林鵬云，羅永浩，胡元

(上海交通大學(xué)熱能工程研究所，上海200240)

　　摘要：我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以化石燃料為主，不可再生且污染嚴(yán)重，開發(fā)和推廣應(yīng)用可再生能源，逐步調(diào)整與優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，意義重大。生物質(zhì)能是一種清潔可再生能源，也是當(dāng)前世界能源研究熱點(diǎn)之一。重點(diǎn)介紹了生物質(zhì)再燃利用技術(shù)的原理和應(yīng)用現(xiàn)狀，生物質(zhì)再燃技術(shù)包括直接再燃、氣化再燃以及高級(jí)再燃，使用生物質(zhì)用于燃煤鍋爐再燃，既可以合理利用生物質(zhì)，又能有效降低燃煤鍋爐的NOx排放，NOx減排率可達(dá)50%~90%，具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。

　　1前言

　　我國(guó)是一個(gè)能源生產(chǎn)大國(guó)，也是一個(gè)能源消費(fèi)大國(guó)。2003年，全國(guó)能源生產(chǎn)總量為16.03億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比2002年增長(zhǎng)11%，其中：煤炭產(chǎn)量16.67億噸、原油產(chǎn)量1.7億噸、天然氣產(chǎn)量345億立方米；2003年能源消費(fèi)總量約為16.8億噸，比2002年增長(zhǎng)13%，其中：煤炭占67.1%、石油占22.7%、天然氣占2.8%、水電等占7.3%，石油進(jìn)口達(dá)9700萬噸。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，目前能源供應(yīng)不足已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，能源問題仍將是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的最重要的問題。當(dāng)前，我國(guó)能源發(fā)展主要存在以下問題：能源資源約束十分嚴(yán)重；能源供應(yīng)過分依賴煤炭，環(huán)境污染問題嚴(yán)重；能源利用技術(shù)落后，能源利用效率低。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高可再生能源利用比例，是今后我國(guó)能源發(fā)展的重要方向。

　　生物質(zhì)能是種類眾多的可再生能源的一種，世界上許多國(guó)家特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，都很重視生物質(zhì)能的開發(fā)和利用。特別是近幾十年來，許多國(guó)家特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，大力研究、開發(fā)利用生物質(zhì)能轉(zhuǎn)型優(yōu)化技術(shù)，也就是將低品味的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成液體、氣體、固體、電力等形式的優(yōu)質(zhì)能源利用技術(shù)以及高效節(jié)能技術(shù)；并開發(fā)種植能源植物，增加生物質(zhì)能源的資源儲(chǔ)備，作為建立可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施。生物質(zhì)再燃作為生物質(zhì)能利用的一種方式包括直接再燃、氣化再燃以及高級(jí)再燃等技術(shù)，可以降低燃煤鍋爐的NOx排放，幅度可達(dá)50%~90%，具有很好的應(yīng)用前景。

　　2生物質(zhì)能的利用

　　生物質(zhì)能，又稱為綠色能源，是以生物質(zhì)為載體的能源。生物質(zhì)是一切有生命的可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)，包括動(dòng)物、植物和微生物及經(jīng)其派生、排泄和代謝的許多有機(jī)質(zhì)，是地球上最廣泛存在的物質(zhì)。它是一種古老的可再生能源。

　　人類自從發(fā)明火以來，至今仍在大量消耗薪材等生物質(zhì)能源。目前，全球生物質(zhì)能消費(fèi)量?jī)H次于煤、石油、天然氣，位居第4位。由于地球上生物數(shù)量巨大，由這些生命物質(zhì)排泄和代謝出許多有機(jī)質(zhì)，這些物質(zhì)所蘊(yùn)藏的能量是相當(dāng)驚人的。

　　根據(jù)生物學(xué)家估算，地球上每年生長(zhǎng)的生物質(zhì)能總量約1400億噸~1800億噸(干重)，相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍。我國(guó)的生物質(zhì)能也極為豐富，現(xiàn)在每年農(nóng)業(yè)中的秸稈量約為6.5億噸，到2010年將達(dá)7.26億噸，相當(dāng)于5億噸標(biāo)煤。

