直接摻燒

直接混合燃燒是指在同一鍋爐中同時燃燒煤炭和生物質(zhì)。這是采用混合燃燒的最簡單方法，因為所需的額外設(shè)備安裝最少。針對直接混合燃燒，有不同的技術(shù)方案，主要區(qū)別在于燃燒前的生物質(zhì)處理及其進入鍋爐的入口位置。圖2中列出了煤電廠的基本選項。

圖二：直接摻燒的技術(shù)選項

第一個選擇（圖2中的路徑1）涉及使用與煤相同的研磨設(shè)備處理生物質(zhì)，并通過現(xiàn)有的煤燃燒器將其注入爐膛。該方法稱為“共同研磨”選項，是混合燃燒的最簡單方法，所需的資本成本最低。然而，由于燃燒條件未優(yōu)化，火焰穩(wěn)定性和傳熱特性較差，同時增加了結(jié)渣/積灰和腐蝕傾向的可能性。此外，生物質(zhì)可能會干擾煤的進料和研磨系統(tǒng)，如造成堵塞或增加顆粒尺寸分布。因此，共同研磨僅適用于生物質(zhì)熱量比例較低且生物質(zhì)燃料不具挑戰(zhàn)性的情況，如清潔的木質(zhì)顆粒。

第二個選擇（圖2中的路徑2）通過一個獨立的系統(tǒng)對生物質(zhì)進行預(yù)處理，包括新的專用粉碎機或改裝的煤研磨機。生物質(zhì)燃料的進入仍通過現(xiàn)有的煤燃燒器來實現(xiàn)。這種設(shè)置需要在鍋爐外進行改裝，同時允許對生物質(zhì)和煤顆粒大小進行更好的控制。另一方面，生物燃料輸送管道的安裝需要鍋爐周圍可能有限的空間，同時燃燒器的運行特性控制仍不理想。國內(nèi)一些使用煤粉爐的電廠采用這個方案，其布局如圖3所示。

圖三：生物質(zhì)單獨粉碎直接摻燒方案

第三個選擇（圖2中的路徑3）是在前一種方案的基礎(chǔ)上，不僅安裝了專用的生物質(zhì)進料和粉碎系統(tǒng)，還安裝了專用的生物質(zhì)燃燒器。該方案需要更高的資本投資，并涉及更大的技術(shù)風(fēng)險，因為這些改動還影響鍋爐本身。然而，這種方案在燃燒條件上的控制程度更高，并且生物質(zhì)對鍋爐運行的影響風(fēng)險最小。

還有一種選擇，將生物質(zhì)燃料用于上爐膛中專門設(shè)計的再燃系統(tǒng)中，旨在控制NOx排放。該系統(tǒng)仍處于開發(fā)階段，目前僅有小規(guī)模測試的結(jié)果。預(yù)計該系統(tǒng)的投資成本將高于其他混合燃燒方案。在大多數(shù)情況下，直接摻燒方案中的生物質(zhì)熱量輸入約為10%，受技術(shù)和經(jīng)濟限制。

并行摻燒

并行摻燒涉及在一個單獨的、生物質(zhì)專用鍋爐中燃燒生物質(zhì)。煤炭和生物質(zhì)系統(tǒng)的集成發(fā)生在蒸汽循環(huán)中。通常情況下，生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生低等級蒸汽，該蒸汽在煤鍋爐中被提升，從而實現(xiàn)的效率高于單獨的生物質(zhì)電廠，而煤鍋爐的運行不會因添加生物質(zhì)燃料而受到影響。燃燒殘留物也是分別產(chǎn)生的，可以按照單一燃料燃燒的殘留物進行處理。此外，盡管投資成本高于直接混合燃燒選項，但仍低于專用生物質(zhì)電廠，因為該系統(tǒng)設(shè)計利用了燃煤電廠的現(xiàn)有組件。

在丹麥哥本哈根有一個并行摻燒的典型案例，據(jù)了解其主系統(tǒng)是800MW的超超臨界鍋爐，燃料采用木質(zhì)顆粒、重油和天然氣，輔系統(tǒng)由105MW的生物質(zhì)鍋爐驅(qū)動，燃料使用秸稈。它是世界上利用生物質(zhì)的最高效電廠之一，總效率高達92%，電效率為42%，若無區(qū)域供熱可升至49%。

