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毛健雄1，2，郭慧娜1，2，吳玉新1，2
(1.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京100084；2.清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)
摘要：我國生物質(zhì)具有儲(chǔ)量豐富，分布廣泛的特點(diǎn)，是一種可靠的低碳替代燃料，由于生物質(zhì)燃料同時(shí)具有儲(chǔ)能屬性，合理有效地利用生物質(zhì)對(duì)實(shí)現(xiàn)我國低碳/零碳的排放目標(biāo)，構(gòu)建以新能源為主體的電力系統(tǒng)具有重要作用。系統(tǒng)綜述了國外生物質(zhì)利用政策及發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，結(jié)合我國生物質(zhì)特點(diǎn)及電力生產(chǎn)需求目標(biāo)，對(duì)我國未來生物質(zhì)利用途徑開展深入分析。高效煤電+生物質(zhì)混燒是全球范圍內(nèi)煤電低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向，具有技術(shù)成熟、成本較低、利用形式靈活等優(yōu)勢(shì)，是英國、瑞典等國家實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵措施，在有效的政策激勵(lì)下得到了快速發(fā)展。目前我國燃煤機(jī)組發(fā)電能效水平已顯著提升，繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)提升能效已不能滿足火電大幅降碳需求。燃煤發(fā)電的碳減排需要從原料減碳和尾氣固碳2方面著手，而生物質(zhì)發(fā)電是原料減碳的有效措施。我國在發(fā)展高效先進(jìn)節(jié)能煤電的基礎(chǔ)上，應(yīng)先立后破，大力發(fā)展生物質(zhì)火電取代煤電，最終實(shí)現(xiàn)煤電的零碳化轉(zhuǎn)型，因此煤電升級(jí)改造+生物質(zhì)混燒+碳捕集、利用和封存(CCUS)的技術(shù)路徑對(duì)我國最終實(shí)現(xiàn)2060碳中和具有重要戰(zhàn)略意義。未來我國生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展應(yīng)注重以下3方面：根據(jù)我國生物質(zhì)資源情況及利用目標(biāo)，制定更合理的國家法規(guī)政策和激勵(lì)政策，如碳交易體系下減免碳稅、根據(jù)耦合比例靈活性頒發(fā)發(fā)電補(bǔ)貼、綠證交易等，對(duì)燃煤電廠混燒生物質(zhì)進(jìn)行約束和支持；大力發(fā)展生物質(zhì)燃料產(chǎn)業(yè)，規(guī)范生物質(zhì)的加工和收購標(biāo)準(zhǔn)，建立穩(wěn)定可靠的生物質(zhì)燃料的供給市場，從根本上降低原料成本，把控原料質(zhì)量，從而促進(jìn)生物質(zhì)利用良性發(fā)展；開發(fā)先進(jìn)可行的生物質(zhì)與煤混燒，乃至100%燃燒生物質(zhì)的可靠技術(shù)，國外經(jīng)驗(yàn)表明燃煤機(jī)組高比例摻燒生物質(zhì)在技術(shù)上完全可行，但我國缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在原料加工制備與上料、保證鍋爐摻混比例較大波動(dòng)下仍能高效燃燒運(yùn)行、解決鍋爐腐蝕結(jié)渣等方面仍需技術(shù)積累。未來低碳能源系統(tǒng)將是多能互補(bǔ)格局，生物質(zhì)大規(guī)模利用還將面臨原料短缺問題，需推進(jìn)在邊際土地上種植灌木、草類等能源植物以及現(xiàn)有林地改造，建立農(nóng)林廢棄物和能源植物的一體化收、儲(chǔ)、運(yùn)和初加工產(chǎn)業(yè)鏈，與三農(nóng)戰(zhàn)略相結(jié)合，利國利民。
0引言
