生物质与煤共燃研究

第20卷第1期电站系统工程VoL 20 No. 12004年1月Power System EngineeringJan.2004文章编号:1005-006X(2004)01-0001生物质与煤共燃研究段菁春1肖军2王杰林3庄新国2中国科学院广州地球化学研究所,2中国地质大学资源学院,3秦皇岛岀入境检验检疫局)摘要:简要介绍生物质与煤共燃的意义及其应用前景。在此基础上,深λ分析二者共燃的生物质预处理、燃烧特性、污染物排放及共燃灰污、结渣和腐蚀性、共燃方式及共燃经济性。同时还对所面临的冋题如:生物质体密度、能量密度低,高碱金属含量帶来的低灰熔点,高氯含量可能带来的腐蚀,提岀了一些解决办法。最后对二者共燃的实验研究进行了较深入地分析。关键词:生物质;煤;共燃;可持续发展中图分类号:TK16文献标识码:BResearch on Co-firing of Biomass and CoalDUAN Jing-chun, XIAO Jun, WANG Jie-lin, ZHUAN Xin-guoAbstract: Based on the significance and prospect of co-firing of biomass and coal, their biomass preprocessing,combustion characteristics, contamination emission, and its properties of slagging, fouling and abrasiveness are analyzedIt also discusses co-firing modes and co-firing economic evaluation. Further more, it proposes some solutions to suchproblems in co-firing of biomass and coal as low bulk density and low energy density of biomass, low melting points ofthe ash due to high contents of alkali oxides and salts in biomass and the corrosion sometimes brought by chlorideFinally, it analyzes the laboratorial results of co-firing of biomass and coal in detailKey words: biomass; coal; co-firing; sustainable development利用煤炭等化石燃料发电,排放出大量的SO2、NO3CO2以及粉尘等污染物,它们是造成酸雨、臭氧空洞、温1生物质与煤共燃的预处理室效应的罪魁祸首叫。20世纪60年代以来,许多发达国家为改善环境纷纷加强了对电厂污染物排放的限制,甚至对尽管生物质资源量非常大,但由于生物质资源较分散」其体积和能量密度小(如稻壳的体积密度一般为120kgm3CO排放征税,如丹麦、芬兰、荷兰、挪威和瑞典等国左右,林业加工剩余木材为500kgm左右;而褐煤为560~中国是当今世界最大的煤炭生产和消费国。2001年中国年煤产量达到了1075亿t,其中80%直接用于燃烧。近年来600kg/m,烟煤为800~900kgm,无烟煤达14001900在我国一次能源的利用中,煤炭发电份额一般都在75%左kgm),因此其运输、储存费用相对较高,且其利用半径右,据预测以煤炭为主的能源结构在相当长时间里不会有般为80~120km,这大大限制了大型电厂对其有效利用大的改变*~。我国作为燃煤大国,1992年排放CO2约达3.2亿t,仅次于美国,列第二位。因此,中国作为一个如何提高生物质的体积、能量密度已成为如何利用生温室气体排放大国,对全球气候变暖也负有重大责任,积物质的重要研究方向。