間接/氣化摻燒

間接摻燒（也稱為氣化后摻燒）在單獨的氣化爐中對生物質(zhì)燃料進行氣化；所產(chǎn)生的燃?xì)庠谌济哄仩t的爐膛中燃燒（圖2中的路徑4）。與并行摻燒類似，間接摻燒減少了生物質(zhì)燃料對煤爐的影響，并允許單獨收集殘留物。此外，將氣化氣注入爐膛可以用作氣體過度燃燒，以減少NOx的排放。最后，由于氣體可以直接注入爐膛，電廠可以避免生物質(zhì)氣化過程中常見的能量轉(zhuǎn)換損失和昂貴的煙氣凈化問題。然而，根據(jù)生物質(zhì)燃料的質(zhì)量以及氯和堿金屬等元素的存在，可能仍需要進行煙氣凈化。因此，這種方案的投資成本也較高，因為需要安裝新的氣化爐。

據(jù)了解，市場還有一種專門針對氣化摻燒設(shè)計的常壓循環(huán)流化床氣化爐，它產(chǎn)生的其他可以直接送入主煤爐，特別適用“問題”燃料的處理(未分類的城市固體垃圾，園林垃圾，廢輪胎等)，國內(nèi)不少頭部電廠在很早之前都開展了這方面的研究和測試，積累了非常多的經(jīng)驗。

生物質(zhì)燃料的儲存和預(yù)處理

大型燃燒電廠需要對生物質(zhì)燃料進行大量儲存和預(yù)處理。對于固體生物質(zhì)摻燒電廠來說，生產(chǎn)過程受到生物質(zhì)低能量密度及其物理和生物化學(xué)特性（如纖維狀性質(zhì)和潛在分解性）的嚴(yán)重影響。而這些問題通常不會出現(xiàn)在煤炭中。因此，確保生物質(zhì)處理系統(tǒng)的可靠性和無故障運行是混合燃燒改造的主要目標(biāo)之一。

生物質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)置高度依賴于燃料的物理特性；一般來說，有兩種類型的系統(tǒng)：一種是處理顆粒或粒狀材料的系統(tǒng)，另一種是用于處理捆扎生物質(zhì)的系統(tǒng)。

• 秸稈和其他草本生物質(zhì)材料通常以大方捆的形式運送到電廠，典型尺寸為1.2米x 1.3米x 2.4米，重量約為500公斤。這種捆包通常非常干燥，含水量低于20%，不太容易發(fā)生生物降解。它們可以長時間堆放在室內(nèi)，并易于堆疊存儲。此類系統(tǒng)可以高度自動化；秸稈捆通過吊車搬運，自動送入傳送帶，在傳送帶上進行拆捆、去除雜質(zhì)，然后送入生物質(zhì)粉碎機進行必要的尺寸減小，再送入燃燒器中。
• 顆粒狀材料，如木屑和木塊，以及顆粒化材料也是常見的生物質(zhì)燃料。木屑和顆粒燃料都具有良好的流動性，盡管前者可能會表現(xiàn)出更廣泛的顆粒尺寸、含水量和彈性，這可能導(dǎo)致進料系統(tǒng)中的堵塞問題。這些材料的儲存通常是堆放進行的。對于木屑，含水量超過20%的材料可能會導(dǎo)致分解增加、干物質(zhì)損失以及堆放點加熱至自燃的情況。木顆粒由于生產(chǎn)過程中的低含水量，通常需要有屋頂?shù)膬Υ妫员苊馕锢砗蜕锝到狻囟群蜌怏w測量的組合可以提供適當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)儲存控制。

粉塵的產(chǎn)生和積累是一個主要問題，特別是在大規(guī)模處理顆粒燃料時。適當(dāng)?shù)囊謮m設(shè)備包括爆炸通風(fēng)口和滅火系統(tǒng)。在喂入生物質(zhì)之前，去除超大尺寸、鐵磁性和其他雜質(zhì)是另一個重要步驟。接收料斗柵可以幫助去除大塊材料，而移動篩或旋風(fēng)分離器可以去除較小的雜質(zhì)；鐵磁性材料通過除鐵器分離。

對于所有類型的生物質(zhì)材料（顆粒、顆粒化或捆扎），粉碎燃料被認(rèn)為是摻燒應(yīng)用中最重要的預(yù)處理步驟。原因是煤粉爐是最常見的鍋爐類型，它們要求煤顆粒的粒徑分布在50–90微米之間。由于煤粉鍋爐可以實現(xiàn)較大的生物質(zhì)顆粒的有效轉(zhuǎn)化，因此沒有必要將生物質(zhì)粒徑減小至與煤相同的尺寸或形狀。然而，對于生物質(zhì)顆粒的尺寸要求仍超過專用生物質(zhì)燃燒技術(shù)（如爐排燃燒和流化床）的典型要求。