2022年1月24日，中共中央總書記習(xí)近平在中共中央政治局第三十六次集體學(xué)習(xí)時(shí)指出：推動(dòng)能源革命，要立足我國能源資源稟賦，堅(jiān)持先立后破，通盤謀劃，傳統(tǒng)能源逐步退出必須建立在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)上。要加大力度建設(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系[1]。這一重要精神為中國煤電的低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展指明了方向：“推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和不是輕輕松松就能實(shí)現(xiàn)的，等不得，也急不得”。等不得，突出說明“雙碳”目標(biāo)的緊迫性和重要性。急不得，突出說明推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的艱巨性和復(fù)雜性。
要實(shí)現(xiàn)我國煤電低碳轉(zhuǎn)型，就必須立足我國電力目前仍以煤為主的能源現(xiàn)狀。由于“風(fēng)光電”的間歇性和不穩(wěn)定性，必須有高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐，在大力發(fā)展風(fēng)光電的同時(shí)，還要大力發(fā)展高效先進(jìn)節(jié)能的煤電[2]。但煤電畢竟是高碳電源，不解決煤炭的高碳排放問題，“雙碳目標(biāo)”就難以實(shí)現(xiàn)。煤電低碳發(fā)展實(shí)際上是在不減少發(fā)電量的前提下大幅減少燃煤量。為達(dá)到這一目標(biāo)，主要有3個(gè)途徑，即煤電升級(jí)提效、生物質(zhì)混燒以及碳捕集、利用和封存(CCUS)[2-3]。
煤電提效是過去和目前正著力開展的工作，截至2021年11月底，全國供電煤耗率已降至303.7g/kWh[4]，而目前國內(nèi)最先進(jìn)機(jī)組的供電煤耗在260～280g/kWh，可見通過煤電提效進(jìn)一步降碳的下降空間約為10%，無法滿足目前的降碳目標(biāo)。CCUS可能是在不減少燃煤量的條件下實(shí)現(xiàn)低碳煤電的未來技術(shù)，但CCUS技術(shù)的研發(fā)和示范需要解決高成本、高能耗和利用及封存等諸多問題，在“碳達(dá)峰碳中和3060”推動(dòng)下，CCUS的創(chuàng)新發(fā)展必然會(huì)加速，但在10a內(nèi)可能無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。尤其考慮到我國煤電機(jī)組體量巨大，對(duì)于超過50億t/a的CO2排放量，單靠CCUS技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)零碳排放目標(biāo)。因此，高效煤電+生物質(zhì)混燒是當(dāng)前煤電低碳發(fā)展的主要方向。
燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電(包括摻燒一定比例生物質(zhì)直至100%燃用生物質(zhì)的燃料替換)是一種經(jīng)實(shí)踐證明降低碳排放技術(shù)的有效路徑[5-8]。根據(jù)目前國際上廣為接受的“碳中和(Carbon Neutral)”概念：生物質(zhì)在替代煤燃燒過程中產(chǎn)生的碳排放與其生長過程中吸收的CO2可視為相互抵消，因此摻燒生物質(zhì)可以顯著降低煤電的碳排放，而100%純燒生物質(zhì)被視作近零碳排放[9]。根據(jù)聯(lián)合國氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的數(shù)據(jù)，燃用生物質(zhì)的CO2排放強(qiáng)度典型值為18g/kWh，基本與風(fēng)電相當(dāng)，不足光伏全生命周期的40%[10]。
生物質(zhì)耦合發(fā)電實(shí)際上是推動(dòng)煤電向可再生能源發(fā)電過渡，也是推動(dòng)風(fēng)光電加速與可靠發(fā)展的保障，因此，制定相應(yīng)政策大力推動(dòng)煤電在高效低煤耗基礎(chǔ)上耦合生物質(zhì)發(fā)電，直至實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料替換，最終實(shí)現(xiàn)煤電零碳排放，對(duì)電力行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。
