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  广义的生物质是指通过光合作用形成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物等。生物质所蕴含的能量称之为生物质能,它直接或间接来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、气态和液态燃料,是太阳能的一种表现形式。树枝、秸秆、污泥、垃圾等都可以归为广义的生物质能。生物质能是目前仅次于煤炭、石油、天然气的第四大资源,数量巨大,现阶段约占全球能源供给总量的10%以上,其中约2/3的生物质资源应用在发展中国家。

  我国是能源消费大国,据统计,2017年,我国能源消费总量达到44.9亿吨标准煤。随着我国经济持续快速发展,对能源需求量日益增加,预计2050年将占世界能源消费总量的25%,成为世界第二大能源消费国。目前,我国的能源结构依然以化石能源为主,截至2018年底,中国总装机容量19.0012亿千瓦,其中,火电11.4408亿千瓦(煤电10.0835亿千瓦),水电3.4119亿千瓦,核电0.4466亿千瓦,风电1.8427亿千瓦,太阳能1.7433亿千瓦。

  借助现役燃煤电厂系统进行生物质耦合发电,既可借助煤电燃料灵活性,提升非化石能源消费比重和化石能源替代比例,又可发挥清洁高效煤电污染物集中治理的平台优势,推进大气、水和土壤污染防治,实现生物质资源的减量化、无害化、资源化和规模化处置。对于燃煤电厂而言,还能减少燃煤机组的燃料成本和二氧化碳排放总量,具有很好的社会效益和经济效益,对于缓解燃煤电厂自身生存压力具有重要意义。

  在燃煤工业锅炉中,采用生物质来替代部分燃煤,无需或仅需对设备进行很小的改造,就能有效克服因原料价格波动而对纯烧生物质锅炉造成的影响,在现阶段是一种低成本、低风险的生物质利用方式。对于燃煤电厂锅炉来讲,生物质与煤混合燃烧是完成二氧化碳减排目标最经济的选择。

  直接混合燃烧采用的一般工艺路线为,在原有锅炉设备基础上附加生物质接收、储存和预处理设备,使生物质燃料在粒径等性质上适于在锅炉内与煤粉混合燃烧。目前,直接混合燃烧主要有两种技术方案。一是将原煤与生物质在给煤机前预先混合,随后送入磨煤机,破碎至一定粒径后分配到所有的煤粉燃烧器。该技术的改造投资成本最低,但存在降低磨煤机出力的风险,只适用于有限类型的生物质,混合燃烧比例较低。二是将煤粉与生物质燃料的制备过程分开,生物质破碎后单独输送至管路或燃烧器中,使两种燃料在炉膛中互相混合。该方案虽然需要加装生物质输送、制粉和燃烧系统,投资成本较大,但能够大比例掺烧生物质燃料,对锅炉运行影响很小,还可以利用生物质高挥发分、易着火的特点,改善燃煤锅炉的低负荷稳燃特性和污染物排放特性。

  该电站1号机组装机容量为15万千瓦煤粉锅炉,处理能力为20 吨/小时,相当于原有燃料消耗量的20%。机组采用旋流燃烧器前后墙布置,将后墙上层燃烧器的中心风管改造为打捆生物质燃料或秸秆粉碎后的喷燃口。

  该电站在装机容量14万千瓦的5号机组上增加了一套秸秆粉碎机输送设备。原有的燃烧方式为四角切圆燃烧,在左右墙各增加了一只专门用于燃烧秸秆的旋流燃烧器,秸秆掺烧的热量比例为20%,质量比例为30%,每年可燃用秸秆10万吨左右。

  电厂前3台机组1974年投运,后3台机组1986年投运。其中2、3、4号锅炉目前均已改造为有单独生物质磨制和燃烧功能的锅炉,是世界上总容量最大的采用单独生物质处理、磨制和燃烧的耦合生物质燃烧燃煤电厂。机组改造后,温度从566摄氏度降为561摄氏度,机组效率下降2%。但由于排烟温度从160摄氏度降到90 摄氏度,同时脱硫装置停运,整体效率略有提高。