“共同研磨”是指在研磨系統(tǒng)之前將生物質(zhì)與煤流混合，如前文所述，這是最簡單的方法，因為其唯一改造是生物質(zhì)處理和儲存系統(tǒng)。大多數(shù)煤磨粉機的運行取決于煤顆粒的脆性斷裂，而這不適用于纖維狀的生物質(zhì)材料。此外，生物質(zhì)顆粒在正常運行中往往會在磨粉機中積聚，并在停機時需要更長的時間才能清除。此外，研磨過程中的最大產(chǎn)品尺寸往往會增加，而濕生物質(zhì)的研磨預(yù)計會影響研磨機的熱平衡。舊的電廠改造項目中曾報道過研磨機功耗增加了10-15%，這表明沒有對補充燃料進行適當(dāng)處理。最后，由于生物質(zhì)在較低溫度（180°C）下會釋放揮發(fā)性可燃物，因此應(yīng)避免干燥的生物質(zhì)與研磨機內(nèi)的熱風(fēng)接觸，特別是在間歇性研磨操作期間。

木屑和煤炭混合中進入磨粉機共同研磨

由于生物質(zhì)對煤磨性能的影響，共同研磨僅限于較低的生物質(zhì)比例。為了提高生物質(zhì)的熱量比例，建議使用專用的粉碎設(shè)備。在多個案例中，針對木質(zhì)顆粒的煤磨改造表現(xiàn)出了總體滿意的結(jié)果。然而，經(jīng)驗表明，改造后的研磨機的熱量輸入顯著下降至原來的50-70%。此外，改造后的煤磨傾向于將顆粒破碎回其原始尺寸分布，同時需要與共同研磨相同的安全預(yù)防措施。對于需要更小粒徑的情況，建議安裝專門用于生物質(zhì)燃料的粉碎機。

燃料轉(zhuǎn)化

由于生物質(zhì)顆粒具有高能耗、研磨磨損和纖維性特質(zhì)，其研磨過程通常會生成尺寸較大、非球形、拉長的顆粒，典型長度為1-3毫米，長寬比超過6。煤粉鍋爐通常設(shè)計用于處理非常小、幾乎球形的煤顆粒，其粒徑范圍為50–100微米，長寬比不超過2。然而，與煤炭相比，生物質(zhì)通常具有更高的揮發(fā)物含量，在熱解過程中，生物質(zhì)揮發(fā)物可占其無機物含量的90–95%，而大多數(shù)煤炭則為55–60%。熱重分析實驗表明，生物質(zhì)揮發(fā)物的釋放速度遠高于煤炭，且在較低的溫度下發(fā)生，從而降低了與煤相比的著火溫度，并提高了火焰穩(wěn)定性。此外，在煤粉鍋爐條件下，生物質(zhì)炭具有高度的多孔性和活性，而生物質(zhì)顆粒的形狀比煤顆粒的典型球形更有利于促進快速燃燒。因此，盡管顆粒尺寸不利，但當(dāng)生物質(zhì)的熱量比例較低時，燃料轉(zhuǎn)化仍可維持在較高水平。

然而，過大或過密的生物質(zhì)顆粒可能會以較低的轉(zhuǎn)化率留在底灰中。這種情況發(fā)生在大生物質(zhì)顆粒燃燒延遲，且空氣動力作用不足以支撐其重量時。此外，生物質(zhì)的含水量（可能高于煤炭）也會影響其最大鍋爐負(fù)荷和效率，從而影響轉(zhuǎn)化效率。

計算流體動力學(xué)正逐漸成為評估生物質(zhì)摻燒對燃燒器和鍋爐運行影響的重要工具。為了獲得良好的建模效果，多個研究者強調(diào)使用適當(dāng)?shù)淖幽Ｐ蛠砻枋錾镔|(zhì)顆粒的行為。特別需要考慮的子模型包括：