盡管如此，目前我國生物質(zhì)利用技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用差強(qiáng)人意。2021年，我國生物質(zhì)資源年產(chǎn)量34.94億t，折合約4.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤，而實(shí)際生物質(zhì)資源化利用量僅為4.61億t，截至2020年底，生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量為29.52GW[11]，其中以垃圾焚燒裝置以及小型生物質(zhì)純?nèi)紮C(jī)組為主，這與生物質(zhì)能高效、高比例利用愿景仍存在巨大差距。
為此，一些學(xué)者分析了我國生物質(zhì)利用現(xiàn)狀，王劍利等[12]通過分析國內(nèi)生物質(zhì)燃煤耦合發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀，認(rèn)為生物質(zhì)利用投資及運(yùn)營費(fèi)用高，無電價(jià)補(bǔ)貼政策很難盈利，并針對(duì)不同爐型提出了最佳生物質(zhì)利用方案。高金鍇等[13]概述了生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)，認(rèn)為發(fā)展生物質(zhì)與煤混燒需要考慮發(fā)電成本，并從社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益及國家政策等方面分析了未來生物質(zhì)利用的發(fā)展趨勢(shì)。李晉等[14]在碳中和背景下分析了我國電力部門的生物質(zhì)能源技術(shù)發(fā)展需求，指出國內(nèi)生物質(zhì)混燃技術(shù)與國外雖有差距，但并不存在技術(shù)瓶頸，建議短期內(nèi)支持一批適宜的煤電機(jī)組優(yōu)先進(jìn)行生物質(zhì)混燃改造。與之相比，國外尤其是歐洲國家的生物質(zhì)利用更充分，碳減排效果良好[6，15]。一些學(xué)者針對(duì)國內(nèi)外生物質(zhì)利用進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比研究[5，16-17]，但多側(cè)重于技術(shù)的綜述與比較，缺少對(duì)生物質(zhì)利用政策、技術(shù)及實(shí)施效果的整體論述。生物質(zhì)大規(guī)模利用既有技術(shù)問題，也依賴于整體產(chǎn)業(yè)生態(tài)的建立，為此，筆者系統(tǒng)綜述了國外生物質(zhì)應(yīng)用案例，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國能源結(jié)構(gòu)提出對(duì)生物質(zhì)利用的展望和建議。
1國外生物質(zhì)利用綜述
1.1國外生物質(zhì)利用途徑
根據(jù)IEA Bioenergy公布的各國生物能源報(bào)告顯示，生物質(zhì)能源主要用于電力、供熱和運(yùn)輸三大領(lǐng)域。近年開始發(fā)展的分布式生物質(zhì)能源技術(shù)具有規(guī)模適應(yīng)性強(qiáng)、資金門檻低、易于商業(yè)化等優(yōu)勢(shì)，可用于社區(qū)發(fā)電、供暖和生活燃料，是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能“因地制宜”開發(fā)利用的有效途徑，具有廣闊的發(fā)展前景。各國生物能源類型如圖1(a)所示(各國從左至右分別代表2005年、2010年、2015年、2019年數(shù)據(jù))，固體生物質(zhì)是最主要的類型，此外還包括液體生物燃料、固體廢棄物和沼氣/甲烷[18]。固體生物質(zhì)主要包括木頭、木屑、樹皮、造紙副產(chǎn)品以及農(nóng)業(yè)殘留物(如甘蔗渣和秸稈等)。液體生物燃料包括生物汽油、生物柴油和其他生物燃料。固體廢棄物主要指生活垃圾。沼氣主要由各類廢棄物厭氧發(fā)酵而來，可用于發(fā)電，目前主要轉(zhuǎn)換成生物天然氣。對(duì)于森林覆蓋率高的國家，如美國、加拿大等地，生物質(zhì)基本可以自產(chǎn)自足，而對(duì)于森林資源有限的國家如英國、荷蘭和丹麥，則主要依靠進(jìn)口生物質(zhì)滿足需求[18-19]。
