1、生物質(zhì)利用意義及現(xiàn)狀
  ①意義
  生物質(zhì)作為燃料時(shí)，由于生物質(zhì)在生長時(shí)消耗的coz量相當(dāng)于它燃燒時(shí)排放的co2量，因此CO2排放量近似為零。生物質(zhì)的硫含量極低，基本上無硫化物排放。生物質(zhì)作為替代能源，對改善環(huán)境、降低溫室效應(yīng)都有極大的好處。
    我國目前有工業(yè)鍋爐約50×10⁴臺(tái)，每年耗煤量約為全國產(chǎn)煤總量的1/3。推廣各種節(jié)能技術(shù)，提高工業(yè)鍋爐熱效率的工作已取得較大成績，且是能源工業(yè)者繼續(xù)努力的方向。但從礦物能源資源有限和因大量使用會(huì)造成環(huán)境惡化的戰(zhàn)略觀點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合我國擁有豐富生物質(zhì)資源的現(xiàn)實(shí)，逐步發(fā)展工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒技術(shù)，對節(jié)約常規(guī)能源、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，將有積極意義。燃煤鍋爐混燃生物質(zhì)將是我國降低C02排放、減輕環(huán)境污染的有效措施，而且與煤混燃的生物質(zhì)所含的堿性氧化物有助于脫除煤燃燒產(chǎn)生的S02。
  ②現(xiàn)狀
    生物質(zhì)資源是指以木質(zhì)素或纖維素及其他有機(jī)質(zhì)為主的陸生植物、水生植物及人畜禽糞便等。我國有著豐富的生物質(zhì)資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國秸稈年產(chǎn)量約5.7×10⁸ t/a，人畜糞便約3.8×10⁸t/a，薪柴年產(chǎn)量（包括木材砍伐的廢棄物）為1.7×10⁸t/a，還有工業(yè)排放的大量有機(jī)廢料、廢渣，每年生物質(zhì)資源總量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約3 x10⁸t/a。我國一直以直接利用生物質(zhì)能為主，但利用效率極低，即使是目前農(nóng)村已較普遍推廣的省柴節(jié)煤灶，熱效率也僅為20%左右。近年來，在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市周邊地區(qū)，農(nóng)民大量使用優(yōu)質(zhì)高效燃料，用于炊事、取暖，而將秸稈直接放在農(nóng)田焚燒，不僅浪費(fèi)了能源，還污染了環(huán)境。我國生物質(zhì)資源結(jié)構(gòu)疏松，能量密度低，僅是標(biāo)準(zhǔn)煤的1/2，且不易儲(chǔ)運(yùn)。
  20世紀(jì)80年代以來，我國生物質(zhì)能利用技術(shù)有了很大的發(fā)展。鑒于生物質(zhì)資源分布區(qū)域廣、適宜就地開發(fā)利用的特點(diǎn)，目前開發(fā)適用于工業(yè)鍋爐的生物質(zhì)燃燒技術(shù)，是生物質(zhì)有效利用的重要途徑。
2、生物質(zhì)與煤的混燃技術(shù)
2.1混燃技術(shù)分類
    生物質(zhì)與煤的混燃技術(shù)可分為直接燃燒利用和氣化利用兩種形式。直接燃燒先對生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，然后直接輸送至鍋爐燃燒室燃燒。有層燃、流化床和煤粉鍋爐等燃燒形式，主要應(yīng)用于工業(yè)、區(qū)域供熱、發(fā)電以及熱電聯(lián)產(chǎn)等。根據(jù)2001年對歐盟21座生物質(zhì)電廠燃燒設(shè)備的統(tǒng)計(jì)，采用以上3種燃燒形式的比例分別為47%、29%、14%，其余10%為氣化利用。氣化利用方式先將生物質(zhì)在氣化爐內(nèi)氣化產(chǎn)生低熱值燃?xì)�，�?jīng)凈化處理后輸送至鍋爐與煤進(jìn)行混合燃燒。
2.2直接燃燒技術(shù)
  ①層燃燃燒
    生物質(zhì)平鋪在爐排上形成一定厚度的燃料層，進(jìn)行干燥、干餾、燃燒及還原。一次風(fēng)從下部通過燃料層為燃料提供氧氣，可燃?xì)怏w與二次風(fēng)在爐排上方充分混合燃燒。
    層燃鍋爐包括固定床、移動(dòng)爐排、旋轉(zhuǎn)爐排和下飼式鍋爐等。移動(dòng)爐排式鍋爐具有操作簡單、堅(jiān)固耐用和運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)燃燒或垃圾焚燒中。采用移動(dòng)爐排以及合理的配風(fēng)系統(tǒng)，可使燃料層在爐排上的傳輸較為平滑，從而保障一次風(fēng)的均勻分布，降低由于空氣分布不均勻造成的過度結(jié)渣、飛灰損失和空氣系數(shù)增加等問題。而且爐排系統(tǒng)可以采用水冷的方式，以減輕結(jié)渣現(xiàn)象的出現(xiàn)，延長設(shè)備使用壽命。如瑞典的Linkoping熱電廠，就采用移動(dòng)爐排式鍋爐。該熱電廠的燃燒系統(tǒng)根據(jù)各種生物質(zhì)特點(diǎn)采用3個(gè)不同的燃燒器，分別用于燃燒煤（或橡膠）、木材、油，其中燒煤和木材的層燃鍋爐均采用移動(dòng)爐排鍋爐。