1. 生物質(zhì)的熱解動力學(xué)：由于生物質(zhì)燃料的高揮發(fā)物含量，其熱解動力學(xué)尤為重要。通常，CFD子模型采用單一的熱解反應(yīng)模型，但未考慮原料的多樣性以及溫度和加熱范圍的變化。隨著生物質(zhì)比例的增加，使用更復(fù)雜的模型（如多組分競爭模型）可以提供更深入的分析。
2. 等溫行為：對于煤顆粒，通常使用等溫行為模型，但這種模型不再適用于生物質(zhì)顆粒。對于大顆粒，使用等溫模型會導(dǎo)致氣體釋放延遲和氣體釋放持續(xù)時間的縮短，而實驗結(jié)果和建模證據(jù)表明，顆粒表面在核心之前已達到熱解溫度。
3. 生物質(zhì)顆粒的非球形效應(yīng)：在評估生物質(zhì)顆粒的阻力和傳熱方程時，必須考慮其非球形的影響，因為這些因素會影響生物質(zhì)顆粒的停留時間和燃盡。

總體而言，在正確的生物質(zhì)顆粒大小和干燥度的情況下，生物質(zhì)摻燒對轉(zhuǎn)化效率的影響是微小的，并且即使是負(fù)面影響也是可控的。文獻表明，將含水量低于10%的木質(zhì)生物質(zhì)燃料按質(zhì)量比例5%與含12%水分和15.7%灰分的高揮發(fā)分煙煤一起混合燃燒，計算的效率損失在0.1%左右。

沉積物和腐蝕

與固體燃料能源應(yīng)用相關(guān)的一個常見問題是，由于熱交換設(shè)備上積累的沉積物，導(dǎo)致熱傳遞率逐漸降低。沉積物通常包含“結(jié)渣”和“污垢”。結(jié)渣是指在鍋爐主要暴露于輻射熱的部分（如爐壁）上形成的沉積物，而污垢是指在對流通道上（如熱交換管）因凝結(jié)而形成的沉積物。結(jié)渣和污垢的增加會降低熱傳遞效率，并促進腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。腐蝕是指由于氣相物質(zhì)、沉積物或它們之間相互作用引起的壁材料內(nèi)在特性惡化。盡管結(jié)渣和污垢問題會影響設(shè)備的整體效率和可用性，但在設(shè)備停機期間，通過煙灰吹掃（對于過熱器管）和清洗可以去除沉積物。而腐蝕是永久性的，并嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。

結(jié)渣、污垢和腐蝕是復(fù)雜的現(xiàn)象，取決于燃料灰分的化學(xué)和礦物組成，以及爐內(nèi)條件（溫度和速度分布、還原或氧化氣氛等）。對于煤粉鍋爐，結(jié)渣傾向通常通過一系列經(jīng)驗指標(biāo)進行評估，這些指標(biāo)要么通過測量的灰分熔化溫度（結(jié)渣指數(shù)）計算，要么通過主要灰分元素的化學(xué)成分（堿酸比）計算。煤的污垢指數(shù)主要依賴于鈉含量。這些指數(shù)在生物質(zhì)燃料的適用性方面僅在特定情況下得到驗證。在摻燒的情況下，混合物的灰分組成主要取決于化石燃料部分，因為其灰分含量比生物質(zhì)燃料更高。因此，當(dāng)生物質(zhì)熱量比例較低（通常低于20%）時，這些指數(shù)仍然可以被視為估算此類混合燃料沉積傾向的有用工具。

生物質(zhì)灰分，特別是草本材料或快速生長樹種的灰分，與大多數(shù)煤種相比，具有更高的堿金屬和氯含量。生物質(zhì)灰分的部分堿金屬含量通過氯化物或氫氧化物的形成釋放到氣相中。氯特別促進堿金屬的蒸發(fā)，比堿金屬濃度本身更為顯著。因此，在燃燒過程中，部分堿金屬以硅酸鹽或硫酸鹽的形式留在燃料灰分中，并最終以粗顆粒的飛灰顆粒的形式存在，這些顆粒主要由耐火物質(zhì)（如鈣、鎂和硅）構(gòu)成。灰分中的堿硅酸鹽熔點較低，有時低于700°C，從而增加了結(jié)渣的傾向。氣相中的堿金屬，主要是堿金屬氯化物，要么隨煙氣逃逸，要么在過熱器管或較粗的灰分顆粒上凝結(jié)，增加污垢的傾向。

