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摘要：近年，在全球变暖的影响之下，我们正在面临控制温室气体排放、减少污染物的巨大压力，对能源发展提出了更高的要求。当前，燃煤与生物质气化耦合发电逐渐成为国家可再生能源发展、煤电清洁化、节能环保和低碳改造的重要方向，并发布了多项技术示范项目。
关键词：生物质燃煤；耦合发电技术；未来趋势
引言
能源是我国经济社会发展的基础，现阶段燃煤火力发电仍是我国主要的能源供给方式，而煤炭燃烧排放大量的NOx，SO2，CO2等气体以及细颗粒物，造成大气环境质量急剧下降，与我国环境友好的生态文明建设理念相悖。2016年12月20日国务院下发了《“十三五”节能减排综合工作方案》，提出了大型发电集团单位供电CO2排放控制在550g/（kW·h）以内的目标，这给煤炭发电企业带来巨大的压力。因此，寻求一种清洁、绿色、高效、环保、可再生的煤炭替代型能源已成为煤炭发电企业及我国全面建成小康社会所必须解决的问题。
1生物质燃料特性
生物质包括一切直接或间接利用植物光合作用而形成的有机物质。本文所说的生物质均指农作物秸杆和农业加工残余物以及林木和林业加工剩余物等生物质，不包括有机污水、生活垃圾及禽畜粪便。从物理本质上来说，生物质是由纤维素、半纤维素、木质素、无机物和水组成的。从化学元素来说，其包含C、H、O、N、S，水和灰分。与燃煤相比，生物质燃料具有自身的特点:
1)木本燃料的生物活性较高，可能引起料堆发热并损失干物质，且贮藏点的含尘量和孢子含量很高，在燃料储运过程中会引起健康和安全问题。
2)生物质燃料可燃基挥发分含量在70%以上，干燥后具有很好的着火特性，燃点大概400℃左右。
3)生物质S和N含量较低，代替部分燃煤可减少SO2和NOx的排放。
4)灰中的K、Na含量相对较高，灰熔点大概在800－1000℃，高温下碱金属析出容易导致飞灰团聚和受热面结渣。
5)部分生物质Cl含量相对较高，燃烧释放出高浓度HCl进入锅炉尾气会引起受热面高温腐蚀。
2生物质燃煤耦合发电技术应用现状
2.1直接混燃耦合发电技术
生物质与煤直接混燃耦合发电技术，即在燃烧侧，现有燃煤锅炉通过燃烧生物质与煤粉的混合燃料产生蒸汽进行发电。但由于生物质燃料与煤在物理、化学性质方面存在较大的差异，直接混燃时生物质须进行一定的预处理，如降低其含水率、减小颗粒粒径，将其处理为可与煤粉直接燃烧的状态。根据生物质预处理方式的不同，分为同磨同燃烧器混烧和异磨同燃烧器混烧。前者为生物质和煤在给煤机上游混合，送入磨煤机，然后混合燃料被送至燃烧器，这是成本最低的方案，但生物质和煤在同一磨煤机中研磨会严重影响磨煤机的性能，因此仅限于有限种类的生物质和生物质掺烧比小于5%；后者为生物质燃料的输送、计量和粉碎设备与煤粉系统分离，粉碎后的生物质燃料被送至燃烧器上游的煤粉管道或煤粉燃烧器，此方案系统较复杂且控制和维护燃烧器较困难。
由于生物质与煤粉直接混燃发电技术可在原有燃煤电厂锅炉的基础上仅对锅炉进料系统进行改造，即可应用混合燃料燃烧发电，大大降低了电厂转型所需的投资改造成本，因此是目前最常见的一种投资成本最低和转换效率最高的生物质耦合发电方式。该技术由于避免了转化损失，相比其他耦合方式，净电效率较高。生物质中的挥发分含量高，与煤粉共燃时可促进煤粉的着火与燃烧，降低CO2和NOX的排放。生物质与煤直接混燃耦合发电技术在挪威、瑞典、芬兰和美国已得到广泛应用。由于生物质中含有大量的碱金属和碱土金属，混燃过程中碱金属容易挥发沉积在锅炉受热面而引起锅炉腐蚀，同时煤灰渣中的大量碱金属容易结焦，对锅炉安全运行产生较大影响，因此，直接混燃耦合发电技术在我国应用较少。另外，这种耦合方式中生物质预处理困难，现有预处理技术普适性较差，对生物质燃料处理系统和燃烧设备要求较高，适用性较低。