目前采用的主要技术有打包、制作极减排CO2保护环境是当务之急,且有利于提高中国在国生物质高压成型块及制作生物质焦炭。打包的稻草体密度际上的声望可达70~90kg/m,热值可达260~360kWh/m,而稻草的生物质被喻为即时利用的绿色煤炭,具有挥发分和炭生物质高压成型块体密度更高达40~650kg热值达1活性高,N、S含量低(含N量0.5%~3%,含S量0.1%800~2800kwhm;制作生物质焦炭更能使生物质接近煤某的体密度及热值,并具有良好的研曆性。但是生物质压实1.5%)、灰分低(0.1%~3%),所以与煤共燃可以降低其硫技术需要附属的生物质压实设备,尤其是生物质高压成型氧化物、氮氧化物及烟尘的含量。同时生物质燃烧过程具设备及制作生物质焦炭的设备价格昂贵,这无疑增加了生有CO3零排放的特点,这对于缓解日益严重的“温室效应”物质的成本,限制了生物质的利用,所以在使用时应慎重有着特殊的意义。我国生物质资源丰富,据统计,全国选择。近年秸杆年产量约6亿,薪柴年产量(包括木材砍伐的2生物质与煤共燃的燃烧性能废弃物)为2亿t左右,还有大量的人畜粪便及工业排放的有机废料、废渣,毎年生物质资源总量折合成标准煤221着火温度4亿r。因此加强对生物质与煤共燃的研究具有重要的意生物质燃料挥发分比例一般都较高,通常可达60%∞0‰,且热解释放挥发分的温度较低(约250~350℃),因而生物质与煤共燃可以大大降低煤的点火温度。表1列目前,许多国家纷纷开展了生物质与煤共燃发电的研出了部分煤与生物质的择挥发分含量与着火温度。究。其中美国和欧洲在这方面的研究较深入,并已经建立了许多示范工厂,而我国在这方面的研究则相对较少。般认为当不同燃料混合燃烧时,着火特性偏于易着火的燃料,因而在混燃中,即使混入小部分生物质也可大收稿日期:2003-03-27段菁春(1974),男,博土。有机室,510640大降低煤的着火中国煤化工CNMHG2电站系统工程2004年第20卷表1煤种和生物质与着火温度的关系放NO的作用会因生物质本身的含N量、煤种(灰成分)以及燃烧方式2的不同而差别较大烟煤370的排放煤种贫煤SO2的排放量主要决定于燃料中S的输入量,因为在煤的燃烧过程中80%~100%的燃料S会转变成SO。据研无烟煤究,大部分生物质含硫量极少或不含硫(如木质燃料的S含量约为001%~0.04%,谷壳为0.05%,花生壳为百松树6780.02%),因而通过将生物质与煤共燃能够有效降低SO,生物质自桦树树成548000的排放量,减排的效果因共燃生物质和煤种S含量的不同而不同22着火性能同时,多数生物质灰分中含有大量碱金属或碱土金属着火性能的好坏可用傅维标提岀的着火性能指数F加的氧化物,能够与SO2反应生成硫酸盐,起到固硫剂的作以衡量。该指数值越大,着火性能越好,与煤的内在水用分、挥发分的析出以及碳含量的大小成正比。多数生物质34重金属污染物排放评价因为挥发分含量高,和煤共燃可明显改善煤的着火性能,研究表明,煤中含有多种微量元素,如:As、Hg、V体现在煤的着火性能指数明显增加,见表2。Pb、Zn、SeCo、Ni、Cr等,其中许多是有毒、有害的重表2部分煤种和生物质共燃与着火性能指数F的关系金属元素。尽管它们在煤中的含量不高于002%~0.005%,挥发分水分含碳量但是由于煤的燃烧和利用规模庞大,其总量仍是可观的煤中所含的重金属元素来自于地下岩层,燃烧过程中木厂锯屑(300℃热解所含的重金属微量元素会通过挥发进入大气形成气溶胶30min)73931.66240413.74或富集于灰分中,然后再通过降雨或淋滤作用进入土壤或老长沟长焰煤9.3346.08869湖南冷水江无烟煤5.563.6487.160.74地下水,改变了表生地球化学环境,危害动植物和人体健38.078.5643.889.54康。而生物质所含的重金属元素主要是在生长过程中从土0%锯屑+90%无烟煤12.4034480.852.03壤中吸收而来,不会在表生作用带形成积累,因而危害较2.3发热量生物质的发热比煤低,从5000kJkg(人畜粪便)到表3列出煤与生物质灰分中所含微量元素的对比情20000kJ/kg(木材)不等,而煤可达30000kJ/kg以上。