腐蝕現(xiàn)象發(fā)生在管壁上形成的保護氧化層受到含氯或硫化合物攻擊時。管表面的硫化和氯化導(dǎo)致外層形成，這種外層沒有氧化層的保護特性。其缺陷結(jié)構(gòu)使其容易因侵蝕而脫落，從而進一步受到腐蝕。腐蝕可以通過氣相反應(yīng)（如Cl2和NaCl(g)與金屬表面的反應(yīng)）或通過固態(tài)和熔融相反應(yīng)（與硫酸鹽和氯化物的反應(yīng)）發(fā)生。對于煤的燃燒，腐蝕通常是由與鐵堿金屬三硫酸鹽（(Na,K)?Fe(SO?)?）的熔融相反應(yīng)引起的，而對于生物質(zhì)燃燒，氯化物的影響更為顯著。

歐洲經(jīng)驗表明，無論是煤炭鍋爐中單獨燃燒秸稈，還是在循環(huán)流化床鍋爐中燃煤摻燒秸稈，都會導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)垢和加速的過熱器腐蝕（腐蝕速率增加了5到40倍），主要表現(xiàn)為選擇性氯腐蝕。而在改造后的煤粉鍋爐中混燒煤和秸稈，則沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢問題，過熱器腐蝕速率也只略微增加了50%。不過需要注意的是，在煤粉鍋爐中，秸稈的熱值占比不到10%。

腐蝕主要與堿金屬（Na和K）和Cl以及Pb和Zn相關(guān)。生物質(zhì)燃燒或共同燃燒期間的污垢和腐蝕現(xiàn)象可以通過在沉積之前捕獲氯化物中的堿金屬來緩解。這可以通過與硫或鋁硅酸鹽化合物的反應(yīng)實現(xiàn)，如下所示：

$$2MCl+S{O}_2+\frac{1}{2}{O}_2+H_{2}O\to M{K}_{2}S{O}_4+2HCl$$$$A{l}_2{O}_3·2Si{O}_2+2MCl+H_{2}O\to M_{2}O?A{l}_2{O}_3?2Si{O}_2+2HCl$$

其中M可以是鉀（K）或鈉（Na）。因此，可以通過與煤、污水污泥共同燃燒或添加煤灰來減輕問題生物質(zhì)燃料的污垢和腐蝕傾向。圖4展示了在高堿生物質(zhì)與煤共同燃燒期間硫和鋁硅酸鹽的保護作用。值得注意的是，腐蝕仍可能通過與HCl的氣相反應(yīng)或與硫沉積物的反應(yīng)發(fā)生，盡管這些被認(rèn)為不如氯化物沉積引起的腐蝕嚴(yán)重。含有Al-Si、Ca、S和P物質(zhì)的化學(xué)添加劑的使用也被廣泛研究；然而，這種做法更為昂貴，且某些結(jié)果被報告為特定于地點的。

圖四：生物質(zhì)與含硫和鋁硅酸鹽的煤共燃可避免產(chǎn)生堿性氯化物

S/Cl或Al-Si/Cl摩爾比廣泛用于指示燃料或燃料混合物受氯影響的沉積和腐蝕傾向。S/Cl比小于2通常表明高腐蝕風(fēng)險，而當(dāng)S/Cl比超過4時，預(yù)計會出現(xiàn)非腐蝕性行為。值得注意的是，與添加劑的使用相反，燃料混合物的復(fù)雜化學(xué)成分可能影響抵抗腐蝕元素的作用。例如，鈣對硫的保留可能降低用于形成堿金屬硫酸鹽的硫的可用性。

總體而言，固體燃料燃燒中的沉積和腐蝕現(xiàn)象是非常復(fù)雜的現(xiàn)象，目前尚未完全理解。根據(jù)當(dāng)前的操作經(jīng)驗，即使是含有高濃度堿金屬和氯的“問題”燃料，在低熱量比例的共同燃燒中，沉積物或腐蝕的管理是可行的，實際上可能被視為優(yōu)于專門的生物質(zhì)燃燒。

排放

在燃煤發(fā)電廠實施摻燒的主要原因之一是減少來自碳中性生物質(zhì)燃料燃燒的二氧化碳排放。生物質(zhì)摻燒過程中污染物形成和其他氣體排放的復(fù)雜性與煤燃燒中的相似，主要污染物包括二氧化硫（SOx）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、有機化合物（包括二惡英）和塵埃顆粒。

