張東旺，范浩東，趙冰，王家林，鞏太義，張縵，李詩媛，楊海瑞，呂俊復

（1.北京科技大學能源與環(huán)境工程學院，北京100083；2.清華大學能源與動力工程系，北京100084；3.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津300270；4.太原理工大學電氣與動力工程學院，太原030024）

0 引言

2020年我國電力行業(yè)的CO2排放量占能源行業(yè)排放總量近50%，電力行業(yè)減排進程直接影響“碳達峰”“碳中和”整體進程。要實現“碳達峰”和“碳中和”，一方面要逐步減少化石能源的消費量，同時要切實提升可再生能源的消費占比。

生物質能源作為可再生清潔能源，同時也是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，約占世界能源消費的10.0%［1-2］。20 世紀70 年代，北歐國家開始探索乙醇等生物質能源［3］；1993 年，日本重啟“陽光計劃”，發(fā)展可再生能源；2000 年，歐盟制定了《針對能源供應安全的歐洲政策》［4］，鼓勵發(fā)展生物質燃料；2013年，印度提出將非常規(guī)能源翻番。

根據中國工程院《中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》，我國含太陽能在內每年開采的清潔能源總量折合21.48 億t 標準煤。其中，生物質能源占54.5%，是水電的2.0 倍和風電的3.5 倍［5］，是我國最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉础?/p>

1 生物質純燃發(fā)電技術

1.1 生物質能源熱利用技術簡介

生物質能源是現階段唯一的可再生碳能源，燃燒是將生物質能源潔凈化利用的高效途徑。生物質能源依據來源的不同可分為林業(yè)廢棄物、農業(yè)廢棄物、城鎮(zhèn)垃圾和工業(yè)有機廢棄物等。生物質能源熱利用技術包括物理化學法、熱化學法、生物化學法，如圖1 所示［6］。其中，生物質能源直燃發(fā)電技術分為純燃生物質和與煤混燒2 種，可以實現生物質能源的規(guī)模化高效利用，該技術從基礎研究到工程應用正逐步發(fā)展完善。

圖1 生物質能源熱利用技術Fig.1 Heat utilization technology of biomass energy

1.2 生物質燃料燃燒特點

生物質燃料揮發(fā)成分含量高、易燃燒，其燃燒后CO2凈排放率為0，NOx排放量僅為煤的1∕5，SO2排放量僅為煤的1∕10。生物質燃料中N，S 元素含量少，但K，Cl 等無機雜質含量較高，在直燃過程中會導致鍋爐內結渣、受熱面灰沉積、低溫受熱面氯腐蝕、過熱器管高溫腐蝕等問題，尤其在提高生物質純燃電廠的發(fā)電參數以提高整體發(fā)電效率時，由過熱器表面沉積引發(fā)的高溫腐蝕問題將嚴重影響電廠正常運行［7-8］，受熱面壁溫與金屬腐蝕速度關系如圖2所示。

4）管理子系統(tǒng)。服務好管理者是教改項目管理系統(tǒng)的核心職能。系統(tǒng)的管理子系統(tǒng)主要分為校級管理及二級學院管理：校級管理者通過系統(tǒng)主管部門可以發(fā)布各項通知，管理項目、評審專家及申報者等各項基本信息庫，分配項目評審任務，進行評審結果統(tǒng)計、立項發(fā)文，完成數據歸檔，對全校歷年教改課題進行統(tǒng)計分析等；二級學院管理者可以對本學院的教改項目立項情況進行查詢、管理，在線進行項目審核等工作，實現對本學院教改項目的無紙化管理。

圖2 受熱面壁溫與金屬腐蝕速度關系曲線Fig.2 Relationship curve between heating surface temperature and metal corrosion rate

灰沉積會引起受熱面磨損、腐蝕，并可能導致發(fā)電量減小，甚至非計劃停爐。盡管可以使用吹灰來控制沉積，但在清洗設備難以到達的位置仍可能發(fā)生不受控制的沉積［9］。由于積灰的傳熱系數是鋼材的1∕40，當積灰嚴重時甚至會導致管道爆裂，直接威脅鍋爐的運行安全?；页练e問題的解決方法在世界范圍內受到廣泛關注，圖3 為Web of Science 網站檢索到的近5 年灰沉積主題論文發(fā)表情況，可見近幾年我國對灰沉積問題進行了較多的研究，然而目前的研究成果還不能完全解決灰沉積問題［10］。