世界各國可再生能源電力消耗如圖1(b)所示(各國從左至右分別代表2005年、2010年、2015年、2019年數(shù)據(jù))，可知生物質(zhì)發(fā)電主要以歐洲國家為主，尤其是愛沙尼亞、丹麥、英國、芬蘭、德國。
1.2各國生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)及政策
為減少燃煤電廠碳排放、延長使用壽命，部分歐洲國家從20世紀(jì)90年代后期簽訂《京都議定書》后開始進(jìn)行生物質(zhì)與煤耦合發(fā)電項(xiàng)目，在制定監(jiān)管和激勵(lì)政策以及解決技術(shù)挑戰(zhàn)等方面積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)《歐洲氣候法》框架，歐洲各國逐步確定了未來20～30a內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，雖然各國的能源轉(zhuǎn)型方案略有不同，均認(rèn)為生物質(zhì)能為唯一可替代化石燃料的碳源，是實(shí)現(xiàn)碳中和最具潛力的技術(shù)方向之一。目前約2/3大型生物質(zhì)混燒電廠坐落于歐洲國家，尤其是北歐和西歐[20]。
對(duì)于生物質(zhì)與煤耦合發(fā)電技術(shù)，英國、荷蘭和丹麥已形成非常成熟的支持和運(yùn)營機(jī)制，芬蘭、法國、德國和意大利雖暫未出臺(tái)專門的支持計(jì)劃，但相關(guān)耦合項(xiàng)目已廣泛開展，并計(jì)劃于未來10a內(nèi)逐步淘汰煤炭。在生物質(zhì)資源豐富的北美、巴西和澳大利亞等地，由于政策支持力度不夠，目前生物質(zhì)耦合發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)展不如歐洲國家。目前亞洲也迅速開展耦合發(fā)電項(xiàng)目，日本和韓國已逐步建立配套機(jī)制。后續(xù)將詳細(xì)介紹國外生物質(zhì)利用及生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)進(jìn)展。
英國是目前唯一實(shí)現(xiàn)從大型燃煤電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電到大型燃煤電廠100%純燒生物質(zhì)燃料的國家，并計(jì)劃于2025年關(guān)閉全部燃煤發(fā)電廠，屆時(shí)英國將成為全球最早實(shí)現(xiàn)零煤發(fā)電的國家。2002年，英國向發(fā)電公司頒發(fā)可再生能源發(fā)電許可證ＲOCs(1ＲOC/MWh)，并要求發(fā)電公司提供一定數(shù)量的ＲOCs，否則將面臨罰款，該方案激勵(lì)了大型燃煤電廠開始進(jìn)行生物質(zhì)耦合發(fā)電。2012年，英國采用不同耦合比例獎(jiǎng)勵(lì)不同數(shù)量ＲOCs的策略，刺激燃煤電廠大規(guī)模耦合生物質(zhì)以獲取更高收益[21]。此外，英國政府還于2001年發(fā)布了《能源作物計(jì)劃(Energy Crop Scheme)》，該法案為農(nóng)民種植能源作物提供補(bǔ)助，如能源灌木類、能源草類等[22]。在激勵(lì)政策下，目前英國全部16座大型火電廠均進(jìn)行生物質(zhì)混燒發(fā)電，其中13座為容量超過1000MW的大型燃煤火電廠(均為煤粉爐、直燃耦合)，總裝機(jī)容量為25366MW。
2019年英國可再生能源發(fā)電量為119TWh，其中36.6TWh源于生物質(zhì)混燒或純?nèi)及l(fā)電[18]。英國20多年煤電耦合生物質(zhì)混燒發(fā)電的實(shí)踐，證實(shí)了在強(qiáng)有力的激勵(lì)政策推動(dòng)下，可通過生物質(zhì)混燒直至生物質(zhì)燃料替換實(shí)現(xiàn)煤電低碳發(fā)展。