  依据混合燃烧原料的不同,间接混合燃烧可分为:生物质气与煤的混合燃烧和生物质焦炭与煤的混合燃烧。

  生物质气与煤混燃是指将生物质气化后的燃气输送至锅炉系统中燃烧,其核心设备是生物质气化炉,一般采用流化床或固定床气化较为常见。按照气化后的燃气是否冷却除去气化杂质焦油,又可分为冷却后混燃和高温直接混燃。

  生物质焦炭与煤混燃是指生物质通过低温热解后,产生60%~80%的生物质焦炭与煤混合燃烧。此时生物质焦炭与煤的可磨性、着火特性及燃尽特性类似,可以避免磨煤机出力的降低和“抢风”现象。

  该电站原有机组为35万千瓦的供热机组,安装了83兆瓦的鲁奇循环流化床气化炉,运行温度850~950摄氏度,用于气化木材废弃物。电厂原始设计为将气化燃气冷却至220~240摄氏度,同时进行蒸汽回收,经袋式过滤器和水洗处理后脱除氨和焦油,净化后的燃气被加热至100摄氏度后送入锅炉燃烧。但设备初期运行后出现了严重的换热器焦油沾污问题,后经技术改造,将燃气冷却至500摄氏度后,再经旋风除尘器粗净化送入锅炉燃烧。

  该机组为60万千瓦的对冲燃烧锅炉,配备了一台10兆瓦的循环流化床气化炉,燃料消耗量为8吨/小时,设计燃料为稻壳、秸秆,气化炉含水量15%,生成的燃气经旋风分离器除尘,由导热硅油换热器冷却至400摄氏度后,送入布置在两侧墙的喷口燃烧。经西安热工院测试结果表明,掺烧生物质燃气后,由于气体的燃尽性非常好,在64万千瓦和45万千瓦电负荷下,飞灰可燃物都有不同程度的下降,空预器出口的二氧化碳降低效果也较为明显。

  该机组为66万千瓦燃煤锅炉,新建一台处理量16 吨/小时的循环流化床气化炉,折合发电功率20兆瓦,是目前国内最大的生物质气化耦合发电项目。建成投产后,年可利用9.12万吨生物质燃料,减少烟尘排放量约3018吨、二氧化硫排放量约65吨、氮氧化物排放量约302吨,年发电量可达1.14亿千瓦时。

  并联混燃是指专门配置一套完全独立的生物质锅炉,使生物质和煤燃烧后的蒸汽混合进入蒸汽轮机发电。该方式可利用多种生物质燃料,特别适用于高碱金属和氯化物的生物质,燃烧后的生物质灰和煤灰互相分离,有利于生物质灰的资源化利用。但存在生物质锅炉蒸汽参数和燃煤锅炉蒸汽参数匹配的问题。

  丹麦Enstedvaerket电站生物质锅炉的总装机容量为4万千瓦,两台锅炉分别燃烧秸秆和木屑,秸秆锅炉燃烧产生的470摄氏度蒸汽进入木屑锅炉被加热至542摄氏度后引入煤粉锅炉的主蒸汽管道。每年可消耗12万吨秸秆和3万吨木屑。

  按照我国的能源结构特点,燃煤机组在未来20年内仍将占据相当大的比重,如无突破性的技术进步,我国燃煤机组的二氧化碳排放总量仍将处于较高水平。因此,大型燃煤机组耦合生物质发电将成为降低二氧化碳排放和改善自身生存条件的必然选择。

  随着我国城镇化、工业化的高速发展以及人口的不断增长,工业废水与生活污水的排放量日益增大,由此导致污水处理厂污泥产量大幅提升。与污水处理技术快速发展的现状不同,我国污泥处理技术起步较晚,仍处于基础阶段。

  截至2017年,我国城市生活废水约590亿吨,我国城市污水污泥产量908.07万吨,工业污水污泥产量2950万吨。根据GEP Research发布的《全球及中国污泥处理处置行业发展研究报告(2018)》数据显示,2018年,我国城镇(设市城市、县,不含其他建制镇)污泥年产量5484万吨。根据预测,我国市政污泥产量将在2020年达到6000~9000万吨。

