浅析生物质能发展及在差速循环流化床中的应用

摘  要：2030实现碳达峰，2060实现碳中和。这场由生态环境问题引发的能源革命，需要稳中求进，以能源安全为原则，充分考虑传统能源和新能在能源构成中的意义，大力推进绿色低碳经济发展。生物质能作为新能源中代表，因其可实现零碳甚至负碳的特性，在实现“双碳”的能源变革中具有重要意义。生物质能应用的领域非常广泛，本文只介绍了生物质作为燃料的特点以及在差速循环流化床中的应用。

关键词：碳达峰;碳中和;生物质;差速环流化床

前言

2020年，75届联合国大会一般性辩论上提出了我国的“双碳”目标，即“力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。

我国是二氧化碳的排放大国，而煤电行业二氧化碳的排放占全国碳排放的半数。为了实现“双碳”目标，在这场因气候问题推动的能源革命中体现大国的担当，我国的能源结构应向绿色低碳、安全高效的结构转型。生物质能作为唯一含碳新能源，在向低碳能源转型的过程中发挥近零排放的优势，为实现碳中和作出重大贡献。

1.我国能源的利用情况

我国二氧化碳排放量是非常大的。碳排放最大的是能源领域。能源在生产和利用过程中会产生大量二氧化碳，而煤电的碳排放强度是能源领域最大的行业。在实现双碳目标的过程中，能源转型和优化组合势在必行。

电力是社会发展的动力。目前我国发电总装容量约22亿KW，其中煤炭发电的占比很大。虽然国家大力发展新能源，尤其是可再生能源，但是煤炭消耗量在电力领域仍占总量的一半以上。

2030年碳中和到2060年碳达峰，我国可利用的时间仅有30年。欧美等发达国家已基本实现碳达峰，到实现碳中和也有40～50年可以利用。从可利用的时间来看，我国的碳中和的目标是很紧迫的，因此在这场能源革命中需要积极推进低碳产业的发展。

2.生物质能源的优势

我国的一次能源中，煤碳的存储量、消耗量均居首位。煤炭利用过程中的碳排放强度也居首位。为了力保2060年碳中和，我国需要逐步減少煤炭在能源构成中的占比，在保证能源供应和安全的原则下，推进煤炭同可再生能源的优化，增加可在能能源在能源结构中的比例。

风能、太阳能、生物质能都属于可再生能源，也是低碳能源。近几年风能、水能、太阳能发展势头很猛，在非化石能源领域的比例较高，而生物质能源的发展相对来说暗淡些。风能、太阳能在利用过程中会受到自然条件的影响，具有间歇性、随机性、波动性且不容易调节等特点，是靠天吃饭的能源。鉴于上述特点，若这几种能源用户发电的比例超过一定数值，会影响电能利用的安全性。而且风能、电能可用于发电，但不能供热，也不能代替煤炭在其他领域的应用。

可再生能源中唯一的含碳能源是生物质能。生物质也是碳、氢化合物，不仅同煤的结构类似，也同煤炭一样具有可以储存、运输的特点，这也是其他可再生能源无可比拟的。

3.生物质能在差速循环流化床中的燃烧技术

3.1生物质能的特点

生物质包括林业资源、农业资源、畜禽粪便、生活污水、工业有机废水、城市固体废物等几大类。生物质能虽然内部结构和特性与煤炭等化石能源相似，但是生物质能源还是有些特点是不同于煤炭的，故在设计采用生物质能发电的项目时，需要充分了解生物的特性，进行差异化设计。

生物质能作为燃料消纳时，具有以下特点：（1）燃料热值波动大、水分变化大;（2）挥发分高;（3）密度低;（4）含硫量低;（5）氯、钠、钾含量高。

基于生物质的上述特点，当锅炉设计时以生物质作为燃料，需要考虑以下几个关键问题：

（1）锅炉在设计燃烧时，需要考虑热值、水分波动对燃烧、烟气量的影响;

（2）生物质挥发分高，燃烧速度快，火焰长，设计时需要考虑燃料在炉膛内不同区域的燃烧份额及燃料与氧气混合的问题;

（3）生物质的密度比煤炭的密度小很多，同样的消耗量，生物质的体积比煤炭庞大许多，故生物质需要考虑储存、输送、给料困难的问题;