    但是，包括移動(dòng)爐排式鍋爐在內(nèi)的層燃鍋爐普遍存在燃燒效率較低（一般都在70%以下）的問題。另外，目前移動(dòng)爐排式鍋爐的控制系統(tǒng)大多以電氣機(jī)械裝置為基礎(chǔ)，不足以使鍋爐保持適當(dāng)?shù)目諝饬颗c煤量比，以達(dá)到最佳燃燒和排放性能，尤其是在負(fù)荷變化期間不能及時(shí)同步調(diào)整工況。
    ②流化床燃燒
    生物質(zhì)含水率較高，如秸稈為35%～65%。因此，采用層燃方式難以保持穩(wěn)定、充分的燃燒。采用流化床技術(shù)，有利于生物質(zhì)的完全燃燒，提高鍋爐的熱效率。生物質(zhì)流化床可以采用砂子、燃煤爐渣等作為流化介質(zhì)，形成蓄熱量大、溫度高的密相床層，為高水分、低熱值的生物質(zhì)提供優(yōu)越的著火條件。依靠床層內(nèi)劇烈的傳熱傳質(zhì)過程和燃料在床內(nèi)較長
的停留時(shí)間，使難以燃盡的生物質(zhì)也能充分燃盡。如在密相區(qū)上部稀相區(qū)供入二次風(fēng)，組織兩段燃燒，能進(jìn)一步提高燃燒效率。1991年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)就與長沙鍋爐廠合作研制了多臺(tái)生物質(zhì)流化床鍋爐，可適用于甘蔗、稻殼、碎木屑等多種生物質(zhì)。鍋爐熱功率高，低負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定，熱效率高達(dá)80%以上。
    流化床燃燒是基于氣固流化態(tài)的一項(xiàng)技術(shù)，對燃料適應(yīng)性好，有害氣體排放量低，而且在流化床燃燒過程中加入脫硫劑可直接脫硫，可以大幅降低煙氣中S02的含量。目前，發(fā)展比較迅速的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)對燃料的適應(yīng)性很好，能夠同時(shí)燃燒幾種不同特性的燃料，非常適合生物質(zhì)與煤的混燃。而且燃料的選擇以及混燃的比例靈活，能夠根據(jù)燃料的市場價(jià)格進(jìn)行選擇，確保燃料的經(jīng)濟(jì)性。采用循環(huán)流化床技術(shù)的生物質(zhì)與煤混燃，燃燒效率可達(dá)95%以上，能與煤粉鍋爐媲美，由于采用分級燃燒，溫度控制在830～850℃，NO；的生成量很少。
    目前，采用循環(huán)流化床技術(shù)的生物質(zhì)與煤混燃也存在著一些問題。雖然NO，排放總量有所減少，但由于流化床燃燒溫度較低，N20的排放濃度一般比其他燃燒方式高。為使飛灰再循環(huán)燃燒，常導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)壓頭要求高、耗電量較大等。
    ③煤粉鍋爐燃燒
    煤粉鍋爐具有燃燒效率高、燃燒完全等優(yōu)點(diǎn)，是目前最為常見的一種大型燃煤鍋爐，采用現(xiàn)有煤粉鍋爐混燃生物質(zhì)，只需要對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造。
    一方面，盡管采用煤粉鍋爐混燃生物質(zhì)和煤，可以適當(dāng)減少污染，但是受到生物質(zhì)混燃比例不能過大的限制，與流化床混燃相比，煤粉鍋爐混燃的C02和NO。等氣體排放物還是較多，在氣體污染物的控制方面有待提高。另一方面，煤粉鍋爐對燃料的顆粒尺寸和含水率要求較為嚴(yán)格，一般粒徑要求小于2 mm，含水率不能超過15%，因此生物質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)就比較復(fù)雜，造價(jià)較高。由于粒徑較小，高燃燒強(qiáng)度還會(huì)導(dǎo)致爐墻表面溫度較高，易損壞爐墻的耐火材料。
2.3氣化利用技術(shù)
    生物質(zhì)氣化是一種熱化學(xué)處理技術(shù)。將薪柴、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物置于氣化爐中通過熱解反應(yīng)轉(zhuǎn)化成CO等混合可燃?xì)怏w，以連續(xù)生產(chǎn)的工藝和工業(yè)生產(chǎn)的方式將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為高效的鍋爐燃料。當(dāng)以含水量為15%～40%、低熱值為19～20 MJ/t的生物質(zhì)作為原料時(shí)，可產(chǎn)生低熱值為5 MJ／Ir13的可燃?xì)怏w。我國在20世紀(jì)80年代初已開始了生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究，近幾年已研制出可使用多種生物質(zhì)的不同容量、不同用途的氣化爐。
