0、編者按(詹華忠Allen)

2017 年 11 月27 日，國家能源局、環(huán)境保護部聯(lián)合發(fā)布《關于開展燃煤耦合生物質發(fā)電技改試點工作的通知》，建議發(fā)電企業(yè)積極參與燃煤鍋爐生物質耦合發(fā)電工作，嘗試破解秸稈田間直燃等環(huán)境治理難題，促進電力行業(yè)特別是煤電的低碳清潔發(fā)展。

國家發(fā)改委 2017 年 12 月 18 日印發(fā)《全國碳排放交易市場建設方案》，專門針對發(fā)電行業(yè)提出：為貫徹落實黨中央、國務院關于建立全國碳排放權交易市場的決策部署，穩(wěn)步推進全國碳排放權交易市場建設。這說明燃煤火電機組面臨進一步降低CO2 排放壓力，需要前瞻性考慮適應未來降低 CO2 排放相關途徑迫在眉睫。

燃煤鍋爐耦合生物質燃燒技術建設周期短、投資和運行費用低、發(fā)電送出穩(wěn)定且能實現(xiàn)顯著的節(jié)能減排效果。燃煤鍋爐耦合生物質燃燒對改善區(qū)域環(huán)境，充分利用電廠已有的大部分設備和已存在的供電、供熱市場，增加當?shù)剞r(nóng)民收入有著天然優(yōu)勢;是一種現(xiàn)實、有效、可行和重要的減少燃煤火電機組溫室氣體排放的重要舉措和發(fā)展方向。該技術備受新五大發(fā)電集團和各省、市自治區(qū)關注，作為當前節(jié)能環(huán)保工作重點，進行可研、考察，急需確定技術路線，亟待采用。恰逢其時，中國電力科技網(wǎng)于2018年 4 月 17-18 日在天津召開“第一屆燃煤鍋爐耦合生物質燃燒技術應用研討會”。會上，中國電力工程顧問集團公司副總工程師龍輝做了專題演講《歐洲大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電技術介紹》，值得借鑒國外的實踐。

(前排左6為龍輝先生)

一、 前言

從上世紀90年代起，歐洲就開始開展生物質燃燒技術研究與應用。大型燃煤鍋爐耦合生物質技術在在英國、荷蘭、芬蘭、丹麥、德國等許多國家得到應用。

如何在未來的火電機組解決CO2減排問題。大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒發(fā)電技術就是其中解決方案之一。大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒發(fā)電技術在歐洲得到推動和發(fā)展得益于該技術減少燃煤電廠的CO2排放要求，政府的補貼等。

目前歐洲大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒技術的主流發(fā)展方向是生物質與煤耦合燃燒。我們一直在調(diào)研、跟蹤這一技術的最新發(fā)展。這里著重介紹歐洲比較有代表性的國家荷蘭、芬蘭、英國大型燃煤鍋爐耦合生物質技術發(fā)展情況。

二、 歐洲大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電技術應用情況

2.1荷蘭大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒發(fā)電技術發(fā)展

2.1.1 實驗階段

1993年，在KEMA的1MW燃煤實驗鍋爐進行的耦合燃燒試驗，包括5%和10%的的材料的耦合燃燒：建筑垃圾廢木料、污水污泥、焦炭產(chǎn)品。

重點：燃燒性能、灰量、排放。由于實驗效果積極，在90年代中期，荷蘭的燃煤發(fā)電廠開展生物質耦合燃燒技術得到發(fā)展。

2.1.2積累經(jīng)驗階段

1995年~2000年，在示范電廠運用不同燃料完成3%~5%~10%(重量百分比)的耦合燃燒。

完成的主要工作包括：

1)對焦炭、(干)污水污泥、廢木料、烴氣、生物質能球團、柑桔球團、城市廢物、咖啡渣、可可豆殼、動物脂肪、肉及骨、谷物粗粉進行工業(yè)示范試驗，確認燃燒特性，完成物料平衡計算(包括排放情況，灰量)，并且將耦合燃燒比例從10wt%提高到35wt%(或更高)，對木球、棕櫚仁壓榨、回收固體燃料、橄欖殘留、小麥殼粒，大豆殼等生物質采用專用混合燃燒裝置。