（4）硫、钠、钾、氯等元素为燃料中的有害物质。生物质燃料中除硫元素含量较低外，钠、钾、氯元素都要比煤炭高出很多。故生物质燃料燃烧时会产生硫酸气体以及使灰的熔点降低的钠、钾化合物，这些物质会使受热面产生高温腐蚀、低温腐蚀、积灰、结焦等不利因素，影响锅炉稳定运行。

生物质能与传统化石能源相比发展的相对较晚，但是经过几十年的发展，对生物能认识越来越完善，积累了丰富的经验，也取得了一定成绩。在利用生物质的过程中，充分考虑生物质能的特点，生物质能的优势在“双碳”目标中会被更好的展示。

3.2差速循环流化床燃烧技术的特点

流化燃烧技术与层燃炉、悬浮燃烧不同之处在于，该炉型需要设计布风装置，还需在布风装置上铺设惰性床料。根据炉内床料的多少有高循环倍率、低循环倍率之分;根据炉内流化速度的大小有高速床、低速床之分。差速循环流化床属于低速、低循环倍率的燃烧方式。

差速循环流化床（即差速床）由炉膛、分离器、尾部烟道组成。炉膛为主燃区，生物质燃料通过给料口送入炉膛进行燃烧。炉膛分成上下两部分，上部为稀相区，下部为密相区。密相区设有双床，即高速床和低速床;稀相区为低速区，四周为膜式壁结构; 稀相区出口的后部布置有旋风分离器;分离器的出口连接尾部烟道，烟道里布置对流受热面。

差速循环流化床采用低速、低循环倍率流化床技术，不仅可以促进燃烧，还可以减少磨损。低速以及炉内较低的物料浓度，在炉膛密相区、稀相区过度区域形成负压区，便于低密度的生物质顺利燃料送入炉膛，很大程度的减少了堵料、卡料的概率。生物质燃料通过给料口送入下部密相区高速床，燃料在下部流化，床内物料的混合强烈，给强化燃烧创造了条件。密相区设计双床时，高速床不设计埋管，埋管布置低速床，这种设计具有强化燃烧、受热面利用率高、防磨的特点。

本技术除高速床外，低速床和稀相区均选择较低的烟气速度，该设计更能适应生物质燃料密度低、挥发分高的的特点，低速可以保证燃料在炉膛内有充足的燃烧时间，燃烧时析出的挥发分气体可以在炉膛的中下部燃烧，减少炉膛出口的燃烧份额，降低炉膛出口的烟气温度。根据生物质燃料灰渣的结渣特性，选择合适的炉膛温度及进入尾部烟道的烟气温度，以降低受热面结渣的可能性。

燃料经炉膛前墙进入密相区，燃料在炉膛内燃烧后，产生大量烟气，经过炉膛出口的过热器，进入带加速段的卧式水冷旋风分离器，物料和烟气在分离器中进行分离，被分离出来的物料经回送装置再返回炉膛，实现循环燃烧，降低飞灰含碳量。经过分离器的烟气进入尾部烟道，经过蒸发器、省煤器、空气预热器由尾部烟道排出。

4.结语

今后几十年的时间里，煤炭仍然为我国能源组成的压舱石，这是由我国是煤炭储存大国的现状决定的;从2030年到2060年实现碳中和，我国的“双碳”目标在时间上也是很紧迫。时间紧任务重，在保障能源供需平衡的基础下，发展绿色低碳循环经济。在去碳化的进程中，积极推进生物能的发展是非常有意义。

生物质能作为燃料应用于电力行业中，逐步代替煤炭，不仅可以去碳还可以实现电力能源的调峰能力，保障电网的稳定性，进而为社会经济的健康发展保驾护航。

参考文献

[1]倪维斗.毛健雄等 .生物质能在我国实现碳达峰与碳中和的巨大潜力.中国循环流化床发电，2021.10

[2]周宏春等.我国能源领域科学低碳转型研究与思考.中国煤炭.2022.1

作者简介：

赵儒萍（1980.12-），汉族，女，江苏徐州人，本科（工学学士），工程师，研究方方向：循环流化床锅炉。