况,可以看出硬煤灰分中所含的微量元素远大于稻草和芒因此,在生物质与煤共燃时会造成锅炉输出功率的下降,属植物。虽然木质材料灰分中所含微量元素与硬煤相当效率的降低,因而也限制了掺混比例。在原有锅炉设备上但木质材料的灰分仅034%,远小于硬煤灰分含量8.25%掺混生物质燃烧,掺混比例一般为3%,最高不超过由此可见,在电厂与煤混燃生物质能大大降低电厂重金属3生物质与煤共燃的污染物排放排放量表3煤与生物质灰分中所含微量元素对比23.1CO,等温室气体的减由于生物质在燃烧过程中排放出的CO2与其生长过程更煤稻草芒属植木材(山毛中所吸收的一样多,所以生物质燃烧对空气CO2的净排放10.6为零叩19。同时由于燃烧生物质剩余物减少了其自然腐烂所产生的CH’进一步減少了温室气体的排放,通常认为固定碳19.9CH4气体的温室效应是CO2的21倍。在减排CO2的成本上,相对来说燃烧生物质发电也是非常低的,因而它是目前最经济可行的减排CO,手段之初步分析微量元素吧/灰分9503.2NOx的排放燃煤过程中NO.的生成主要有3条途径2:①热生成在1300℃的温度下,由空气中N2与O2反应生成;②间接生成。空气中氮先与烃类自由基反应生成氰化物,然后转432化成NO;③由燃料中的氮转化而来H加入生物质与煤共燃能够降低NO的排放浓度主要原因2:①生物质含有大量挥发分,在低温下迅速析出进而燃烧,形成生物质挥发分与煤抢氧燃烧,从而形成较低氧4生物质与煤共燃的灰污、结渣和腐蚀性气浓度,有利于还原物质(C和CO等)对NO的还原分解反应,减少NO的生成;②生物质本身N含量比煤少得多,故生物质与煤O2共燃过程中生成NO的数量也会降生物质一般含有较高的碱金属(Na,K)氧化物和盐低;⑧燃烧过程中生物质释放出的挥发分与煤相比更富类,这将造成灰熔点降低,给燃烧过程带来许多问题Bapa2NH3,而后者则更富 HCN NH能够分解成NH2和NH,等在研究高碱金属含量生物质在流化床上的燃烧时发现碱它们能够将NO还原成N,从而起到降低NO作用而HCN金属能够造成流化床燃烧中床料颗粒的严重烧结。其原因能在O3的作用下分解成NCO,它进一步与NO反应会生成污染物N,O是碱金属(Na,K)氧化物和盐类可以与SO2发生以下反值得注意的是,生物质与煤共燃对降低燃烧过程中排⑩中国煤化工CNMHG第1期段菁春等:生物质与煤共燃研究SiO2+Na2CO3→Na2O·2SO2+CO器4SiO,+KCO3→K,O·4SiO,+CO5,2生物质焦炭与煤共燃形成的低温共熔体熔融温度分别仅为874℃和764℃,从通过将生物质在300~400℃下热解,可以将生物质而造成严重的烧结现象转化为高产率(60%~80%)的生物质焦炭,然后将生物质Baxter-认为生物质燃烧时的灰沉积率在燃烧早期最焦炭与煤共燃。生物质焦炭具有以下优点:生物质焦炭与大,然后会单调递减。比起煤燃烧时的灰沉积,它具有光煤在热值及可磨性上相近,因而无须特别的加料及燃烧系滑的表面和很小的孔隙度,因而它的粘度和强度都比较高。统;同时它还保持了挥发分高,点火温度低的优点;制成这意味着生物质燃烧所产生的灰沉积更难去生物质焦炭增加了生物质的体积密度及能量密度,从而使含有某些化学成分的生物质所产生的灰污可能会造成生物质的运输、储藏更经济、便利;不同生物质在水分金属的腐蚀。 Blander等模拟了麦秆燃烧时的无杋化学反热值、物理性质、化学性质上差异较大,而制成生物质焦应。发现麦秆中含量最高的两种元素Siⅰ和K在燃烧时形成炭可以使其在物理化学性质上趋于一致,提高了适应锅炉低熔点的硅酸盐沉积在燃烧设备的金属上会造成燃烧设备的能力。生物质焦炭与煤共燃虽然增加了生物质预处理费的腐蚀,因为金属的氧化保护层会溶解在沉积的熔渣中。用,但电站建设、维护以及原有电站改造的费用大大降低同时由于碱金属的高挥发性会发生如下反应造成腐蚀:6生物质与煤共燃的经济性能评价K,O(silicate)+ Fe -Feo(silicate)+K(g)在生物质与煤共燃中还应当注意有些生物质CI含量比可从共燃的经济成本及其产生的经济利益两方面加以较高。