2)對鍋爐燃燒、腐蝕，磨煤機運行，污染物排放，灰渣等副產(chǎn)品質量，對SCR煙氣處理的影響，選擇催化還原催化劑的活性對燃燒的影響，監(jiān)測爐膛內(nèi)的腐蝕情況、煤/生物燃料混燒的磨煤機性能、煤灰質量帶來的影響進行了分析。

2.1.3目前發(fā)展情況

目前已經(jīng)有超過50個試驗，使用煤和生物質能、垃圾等物質的耦合燃燒,比例超過40wt%。

自2007年以來，在荷蘭的燃煤發(fā)電廠，耦合10% (重量百分比)的二次燃料已經(jīng)很普遍。2010年以后提高耦合燃燒比例，實現(xiàn) 600MW機組10~15%(重量百分比)的耦合燃燒，600MW以下機組實現(xiàn)15~35%(重量百分比)的混合燃燒，10~30MW的獨立工業(yè)單元超過35%(重量百分比)的混合燃燒。

2015年,荷蘭最新設計投運的鹿特丹的MPP3電廠是目前世界上最新建成的節(jié)能和CO2深度減排示范電廠。1100MW超超臨界機組采取超超臨界參數(shù)+生物質混燒+區(qū)域供熱+CO2捕集的CO2深度減排技術路線。機組容量：2X1100MW，機組參數(shù)：28.5MPa/600℃/620℃,機組發(fā)電效率>47%。生物質混燒比例30%，準備2019年投入使用。

MPP3 電廠混燒30%左右的生物質，采取區(qū)域供熱:

2.2芬蘭大型燃煤鍋爐生物質混燒技術應用

芬蘭建成世界上最大的混燒生物質的循環(huán)流化床鍋爐---芬蘭 Alholmens Kraft 550MW熱電廠。其中燃料： 煤：10%、泥煤：45%、森林廢棄物：10%、工業(yè)廢木材：35%。已經(jīng)成功運行多年，生物質可以以任何比例與煤混燒，包括100%生物質。

2.3英國

英國是目前世界上采取生物質混燒技術最多的國家。英國共有16座大型火電廠完成了生物質混燒發(fā)電，其中13座為總容量超過1000MW的大型燃煤火電廠，其總裝機容量為25,366MW。

英國容量大于1000MW的火電廠生物質混燒發(fā)電廠一覽表：

2.3.1英國Tilbury電廠生物質燃燒改造項目

Tilbury電廠位于倫敦東南，始建于1961年，1968年開始運行，目前屬于RWE Power公司。電廠裝機容量為2X712MW，2004年改造為生物質發(fā)電。

