淺析生物質(zhì)能發(fā)展及在差速循環(huán)流化床中的應(yīng)用

摘 ?要：2030實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060實現(xiàn)碳中和。這場由生態(tài)環(huán)境問題引發(fā)的能源革命，需要穩(wěn)中求進(jìn)，以能源安全為原則，充分考慮傳統(tǒng)能源和新能在能源構(gòu)成中的意義，大力推進(jìn)綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展。生物質(zhì)能作為新能源中代表，因其可實現(xiàn)零碳甚至負(fù)碳的特性，在實現(xiàn)“雙碳”的能源變革中具有重要意義。生物質(zhì)能應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，本文只介紹了生物質(zhì)作為燃料的特點以及在差速循環(huán)流化床中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰;碳中和;生物質(zhì);差速環(huán)流化床

前言

2020年，75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出了我國的“雙碳”目標(biāo)，即“力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。

我國是二氧化碳的排放大國，而煤電行業(yè)二氧化碳的排放占全國碳排放的半數(shù)。為了實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，在這場因氣候問題推動的能源革命中體現(xiàn)大國的擔(dān)當(dāng)，我國的能源結(jié)構(gòu)應(yīng)向綠色低碳、安全高效的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。生物質(zhì)能作為唯一含碳新能源，在向低碳能源轉(zhuǎn)型的過程中發(fā)揮近零排放的優(yōu)勢，為實現(xiàn)碳中和作出重大貢獻(xiàn)。

1.我國能源的利用情況

我國二氧化碳排放量是非常大的。碳排放最大的是能源領(lǐng)域。能源在生產(chǎn)和利用過程中會產(chǎn)生大量二氧化碳，而煤電的碳排放強(qiáng)度是能源領(lǐng)域最大的行業(yè)。在實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的過程中，能源轉(zhuǎn)型和優(yōu)化組合勢在必行。

電力是社會發(fā)展的動力。目前我國發(fā)電總裝容量約22億KW，其中煤炭發(fā)電的占比很大。雖然國家大力發(fā)展新能源，尤其是可再生能源，但是煤炭消耗量在電力領(lǐng)域仍占總量的一半以上。

2030年碳中和到2060年碳達(dá)峰，我國可利用的時間僅有30年。歐美等發(fā)達(dá)國家已基本實現(xiàn)碳達(dá)峰，到實現(xiàn)碳中和也有40～50年可以利用。從可利用的時間來看，我國的碳中和的目標(biāo)是很緊迫的，因此在這場能源革命中需要積極推進(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.生物質(zhì)能源的優(yōu)勢

我國的一次能源中，煤碳的存儲量、消耗量均居首位。煤炭利用過程中的碳排放強(qiáng)度也居首位。為了力保2060年碳中和，我國需要逐步減少煤炭在能源構(gòu)成中的占比，在保證能源供應(yīng)和安全的原則下，推進(jìn)煤炭同可再生能源的優(yōu)化，增加可在能能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例。

風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能都屬于可再生能源，也是低碳能源。近幾年風(fēng)能、水能、太陽能發(fā)展勢頭很猛，在非化石能源領(lǐng)域的比例較高，而生物質(zhì)能源的發(fā)展相對來說暗淡些。風(fēng)能、太陽能在利用過程中會受到自然條件的影響，具有間歇性、隨機(jī)性、波動性且不容易調(diào)節(jié)等特點，是靠天吃飯的能源。鑒于上述特點，若這幾種能源用戶發(fā)電的比例超過一定數(shù)值，會影響電能利用的安全性。而且風(fēng)能、電能可用于發(fā)電，但不能供熱，也不能代替煤炭在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

可再生能源中唯一的含碳能源是生物質(zhì)能。生物質(zhì)也是碳、氫化合物，不僅同煤的結(jié)構(gòu)類似，也同煤炭一樣具有可以儲存、運輸?shù)奶攸c，這也是其他可再生能源無可比擬的。

3.生物質(zhì)能在差速循環(huán)流化床中的燃燒技術(shù)

3.1生物質(zhì)能的特點

生物質(zhì)包括林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源、畜禽糞便、生活污水、工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢物等幾大類。生物質(zhì)能雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性與煤炭等化石能源相似，但是生物質(zhì)能源還是有些特點是不同于煤炭的，故在設(shè)計采用生物質(zhì)能發(fā)電的項目時，需要充分了解生物的特性，進(jìn)行差異化設(shè)計。

生物質(zhì)能作為燃料消納時，具有以下特點：（1）燃料熱值波動大、水分變化大;（2）揮發(fā)分高;（3）密度低;（4）含硫量低;（5）氯、鈉、鉀含量高。

基于生物質(zhì)的上述特點，當(dāng)鍋爐設(shè)計時以生物質(zhì)作為燃料，需要考慮以下幾個關(guān)鍵問題：

（1）鍋爐在設(shè)計燃燒時，需要考慮熱值、水分波動對燃燒、煙氣量的影響;

（2）生物質(zhì)揮發(fā)分高，燃燒速度快，火焰長，設(shè)計時需要考慮燃料在爐膛內(nèi)不同區(qū)域的燃燒份額及燃料與氧氣混合的問題;

（3）生物質(zhì)的密度比煤炭的密度小很多，同樣的消耗量，生物質(zhì)的體積比煤炭龐大許多，故生物質(zhì)需要考慮儲存、輸送、給料困難的問題;