生物質(zhì)摻燒對二氧化硫排放的潛在減少被廣泛視為一種好處。通常，隨著生物質(zhì)混合燃料比例的增加，減少的幅度更大，因為大多數(shù)生物質(zhì)燃料的硫含量低于大多數(shù)煤類型。通過生物質(zhì)灰分中的堿基化合物保留煤中的硫，有時會觀察到比預(yù)期的燃料硫含量更高的附加減少。摻燒中較低的二氧化硫排放也會影響煙氣脫硫（FGD）裝置的運行，減少石灰石需求和石膏生產(chǎn)率。

摻燒中氮氧化物的排放情況則更為復(fù)雜，報告顯示排放量有時低于專用煤燃燒的水平，也有時高于其水平。然而，通常情況下，混合燃燒的氮氧化物排放水平低于煤燃燒的水平，因為許多生物質(zhì)類型，尤其是木材的燃料氮含量較低，并且生物質(zhì)中的燃料氮主要轉(zhuǎn)化為氨（NH3），其轉(zhuǎn)化為氮氧化物的比例低于煤燃料氮主要產(chǎn)生的氰化氫（HCN）。在某些情況下，混合燃燒中氮氧化物的減少量被報道高于理論計算的進入爐內(nèi)的總?cè)剂系俊?/p>

如前所述，生物質(zhì)燃料通常比煤產(chǎn)生更高的揮發(fā)物，從而在近燃燒器區(qū)域創(chuàng)造出更大的富燃料區(qū)域，促進氮氧化物還原反應(yīng)。然而，在燃燒器系統(tǒng)的空氣供應(yīng)設(shè)計中必須特別小心，以確保有足夠的氧氣用于快速釋放的揮發(fā)物的燃燒，避免燃燒延遲。這一點在斜射燃燒和壁式燃燒鍋爐中尤其重要，這些鍋爐的低氮氧化物燃燒器最初就設(shè)計為在主燃燒區(qū)以化學(xué)當(dāng)量或亞化學(xué)當(dāng)量的條件下運行，同時部分二次空氣被引導(dǎo)到過火空氣系統(tǒng)。

此外，利用生物質(zhì)作為重燃燃料以進一步降低氮氧化物排放的潛力也存在。生物質(zhì)燃料通常還含有比煤更多的水分，降低了峰值溫度，并相應(yīng)減少了氮氧化物的排放。

然而，某些生物質(zhì)燃料，如稻草，燃料氮含量較高。在這些情況下，建議通過計算流體動力學(xué)（CFD）建模評估混合燃燒對氮氧化物排放的影響，并結(jié)合試點和大規(guī)模演示結(jié)果。

越來越多的發(fā)電廠正在安裝選擇性催化還原（SCR）去氮氧化系統(tǒng)，以符合日益嚴(yán)格的排放限值。與選擇性非催化還原（SNCR）系統(tǒng)不同，SCR系統(tǒng)的催化劑對揮發(fā)性無機化合物（如堿金屬和磷酸鹽）易受毒害，這些化合物在混合燃燒的煙氣中預(yù)期會增加，尤其是在使用草本生物質(zhì)時。除了生物質(zhì)類型外，對催化劑的影響還取決于SCR單元在煙氣處理系統(tǒng)中的位置。如果該單元位于煙氣脫硫單元和煙囪之間，則煙氣中的有害成分較少，這樣就可以降低對催化劑的損害。然而，大多數(shù)SCR單元安裝在高粉塵環(huán)境中，在空氣預(yù)熱器之前，因為該區(qū)域的高溫使得使用更有效的沸石和釩或二氧化鈦催化劑成為可能，因此煙氣中無機揮發(fā)物的潛在影響更大。總體而言，混合燃燒對SCR操作的影響尚未完全解決，仍需進一步研究。

一氧化碳和有機污染物的排放主要取決于燃燒過程的質(zhì)量，這在前面的章節(jié)中已討論。只要燃燒系統(tǒng)設(shè)計合理，這些物質(zhì)的排放水平應(yīng)與燃煤的排放水平相當(dāng)。然而，某些草本生物質(zhì)的氯含量較高，可能導(dǎo)致氯化氫（HCl）排放水平升高。另一方面，典型的煤粉鍋爐的高溫水平表明，二惡英在爐中會被熱降解，而不會被發(fā)電廠排放。