2011年5月TilburyB電廠開始要改造為純生物質發(fā)電廠，改造總目標如下：

Tilbury電廠所需燃料，60%來自加拿大不列顛哥倫比亞蟲蛀后的林木，10%來自歐洲，30%來自RWE所屬佐治亞州工廠生產(chǎn)的木材顆粒。

電廠第一階段改造情況介紹：

目前Tilbury電廠已經(jīng)完成了第一階段的改造, 主要包括改造真空卸載機、磨煤機，皮帶輸送機，灰斗，燃燒器改造等。

第一階段改造中存在的主要問題：

A物料輸送特性和預期不同。部分生物質燃料強度不夠，在輸送過程中容易破碎，增加了粉塵量，同時使輸送更困難。

B磨煤機特性與預期不同。主要變化與磨輥、碾壓力有關。

C從煤倉到給料機的流動性較差。在給料機和磨煤機間加裝回轉閥，作為煤倉和磨煤機間的壓力密封。

D灰分特性變化。生物質特性不適合傳統(tǒng)的濃相氣力輸送。靜態(tài)情況下，灰分會堆積，引起結渣和堵塞。

運行中料倉自燃著火情況

2012年2月27日9、10號機組發(fā)生料倉起火事故，其主要原因是料倉中的木材顆粒分布不均，由于局部自燃引起著火。

Tilbury電廠事故分析：

A生物質燃料處理過程中及運輸、儲存區(qū)域(如灰斗、料倉)的粉塵水平較高。

B木材顆粒的點火、燃燒特性和煤相近，木屑由于水分較低，相比燃煤粉塵，流動性更強。

C如果木屑遇到火源，可能引發(fā)自燃，產(chǎn)生大量的煙和CO，并難以撲滅。

解決方案：

在設計階段考慮撲滅料倉內(nèi)木材顆粒自燃的方法。

當檢測到料倉和灰斗內(nèi)自燃發(fā)生時，設法減少破壞原料及將其暴露給更高氧含量水平的可能性。

電廠下一步升級計劃

電廠的第一階段改造于2013年中期結束。第二階段改造將對電廠進行重大升級改造以符合新電廠環(huán)境標準，并延長電廠工作壽命至2027年。

2.3.2英國Drax電廠耦合生物質發(fā)電技術改造項目

Drax電廠6×660MW機組。前3臺機組1974年投運，后3臺1986年投運。現(xiàn)在鍋爐均改造成有單獨生物質磨制和燃燒的鍋爐，是世界上總容量最大的采用單獨生物質處理、磨制和燃燒的耦合生物質燃燒的燃煤電廠。

2004年第一次改造---Drax電廠3號660MW機組改造：

生物質顆粒磨制后直接進入鍋爐燃燒

2008年第二次改造---Drax電廠6X660MW機組全部改造

對全部6X660MW機組完成了10%BMCR熱量生物質改造。

生物質混燒項目通過在煤粉處理系統(tǒng)中預混生物質和煤粉，并將混合后的燃料送入磨煤機和燃燒系統(tǒng)。通過這一途徑混燒率上限約可達輸入熱量的10%，并且在此水平上，混燒對鍋爐電廠運行和性能的影響適中。

2011年第三次改造---Drax電廠單臺660MW機組60%熱輸入改造

2011 年，完成2、3、4號機組生物質耦合燃燒均切換到1號機組使之達到60%熱輸入。

經(jīng)過多次改造,系統(tǒng)的設計及性能都在不斷地發(fā)展。其引入了根據(jù)出力要求直接完成生物質供給量的自動控制，使磨煤機切換到混燒時具有恢復調(diào)節(jié)功能。

三、 歐洲大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電主要技術路線

3.1歐洲最初總結出的生物質耦合發(fā)電主要技術路線

3.1.1方案1

將生物質顆粒送入磨煤機中反復碾磨，并將碾磨好的生物質輸送至已有的點火系統(tǒng)。該方案在北歐一些小型煤粉爐系統(tǒng)中成功開展。

3.1.2方案2

是在煤粉處理系統(tǒng)中，將生物質與煤粉按照比例進行預混，在現(xiàn)存燃煤系統(tǒng)中進行混合燃料的研磨和燃燒。該方法所需增加的投資不高且實現(xiàn)相對容易。由于適用生物質原料供應安全性問題，或者政府補貼資助或其他財政鼓勵混燒計劃的政策的長期安全使用等想法，該方法是火電廠的運行人員最初開始耦合燃燒技術時常用的方法。

3.1.3方案3,4和5

包括預研磨生物質直噴煤粉燃燒系統(tǒng)。例如，噴入煤粉管道、改造燃燒器或者新型專用生物質燃燒器。這些方案涉及更高的資本投資，但是混燒比例比方案2要高很多。英國及北歐國家已經(jīng)完成了很多利用預磨生物質直噴混燒技術的生物質利用項目。可以使系統(tǒng)在更高的生物質混燒比率工作。

