利用農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)燃料替代煤炭等化石燃料發(fā)電是火力發(fā)電廠節(jié)能減排的一個(gè)重要途徑。到“十一五”末，我國(guó)將投產(chǎn)500萬(wàn)千瓦生物質(zhì)發(fā)電廠，可以替代約1000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國(guó)每年可用于燃燒的各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)生物質(zhì)廢棄物將達(dá)到10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可以滿(mǎn)足5億千瓦裝機(jī)容量火力發(fā)電的燃料量需求，這個(gè)裝機(jī)容量相當(dāng)于我國(guó)目前火力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?0%。
1、秸稈直燃發(fā)電的技術(shù)方法
秸稈直燃發(fā)電是指秸稈不經(jīng)氣化等化學(xué)方法處理，直接以固態(tài)方式進(jìn)入鍋爐燃燒的火力發(fā)電方法。相比于生物質(zhì)氣化后再在蒸汽鍋爐中燃燒發(fā)電，秸稈直燃發(fā)電省去了氣化過(guò)程，減少了設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)也提高了秸稈的利用率。
目前我國(guó)已經(jīng)投運(yùn)和在建的各種類(lèi)型生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘靠蛇_(dá)100萬(wàn)千瓦，其中主要是固定床全燒秸稈的鍋爐，也有部分循環(huán)流化床鍋爐全燒秸稈或者與煤混合燃燒發(fā)電，煤粉鍋爐混燒秸稈的運(yùn)行機(jī)組只有十里泉電廠的一臺(tái)125MW機(jī)組，富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
1.1固定床鍋爐
固定床鍋爐直燃秸稈發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量一般在15～25MW，為了提高發(fā)電效率，機(jī)組參數(shù)一般設(shè)計(jì)為高溫高壓。鍋爐采用震動(dòng)爐排，經(jīng)破碎的秸稈燃料通過(guò)螺旋給料機(jī)送入爐膛在爐排上燃燒，燃料依靠爐排的定時(shí)震動(dòng)產(chǎn)生移動(dòng)，通過(guò)爐排完成燃燒。我國(guó)典型的固定床秸稈直燃發(fā)電鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)如表1：
固定床鍋爐對(duì)燃料粒度的一般要求：
<100mm 100%
<50mm 90%
>5mm >50%
<3mm <5%
1.2流化床鍋爐
流化床鍋爐燃燒秸稈的方法主要有兩種，一種是全部燃燒秸稈，另一種是秸稈與煤混燒。全燒秸稈時(shí)常用煤渣、高爐礦渣、石英砂等做流化床的底料；當(dāng)秸稈與煤混燒而且秸稈做為主要燃料時(shí)，可以直接用煤做底料，煤的比例一般不超過(guò)20%。當(dāng)煤做為主要燃料時(shí)，可以混燒各種生物質(zhì)燃料，包括工業(yè)生物質(zhì)廢棄物（糖渣、酒渣、造紙黑液等）、農(nóng)作物秸稈和林業(yè)廢棄物等。秸稈與煤混燒時(shí)，根據(jù)燃料粒度特點(diǎn)，秸稈送入爐膛的方式有所不同。顆粒狀和粉狀生物質(zhì)燃料（例如稻糠、木屑和加工成型的秸稈等）可以和煤提前混合后送入爐膛，可以使用同一套輸送裝置，同一個(gè)爐膛進(jìn)料口；有一定長(zhǎng)度的棒狀秸稈（棉稈、樹(shù)枝、玉米秸等）需要與煤不同的輸送設(shè)備通過(guò)不同的進(jìn)料口送入爐膛。
目前已經(jīng)投運(yùn)的生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐中，專(zhuān)門(mén)為燃燒秸稈設(shè)計(jì)的流化床鍋爐很少，大部分是燃煤循環(huán)流化床鍋爐改造成燃燒秸稈的鍋爐，或者在燃煤的基礎(chǔ)上摻燒生物質(zhì)燃料。這些鍋爐大部分是熱電廠的供熱機(jī)組或工業(yè)鍋爐，蒸發(fā)量不超過(guò)75t/h，設(shè)計(jì)參數(shù)大都為中溫中壓，蒸汽壓力約SMPa，蒸汽溫度480℃。
1.3煤粉鍋爐
燃煤粉發(fā)電機(jī)組的容量在100～1000MW，需要的燃料量大，由于價(jià)格原因，秸稈不能遠(yuǎn)距離輸送，而電廠周邊的秸稈產(chǎn)量有限，因此在煤粉鍋爐上只能混燒部分秸稈燃料，一般不超過(guò)25 MW的發(fā)電燃料量。煤粉爐一般要求混燒秸稈的長(zhǎng)度全部在Smm以下，因此需要先將秸稈加工成粉狀。由于秸稈的磨制性能與煤相差很大，難以與煤混合后在同一磨煤機(jī)中磨制，必須單獨(dú)使用專(zhuān)門(mén)的制粉系統(tǒng)。需要的設(shè)備主要是秸稈加工粉碎和輸送系統(tǒng)，相當(dāng)于燃煤機(jī)組的一套制粉系統(tǒng)。秸稈制粉和輸粉流程主要包括切割、磨碎、氣粉分離和中間儲(chǔ)存、氣力輸送或機(jī)械輸送到燃燒器。為了便于控制和燃燒調(diào)整，秸稈燃燒一般應(yīng)使用單獨(dú)的燃燒器。