　　薪材和林業(yè)廢棄物數(shù)量也很大，林業(yè)廢棄物(不包括薪炭林)每年約達(dá)3700萬立方米，相當(dāng)于2000萬噸標(biāo)煤。如果考慮日益增多的城市垃圾和生活污水，禽畜糞便等其他生物質(zhì)資源，我國(guó)每年的生物質(zhì)資源達(dá)6億噸標(biāo)煤以上，扣除了部分作飼料和其他原料，可開發(fā)為能源的生物質(zhì)資源達(dá)3億多噸標(biāo)煤。隨著農(nóng)業(yè)和林業(yè)的發(fā)展，特別是隨著速生薪炭林的開發(fā)推廣，我國(guó)的生物質(zhì)資源將越來越多，有非常大的開發(fā)和利用潛力。生物質(zhì)能的利用對(duì)于國(guó)家的能源可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義，因此很多發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究和開發(fā)，其中生物質(zhì)再燃技術(shù)就是目前較為關(guān)注的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。

　　3再燃技術(shù)

　　再燃降低NOx排放的方法是將燃料分級(jí)送入爐膛，在燃燒區(qū)火焰的上方噴入另外的碳?xì)淙剂希越⒁粋€(gè)富燃料區(qū)使生成的NOx還原，比較典型的就是，將80%~85%的燃料(稱為一次燃料)送入第一級(jí)燃燒區(qū)(主燃料區(qū))，在>1的條件下燃燒并生成NOx。其余15%~20%的燃料(稱為二次燃料、再燃燃料)則在主燃燒器的上部送入二級(jí)燃燒區(qū)(再燃區(qū))，在<1的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛，在主燃燒區(qū)生成的NOx就會(huì)通過反應(yīng)(1)~(5)被還原成氮分子(N2)。

　　再燃區(qū)中不僅能使已生成的NOx得到還原，同時(shí)還抑制了新的NOx生成，可使NOx的排放濃度進(jìn)一步降低。此外，再燃區(qū)的上面還需布置燃盡風(fēng)噴口以形成第三級(jí)燃燒區(qū)(燃盡區(qū))，以保證在再燃區(qū)中生成的未完全燃燒產(chǎn)物的燃盡。圖1為再燃技術(shù)原理的示意圖。

　　燃料分級(jí)燃燒時(shí)所使用的二次燃料可以是固體燃料，例如煤粉爐可以利用煤粉或木屑等生物質(zhì)來作為二次燃料，也可以采用碳?xì)漕悮怏w或液體燃料作為二次燃料。但是由于燃料分級(jí)燃燒時(shí)在爐膛內(nèi)需要經(jīng)過燃盡區(qū)燃燒完全，這使得燃料和煙氣在再燃區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間相對(duì)較短，所以二次燃料宜于選用容易著火和燃燒的燃料。

　　4生物質(zhì)再燃

　　4.1直接再燃

　　生物質(zhì)直接再燃，通常是把固體生物質(zhì)燃料進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理之后，作為再燃燃料噴入爐膛，這樣才能比較容易完全燃燒，起到降低NOx的效果。預(yù)處理包括干燥、粉碎成較小的顆粒等。這方面的研究國(guó)內(nèi)開展得比較少，而國(guó)外已經(jīng)廣泛進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并且有的已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)示范階段，取得了較好的效果。

　　浙江大學(xué)李戈等人在小型滴管爐內(nèi)進(jìn)行了采用生物質(zhì)廢棄物木屑、桔皮和稻殼作為再燃燃料還原煙氣中的NOx的熱態(tài)試驗(yàn)，在一定的條件下可以達(dá)到50%~70%的NOx減排效果。