在英國及其它國家已有有這些系統(tǒng)的設計及運行經(jīng)驗，為新一代的生物質耦合系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術支持，為改造現(xiàn)在或者新建項目奠定基礎。所有相關的耦合技術都會把生物質研磨至合適的顆粒大小分布以實現(xiàn)高效的煤粉火焰燃燒，同時也都會利用氣力輸送將預磨的生物質顆粒從磨煤機送入爐膛。這種方法可以作為改造及新建具備生物質耦合發(fā)電的燃煤電廠工程的優(yōu)先選擇。

3.1.4方案6

包括在專用機組的生物質氣化，通常空氣在大氣壓下吹進，在煤粉鍋爐中混燒。在產(chǎn)生氣體進入煤粉鍋爐中燃燒前可凈化或者不凈化。這種生物質混燒方法在北歐少量的電廠中采用。

3.2新技術路線

歐洲公司近年來根據(jù)其在英國、韓國、美國多臺500MW~660MW燃煤電廠耦合生物質燃燒改造項目的經(jīng)驗，提出以下大型燃煤鍋爐生物質耦合發(fā)電技術路線。

①生物質磨和生物質燃燒器. 實現(xiàn)100%燒生物質燃料

②生物質磨和獨立的燃燒器. 耦合5~40%的生物質能量輸入

③生物質磨和共用的燃燒器，耦合5 ~40%的生物質能量輸入

④獨立的磨煤機和獨立的燃燒器，耦合5 ~15%生物質能量輸入

⑤共用的磨煤機和共用的燃燒器，耦合5 ~15%生物質能量輸入

這一技術路線是根據(jù)很多最新的項目采用更先進的系統(tǒng)，包括預磨生物質物料直噴混燒技術，可在更高混燒率下運行。所有這些系統(tǒng)包括預磨生物質向鍋爐的氣力輸運，向煤粉管道、改進煤粉鍋爐或專門生物質鍋爐的噴射技術。大量這些系統(tǒng)已商業(yè)運行，并成功運行了3~4年。

3.2.1專用生物質燃燒器

在現(xiàn)有的燃煤鍋爐中安裝新的生物質混燒專用燃燒器。對于很多電廠來說，維持現(xiàn)有的煤粉燃燒能力是一個很好的選擇。對于這種技術，有許多技術難題及商業(yè)風險需要研究，如：

新燃燒器的位置將對現(xiàn)有的煤粉燃燒系統(tǒng)及鍋爐的效率都有很大的影響。這還可能為鍋爐的運行帶來潛在的風險，因此需要對新燃燒器的位置進行仔細的評估。

生物質的直接燃燒技術很復雜，包括其燃燒機理及其與鍋爐控制的關系，而且安裝成本很高。

3.2.2直接噴入改造后的煤粉燃燒器

將預磨后的生物質直接噴入當前的煤粉燃燒器，這需要對當前燃燒器進行很大的改造。改造成本比較高，而且在技術上也存在很大風險。但如果考慮到生物質燃料可能會堵塞煤粉輸送系統(tǒng)，尤其是煤粉分離器、煤粉分配器及煤粉燃燒器，對某些生物質燃料來說，采用改造燃燒器的方法可能是一個合適的選擇。

生物質送入爐膛的位置及配套的截止閥和相關設備等都在燃燒器平臺上，易于觀察與維護;

由于該位置接近爐膛，因此減少了研磨后的生物質顆粒進入煤粉管道所帶來的風險;

該位置遠離磨煤機，因此磨煤機事故對生物質傳送和噴射系統(tǒng)的影響大大減少。

把生物質送入輸煤管道或者直接把其輸入燃燒器，所以都需要一個高靈敏度的生物質分離驅動閥，該閥可以把生物質輸送系統(tǒng)與磨煤機及點火系統(tǒng)迅速地分離。如果整個系統(tǒng)能夠正常運行，把生物質噴入輸煤管道的方法具有很多的優(yōu)勢：