英國FerrybridgeC電廠改裝4×500MW煤粉爐與生物質(zhì)混燒，前墻配48臺(tái)低NOx煤粉燃燒器，后墻安裝6臺(tái)專門研制的生物質(zhì)粉旋流預(yù)燃室燃燒器，另匹配有單獨(dú)的生物質(zhì)處理和磨制系統(tǒng)，效果良好，生物質(zhì)混燒比例為20%。該電廠的燃燒器及生物質(zhì)上料裝置如圖2所示。
英國最大的燃煤電廠Drax自2003年開始5%生物質(zhì)混燒改造工程，期間建設(shè)了13座專用顆粒燃料制造廠和運(yùn)輸線路(包括位于美國的生物質(zhì)顆粒燃料公司)，建設(shè)了4個(gè)大型木質(zhì)顆粒燃料拱形儲(chǔ)倉以保證大規(guī)模存儲(chǔ)安全性(儲(chǔ)存容量為75000t/個(gè))，解決了混燒和純?nèi)技夹g(shù)的難題。該電廠整體概況、顆粒傳送裝置以及磨粉機(jī)如圖3所示。其中顆粒從大型儲(chǔ)倉底部通過2條封閉且除塵防火的輸送帶運(yùn)輸系統(tǒng)送至日用燃料倉。為防控生物質(zhì)粉塵、減少著火和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，日用燃料倉完全密封，磨粉機(jī)是在原有磨煤機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)分離器改造而來。截至2020年，Drax電廠4臺(tái)660MW機(jī)組成功改造為100%純?nèi)忌镔|(zhì)鍋爐，均采用單獨(dú)生物質(zhì)磨制和燃燒系統(tǒng)的異磨異燃燒器混燃鍋爐，生物質(zhì)原料為木質(zhì)顆粒，2021年Drax開始嘗試以35%比例耦合農(nóng)業(yè)廢棄物以減輕燃料供應(yīng)壓力。目前4臺(tái)發(fā)電機(jī)組中有1臺(tái)用于捕集CO2，下一步計(jì)劃深入開展生物質(zhì)碳捕集儲(chǔ)存技術(shù)(BECCS)進(jìn)行碳減排[25]，最終實(shí)現(xiàn)零碳排放。
基于CFB鍋爐燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃料基本不需破碎的優(yōu)點(diǎn)，英國于2020年建成了世界上容量最大的100%燃燒生物質(zhì)的循環(huán)流化床(CFB)鍋爐，容量為299MW，設(shè)計(jì)燃料為熱值17.8MJ/kg的木質(zhì)顆粒或熱值14.95MJ/kg的木質(zhì)顆粒和木屑混合物，鍋爐設(shè)計(jì)效率為93.3%[26]。
燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電也是荷蘭實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源發(fā)電的重要途徑。荷蘭自1993年開始嘗試生物質(zhì)混燒，目前主要的生物質(zhì)混燒電廠有Amer8＆9、Maasvlakte1＆2、EemshavenNL等8家電廠[27]，主要燃燒方式為切向燃燒或前后墻對(duì)沖的煤粉鍋爐。早期荷蘭政府主要通過MEP補(bǔ)貼計(jì)劃以固定溢價(jià)(Feed-in Premiums，F(xiàn)IP)方式進(jìn)行補(bǔ)貼，2013年《荷蘭能源協(xié)議》將生物質(zhì)混燒補(bǔ)貼方式變更為修正上網(wǎng)電價(jià)，有力刺激了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展[28]。目前，荷蘭用于混燒的生物質(zhì)主要來源于進(jìn)口，約30%生物質(zhì)源自國內(nèi)，包括木材、紙漿污泥垃圾和棕櫚殼等。研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)的可磨性明顯低于煤炭，直燃耦合時(shí)普遍采用烘焙或TOP工藝(烘焙聯(lián)合制粒)進(jìn)行預(yù)處理[29]，以增加能量密度和可磨性。TOP工藝處理后的生物質(zhì)顆粒堆積密度可達(dá)750～850kg/m³，凈熱值達(dá)19～22MJ/kg，可直接投入熱電廠與煤混燒，TOP工藝流程如圖4所示。