2、不同秸稈直燃發(fā)電技術(shù)的安全性比較
秸稈直燃發(fā)電在我國(guó)剛剛起步，無(wú)論是秸稈燃料供應(yīng)、燃燒設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用還是運(yùn)行管理等方面都存在一些問(wèn)題。目前在安全方面主要存在以下問(wèn)題：
2.1 秸稈燃料的供應(yīng)可靠性
由于秸稈燃料還沒(méi)有形成比較成熟的市場(chǎng)，秸稈具有較強(qiáng)的季節(jié)性，其產(chǎn)量和實(shí)際可用量也有較大差別，加上秸稈運(yùn)輸成本的限制，不可能長(zhǎng)距離的運(yùn)輸，因此，與煤相比，秸稈燃料的供應(yīng)可靠性較低，燃料質(zhì)量也難以保證。目前設(shè)計(jì)裝機(jī)容量較大的秸稈發(fā)電廠，如單機(jī)容量30MW的秸稈發(fā)電廣普遍存在燃料供應(yīng)不足的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，秸稈發(fā)電廠只能不管燃料的設(shè)計(jì)要求，廣泛收集各種能夠燃燒的生物質(zhì)燃料，這樣就帶來(lái)了諸多問(wèn)題，如燃料收購(gòu)成本和破碎加工成本提高，燃料供應(yīng)不足造成機(jī)組發(fā)電負(fù)荷不能保證，燃燒安全性和燃燒經(jīng)濟(jì)性下降等。為了避免燃料供應(yīng)不足的問(wèn)題，秸稈發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)容量普遍減少，例如由30MW降為15MW。但是很小容量的機(jī)組如果仍舊采用高溫高壓參數(shù)其單位投資和運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)增加，其綜合經(jīng)濟(jì)性也需要進(jìn)一步研究。
秸稈燃料供應(yīng)可靠性問(wèn)題主要發(fā)生在全燒秸稈的發(fā)電機(jī)組，秸稈與煤混燒的機(jī)組可以通過(guò)調(diào)整秸稈的燃燒比例而保證發(fā)電負(fù)荷，因此不存在秸稈燃料的供應(yīng)可靠性問(wèn)題。
2.2秸稈燃料質(zhì)量的穩(wěn)定性
實(shí)際運(yùn)行中的秸稈質(zhì)量往往與設(shè)計(jì)值相差很大。主要原因與燃料供應(yīng)不足有關(guān)，也與我國(guó)還沒(méi)有形成比較成熟的生物質(zhì)燃料市場(chǎng)有關(guān)。
由于燃料種類(lèi)復(fù)雜，質(zhì)量下降，燃燒效率下降。我們測(cè)量的幾臺(tái)秸稈發(fā)電鍋爐中，有的燃料種類(lèi)高達(dá)幾十種，燃料的水分和灰分大大增加，燃料水分由設(shè)計(jì)的25%以下增加到40%以上，灰分也成倍增加，鍋爐熱效率比設(shè)計(jì)值下降3到5個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，由于燃料種類(lèi)復(fù)雜，燃料的酸堿成分也發(fā)生變化，出現(xiàn)了鍋爐受熱面和除塵器等設(shè)備加快腐蝕的現(xiàn)象。
秸稈燃料質(zhì)量的變化對(duì)燃燒秸稈為主的鍋爐影響較大，而對(duì)于秸稈與煤混燒的鍋爐影響較小。例如山東十里泉電廠125MW燃煤粉鍋爐混燒黃色秸稈（主要是麥秸），設(shè)計(jì)水分25%以下，實(shí)際水分35%以上，由于混燒秸稈的比例不超過(guò)20%，因此測(cè)試鍋爐熱效率基本不受秸稈水分的影響，只是秸稈制粉系統(tǒng)的出力受到一定影響。
2.3受熱面的積灰結(jié)渣和腐蝕
由于秸稈燃料中堿金屬和氯的含量較高，燃燒過(guò)程中堿金屬的析出和HCI的形成容易造成受熱面的結(jié)垢、積灰和腐蝕[2][3]。經(jīng)調(diào)查和測(cè)試發(fā)現(xiàn)以秸稈燃料為主的鍋爐普遍存在受熱面的結(jié)渣和腐蝕問(wèn)題，在近幾年投運(yùn)的多臺(tái)固定床秸稈鍋爐上相繼發(fā)生了過(guò)熱器的高溫腐蝕、受熱面積灰結(jié)垢（圖1）等問(wèn)題，有的鍋爐受熱面由于積灰形成煙氣走廊，導(dǎo)致受熱面磨損嚴(yán)重。