A不需要對鍋爐結構、二次風管道、輸煤管道及煤粉燃燒器進行較大修改;

B鍋爐和磨煤機能夠單獨進行正常的煤粉發(fā)電，直到所有的燃燒及鍋爐系統(tǒng)都改造完成后才會引入生物質燃燒系統(tǒng);

C利用這種方法，生物質與煤粉的燃燒產(chǎn)物混合得很好。這意味著由于生物質燃燒產(chǎn)物積累而在爐膛及鍋爐內(nèi)產(chǎn)生的帶狀沉積和腐蝕帶所引起的危險將被減少。

在最新的系統(tǒng)中引入了生物質供給率的自動控制，當使磨煤機切換到混燒時具有恢復調(diào)節(jié)功能。

在進入主煤粉管道前安裝VARB，保證生物質燃料流動均勻可控。

四、 歐洲大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電技術發(fā)展對我國的啟示

2005年，歐盟碳開始交易體系開始運行，如今，這一系統(tǒng)已涵蓋歐洲國家11000家發(fā)電廠、工廠以及絕大多數(shù)的航空公司，覆蓋 歐洲45%的溫室氣體排放量，成為世界上最大的碳排放交易市場。歐洲的電廠開展了各種方式的CO2深度減排工作。2017年全國7個碳排放權交易市場全面啟動運行，并正式印發(fā)《全國碳排放交易市場建設方案》。

對國外大型燃煤鍋爐生物質混燒技術應用比較成熟的國家(英國等國家)典型的大型燃煤鍋爐生物質耦合燃燒技術運行情況進行調(diào)研、采取的主要工藝分析及研究結論如下：

4.1大型燃煤鍋爐混燒生物質技術在英國、美國、芬蘭、丹麥、德國、奧地利、西班牙和許多國家應用較多，電廠裝機容量最高達1100MW，并有多個大型燃煤鍋爐實現(xiàn)耦合生物質發(fā)電的應用業(yè)績。

4.2自2007年以來，在荷蘭的燃煤發(fā)電廠，耦合生物質10%(重量百分比)的燃燒已經(jīng)很普遍。2010年以后提高耦合比例，實現(xiàn) 600MW機組10~15%(重量百分比)的生物質耦合燃燒，600MW以下機組實現(xiàn)15~35%(重量百分比)的生物質耦合燃燒，10~30MW的獨立工業(yè)單元超過35%(重量百分比)的生物質耦合燃燒。

而英國近年來生物質耦合燃燒技術發(fā)展表明：大型燃煤鍋爐可實現(xiàn)自由比例的生物質燃料(0~100%)給鍋爐提供熱量。可實現(xiàn)100%的生物質燃料，不再燒煤。

英國是目前世界上燃煤火電機組生物質混燒技術發(fā)展領先的國家，實現(xiàn)了三代技術的跨越，部分大型燃煤火電機組實現(xiàn)了“煤改生物質”燃燒。值得我們學習和借鑒。

歐洲大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電技術發(fā)展路線目前可歸納為生物質顆粒=》生物質磨機=》管道分配系統(tǒng)=》煤粉管道，盡管生物質耦合燃燒技術有難以計量方面的缺點，但我們認為解決該問題后將是大型燃煤鍋爐生物質混燒技術發(fā)展的主要方向，可以實現(xiàn)大型鍋爐各種比例耦合燃燒技術應用，同時具有成熟、可靠、安全的特點，該技術在國際上已經(jīng)得到廣泛應用。