2.2生物质气化与煤混燃耦合发电技术
生物质气化与煤混燃耦合发电技术，首先将生物质在生物质气化炉内进行气化，生成以一氧化碳、氢气、甲烷以及小分子烃类为主要组成的低热值燃气，然后将燃气喷入煤粉炉内与煤混燃发电。这种耦合方式对生物质原料的预处理要求相对较低，可利用难以预处理的杂质含量较多的生物质原料，扩大了生物质可利用范围。如采用循环流化床气化炉，生物质气化时所需温度较低，生物质中碱金属随燃气挥发析出量较少，避免了在燃烧过程中腐蚀设备的问题。采用生物质气化形式，燃气中含有大量的一氧化碳、氢气、甲烷，燃气所需燃烧温度较低，在燃煤锅炉中很容易燃烧，降低了燃烧成本。另外，生物质气化可燃气可用作降低NOX排放分级燃烧（再燃法）的二次燃料，降低了发电厂污染物的排放。
2.3分烧耦合发电技术
生物质与煤分烧耦合发电技术也称并联燃烧发电技术，即在蒸汽侧实现“混烧”，是一种利用蒸汽实现耦合发电的技术方式。纯燃生物质锅炉产生的蒸汽参数和电厂主燃煤锅炉蒸汽参数一样或接近，可将纯燃生物质锅炉产生的蒸汽并入煤粉炉的蒸汽管网，共用汽轮机实现“混烧耦合”发电。分烧耦合发电技术方式采用的是与煤燃烧系统完全分离的纯燃生物质锅炉系统，对电厂原有燃煤锅炉燃烧不产生影响。其优点如下：1）充分利用燃煤电厂大容量、高蒸汽参数达到高效率的优点，可在更大容量水平上使生物质发电效率达到燃煤电厂的最高水平，提高生物质能源利用比率；2）并联燃烧采用专门燃烧生物质的锅炉，从而增加了燃煤电厂混烧生物质燃料的可能，例如高碱金属和氯元素含量的秸秆；3）生物质灰和煤灰分开，便于对灰渣的分别处理。在国外的应用实例中，均存在生物质锅炉设备腐蚀严重的问题，这是因为生物质燃料活性高，碱金属含量高，在燃烧过程中，容易与氯、硅等其他元素发生化学反应，生成高腐蚀性的氯化物，对设备管道造成腐蚀。其缺点是系统复杂，投资造价高。我国华电国际电力股份有限公司十里泉发电厂140MW机组采用此技术方式。
3生物质燃煤耦合发电技术未来趋势
3.1国家政策
我国生物质耦合发电仍处于探索阶段，虽国外已有大量的应用实例，但都难以满足我国国情。开发一套基于我国国情的生物质耦合燃煤发电体系，需要国家政策的大力支持。目前，我国生物质耦合发电项目大多处于公益阶段，需要国家财政的大量帮扶、相应的科研经费以及对试点地区居民的奖励补贴。同时，应给国内科研人员创造出国交流的机会，深入学习其他成功案例的发展经验，并结合我国国情走自主研发道路。
3.2宣传力度
生物质替代燃煤发电，对于民众来说相对陌生，应加大生物质发电的宣传力度，增加民众的了解度，通过多方面渠道促进民众了解生物质发电对社会、经济、环境的积极作用。
3.3耦合技术
发展生物质与煤混燃技术须考虑发电成本以及发电效率。选择一种生物质耦合燃煤发电的具体方式，确定混燃生物质种类及其掺烧比例，同时满足社会效益、经济效益、生态环境等多方面要求，是未来工程上不断试验的主要方向。结合我国国情和现有国内外耦合发电技术发展现状，生物质气化与燃煤耦合发电是最佳的耦合发电方式。生物质气化对原料预处理要求较低，可提高生物质利用比率。生物质气化避免了碱金属对设备的腐蚀以及可能引发的烟气处理系统中催化剂的失效问题。早在20世纪就有大量学者对生物质循化流化床气化进行了详细研究，其操作性成熟，可应用于大规模生产中。国内外的应用实例也为生物质气化与燃煤耦合发电提供了良好的技术支撑。
结语
我国是农业大国，具有丰富的生物资源，生物质燃煤耦合发电不仅可提高生物资源利用效率，还可实现明显减排效果，是目前大型燃煤电厂节能减排、控制温室气体排放的重要手段。尽管到目前为止，生物质燃煤耦合发电还处于示范的阶段，但是相信在不久的未来，一定会具有广阔的发展前景。
参考文献:
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