以煤為主混燒秸稈的鍋爐受熱面結(jié)渣狀況主要與煤的燃燒狀況有關(guān)，受秸稈的影響較小。有些小型循環(huán)流化床鍋爐直接在煤中摻混少量生物質(zhì)燃料后送入爐膛燃燒，運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后基本不存在過(guò)熱器等受熱面的結(jié)渣問(wèn)題。經(jīng)測(cè)試，在山東十里泉電廠一臺(tái)125MW機(jī)組鍋爐分別混燒20%和10%的麥秸，混燒秸稈時(shí)的飛灰成分與全燒煤粉時(shí)相比略有變化（表2），但運(yùn)行5000小時(shí)后進(jìn)行檢查，過(guò)熱器受熱面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)秸稈類(lèi)型的結(jié)渣現(xiàn)象。這表明燃煤鍋爐混燒少量秸稈對(duì)受熱面的結(jié)渣影響不大，或者基本沒(méi)有影響。
3、不同秸稈直燃發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較
表3是我國(guó)近幾年已經(jīng)投產(chǎn)的部分典型秸稈發(fā)電廠的設(shè)備投資和實(shí)測(cè)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
從基建投資方面來(lái)看，由于新建秸稈發(fā)電廠需要鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等所有設(shè)備和場(chǎng)地的投資，因此，新建發(fā)電廠的投資高出改造項(xiàng)目5到10倍。利用現(xiàn)有的燃煤小火電（單機(jī)容量50MW以下）改造成秸稈直燃發(fā)電廠，基建投資費(fèi)用只相當(dāng)于新建秸稈發(fā)電廠的10%左右，基建投資費(fèi)用最少。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有采用循環(huán)流化床鍋爐的小火電靠人工和原有設(shè)備將生物質(zhì)燃料摻混到燃煤中然后送入爐膛燃燒，基本沒(méi)有改造費(fèi)用，同樣達(dá)到了混燒生物質(zhì)燃料的效果，這不失為一種快速有效的生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)途徑。煤粉爐混燒秸稈的改進(jìn)只相當(dāng)于增加一套制粉系統(tǒng)，設(shè)備投資也遠(yuǎn)小于新建機(jī)組，改造費(fèi)用也只有新建秸稈發(fā)電廠的20%左右。按照“十一五”期間計(jì)劃投產(chǎn)500萬(wàn)千瓦生物質(zhì)發(fā)電廠計(jì)算，全部新建電廠的費(fèi)用約為400億元人民幣，如果全部采用原有機(jī)組改造成生物質(zhì)發(fā)電廠或者混燒秸稈，只需要上述投資的15%左右，可以節(jié)省300億元以上的基建投資。
從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面來(lái)看，煤粉爐混燒秸稈的經(jīng)濟(jì)性最好。首先，煤粉鍋爐的燃燒效率高，發(fā)電機(jī)組參數(shù)高，煤耗低，運(yùn)行水平也高，燃料利用率比小機(jī)組高20%左右。另外，在運(yùn)行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)煤粉鍋爐混燒秸稈后，飛灰可燃物有所降低，煤的揮發(fā)分越低，飛灰可燃物下降越明顯(圖2)。這是因?yàn)榻斩挼膿]發(fā)分在70%左右，遠(yuǎn)高于所有的煤種，容易燃燒，與煤粉混燒時(shí)起到助燃的作用。這與一些試驗(yàn)研究的結(jié)果是一致的。按照秸稈發(fā)電裝機(jī)容量25MW，秸稈燃料費(fèi)用500元／噸（標(biāo)準(zhǔn)煤熱量），年運(yùn)行5000小時(shí)計(jì)算，與其他秸稈直燃發(fā)電方法相比，煤粉爐混燒秸稈每年可以節(jié)省600萬(wàn)元以上的燃料費(fèi)用。
目前，越來(lái)越多的試驗(yàn)表明，利用秸稈做為再燃燃料在煤粉爐上進(jìn)行再燃脫硝，不僅成本低，而且脫硝效果也很好，脫硝效率可達(dá)50%，這也是煤粉爐混燒秸稈的一大優(yōu)勢(shì)。
燃煤小火電改成秸稈發(fā)電雖然基建投資最少，但是運(yùn)行成本較高，主要是機(jī)組參數(shù)低，發(fā)電效率低，燃料利用率較低。另外，有些小火電改造后存在機(jī)組參數(shù)達(dá)不到原有水平，發(fā)電出力降低等問(wèn)題，這主要與燃料的燃燒特性發(fā)生很大變化有關(guān)。這些問(wèn)題需要通過(guò)鍋爐受熱面的改造來(lái)解決，需要另外增加一些投資。
4、結(jié)語(yǔ)
生物質(zhì)直燃發(fā)電有多種技術(shù)途徑。利用現(xiàn)有小火電進(jìn)行改造，投資少，見(jiàn)效快，而且，小火電分布廣，可以充分利用分散的生物質(zhì)燃料資源，提高燃料供應(yīng)的可靠性。燃煤粉發(fā)電機(jī)組混燒秸稈的安全經(jīng)濟(jì)性最好，同時(shí)可以利用再燃技術(shù)進(jìn)行脫硝，進(jìn)一步降低污染物的排放量。因此，應(yīng)鼓勵(lì)多種途徑，采用多種技術(shù)推動(dòng)生物質(zhì)發(fā)電廠的建設(shè)。
