农林生物质直燃电厂灰渣资源化技术分析与展望.doc
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1、农林生物质直燃电厂灰渣资源化技术分析与展望摘要:近年来我国农林生物质直燃电厂发展迅速,日益增长的灰渣带来了越来越大的环境压力。生物质电厂灰渣是一类富有价值的可回收资源,亟待有效利用。有必要寻找一种合理的资源化手段整体处理灰渣。本研究综述了我国农林生物质直燃发电的发展现状、生物质灰渣的理化性质及其在基础设施建设、土壤修复改良、元素回收、吸附材料与复合材料制备等领域的应用,进而提出了依据灰渣粒径差异资源化处理电厂灰渣的一体化方案。不同粒径的生物质灰渣经过细分处理,可提高灰渣的资源利用率,有利于农林生物质直燃电厂的可持续发展。1我国生物质电厂发展现状与农林生物质直燃发电技术为应对日益严重的能源危机和
2、环境污染,以生物质为原材料的生物质直燃电厂得以快速发展1-2。与传统的化石燃料发电相比,生物质燃料的利用更加清洁环保。截至2016年底,全球生物质发电总装机容量达到1.10亿kW,其中农林生物质直燃电厂装机容量为9240万kW左右3,约占全球生物质电厂装机总量的84。我国生物质发电产业的迅猛发展与国家政策的扶持密不可分。国家相继出台了生物质能源十二五、十三五专项规划,将生物质能发展作为新能源发展的重中之重;相继颁布了中华人民共和国可再生能源法、可再生能源发电有关管理规定等法律法规,并给予不加煤的农林生物质发电企业电价补贴和增值税即征即退等优惠政策,这在一定程度上解决了农村秸秆无组织燃烧的问题。
3、截至2017年底,我国生物质发电装机容量达到1488万kW,与2016年相比增长22.64。目前,我国每年可用于能源生产的生物质约为6亿t5,以干基生物质平均6.8的灰分产生量来计算6,灰渣年产生量约为4000多万t。我国生物质直燃电厂采用的主要技术包括:吸收西方技术改进的水冷式炉排炉技术和具有自主知识产权的循环流化床技术7。水冷式炉排炉技术是典型的层燃技术,适合燃烧大颗粒、含水量高的非均质生物质,其结构简单,操作方便,建设和维护费用低8。但与流化床相比,炉排炉内燃烧状况不均一,需要较高的过剩空气比率,燃烧效率较低,NOx排放较高8-9。循环流化床技术则是燃烧生物质的理想技术,在世界范围内得到
4、广泛的应用10。它通过粉碎设备使燃料在炉内呈现为流化态,物料在炉内与空气混合均匀,可为高水分、低热值的生物质提供极佳的燃烧条件,整体燃烧效率高,燃烧温度较低,且NOx、SOx等有害气体排放量低,经济效益和环境效益显著。但缺点是对入炉燃料颗粒尺寸要求较高,燃烧时烟气中灰尘负荷高,需要气体净化分离设备,而且存在内部腐蚀问题,床体材料损失率较高,造成运行费用相对较高11。我国拥有自主知识产权的循环流化床技术,成本和污染物排放量能做到更低,并且可有效抑制结渣和腐蚀等问题,更加适宜秸秆等低质量燃料的燃烧12。生物质经燃烧后,大部分物质以气体的形式释放到大气中,部分无机成分和矿物质则以固体颗粒的形式留存下
5、来,形成灰渣。生物质灰渣按照收集方式可分为飞灰和底灰。飞灰颗粒细小,容易随烟气扩散,经过烟气除尘系统得到收集;底灰(包括炉灰和底渣)颗粒形状不一,呈多孔结构,由锅炉底部出渣系统排出13。生物质底灰和飞灰的质量比因燃烧锅炉类型、运行条件、燃料类型等不同而有所差异。通常而言,炉排炉产生的灰渣中底灰占比较大,可达灰渣总量的85左右;而循环流化床的情况相反,飞灰占灰渣总量的80%9014。2农林生物质灰渣特征农林生物质主要分为木质类生物质、草本农业类生物质、水生类生物质、动物类生物质废弃物和工业类生物质等15。我国直燃型农林生物质电厂所使用的生物质燃料主要有秸秆、废旧木材、稻壳、竹子、树皮及其混合物等
6、16。所得灰渣的物理性质和化学组成与生物质的来源和种类密切相关,也与季节差异、地域差异和燃烧条件相关15,17。总体而言,生物质灰分占生物质干质量的0.5%2018。燃烧后获得的灰渣主要成分为Si、Ca、Mg、Al、K、P等,还包括多种微量/痕量元素(Fe、Mn、Cu、Co、As、Cr、Pb、Cd等)、少量未燃碳和有机物19-20。2.1燃烧温度对生物质灰渣的影响燃烧温度对生物质灰渣的产生量有较大影响。高温燃烧时,生物质燃烧充分,许多以有机物存在的无机元素更容易挥发,灰渣呈现灰色或浅灰色,产生量较少;低温不完全燃烧时,灰渣颜色偏黑21-22。Thy等19研究了针叶木、水稻秸秆、小麦秸秆5251
7、525燃烧时灰渣中的元素损失,发现当温度低于718时,升高温度对生物质灰渣灼热减量的影响为小麦秸秆针叶木水稻秸秆;而温度高于718时,针叶木的灰分产生量受影响最为显著,其次为小麦秸秆。温度也会影响灰渣的物质组成和存在形式。例如秸秆生物质灰渣中的K从750开始减少,1000时,灰渣中的KCl则完全消失;在700时,灰渣中的SiO2以方石英的形式存在;而1000时,方石英转变为鳞石英22。在700以下时,龙舌兰燃烧产生灰渣的主要成分为CaCO3,而高于700时,其主要成分为CaO,这主要是因为高温下灰渣成分的裂解23。此外,Garzn等24发现生物质灰渣中Na、Cl、K含量随着温度升高呈现降低的趋
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