生物质与煤混燃的运行问题优化方案

煤和生物质之间存在以下本质差异，给生物质与煤混燃造成了一些特殊问题：

（1）煤与生物质的元素和工业分析存在很大差异，根据van Krevelen图（见图7-23），生物质在右上角，H/C和O/C值均很高，而煤炭在左下角，H/C和O/C值均很低。

（2）与煤不同，生物质的属性高度可变且不均一。同一棵树的不同部分可能具有不同的成分。

（3）与煤不同，长时间储存后，生物质会吸收水分并腐烂。除了会对热效率产生不利影响外，水分还会导致有害真菌的生长。

图7-23　H/C和O/C对固体燃料的分类

（4）生物质比煤的脆性小，纤维含量高，导致了其与煤显著不同的粉碎特性。

与煤相比，生物质中的灰分富含钾、钙和硅等的化合物（见表7-7）。废弃生物质还可以吸收氯、钾和重金属。所有这些都大大增加了混燃方式下燃煤锅炉管道的结焦结渣和腐蚀的可能性。结焦和结渣会降低锅炉换热管件的吸热效率，并可能导致锅炉换热管件过早损坏。表7-7显示了生物质和煤中灰分成分的差异，这些差异会影响结焦结渣和腐蚀的可能性，其中一些还会导致混燃锅炉的运行问题。

表7-7　煤与某些生物质性质的比较

a高Ca、K，低Si；b高Si，低Ca、K；c高Ca、K和P，低Si。

7.4.3.1　混燃的燃烧问题

与煤相比，生物质的挥发分含量更高且具有更丰富的孔结构，生物质颗粒通常具有更高的反应性。因此，与煤颗粒干燥程度相同并研磨成相同大小的生物质颗粒可能燃烧得更快，没有必要将生物质粉碎至像煤粉那样精细。但是生物质颗粒也不宜太大，以免注入时掉落到未燃烧的灰斗中而不能在火焰中向上输运。

还有一个与燃料着火有关的问题。相对较高的水分含量可能会延缓生物质颗粒的着火。如果延迟时间很长，火焰可能会越来越远离燃烧器而自行熄灭。干燥生物质的着火温度远低于煤的着火温度，这一特点在某种程度上可以抵消水分的影响。

经验表明，适量（3%～5%）相对干燥（水分含量小于10%）的生物质对燃煤锅炉燃烧效率的影响可忽略不计。然而，水分含量较高的生物质可能会使燃煤锅炉的效率降低。

7.4.3.2　混燃的燃料制备问题

原始生物质在本质上是高纤维的，相邻颗粒的表面纤维会相互锁紧，使其难以顺畅流动，这个特点以及生物质的塑性行为常导致以下几个问题：

（1）预处理困难；

（2）管道中的气动运输难；(www.xing528.com)

（3）难以细碎和粉碎。

送入煤粉炉中进行悬浮燃烧的煤粉颗粒的典型尺寸约为75μm，尽管生物质由于具有密度低和反应性高的特点，可以磨成比上述尺寸更大的颗粒后在炉内燃烧，但为了便于通过煤粉管道输运，仍需要将生物质磨成与煤粉颗粒相当的尺寸。由于其柔软不易碎的特性，需要消耗大量能量才能将未处理的生物质研磨至上述细度。例如，将1t煤粉碎至50%的颗粒粒径在500μm以下时，需要7～36kW·h的破碎能量，而对于原杨木和松木，则分别需要130kW·h和170kW·h。因此，用于生物质研磨的能量几乎增加了一个数量级。

由于磨煤机的设计一般是给定能量输入，因此，当需要研磨生物质时，其研磨产能将降低，并且随着水分含量、细度以及材料韧性等参数的增大而降低。所以，将原始生物质通过给煤机给到针对煤而设计的磨煤机中进行粉碎时，磨煤机的输出会相应降低。如果电厂磨煤机有备用容量，则可以保持输入炉中的热量恒定，但需要以额外的能耗为代价。