（4）硫、鈉、鉀、氯等元素為燃料中的有害物質(zhì)。生物質(zhì)燃料中除硫元素含量較低外，鈉、鉀、氯元素都要比煤炭高出很多。故生物質(zhì)燃料燃燒時會產(chǎn)生硫酸氣體以及使灰的熔點降低的鈉、鉀化合物，這些物質(zhì)會使受熱面產(chǎn)生高溫腐蝕、低溫腐蝕、積灰、結(jié)焦等不利因素，影響鍋爐穩(wěn)定運行。

生物質(zhì)能與傳統(tǒng)化石能源相比發(fā)展的相對較晚，但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展，對生物能認(rèn)識越來越完善，積累了豐富的經(jīng)驗，也取得了一定成績。在利用生物質(zhì)的過程中，充分考慮生物質(zhì)能的特點，生物質(zhì)能的優(yōu)勢在“雙碳”目標(biāo)中會被更好的展示。

3.2差速循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的特點

流化燃燒技術(shù)與層燃爐、懸浮燃燒不同之處在于，該爐型需要設(shè)計布風(fēng)裝置，還需在布風(fēng)裝置上鋪設(shè)惰性床料。根據(jù)爐內(nèi)床料的多少有高循環(huán)倍率、低循環(huán)倍率之分;根據(jù)爐內(nèi)流化速度的大小有高速床、低速床之分。差速循環(huán)流化床屬于低速、低循環(huán)倍率的燃燒方式。

差速循環(huán)流化床（即差速床）由爐膛、分離器、尾部煙道組成。爐膛為主燃區(qū)，生物質(zhì)燃料通過給料口送入爐膛進(jìn)行燃燒。爐膛分成上下兩部分，上部為稀相區(qū)，下部為密相區(qū)。密相區(qū)設(shè)有雙床，即高速床和低速床;稀相區(qū)為低速區(qū)，四周為膜式壁結(jié)構(gòu); 稀相區(qū)出口的后部布置有旋風(fēng)分離器;分離器的出口連接尾部煙道，煙道里布置對流受熱面。

差速循環(huán)流化床采用低速、低循環(huán)倍率流化床技術(shù)，不僅可以促進(jìn)燃燒，還可以減少磨損。低速以及爐內(nèi)較低的物料濃度，在爐膛密相區(qū)、稀相區(qū)過度區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)，便于低密度的生物質(zhì)順利燃料送入爐膛，很大程度的減少了堵料、卡料的概率。生物質(zhì)燃料通過給料口送入下部密相區(qū)高速床，燃料在下部流化，床內(nèi)物料的混合強(qiáng)烈，給強(qiáng)化燃燒創(chuàng)造了條件。密相區(qū)設(shè)計雙床時，高速床不設(shè)計埋管，埋管布置低速床，這種設(shè)計具有強(qiáng)化燃燒、受熱面利用率高、防磨的特點。

本技術(shù)除高速床外，低速床和稀相區(qū)均選擇較低的煙氣速度，該設(shè)計更能適應(yīng)生物質(zhì)燃料密度低、揮發(fā)分高的的特點，低速可以保證燃料在爐膛內(nèi)有充足的燃燒時間，燃燒時析出的揮發(fā)分氣體可以在爐膛的中下部燃燒，減少爐膛出口的燃燒份額，降低爐膛出口的煙氣溫度。根據(jù)生物質(zhì)燃料灰渣的結(jié)渣特性，選擇合適的爐膛溫度及進(jìn)入尾部煙道的煙氣溫度，以降低受熱面結(jié)渣的可能性。

燃料經(jīng)爐膛前墻進(jìn)入密相區(qū)，燃料在爐膛內(nèi)燃燒后，產(chǎn)生大量煙氣，經(jīng)過爐膛出口的過熱器，進(jìn)入帶加速段的臥式水冷旋風(fēng)分離器，物料和煙氣在分離器中進(jìn)行分離，被分離出來的物料經(jīng)回送裝置再返回爐膛，實現(xiàn)循環(huán)燃燒，降低飛灰含碳量。經(jīng)過分離器的煙氣進(jìn)入尾部煙道，經(jīng)過蒸發(fā)器、省煤器、空氣預(yù)熱器由尾部煙道排出。

4.結(jié)語

今后幾十年的時間里，煤炭仍然為我國能源組成的壓艙石，這是由我國是煤炭儲存大國的現(xiàn)狀決定的;從2030年到2060年實現(xiàn)碳中和，我國的“雙碳”目標(biāo)在時間上也是很緊迫。時間緊任務(wù)重，在保障能源供需平衡的基礎(chǔ)下，發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)。在去碳化的進(jìn)程中，積極推進(jìn)生物能的發(fā)展是非常有意義。

生物質(zhì)能作為燃料應(yīng)用于電力行業(yè)中，逐步代替煤炭，不僅可以去碳還可以實現(xiàn)電力能源的調(diào)峰能力，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而為社會經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1]倪維斗.毛健雄等 .生物質(zhì)能在我國實現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的巨大潛力.中國循環(huán)流化床發(fā)電，2021.10

[2]周宏春等.我國能源領(lǐng)域科學(xué)低碳轉(zhuǎn)型研究與思考.中國煤炭.2022.1

作者簡介：

趙儒萍（1980.12-），漢族，女，江蘇徐州人，本科（工學(xué)學(xué)士），工程師，研究方方向：循環(huán)流化床鍋爐。