圖3 近5年灰沉積主題論文發(fā)表量Fig.3 Number of published papers on ash deposition in recent 5 years

1.3 國外生物質純燃發(fā)電技術發(fā)展現狀

由于能源結構不同，國外特別是歐洲國家對生物質純燃發(fā)電技術的研發(fā)早于我國。有代表性的生物質鍋爐公司，其燃燒技術及應用情況如下。

丹麥BWE公司率先研發(fā)出秸稈燃燒發(fā)電技術。在這家能源研發(fā)企業(yè)的技術支撐下，第1 座秸稈生物燃燒發(fā)電廠于1998 年在丹麥Haslev 誕生，功率為5.0 MW［11］。目前，丹麥已建成了130 家秸稈發(fā)電廠，還有一些燃燒木屑或垃圾的發(fā)電廠也能兼燒秸稈。鍋爐爐型主要有振動爐排爐和噴粉室燃爐。與噴粉室燃爐相比，爐排爐系統(tǒng)結構簡單、易操作、燃燒溫度控制方便，可以緩解積灰結渣現象，投資相對較低。英國Elyan 的生物質燃燒發(fā)電廠曾是世界上最大的秸稈發(fā)電廠，裝機容量38.0 MW［12］，該電廠同樣采用了BWE公司的生物質燃燒發(fā)電技術。

美國Foster Wheeler 公司生物質循環(huán)流化床（CFB）鍋爐技術，機組發(fā)電功率為3.0～47.0 MW。其生物質燃料主要為木材加工廢料、造紙業(yè)廢棄物等，廢棄物的最高含水量可達60.0%，排煙溫度為140 ℃，鍋爐熱效率達88.0%［13］。2005 年初，Foster Wheeler 公 司 與Semb Corp Utilities UK Limited 簽 訂協(xié)議，為后者以木頭作為燃料的30.0 MW 發(fā)電機組提供鼓泡流化床鍋爐。

日本的Takuma 公司在日本和海外共計銷售了500 多臺發(fā)電或供熱蒸汽鍋爐，使用的燃料主要是木屑、甘蔗渣、谷物的殘余物等。

比利時布魯賽爾溫克能源技術公司，早在20世紀20～30年代就開始進行燃燒秸稈鍋爐的設計和制造，是世界上最早使用生物質作為燃料的鍋爐公司之一。鍋爐的燃料主要是木材廢棄物，木質建筑廢棄物，造紙廢棄物及城市垃圾等。該公司的傾斜式液壓移動爐排爐，熱效率可達85.0%，更適合用于20.0 MW以下的生物質燃燒發(fā)電機組。

Bobcock & Wilcox 公司的產品包括爐排爐和CFB鍋爐。通用電力公司采用的燃燒方式為CFB燃燒，在加利福尼亞建造了許多純燃生物質的發(fā)電站，容量都在2.5 MW左右。

1.4 國內純燃生物發(fā)電技術發(fā)展現狀

我國是世界上最大的能源消費國，為了減少碳排放、實現低碳發(fā)展，我國在能源結構調整中優(yōu)先發(fā)展可再生能源，其中生物質能源以其多種天然優(yōu)勢成為可再生能源發(fā)展的重點。2006 年，山東單縣采用丹麥BWE 公司生物質爐排爐技術的30.0 MW小型生物質純燃發(fā)電系統(tǒng)建成，配有1 臺130 t∕h 的振動爐排高壓鍋爐［14］。我國的生物質燃燒發(fā)電總裝機容量從2016 年的12.1 GW 增長到2019 年的22.5 GW，連續(xù)3 年增幅超20.0%，提前完成“十三五”規(guī)劃中對于生物質發(fā)電總裝機容量的要求。

在生物質純燃發(fā)電技術的發(fā)展過程中，CFB 由于具有燃料適應性廣、污染物排放低的優(yōu)點，同時考慮到機組建設投資，新建機組普遍采用了CFB 燃燒方式。截至2020 年4 月，我國純燃生物質機組數量近440 臺，其中CFB 機組336 臺。2010 年以后，純燃生物質機組向著大容量、高參數方向發(fā)展。具有里程碑意義的幾個項目包括：2011 年，廣東湛江50.0 MW 生物質CFB 鍋爐發(fā)電機組投入運行；2016年，國內設計制造的世界首臺125.0 MW 生物質CFB 鍋爐在泰國投入運行。2019 年以來，大量的超高壓一次再熱生物質CFB 鍋爐已經得到廣泛的工業(yè)應用。目前，超高壓一次再熱80.0 MW 生物質流化床機組正在安裝調試。