    一般氣化爐采用固定床，固定床對原料適應(yīng)性強(qiáng)，基本上不需預(yù)處理，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，但氣化率較低。中科院廣州能源所研制的上吸式生物質(zhì)氣化爐氣化強(qiáng)度為240 kg/( m2·h)。流化床氣化爐，特別是循環(huán)流化床氣化爐由于具有床內(nèi)混合均勻、傳熱傳質(zhì)強(qiáng)烈等優(yōu)點(diǎn)，使生物質(zhì)熱解氣化更充分，氣化效率可達(dá)75%～85%，氣化強(qiáng)度可達(dá)2 000 kg/( m2·h)，且可燃?xì)怏w的焦油含量低。湛江模壓木制廠利用加工過程廢棄的細(xì)木粉，采用循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化裝置轉(zhuǎn)換成可燃?xì)猓�用作鍋爐燃料，每日節(jié)煤10 t/d，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)氣化后的產(chǎn)品，還可用于發(fā)電或直接為居民提供燃?xì)狻９潭ù矚饣�技術(shù)以農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢棄物為原料，可用于小規(guī)模氣化發(fā)電系統(tǒng)，面向農(nóng)村、林區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)，操作方便。流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)適用于大中規(guī)模，可以農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物作為原料，面向工業(yè)企業(yè)，生產(chǎn)的電可供企業(yè)自身使用，也可并人電網(wǎng)。
3、混燃存在的問題
    ①生物質(zhì)原料的供應(yīng)
    在自然生態(tài)中，生物質(zhì)分布廣泛但不集中，并且生物質(zhì)的能量密度較小，儲(chǔ)運(yùn)較困難。因此，對于生物質(zhì)的利用存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)收集半徑，一般電站的規(guī)模取決于距其80～120km內(nèi)可獲取的生物質(zhì)原料的數(shù)量，我國農(nóng)作物秸稈的經(jīng)濟(jì)收集半徑應(yīng)控制在30 km。
    ②混燃比例
    生物質(zhì)含水量高，與煤混燃后鍋爐產(chǎn)生的煙氣量較大，直接采用現(xiàn)有鍋爐，煙氣超過一定限度后換熱器很難適應(yīng)。因此，沒有經(jīng)過改造的鍋爐在混燃時(shí)生物質(zhì)的份額不能太高。
    ③生物質(zhì)燃料引起的結(jié)渣和腐蝕
    生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)較低，燃燒過程中設(shè)備易結(jié)渣。特別是燃用含氯較多的生物質(zhì)，如秸稈和稻草等，當(dāng)換熱器表面溫度超過400℃時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生高溫腐蝕。
    ④污染
    在氣化利用中還會(huì)產(chǎn)生焦油、灰分、廢水等二次污染物。
4、結(jié)論
    ①我國有豐富的生物質(zhì)資源，從環(huán)境保護(hù)和充分利用資源的角度出發(fā)，生物質(zhì)與煤的混燃技術(shù)應(yīng)得到國家的政策扶持和財(cái)政支持。
    ②我國生物質(zhì)資源量大面廣，種類多樣。對不同的資源種類和不同的用戶對象，需要采用不同的技術(shù)路線和設(shè)備，才能更有效地加以利用。因此，我國應(yīng)因地制宜地開發(fā)適合我國國情的生物質(zhì)與煤的混燃技術(shù)。在加強(qiáng)國際合作與交流，引進(jìn)發(fā)達(dá)國家成熟的混燃技術(shù)和設(shè)備的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)生物質(zhì)與煤混燃技術(shù)的基礎(chǔ)研究，組織高校及科研單位對該項(xiàng)技術(shù)目前存在的問題進(jìn)行攻關(guān)。
    ③針對生物質(zhì)存在經(jīng)濟(jì)收集半徑的特點(diǎn)，我國應(yīng)優(yōu)先發(fā)展小容量生物質(zhì)與煤的混燃設(shè)備，滿足生物質(zhì)產(chǎn)地的用能需要。我國對小容量層燃和流化床鍋爐方面有豐富的技術(shù)積累，發(fā)展層燃和流化床生物質(zhì)與煤的混燃技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
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