一般认为煤中氯含量超过025%时,在燃烧过程中评价。经济成本主要包括生物质与煤的加工成本、运输成就会腐蚀设备,并且在设备中产生结皮和堵塞现象。本、存储成本、设备改造和维护费用等;经济利益主要包James等对英国20世纪70~80年代燃煤电厂再热器、过括产出的电量、环境保护收益和节省同等热值的煤炭用量热器和炉墙等部位进行腐蚀研究,发现煤中氯含量增加将加快金属的腐蚀速度,特别是炉墙火焰侧的腐蚀,煤中Cl国外特别是美国和欧洲对生物质利用的研究比较早,含量在0.20%以下对腐蚀无影响他们已经在不同生物质燃烧性质和基础数据的收集上积累灰污和熔渣不仅降低了换热效率,而且还对设备造成了相当的成果,已经有许多正式投产的稻草与煤、木材严重的腐蚀和曆损。通过煤与生物质共燃,可以大大降低与煤共燃发电的电厂。为了保证电厂运行的经济性,他们燃料中碱金属所占的比例,从而可以缓解由于生物质高碱通过成本性能模式对各种生物质与煤共燃的技术进行比金属含量带来的熔渣和灰污问题,同时也可以适当加入添较,作了大量的工作。保证了新建共燃发电厂经济运行的加剂(如ALO、CaO、Mgo、白云石和高岭土等)来提高可靠性。我国在这方面的工作尚没有报道灰的软化温度。另外,有人认为降低燃烧温度也是解决生7低温热解生物质与煤共燃的实验研究物质燃烧中灰分低熔点的有效方法之尽管如此,由于生物质与煤共燃过程中灰污和熔渣形通过对3种主要农业剩余生物质(锯屑、谷壳和花生成机制的复杂性,使其成为深入研究的重点之壳)热解过程中的失重率变化、物理性质变化、工业分析变化、元素分析变化和发热量变化的研究发现3种生物质5生物质与煤共燃的主要方式锯屑、谷壳和花生壳在热解温度220~300℃,热解时间30~60min下进行低温热解时,热解过程主要受热解温度共燃主要有直接共燃和生物质焦炭与煤共燃两种方控制,受热解时间控制较弱;随热解温度升高,热解时间延长,生物质的热失重率逐渐升高;生物质逐渐变得易于5.1直接共燃研磨,从而克服了生物质由于容积密度低带来的运输、存(1)直接将生物质混入煤中进行燃烧。该方法的优点储和设备改造费用高的问题;在工业分析上挥发分逐渐减是无须改造原有设备、费用低,特别适合发展中国家资金少,固定碳及灰分不断提高,水分含量大幅下降,这克服技术缺乏及现阶段其它共燃技术还不太成熟的条件下使了生物质燃烧不易控制的缺点;在元素分析上氧元素的含用;其缺点主要是受原有设备的限制,共燃比例较少,量不断下降,碳元素的含量不断上升,从而发热量不断增般不高于5%;同时由于生物质热值大大小于煤,也造成原加,这克服了生物质与煤共燃效率低的缺点。研究表明当有设备输出功率下降。热解温度为270~300℃时,热解生物质的各项性质可与2)生物质与煤使用不同的预处理装置与燃烧器。此煤接近方法的优点是能够更好的控制生物质的燃烧过程,保持锅通过对热解温度为300℃,热解时间30min下3种生炉的燃烧效率;能够更灵活地,更大范围地调节生物质的物质的热解产品、长焰煤、无烟煤、热解锯屑和长焰煤混掺混比例;缺点是锅炉的建设、改造和维护的费用较高。样(1:10)、热解锯屑和无烟煤混样(1:10)共7个样品的另有Sami等按锅炉加料方式将生物质与煤直接共燃燃烧热重分析后发现:①热解生物质的燃烧失重明显地分分为3类:生物质与煤分别使用不同的加料设备和燃烧器为两个阶段,第一个阶段在300~400℃之间,这一阶段主要是生物质中纤维素和木质素热裂解和挥发分释放燃烧生物质与煤分别使用不同的加料设备和相同的燃烧器;对阶段;第二个预混合好的煤与生物质使用相同的加料设备和相同的燃烧H中国煤化工-阶段主要是CNMHG电站系统工程2004年第20卷生物质热裂解后焦炭燃烧阶段。热解生物质的挥发分释放效的方法之一,但其利用同样也面临着许多困难,需要全阶段和焦炭燃烧阶段的岀现均较煤旳温度低。长焰煤旳燃世界科学家们的共同努力υ毫无疑问,充分开发生物质资烧失重也分为挥发分释放和焦炭燃烧两个阶段,但第一阶源,进行生物质与煤共燃的研究对解决我囯能源、污染问段与第二阶段相交叉。