  当待处置污泥量较少或污泥含水率较低时,可直接将污泥送入原有制粉系统或炉膛内。尤其是对于循环流化床锅炉而言,其独特的燃料循环方式对于含水率较高的污泥掺烧十分有利。而对于煤粉锅炉,则可分为输煤系统掺入和燃料制备系统掺入两种。当采用输煤系统掺入时,一般无需对原有设备进行改造,此时的掺入成本最低,适用于含水率60%左右的污泥;当采用燃料制备系统掺入时,一般需要将污泥泵送至原有的磨煤机,适用于含水率80%左右的污泥,但受污泥输送设备的限制,一般需在机组旁边的空地建设污泥临时储存系统。

  就已有项目的运行经验而言,当污泥含水率低于40%时,不易在原煤仓中发生板结现象。因此,当污泥处理量较大时,宜采用将其干化后进行掺烧的模式。污泥干化后的外观形态与劣质褐煤较为相似,且具有较高的挥发分,运输和燃烧特性均可得到极大改善。

  据国家统计局统计数据显示,2013~2017年,我国生活垃圾处理能力及处理量不断提升。2013年,我国生活垃圾无害化处理能力为49.23万吨/日,拥有生活垃圾无害化处理厂765座。截至2017年,我国生活垃圾无害化处理能力达到67.99万吨/日,拥有生活垃圾无害化处理厂1013座。

  我国生活垃圾无害化处理方式主要有3种:卫生填埋、垃圾堆肥和垃圾焚烧。2013年,全国城市生活垃圾无害化处理量为15394万吨,2016年为19673.8万吨,2017达到21034.2万吨,其中卫生填埋量为12037.6万吨,占比约为57%;焚烧量为8463.3万吨,占比约为40%;其他无害化处理量占比仅为3%。以上数据说明,目前我国城市垃圾处理还是以卫生填埋为主。

  由于用地紧张和二次污染等问题的存在,卫生填埋在我国东部一些人口密度大且土地资源紧缺的发达省份已经遭遇瓶颈。与之相比,垃圾焚烧具有处理效率高、占地面积小、对环境影响相对较小等优点,更能满足城市生活垃圾处理对减量化和无害化的要求,并且,焚烧处理还能利用焚烧产生的热能,实现垃圾的资源化。这些优势使得垃圾焚烧处理在近些年逐渐得到较为广泛的应用与推广。焚烧垃圾场的数量从2013年的166座增长到2017年的286座,焚烧垃圾处理量由2013年的4633.7万吨增长到2017年的8463.3万吨,焚烧处理率由2013年的30.1%上升到2017年的40.2%。

  生活垃圾耦合发电可分为直接掺烧和处理后掺烧两种,目前主要有以下几种技术路线:

  一般工业固废使用碎布、纸屑、木板、橡胶作为气化原料,气化燃料量为13.89吨/小时,产气量为27224标准立方米/小时,燃气热值为6193千焦/立方米,气化后的原料成为可燃气体通过新增的燃气燃烧器进入锅炉。目前,该项目正处于可研阶段。

  该技术充分结合了垃圾焚烧炉与大型燃煤机组的技术特点,采用双链耦合。其中,蒸汽侧耦合将垃圾焚烧炉产生的主蒸汽引入燃煤机组的热力系统,将低能级的垃圾焚烧炉发热量部分转移到高能级的燃煤锅炉发电,实现垃圾发热量高效利用;烟气侧耦合将垃圾焚烧炉产生的尾部烟气引入燃煤锅炉,节约了垃圾焚烧炉烟气净化系统设备投入。可以将传统垃圾焚烧发电机组效率从18%~25%提升至32%,实现垃圾无害化、减量化、资源化、低成本化的处置。目前尚无应用案例。

  该技术的掺烧方式为直接进入原有流化床锅炉燃烧系统,目前已在福建华电永安发电有限公司30万千瓦循环流化床锅炉得到应用。工程单台炉固废及生物质掺烧量最大可达20吨/小时(两台炉每天可处理600~700吨),年节约煤耗13.1万吨。

  该技术首先使用蒸汽让垃圾在干燥器里间接干燥,随后在旋风富氧高温焚烧床内进行气化,气化后的燃气经降温脱氯后进入锅炉燃烧。气化的残渣经熔融后激冷外运。目前尚无成功的应用案例。

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