生物質磨機：

國外有15%、40%、100%耦合生物質發(fā)電的技術。結合具體項目的燃料供應、資金，運行維護習慣，以及我國電廠的情況，我們認為40%耦合生物質發(fā)電技術比較適合于我國，即在電廠內(nèi)或緊挨電廠建設燃料預處理工廠進行烘焙和研磨;然后通過大管道輸送到鍋爐附近，再通過管道分配系統(tǒng)均勻分配到煤粉管道。該方案生物質燃料預處理比較獨立，生物質耦合比較較高(可達熱值比例40%)，電廠的改造較小，便于項目投資、建設和運行管理。

五、建議

中國不可能像西方一些國家那樣完全去煤化，燃煤發(fā)電在未來30年仍將占較高的比重。按照目前的電力發(fā)展形勢分析，即使我國目前的火電機組供電煤耗將從2017年的309g/kWh雖可以繼續(xù)下降，但由于火電機組總容量不斷增加，如不采取相應的措施，我國的火電機組的CO2排放總量仍將增加。

生物質發(fā)電是國家政策支持發(fā)電項目，屬于綠色、環(huán)保能源，對于實現(xiàn)能源的戰(zhàn)略接續(xù)、改善生產(chǎn)生活環(huán)境、有效利用資源具有十分重要的意義。

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和生活水平的不斷提高，我們對能源的需求也日益增加。而主要傳統(tǒng)能源(煤炭和石油等)的有限性和環(huán)境污染等因素，促使我們積極開拓和發(fā)展可再生能源。

因此對我國生物質燃燒技術發(fā)展建議如下：

5.1采用大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電技術

5.1.1降低生物質燃料供應風險，具有燃料的靈活性

我國生物質直燃技術發(fā)揮占受收集、儲運與預處理的限制，成為技術發(fā)展的瓶頸。能量密度低，分布分散、纖維結構，預處理困難;生物質的特點不利于長距離運輸、受區(qū)域性、季節(jié)性影響，生物質直燃電廠密集程度增大。

而大型燃煤鍋爐耦合生物質燃燒技術采用壓緊顆粒，同時采用分片經(jīng)營，鄉(xiāng)為單位，社會投資，進退自如。具有克服生物質原料供應波動影響，克服純燒生物質的缺點，能夠利用大型電廠的規(guī)模經(jīng)濟，熱效率高、低成本、低風險，污染物排放減少。生物質耦合發(fā)電可充分利用燃煤電廠大容量、高蒸汽參數(shù)達到高效率的優(yōu)點。

5.1.2充分利用現(xiàn)有燃煤電廠原有的設施和系統(tǒng)來實現(xiàn)生物質發(fā)電，充分利用原有燃煤電廠已經(jīng)存在的供電和供熱市場。

5.1.3大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電具有工藝簡單、工藝設備要求低，轉動設備少，故系統(tǒng)耗能少、故障低、維護量小等特點。

5.2建設示范工程

建議政府主管部門推動將大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電技術應用到我國大型火電廠中，可首先在生物質豐富地區(qū)建設一個600MW機組耦合生物質發(fā)電的示范工程，為進一步的推廣應用積累建設和運行經(jīng)驗。

5.3開展國際合作

鑒于國內(nèi)開展大型燃煤鍋爐耦合生物質發(fā)電技術研究起步較晚，目前還缺乏先進的技術和設備。中國農(nóng)林生物質原料復雜多樣，品質差異巨大，因此需要一套性能穩(wěn)定、可靠的燃燒設備，能夠最大限度適應中國多品種、多形態(tài)、季節(jié)差異大、含水量與熱值復雜多樣等問題的燃料。國內(nèi)雖已有2個電廠對原有燃煤鍋爐進行混燒生物質試驗和技術改造，積累了一定的經(jīng)驗，但國內(nèi)該技術的發(fā)展仍屬于技術起步期，距離技術成熟期還有一定的時間。

我們建議進一步分析歐洲大型燃煤鍋爐生物質耦合發(fā)電技術的設計和運行經(jīng)驗，并開展與國外公司的合作。