歐洲生物質燃料以林業(yè)廢棄物為主，而我國生物質燃料以農業(yè)廢棄物為主，在燃燒工程中更容易出現積灰結渣以及腐蝕等問題。隨著生物質純燃發(fā)電行業(yè)需求的不斷發(fā)展，國內具備相應設備設計制造能力的企業(yè)逐漸增多。無論在裝機容量還是在機組參數上，中國生物質CFB 純燃技術已經具備世界先進水平。

1.5 目前存在的問題

1.5.1 發(fā)電項目現金流壓力

生物質純燃發(fā)電技術在我國具有很大的發(fā)展空間，但在整個行業(yè)中仍存在諸多制約因素，其中最突出的是純燃生物質發(fā)電項目商業(yè)模式存在較大的現金流壓力。一方面，生物質燃料成本高，且供應受季節(jié)性等因素影響，價格波動較大。另一方面，可再生能源電價補貼及政府增值稅返還政策造成應收賬款數額高，且返還時間存在不確定性。

1.5.2 連續(xù)運行周期有待加長

盡管國內外學者針對生物質燃料的積灰結渣特性進行了大量的研究，也對鍋爐設計進行了相應改善，但運行情況表明，純燃生物質CFB 鍋爐的連續(xù)運行周期依然低于6 個月。主要原因是床料結渣、回料閥聚團、對流受熱面積灰、爐內高溫受熱面和尾部煙道低溫受熱面腐蝕等問題，以及生物質具有較大的韌性不易破碎，易造成切割刀頭磨損發(fā)熱。生物質中的雜質和纖維還會造成上料系統(tǒng)和分離器堵塞［15］。

1.5.3 污染物排放問題

目前我國尚無專門針對純燃生物質發(fā)電機組污染物排放的相關規(guī)定，只能參照GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》執(zhí)行，NOx和SOx排放均要求低于100 mg∕m3。隨著對燃煤發(fā)電廠污染物排放要求的日益嚴格，未來純燃生物質發(fā)電廠污染物排放控制也要嚴格按照燃煤發(fā)電廠超低排放標準執(zhí)行，NOx低于50 mg∕m3，SOx低于35 mg∕m3。

生物質燃料中，硫含量較低，而堿金屬含量高，其本身具有很好的自脫硫性能。在優(yōu)化設計的基礎上，絕大多數鍋爐SOx原始排放可以滿足超低排放的要求。對個別高硫成分生物質燃料，可采用在爐內添加石灰石的方法脫硫，投資和運行成本較低，也可以輕松實現SOx的超低排放。

關于NOx排放問題，通過爐內流態(tài)調整，強化焦炭顆粒表面局部還原性氣氛，并調整一、二次風配比及二次風設置，加大爐內還原性氣氛空間，可有效控制NOx的原始生成。在此基礎上，增設非選擇性催化還原（SNCR）法進一步降低氮氧化物排放，可以實現超低排放。

無論是脫硫還是脫氮，為進一步達到超低排放的要求，都需要增加一定的投資和運行成本。純然生物質電廠的發(fā)電成本進一步提高，在政策補貼不到位的情況下，增加了電廠的生存難度。

2 生物質混燒技術

2.1 技術優(yōu)勢

由于生物質能源的區(qū)域性，純燃生物質電廠規(guī)模很難做大。此外，考慮到生物質燃燒時產生的高溫腐蝕問題，蒸汽參數提高受到限制，純燃生物質電廠熱效率較低。如果能夠利用燃煤電廠現有鍋爐、汽輪機及輔助系統(tǒng)，用生物質燃料替代部分煤作為鍋爐燃料，可極大降低生物質純燃發(fā)電的初期投資。相關研究表明，處理相同數量的生物質燃料，可以節(jié)省約50.0%的初期投資。此外，在運的燃煤鍋爐機組參數均較高，供電效率一般在40.0%左右。依托高效煤電機組，相較于純燃生物質電廠，供電效率可提升約10.0%［16］。

生物質混燒技術最突出的優(yōu)勢是當生物質與煤混燒時，生物質燃料堿金屬和Cl的含量通過煤的加入得到稀釋，鍋爐運行中出現的積灰結渣等一系列問題可以得到有效解決，鍋爐可用率可以達到燃煤鍋爐的水平。