靜電除塵器的性能和顆粒物排放水平在很大程度上取決于飛灰的化學(xué)性質(zhì)。因此，在混合燃燒應(yīng)用中，一個主要關(guān)注點是生物質(zhì)灰分顆粒的捕集效率可能低于煤顆粒，而亞微米顆粒的排放水平將增加。這一點已通過多家工廠的運營經(jīng)驗得到證實，這些工廠在與木材混合燃燒時報告顆粒物排放略有增加。在某些情況下，由于混合燃燒過程中煙氣體積的增加，煙氣處理系統(tǒng)的有效性，包括靜電除塵器（ESP），可能受到影響。另一方面，固體生物燃料的低灰分水平有助于ESP的性能。然而，其他工廠則報告混合燃燒對ESP性能沒有影響，盡管大多數(shù)工廠的混合燃燒比例較低。與混合燃燒的其他影響一樣，較高的熱能比例預(yù)計會增加對ESP性能的影響。

總體而言，生物質(zhì)摻燒相較于燃煤可視為對環(huán)境產(chǎn)生積極或中性的影響。仍然存在一些不確定領(lǐng)域，主要與SCR催化劑失活和對ESP性能的影響有關(guān)，需要進一步的研究和運營經(jīng)驗的反饋。

摻燒應(yīng)用中的灰分利用

灰分是電廠的主要副產(chǎn)品，其利用是評估電廠環(huán)境性能的重要組成部分。然而，由于預(yù)測灰分特性存在困難，以及填埋灰分的選擇始終存在，灰分的利用問題通常在設(shè)備啟動后被擱置。

對于燃煤發(fā)電廠，灰分的利用途徑已經(jīng)相當(dāng)成熟。例如，大多數(shù)煤粉灰以其良好的特性使其成為混凝土生產(chǎn)的有價值添加劑。相比之下，生物質(zhì)灰分的利用尚不夠先進，盡管根據(jù)燃料特性，有多種可用的選擇，如作為天然肥料回收入土壤。混合燃燒灰分面臨獨特的挑戰(zhàn)，因為燃燒副產(chǎn)品的化學(xué)特性介于純灰分之間，可能不符合利用途徑的規(guī)格。由于煤中的灰分含量高于大多數(shù)典型生物質(zhì)，目標(biāo)是獲得使混合燃燒灰分特性符合現(xiàn)有煤灰利用途徑的標(biāo)準(zhǔn)。這對最大混合燃燒比例構(gòu)成了重要限制，此外還有前面討論的其他因素。

底灰通常占煤粉鍋爐總灰分的10–15%；底灰最常見的利用方式是在道路建設(shè)和其他基礎(chǔ)設(shè)施工程中使用，用于路基和基礎(chǔ)。在這些應(yīng)用中，關(guān)鍵要求是通過浸出不良元素的污染是否保持在法規(guī)限制以下。在實踐中，大多數(shù)來自燃煤發(fā)電廠的底灰，無論是否混合燃燒生物質(zhì)，都可以在幾乎沒有限制的情況下使用。有時，灰分需要老化（暴露于環(huán)境空氣中），以便吸收二氧化碳，使其堿性降低，從而減少某些元素的浸出。

粉灰占總灰分的大部分。如前所述，煤粉灰的主要利用途徑是作為混凝土生產(chǎn)的添加劑。GB/T1596-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了煤粉灰在該應(yīng)用中必須滿足的要求；對于混合燃燒的粉灰，該標(biāo)準(zhǔn)施加了一系列直接和間接的限制，涉及允許的生物質(zhì)燃料清單、最大混合燃燒比例以及化合物的含量，如游離的氧化鈣、磷和堿，以及未燃燒的物質(zhì)。例如，根據(jù)GB/T1596-2017，基于質(zhì)量的混合燃燒比例應(yīng)低于40%或50%，如果生物質(zhì)燃料是綠木，則混合灰分在總灰分中的比例應(yīng)低于30%。

未來對增加生物質(zhì)熱能比例或改造為100%生物質(zhì)燃燒的期望，將增加產(chǎn)生不合規(guī)灰分的數(shù)量。對于如何再利用，已經(jīng)有了一些方向，包括追蹤金屬回收、作為金屬和聚合物的填料以及磷的生產(chǎn)；然而，大多數(shù)并不具有經(jīng)濟吸引力，但國外有研究表明，生產(chǎn)輕質(zhì)骨料的途徑最接近經(jīng)濟成功。

生物質(zhì)摻燒的未來展望

近年來，關(guān)于推進燃煤生物質(zhì)摻燒的呼聲越來越高，不少電廠在多年前就開始展開研究，很多項目也成功落地。結(jié)合國內(nèi)外多年的實踐經(jīng)驗，產(chǎn)業(yè)界多數(shù)認(rèn)為目前兩個方向是值得關(guān)注的。