无烟煤的挥发分燃烧阶段不明显,题有重要作用主要以煤焦燃烧为主;②热解生物质的挥发分燃烧和焦炭参考文献燃烧的起始温度,结束温度以及最大燃烧失重温度都基本「汪大纲.世界生物质能利用的现状和展望卬.世界林业硏究致,说明热解生物质在组成结构上依然相似;③长焰煤与热解锯屑混燃可以有效地降低着火温度,而热解锯屑与2]赵旺初生物质与煤共燃技术将再度兴起锅炉制造,20002:113] Aardenne o.荷兰的生物能政策门世界环境,2001,(2:25~26无烟煤混燃时,由于燃烧性质差异较大,是分别燃烧,不{4张忠孝.吴江全.栾翔、洁净煤燃烧技术发展趋势门.电站系统产生协同效果;④热解锯屑与长焰煤、无烟煤共燃能够有工程,199,15(2:44~4效的提高煤的着火性能。在总体燃烧性能上,虽然热解锯5]陈清如煤炭仍是二十一世纪的主要能源.光明日报,200-1029屑明显好于长焰煤和无烟煤,但共燃时对它们改变不大6]世界资源研究所,世界资源报告:1998-1999[M.北京:中国环境出版社,1999同时,还利用灰分的结渣性指数t2(灰熔点判定指数)I7]阴秀丽,吴创之,徐冰嬿,等.生物质气化对减少CO2排放的作B/A(碱酸比)、S/A(硅铝比)、G(硅比)、积灰沾污特性用太阳能学报,200,2指数H和磨损指数H对低温热解生物质(锯屑、谷壳和83]张无敌宋洪川李建昌等.有利于农业持续发展的农村能源一花生壳〕及其与煤共燃的结渣、积灰和曆损性质进行了研生物质能[农业与技术,2001,21(4):8~12.究,认为:①热解锯屑和热解花生壳由于灰分中碱性金属I9]蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景J.林产化学与工氧化物比较高,所以结渣倾向和积灰沾污倾向明显。热解0 Randers0nPF.董宏林 Slater F M世界若干国家生物质能源利谷壳由于灰分以及灰分中SO,含量比较高,结渣倾向和磨用及有关问题研究[宁夏农林科技,199959:5~8损性较明显。它们都不适合在电厂锅炉上直接燃烧;②311 Werther J. Saenger M, Hartge E U, et al. Combustion of种热解生物质与煤共燃能够改善它们的结渣、积灰沾污和residues [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2000, 26磨损性能,但又增加了煤的结渣、积灰沾污和磨损性:③121孙亦禄煤中矿物杂质对锅害M].北京:水利电力出版社热解生物质灰分含量越低,煤的灰分含量越高,煤的结渣积灰沾污性能越好越有利于提高混燃比例;④热解锯屑灰3]赵广擂,朱群益.贠小银,等.采用热分析技术研究树皮的着火温分低,因而与煤可混性最好,与两种煤样混合比例达到37以上不会岀现严重的结渣、积灰沾污问题;热解谷壳与「14聂其红、孙绍增、李争起,等.褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究燃烧科学与技术,2001.7(1):72~76.两种煤样混合能够降低谷壳的曆损性,但结渣倾向较严重∏5]张晓杰,孙绍增.孙锐,等.混煤着火模型硏究.燃烧科学与技热解花生壳与长焰煤混合时,由于长焰煤的灰分大大高于术,2001,7(1):89~92热解花生壳的灰分,可混性比较好;与无烟煤混合时,由6]傳维标,卫景彬.燃烧物理学基础[·北京:机械工业岀版社,于它们灰分含量接近,积灰沾污性很严重研究还表明低温热解生物质(锯屑、谷壳和花生壳)I7张无敌,宋洪川,韦小岿,等.21世纪发展生物质能前景广阔与煤共燃也能有效地减排CO2温室气体等污染。在经济运中国能源,2001(5:35-38行方面,低温热解生物质(锯屑、谷壳和花生壳)与煤共18颜涌捷,张素萍,任铮伟,等,生物质制液态燃料太阳能2001(3):18-19燃能够在运输成本、存储成本、电厂生物质处理费用、设19]米铁,刘武标,陈汉平,等.