由于燃煤耦合生物質發(fā)電具有上述諸多優(yōu)越性，在全世界范圍得到廣泛應用，一些國家生物質發(fā)電量占總發(fā)電量的比例高達15.0%～20.0%。

2.2 國外生物質混燒應用現狀

目前，歐盟國家在法規(guī)政策和技術方面采取各種措施降低燃煤發(fā)電的CO2排放，其中主要的一項技術措施就是燃煤耦合生物質發(fā)電。有了碳減排的具體指標，加上政府促進燃煤耦合生物質發(fā)電的政策驅動，30 多年來歐盟國家燃煤耦合生物質發(fā)電得到很好的推廣應用，而且在政策法規(guī)及大型燃煤電廠煤與生物質混燒技術方面均取得寶貴經驗。

丹麥哥本哈根DONG Energy 2×430.0 MW 超臨界燃燒多種燃料∕生物質電廠，通過混燒多種燃料和生物質，包括專門燃燒秸稈的生物質往復爐排鍋爐，每年可燃燒17萬t秸稈，產生的超臨界參數蒸汽和煤粉爐產生的蒸汽混合發(fā)電。同時，在超臨界煤粉爐中，混燒廢木材成型顆粒，每年可消耗廢木材16萬t，煤50萬t［17］。

日本已有20 座燃煤電廠計劃進行生物質混燒發(fā)電，總裝機容量約為1 GW。2030 年生物質發(fā)電的政策目標是5 GW。2017 年，日本進口了50 萬t木顆粒和140萬t棕櫚仁殼（PKS）。據推測，到2023年，日本木材顆粒進口量將超過500萬t［18］。

Drax 電廠是英國最大的火電廠，容量為4 GW，電廠裝機包括6×660.0 MW 前后墻對沖燃燒鍋爐。該電廠生物質混燒改造工程于2008年下半年啟動，現在6臺鍋爐均改造成配備生物質單獨磨制的混燒鍋爐，是世界上容量最大的采用生物質單獨處理、磨制的生物質混燒煤粉爐電廠。該電廠每年用于混燒的生物質為150萬t，可減排CO2200萬t。改造完成后，同樣具有良好的經濟效益。2015 年該電廠的總收入是26.380億英鎊，其中由于混燒生物質而得到的獎勵和上網電價補貼的收入為4.518 億英鎊，占總收入的17.0%［17］。

芬蘭Alholmens Kraft 550.0 MW 熱電廠擁有目前國外生物質與煤混燒容量最大的CFB 機組［19］，鍋爐蒸發(fā)量為702 t∕h，蒸汽壓力為16.5 MPa，蒸汽溫度為545 ℃，燃料為煤（10.0%），泥煤（45.0%），森林廢棄物（10.0%）和工業(yè)廢木材（35.0%）。

2.3 國內生物質混燒應用現狀

國家能源局于2017 年年底啟動了生物質混燒發(fā)電試點工作，2018 年6 月21 日正式公布了該試點項目名單，共有89 個項目入選，包括58 個農林生物質耦合項目，29 個污泥耦合項目和2 個垃圾耦合項目。這些項目每年可以消納751萬t農林生物質，處理423 萬t 城市污泥和153 萬t 城市垃圾；每年可以增加生物質電量8 300 GW·h，替代燃煤262 萬t，減排CO2733萬t［20］。

華電國際十里泉發(fā)電廠是國內較早開展生物質混燒的電廠之一，于2005 年改造成混燒秸稈發(fā)電，折合生物質發(fā)電容量26.0 MW。該廠運行數據表明，當秸稈與煤粉的摻混比例低于0.4∶1.0時，對整體發(fā)電項目影響較小，鍋爐尾部受熱面沒有出現較大的腐蝕、堵塞和磨損等問題［21］。

污泥處理項目在國內享受國家補貼，目前已有較多的污泥耦合發(fā)電項目，如華能萊蕪電廠等采用煙氣直接干化耦合發(fā)電技術［22］，華潤電力（常熟）等采用蒸汽間接干化耦合發(fā)電技術［23］，通過間接式熱干化的方式將城市污泥的含水率從80.0%降至30.0%左右，再與燃煤摻混后送入電廠650.0 MW超臨界燃煤發(fā)電機組鍋爐焚燒，具有處理速度快、減量化程度高、能源再利用等特點。