7.4.3.3　混燃的燃料存储问题

原始生物质，特别是农业废弃物，往往具有高水分含量。该特征使得生物质的运输、处理和存储存在困难。如果当地气候干燥多风，露天存储可有助于减少生物质的水分。一些发电厂采用昂贵的覆盖物对生物质进行储存，以防止雨水或雪对生物质的浸湿。此外，即使在现场对生物质进行干燥，也难以阻止干燥的生物质在储存期间从其周围空气中吸收水分。再者，生物质中的水分会引起真菌侵袭，并在储存期间导致生物质腐烂。相较而言，煤则不存在这样的问题。

7.4.3.4　生物质原料的稳定性问题

原料的稳定性是生物质供给的主要问题，与煤不同的是，很难持续稳定地获得大量给定成分的生物质。对于煤与生物质混燃锅炉，优选的原料是生物质成型颗粒。生物质成型颗粒尺寸均匀，便于运输处理及在电厂中研磨破碎。然而，从不同生物质原料生产生物质成型颗粒也存在一定困难，这也是生物质大规模混燃应用过程的一个重要技术瓶颈，目前通过烘焙等热化学预处理手段可能可以解决此类问题。

7.4.3.5　锅炉容量问题

如前所述，在保持能源输入不变的情况下，当生物质取代现有锅炉中的部分煤时，燃煤电厂的能量输出可能会降低。此外，由于生物质水分含量高、能量密度低等因素，如果将现有的磨煤机用于生物质的粉碎，燃料产量会降低。锅炉的容量或热量输出降低有两个重要原因：一是锅炉炉膛不能产生设计的炉内热量输入，二是锅炉可用的受热面不能吸收所需的热量。生物质的体积能量密度远低于煤的，例如，原木的体积能量密度为5～8 MJ/m3，而典型煤的体积能量密度为30～40 MJ/m3，主要是因为生物质的质量密度较低，一般为350～680 kg/m3，而煤的质量密度一般为1100～1350 kg/m3，生物质的热值也较低，一般为17～21 MJ/kg干燥基，而煤的热值一般为24～33 MJ/kg干燥基。在锅炉厂，当煤被等量（按能量含量）的生物质替代时，大量的生物质将由现有的原料制备装置、进料机和燃烧器系统处理。在大多数情况下，煤粉锅炉的这些辅助设备缺乏足够的备用容量来处理如此大的额外容量，尤其是制粉系统的容量限制。

生物质与煤混燃时，燃煤锅炉的容量会降低的另一个原因是对于给定的能量输入，当用生物质代替煤时，烟气量会增加。因此，生物质混燃会给现有的引风机和锅炉厂的下游装置带来额外的负担。这就需要减少锅炉的输出。值得指出的是，如果生物质燃料的低热值导致锅炉燃烧火焰温度降低，则火焰温度可能是炉内换热的一个重要限制因素。

7.4.3.6　安全问题

将生物质与煤混燃会引发一系列安全问题，其中还涉及火灾和爆炸的潜在可能性。生物质混燃过程中曾发生的火灾和爆炸事件突显了关注此问题的重要性。在混燃发电厂中燃料处理存在三大主要危害，简要描述如下。

（1）可燃粉尘：当煤通过带式输送机或装入煤仓时，会产生粉尘。这种粉尘有爆炸危险。爆炸可能性取决于几个因素，包括爆燃指数。爆燃指数越高，爆炸越剧烈。表7-8比较了几种燃料的爆燃指数。

表7-8　几种燃料的爆燃指数

来源：Power Magazine，July 22，2012：22.

（2）自燃：尽管在已发表的文献中有关生物质自燃的数据很少，但很容易推测，堆积的生物质与煤一样具有自燃的风险。生物质电厂中发生的几起火灾也表明了这种风险的存在。

（3）生物质-煤混合物的爆炸性：生物质比大多数煤、焦炭或无烟煤更具活性，因此，其与煤粉的混合增加了爆炸的可能性。必须对此类混合物的爆炸危险性进行评估。生物质-煤混合物的爆炸行为尚未被有效研究。