。國內外研究查明，生物質直接再燃可以實現60%以上的NOx減排，氣化再燃可以實現50%左右的NOx減排，而生物質高級再燃則可以達到80%以上的NOx減排。因此，通過開展對這些技術的研究可以提高可再生生物質能源的利用效率，緩解目前的能源緊缺，對于國民經濟發展和環境保護有著更重要的現實意義。 |