　　B.R.Adams等人對(duì)使木屑作為再燃燃料噴入煤粉爐的可行性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，至少可以實(shí)現(xiàn)40%的NOx減排，如果使用煙氣來攜帶木屑，NOx減排效果可以達(dá)到55%。J.Brouwer等人對(duì)使用木屑作為再燃燃料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，在再燃區(qū)過量空氣系數(shù)<0.9，再燃燃料在再燃區(qū)的停留時(shí)間>0.3s，再燃燃料噴入位置的溫度>1650K時(shí)，NOx減排效果可以達(dá)到60%。美國(guó)能源部的生物質(zhì)項(xiàng)目也對(duì)生物質(zhì)直接再燃作了研究，VladimirM.Za-mansky等人的研究報(bào)告顯示，家具廢木料和核桃殼作為再燃燃料與天然氣再燃的效果相近，NOx減排分別達(dá)到58%和65%，柳木作為再燃燃料的NOx減排效果可以達(dá)到50%。由于大部分的生物質(zhì)成分中都含有氯、堿金屬和重金屬等成分，所以作為再燃燃料直接燃燒對(duì)普通鍋爐也存在加劇腐蝕、影響熱效率等問題，實(shí)際應(yīng)用中需要特別注意。

　　4.2氣化再燃

　　生物質(zhì)除了可以直接燃燒使用之外，還可以對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，使其熱解成為生物質(zhì)氣，也就是生物質(zhì)氣化，然后作為再燃燃料噴入燃煤鍋爐使用。這種方法的優(yōu)點(diǎn)，在于那些并不想要的組分，例如：堿金屬、氯成分、重金屬成分等，都可以不進(jìn)入鍋爐，以免影響現(xiàn)有鍋爐的操作和運(yùn)行，而且考慮到環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益也使生物質(zhì)氣化再燃技術(shù)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。氣化之后，生物質(zhì)原料被分成了可作為能源的氣體和固體殘余物，而且生物質(zhì)氣被用作燃煤鍋爐再燃燃料時(shí)對(duì)氮氧化物(NOx)的減排有顯著的效果。

　　固體殘余物還可以進(jìn)一步利用或處理。氣化預(yù)處理的目的是把生物質(zhì)中那些有問題的成分固定在固體殘余物中，以免出現(xiàn)鍋爐的操作問題。生物質(zhì)氣化利用技術(shù)是近幾年來國(guó)內(nèi)外能源領(lǐng)域研究的一個(gè)重要分支，該技術(shù)通過一定的氣化裝置將可再生固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高品位氣態(tài)可燃物質(zhì)，在有效利用生物質(zhì)能源的同時(shí)，避免了直接焚燒帶來的有毒、有害氣體，同時(shí)也緩解了長(zhǎng)期存在的化石燃料短缺問題，對(duì)于像我國(guó)這樣的高能耗國(guó)家具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　國(guó)外自20世紀(jì)70年代開始研究生物質(zhì)氣化利用技術(shù)，目前已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。歐盟、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立了多個(gè)生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程，如瑞典的Varnamo電站，美國(guó)的夏威夷電站等。采用100%的生物質(zhì)氣化發(fā)電，氣化效率已經(jīng)超過80%，熱值可以到20.0MJ/m3。利用生物質(zhì)氣化再燃可以有效降低燃煤鍋爐的NOx排放，是一種經(jīng)濟(jì)可行、對(duì)環(huán)境有益的技術(shù)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了研究與探討。

　　德國(guó)斯圖加特大學(xué)Hein等人以生物質(zhì)氣化所得到的氣體作為再燃燃料在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示生物質(zhì)氣非常適合作為再燃燃料，有很好的NOx減排效果，對(duì)于不同的生物質(zhì)類型(包括草、木屑和淤泥等)進(jìn)行氣化后作為再燃燃料都有明顯效果，NOx減排可以達(dá)到<200mg/m3。丹麥科技術(shù)大學(xué)P.Glarborg等人對(duì)混合模擬氣作為再燃燃料對(duì)NOx減排的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這些非碳?xì)浠衔镒鳛樵偃既剂峡梢詼p排20%~30%的NOx，減排幅度隨著反應(yīng)溫度的升高而升高，再燃燃料的熱量輸入比例越大，減排幅度也就越大，最終接近于碳?xì)浠衔锶剂献鳛樵偃既剂系男Ч?/p>

　　如果考慮到再燃燃料對(duì)于主燃燃料的部分替代作用，NOx的生成量也會(huì)同比例下降。法國(guó)國(guó)家燃燒實(shí)驗(yàn)室PhilippeDagaut等人[10]也對(duì)生物質(zhì)氣化所得到的氣體作為再燃燃料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到類似的結(jié)果。研究表明：反應(yīng)溫度越高與相對(duì)再燃燃料濃度越高的情況下，NOx的減排效果越明顯，與先前許多以其它簡(jiǎn)單碳?xì)浠衔镒鳛樵偃既剂纤玫降难芯拷Y(jié)果是一致的。