丹麥主要依靠風(fēng)力和生物質(zhì)能發(fā)電，擁有豐富的混燒經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營案例，以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，計(jì)劃于2030年實(shí)現(xiàn)火電燃燒生物質(zhì)全替代，CO2排放量相比1990年減少80%～95%。丹麥1999年開始使用秸稈發(fā)電，經(jīng)過20余年發(fā)展，目前生物質(zhì)燃料發(fā)電量已占總發(fā)電量的25%以上，預(yù)計(jì)到2026年，該比例將提高至57%。丹麥最大的發(fā)電公司Orsted(原DONGEnergy)擁有該國大部分燃煤電廠，該公司決定從2023年起停止使用煤炭。其中Avedore電廠于2001年在1臺(tái)35MW往復(fù)式水冷爐排爐中燃燒100%秸稈，同時(shí)1臺(tái)540MW超臨界煤粉爐以70%比例耦合木質(zhì)顆粒燃料，2臺(tái)鍋爐生產(chǎn)相同的超臨界蒸氣參數(shù)并進(jìn)行蒸氣側(cè)耦合(圖5(a))[30]，特點(diǎn)是可充分利用丹麥豐富的秸稈生物質(zhì)燃料，避免秸稈低灰熔融溫度對(duì)煤粉爐的影響，同時(shí)充分發(fā)揮高參數(shù)大機(jī)組的高效率，實(shí)現(xiàn)煤電低碳發(fā)展。秸稈消耗量170000t/a，顆粒燃料消耗量為260000t/a。Avedore電廠的全自動(dòng)化秸稈儲(chǔ)料間如圖5(b)所示。目前，丹麥大部分燃煤機(jī)組已經(jīng)轉(zhuǎn)化為100%全燃生物質(zhì)或關(guān)閉。自2009年起，丹麥《可再生能源法》開始實(shí)施0.02歐元/kWh的固定溢價(jià)補(bǔ)貼政策，不再區(qū)分混燒和純?nèi)肌Ｄ壳埃溂s40%木質(zhì)顆粒燃料需要從波羅的海地區(qū)和俄羅斯進(jìn)口。德國作為世界上最主要的沼氣生產(chǎn)國，生物質(zhì)能源主要用于生產(chǎn)沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。目前德國在役的生物質(zhì)耦合發(fā)電廠以純?nèi)忌镔|(zhì)為主，使用的燃料大部分以污水污泥為主，其次包括秸稈和廢木屑，爐型主要為煤粉爐，少數(shù)為流化床[31]。德國的生物質(zhì)發(fā)電補(bǔ)貼政策僅適合以國內(nèi)生物質(zhì)為原料的純?nèi)忌镔|(zhì)發(fā)電項(xiàng)目，共燃項(xiàng)目或以進(jìn)口生物質(zhì)為原料的發(fā)電項(xiàng)目均無法獲得支持。基于此，德國一些生物質(zhì)發(fā)電公司(如Vattenfall)開始種植快速生長的能源植物，以保證原料的連續(xù)可用性。
美國擁有豐富的生物質(zhì)資源，用于發(fā)電、生產(chǎn)生物柴油和生物乙醇。2010年，美國560個(gè)燃煤機(jī)組中有40個(gè)混燒生物質(zhì)，大多為小型機(jī)組(＜200MW)，所有的混燒機(jī)組均為煤粉爐，采用直燃耦合的方式。其生物質(zhì)來源主要為木質(zhì)產(chǎn)品、廢舊鐵路枕木等。美國2010年發(fā)布的北美生物質(zhì)與煤耦合發(fā)電報(bào)告中顯示，原料多樣性、可磨性以及供應(yīng)問題是高比例耦合面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并認(rèn)為資金激勵(lì)政策是影響未來發(fā)展的關(guān)鍵因素[32]。由于天然氣價(jià)格降低，美國大部分燃煤鍋爐改為燃?xì)忮仩t，截至2019年，美國尚未進(jìn)行大規(guī)模的生物質(zhì)混燒項(xiàng)目，也未頒發(fā)明確支持生物質(zhì)與煤混燒的政策，生物質(zhì)耦合項(xiàng)目依據(jù)PTC(Production Tax Credit)政策可獲得0.012美元/kWh的費(fèi)率支持。MOＲＲISON等[33]通過生命周期評(píng)估模型對(duì)美國東南部56.3GW燃煤電廠耦合生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以10%比例耦合生物質(zhì)將花費(fèi)16億美元，而通過改造裝置提高效率預(yù)計(jì)花費(fèi)170億～340億美元。對(duì)于使用年度較久的電廠來說，耦合生物質(zhì)是減少碳排放的可行方案。