第一個是利用熱解生物質(zhì)作為混合燃燒燃料（圖2中的路線5），熱解是一種在200–300°C下進行的熱化學(xué)過程，典型的停留時間為1小時，在此過程中，生物質(zhì)部分分解，釋放揮發(fā)物，最終產(chǎn)品為剩余固體。熱解過程中半纖維素基質(zhì)的分解帶來了顯著的好處，如能量密度的增加、研磨時能耗的降低、疏水性特性的開發(fā)、抵抗生物降解的能力，以及更均勻的燃料特性。然而，熱解氣化方向需要投資大量設(shè)備，其穩(wěn)定性也一般，國內(nèi)的一項研究表明散料氣化耦合的成本約為0.456元/kwh，在沒有補貼的情況下難以盈利，目前關(guān)注度有所降低。

第二個是直接摻燒，不斷提高生物質(zhì)預(yù)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性，產(chǎn)量和出料細(xì)度，減少處理能耗，同時，需在運行中不斷積累數(shù)據(jù)，解決生物質(zhì)占比高的情況下，整個熱能系統(tǒng)相關(guān)問題，不斷提高生物質(zhì)在摻燒中的熱能比例，最終實現(xiàn)火電廠零排目標(biāo)。

結(jié)論

與煤炭混合摻燒生物質(zhì)被認(rèn)為是應(yīng)對發(fā)電過程溫室氣體排放的最具吸引力的短期和長期解決方案。混合燃燒應(yīng)用的有效性，加上其低成本和低技術(shù)風(fēng)險，使其在大型發(fā)電廠運營商和考慮減緩二氧化碳排放、節(jié)省日益減少的化石燃料的機構(gòu)的優(yōu)先事項清單中排名較高。針對燃煤發(fā)電廠，已經(jīng)開發(fā)了不同的混合燃燒方案。由于投資成本低，直接混合燃燒是最常見的方法；然而，它主要適用于無問題的木質(zhì)生物質(zhì)燃料，通常用于熱能比例在10%左右的生物質(zhì)。存在間接和并行混合燃燒電廠的例子，這些電廠即使在使用更具問題的生物質(zhì)燃料時，也已證明能夠達到高效率和良好的操作條件。

生物質(zhì)燃料的處理由于生物質(zhì)的生物性和纖維性而面臨挑戰(zhàn)；通過大規(guī)模專用生物質(zhì)發(fā)電廠的操作經(jīng)驗，可以找到解決方案，而磨碎的要求在煤粉鍋爐中由于相對高的轉(zhuǎn)換效率而有所放寬。熔渣/結(jié)焦和腐蝕，尤其是在草本生物質(zhì)燃料的情況下，是生物質(zhì)燃燒的一個主要問題。以較低的熱能比例與煤混合燃燒此類燃料可以通過硫酸鹽或鋁硅化合物對堿的保留，減輕氯引起的腐蝕和沉積的一些影響。混合燃燒已被證明對污染物排放產(chǎn)生了主要的積極影響，尤其是在SOx和NOx的情況下。關(guān)于脫氮催化劑失效和靜電除塵器（ESP）性能影響的問題仍然存在不確定性。由于生物質(zhì)灰分含量較低，混合燃燒的粉灰在大多數(shù)情況下可以遵循正常的煤灰利用途徑，盡管在燃燒高堿或磷的生物質(zhì)燃料以及提高混合燃燒比例時，預(yù)計會遇到挑戰(zhàn)。顯然，迫切需要確定新穎且經(jīng)濟的利用方案。

一般來說，當(dāng)以熱能比例不高于20%燃燒木質(zhì)燃料時，混合燃燒實施容易且技術(shù)問題較少；對于稻草和草本生物質(zhì)燃料，通常觀察到?jīng)]有問題的熱能比例為10%。隨著與其他生物能源系統(tǒng)以及木材非能源用途的競爭加劇，預(yù)計混合燃燒領(lǐng)域?qū)⑾蚋呃寐实牟荼炯捌渌皢栴}”生物質(zhì)資源方向發(fā)展。隨著熱解生物質(zhì)混合燃燒和燃煤電廠向更高生物質(zhì)熱能比例的轉(zhuǎn)型趨勢的發(fā)展，生物質(zhì)混合燃燒領(lǐng)域亟需進一步的研究和技術(shù)開發(fā)。

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