流化床生物质气化过程的中试研究备改造费用和节约煤炭等方面降低电厂的运营成本,但同门.环境污染治理技术与设备,2002,3(2:41-45时也可能在生物质低温热解产品加工上提高生产费用以及20 Sam M. Annamalai K. Wooldridge M. Co-firing of coal and biomass在因燃用热解生物质可能造成的积灰结渣上提高设备维护171~214费用l]高晋生,沈本贤.王曾辉,等.煤燃烧中NO、的来源和抑制其生总之,通过低温热解生物质能够大幅提高容积密度和成的有效措施[.煤炭转化1994,17(3):53~57.能量密度,降低点火温度,只要混合比例合理也能避免结22王晶红,刘皓,陆继东,等生物质燃料与煤混燃时NONO排渣、积灰和磨损问题产生。共燃低温热解生物质与煤还能放的研究[.华中理工大学学报,198,26(1):71~7323Spliethoff H, Hein K R G. Effect of co-combustion of biomass on够有效降低污染物排放,同时在经济运行上也具有可行性。emissions in pulverized fuel furnaces [J]. Fuel Processing Technology,比较3种主要农业剩余生物质的热解产物,本文认为热解998.54:189-205锯屑由于灰分低,可混性最好,混合比例可达3:7以上24] Bapat D w, Kulkarni S v, Bhandarkar V P. Designperating谷壳灰分高,SO2含量高,混燃时可能产生结渣问题,这experience on fluidized bed boiler burning biomasswith higlalkali ash [A]. In: Preto FDS. Proceedings of the 14th Internationa限制了混燃比例的提高;花生壳则由于灰分中碱性金属氧Conference on Fluidized Bed Combustion, Vancouver, New York[C]化物含量高,易产生积灰问题,这也限制了混燃比例的提[25] Baxter LL. Ash deposition during biosolid and coal combustion: aanistic approach [J]. Biomass Bioenergy, 1993, 4(2): 85-102[26] Blander M, Pelton A D. The inorganic chemistry of the combustion8结语of wheat straw [J]. Biomass Bioenergy 1997, 12(4): 295-298127]田恒.谈谈煤中氯及其危害[煤质技术与科学管理1994,(3)可持续发展已成为21世纪人类的共识,用可再生能源的生物质来提高不可再生能源煤的使用效率,减少其环境ames p. Pinder L w. effect of coal chlorine on the fireside污染,增加其使用年限,即生物质与煤共燃的研究,正是orrosion of boiler fumace wall and superheater/reheater tubing JI实现能源可持续发展的有效措施之一。但总的来说,我国Materials at High Temperatures, 1997, 14(3): 187-1s在生物质与煤共燃方面的研究与国外相比还存在着较大的9] Hughes E Biomass coring: economics, policy and opportunities [J差距,需要对我国生物质旳种类、资源量、燃烧特性和燃Biomass and Bioenergy, 2000, 19: 457--465烧技术等方面做大量基础性的工作,同时也应该看到生物编辑:闻彰质与煤共燃发电虽然是利用生物质简单、方便、经济、有H中国煤化工CNMHG