　　臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究所K-TWu等人對(duì)生物質(zhì)氣作為再燃燃料在煤粉鍋爐的燃燒工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬顯示生物質(zhì)作為再燃燃料對(duì)NOx的減排是有明顯效果的。不同的再燃工況下，NOx減排效果的變化范圍為12%~46%，最高46%的NOx減排是在再燃燃料輸入量為23%時(shí)，在傳統(tǒng)的再燃布置工況下達(dá)到的數(shù)值模擬結(jié)果同樣顯示，生物質(zhì)氣組分的小幅度變化對(duì)再燃效果并無顯著影響。

　　4.3高級(jí)再燃

　　普通再燃包括前面所述的直接再燃和氣化再燃，對(duì)于NOx的減排效果一般最高只能達(dá)到70%左右。所以，為了滿足更高要求的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，高級(jí)再燃就是一種可供選擇的技術(shù)方案。高級(jí)再燃(AdvanceReburning)是在再燃區(qū)下游添加了含氮的催化劑，例如氨或尿素。與常規(guī)再燃相比，高級(jí)再燃NOx減排效果更好，而且二次燃料的輸入量可以減少。高級(jí)再燃通常將選擇性非催化還原SNCR與普通再燃串聯(lián)構(gòu)成。這種聯(lián)合形式的二次燃料的熱量輸入比例為10%~18%，可以達(dá)到80%以上的NOx減排效果。

　　生物質(zhì)高級(jí)再燃的二次燃料可以是固體形式也可以是氣化之后的生物質(zhì)氣，國(guó)外對(duì)于這2種生物質(zhì)高級(jí)再燃都有研究報(bào)道。美國(guó)能源部的生物質(zhì)項(xiàng)目對(duì)生物質(zhì)高級(jí)再燃作了研究，VladimirM.Zamansky等人的研究報(bào)告顯示，在再燃區(qū)或燃盡區(qū)或者與燃盡風(fēng)一起噴入含氮的催化劑，如：氨或尿素，可以提高生物質(zhì)再燃降低NOx的效率，如若含氮催化劑和碳酸鈉(Na2CO3)一起噴入則效果更佳。以家具廢木料和柳木作為再燃燃料的高級(jí)再燃，NOx減排效果最高分別可以達(dá)到83%和78%。歐盟委員會(huì)的JOULEⅢ項(xiàng)目中對(duì)生物質(zhì)氣的高級(jí)再燃進(jìn)行了研究，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，生物質(zhì)氣再燃結(jié)合噴入氨氣可以使NOx濃度從800mg/m3降到40mg/m3~50mg/m3，在2MW規(guī)模的煤粉爐上也進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，NOx排放濃度可以降到120mg/m3~130mg/m3，而且對(duì)鍋爐的飛灰含碳量等參數(shù)都沒什么影響。

　　5結(jié)束語

　　鑒于礦物、石油燃料資源的有限性以及它們?nèi)紵龝r(shí)所排出的SO2、NOx，將加劇環(huán)境污染，所排出的CO2，將加劇全球的溫室效應(yīng)，人們不得不重新考慮使用那些在自然界不會(huì)枯竭的可再生能源的可能性，生物質(zhì)能的利用就是其中的一例。

　　目前國(guó)內(nèi)開展生物質(zhì)直接再燃技術(shù)研究的報(bào)道不多，還沒有開展生物質(zhì)氣化氣直接用于鍋爐再燃和高級(jí)再燃技術(shù)的研究。國(guó)內(nèi)外研究查明，生物質(zhì)直接再燃可以實(shí)現(xiàn)60%以上的NOx減排，氣化再燃可以實(shí)現(xiàn)50%左右的NOx減排，而生物質(zhì)高級(jí)再燃則可以達(dá)到80%以上的NOx減排。因此，通過開展對(duì)這些技術(shù)的研究可以提高可再生生物質(zhì)能源的利用效率，緩解目前的能源緊缺，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)有著更重要的現(xiàn)實(shí)意義。