巴西作為農(nóng)業(yè)和林業(yè)大國，生物質(zhì)資源(尤其是甘蔗渣和高粱)豐富，主要用于制糖和生產(chǎn)乙醇。巴西的生物燃料使用量已超過石油使用量的15%，而大部分國家該比例僅為2%～5%。巴西從2009年開始混燒發(fā)電，但目前還沒有專門針對(duì)燃煤發(fā)電廠耦合生物質(zhì)的政策或大規(guī)模發(fā)電項(xiàng)目。最近有研究關(guān)注富氧燃燒環(huán)境中，甘蔗、高粱與煤混燒的情況[34]。
在亞洲，如日本，燃煤電站以超臨界和超超臨界為主，日本承諾將在2030年將CO2排放量從2013年的水平減少26%，燃煤電廠耦合生物質(zhì)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)此承諾的中短期解決方案，因此近年來，生物質(zhì)混燒在日本發(fā)展迅猛。2017年約有29個(gè)大型燃煤機(jī)組混燒生物質(zhì)，在新建的燃煤機(jī)組中有50%設(shè)計(jì)為生物質(zhì)混燒[35]。為了解決煤粉鍋爐耦合生物質(zhì)燃燒相關(guān)問題，三菱日立電力系統(tǒng)有限公司開發(fā)了一種在煤粉鍋爐中高效燃燒粒徑1mm的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)，考慮到鍋爐中生物質(zhì)的可磨性、燃燒性、灰沉積問題，通過增加一次風(fēng)速保證送粉穩(wěn)定性，通過合理的燃燒組織以保證燃燒穩(wěn)定性，通過爐內(nèi)噴射粉煤灰解決積灰問題，適用于新建或現(xiàn)有的火力發(fā)電廠，系統(tǒng)示意[36]如圖6所示，該公司也為丹麥Studstrap3號(hào)和Avedore1號(hào)、英國Drax1～3號(hào)、加拿大Atikokan燃煤電廠的生物質(zhì)燃燒改造項(xiàng)目提供支持。日本采用上網(wǎng)電價(jià)(Feed-in Tariffs，F(xiàn)ITs)補(bǔ)貼政策，但不適用于熱電聯(lián)廠和已有燃煤電廠。在南非，保證水源和糧食供應(yīng)是國家主要問題，因此生物質(zhì)能源尚未得到發(fā)展，煤炭仍是最主要能量來源。微藻具有生長速度快、與糧食競爭性低、碳含量高等特點(diǎn)，在南非引起較大關(guān)注，嘗試用于生產(chǎn)生物柴油。最近有研究關(guān)注將煤粉和微藻聯(lián)合生產(chǎn)煤-生物質(zhì)顆粒[37-38]，目前尚未應(yīng)用于燃煤電廠。
總之，歐洲部分國家的生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)經(jīng)過20余年的發(fā)展與積累，逐步攻克了生物質(zhì)研磨、噴燃、裝置改造、原料供應(yīng)、政策制定等難題，實(shí)現(xiàn)從低比例摻燒過渡到純?nèi)忌镔|(zhì)。在發(fā)電技術(shù)上，煤粉爐和CFB鍋爐用于生物質(zhì)耦合發(fā)電的可靠性均得到驗(yàn)證，生物質(zhì)單獨(dú)磨制和燃燒系統(tǒng)具有系統(tǒng)靈活、出力更高等優(yōu)點(diǎn)，是大型煤粉爐主要混燒方案。
1.3生物質(zhì)摻混利用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
在生物質(zhì)顆粒原料供應(yīng)上，已經(jīng)形成了年交易量數(shù)千萬噸顆粒燃料的國際市場，并通過定期召開生物質(zhì)燃料顆粒國際會(huì)議交流生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用新發(fā)展，同時(shí)普遍采用國內(nèi)國外雙市場循環(huán)的策略，保證自身原料供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。針對(duì)生物質(zhì)替代煤時(shí)等熱量體積變大引起的存儲(chǔ)難題，國外普遍采用露天存儲(chǔ)和有蓋儲(chǔ)倉2類存儲(chǔ)方式：前者成本低，適用于干旱地區(qū)的原始材料存儲(chǔ)；后者適用于經(jīng)初步加工的原料存儲(chǔ)。許多研究建議采用生物質(zhì)成型燃料+電廠就近建立有蓋筒倉的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，并保證通風(fēng)和溫濕度監(jiān)測。對(duì)于原料存儲(chǔ)帶來的成本問題，也有大量學(xué)者進(jìn)行建模分析得到最佳選址，可參考文獻(xiàn)[39-41]。