2017 年5 月，中國華能集團研發(fā)成功一整套300.0 MW 固廢及生物質與CFB 燃煤鍋爐直燃耦合發(fā)電系統(tǒng)混燒工藝，用于固體廢棄物及生物質混燒發(fā)電系統(tǒng)示范工程。在福建永安300.0 MW CFB 鍋爐上實現了生物質及固廢混燒比例達到10.0%，鍋爐運行穩(wěn)定，未出現積灰結渣問題［24］。

秦皇島熱電廠300.0 MW CFB 鍋爐混燒10.0%污泥，鍋爐性能參數良好，不但城市污泥得到資源化處置，而且得到市政補貼，減少了電廠運行成本。

由于CFB 鍋爐本身具有燃料適應性廣、給料系統(tǒng)簡單的優(yōu)勢，目前國內CFB 燃煤鍋爐混燒生物質項目逐漸增多。

2.4 國內外生物質氣化耦合煤粉鍋爐應用現狀

芬蘭Lahti 電廠200.0 MW CFB 鍋爐生物質氣化∕煤粉爐混燒，于1998 年開始采用CFB 氣化爐產生生物質煤氣，然后將煤氣送入煤粉爐中與煤粉爐混燒。電廠容量相當于200.0 MW，生物質通過氣化間接混燒產生相當于15.0%的熱能輸入，混燒后整個電廠的CO2減排10.0%。CFB 氣化爐的年運行小時數為7 000 h［25］。

我國大唐長山熱電廠660.0 MW 超臨界煤粉鍋爐，采用生物質氣化耦合燃煤發(fā)電技術。其工作原理是秸稈顆粒在高溫高壓條件下熱解產生CO，CH4等可燃氣體，輸送至燃煤機組爐膛［26］。氣化爐折合發(fā)電功率為20.0 MW，氣化產生燃氣熱值為5.551 MJ∕kg，氣 化 爐 產 氣 率 為1.85 m3∕kg，氣 化 效 率 為76.14%，廠用電率為2.24%。但由于機組的初期投資及運行維護成本較高，經濟性并不理想。

2.5 生物質與煤混燒在我國的困境

2005 年，我國首個燃煤耦合生物質發(fā)電項目山東華電十里泉電廠建成，折合生物質發(fā)電容量26.0 MW。該項目自投產以來已安全穩(wěn)定運行10 余年，然而由于生物質發(fā)電上網電價補貼不足，生物質燃料價格較高時會產生虧損。2011 年，國電寶雞第二發(fā)電有限責任公司依托300.0 MW 煤電機組建設燃煤耦合生物質發(fā)電項目，由于沒有獲得生物質發(fā)電上網電價補貼，而是實行燃煤標桿上網電價，運行期間虧損嚴重，目前已停運。2012 年，湖北國電荊門電廠將640.0 MW 煤電機組改造成燃煤耦合生物質發(fā)電項目，折合生物質發(fā)電容量10.8 MW。該項目由于獲得了與生物質直燃電廠同等的生物質發(fā)電上網電價，自投產以來運營情況良好［16］。

由此可見，現階段阻礙燃煤耦合生物質發(fā)電的瓶頸，在于能否獲得合理的生物質發(fā)電上網電價。生物質的收購和儲運成本高，導致目前生物質發(fā)電成本遠高于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電，同時也高于目前的燃煤標桿上網電價。因此，生物質混燒發(fā)電項目同純燃發(fā)電項目一樣，都需要獲得政策上的支持和補貼。

3 結論

生物質發(fā)電不僅能實現碳中和，生物質加碳捕集和封存（BECCS）還可實現負碳排放。更重要的是，在我國實現“碳達峰”后，生物質發(fā)電可替代部分煤電，成為電網調峰的重要力量。

分析了生物質燃燒特性，分別介紹了國內外純燃生物質發(fā)電、生物質與煤混燒發(fā)電和生物質氣化耦合生物質鍋爐的應用現狀。指出生物質純燃發(fā)電項目容量小，發(fā)電效率不高且易出現積灰和氯腐蝕的問題，機組可用率偏低。生物質與煤混燒技術可以利用現有大容量發(fā)電機組，需要的額外投資小，具有較高的靈活性，可有效提高生物質利用效率，避免純燃帶來的一系列問題，是現階段更經濟可行的發(fā)電方案。目前，生物質與煤混燒發(fā)電項目的建設和運營還需要上網電價的政策支持。