在電力系統(tǒng)組成上，火電作為基礎(chǔ)性和調(diào)節(jié)性電源以支持風(fēng)光電等間歇式電源的發(fā)展。支持政策主要分為基于價(jià)格(如FITs)和基于比例(如可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn))兩大類：前者可以在規(guī)定期限內(nèi)保證固定價(jià)格，為發(fā)電公司提供穩(wěn)定收入；后者要求發(fā)電公司在規(guī)定日期前可再生能源發(fā)電量在總發(fā)電量中占據(jù)一定比例，合格則頒發(fā)可再生能源信用(Ｒe-newable Energy Credit，ＲEC)，否則將面臨處罰[35]，目前支持政策除覆蓋生產(chǎn)成本外，開始關(guān)注生物質(zhì)發(fā)電的多重效益，如促進(jìn)農(nóng)村發(fā)展和廢物利用等。
在燃燒組織上，針對(duì)燃用生物質(zhì)可能引起的沾污腐蝕問題，國外普遍采用堿含量低的木質(zhì)燃料，并采用清洗預(yù)處理和爐內(nèi)添加粉煤灰等添加劑的方式稀釋堿含量。對(duì)于生物質(zhì)粒徑大引起的管道堵塞和不完全燃燒問題，采用專用生物質(zhì)磨機(jī)和送粉管道及優(yōu)化爐內(nèi)燃燒組織解決[40，42]。
近年來，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)飛速發(fā)展，生物質(zhì)發(fā)電完全替代燃煤的可能性受到更多關(guān)注。目前生物質(zhì)價(jià)格仍高于煤價(jià)，存在運(yùn)輸處理、沾污結(jié)渣以及灰利用等問題，因此有力的監(jiān)管和經(jīng)濟(jì)支持在持續(xù)推進(jìn)生物質(zhì)混燒項(xiàng)目方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。伴隨著全球生物能源需求量增加，燃煤電廠關(guān)停導(dǎo)致混燒項(xiàng)目減少，100%純?nèi)忌镔|(zhì)電廠增加，國外尤其是歐洲國家的生物質(zhì)原料需求量急劇增長，其可持續(xù)供應(yīng)也成為未來幾十年需解決的重要問題[43]。在歐美發(fā)達(dá)國家，已普遍種植包括蒿柳等所謂“短輪伐期”高產(chǎn)能源灌木，并實(shí)現(xiàn)了育苗—種植—管理—收獲—運(yùn)輸—儲(chǔ)存全過程機(jī)械化。
上述各國生物質(zhì)利用現(xiàn)狀表明電廠通過煤-生物質(zhì)耦合發(fā)電實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，必須具備3個(gè)條件：
1)根據(jù)本國生物質(zhì)資源情況及利用目標(biāo)，制定適合的國家法規(guī)政策，對(duì)燃煤電廠混燒生物質(zhì)進(jìn)行約束和支持。
2)建立可靠的生物質(zhì)燃料供給市場。電廠要求原料單一性、供應(yīng)可靠性和品質(zhì)穩(wěn)定性，因此需建立成熟的生產(chǎn)供應(yīng)鏈，尤其隨著碳減排需求增強(qiáng)，生物質(zhì)用量將不斷增加，該問題尤為迫切。
3)開發(fā)先進(jìn)可行的生物質(zhì)與煤混燒，乃至100%燃燒生物質(zhì)的可靠技術(shù)。已有經(jīng)驗(yàn)表明生物質(zhì)高比例摻燒在技術(shù)上可行，需重點(diǎn)關(guān)注生物質(zhì)制備、上料以及鍋爐的腐蝕結(jié)渣防控等問題，同時(shí)考慮到生物質(zhì)供應(yīng)量的不確定性，如何保證在較大生物質(zhì)摻混比例波動(dòng)下鍋爐仍能高效燃燒和運(yùn)行，值得關(guān)注。
2我國生物質(zhì)低碳利用路徑
2.1生物質(zhì)低碳利用的戰(zhàn)略分析
我國目前可作為能源利用的生物質(zhì)資源總量約4.6億t/a(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，下同)，目前利用量約3500萬t/a，利用率僅7.6%。目前生物質(zhì)發(fā)電均為效率低、煤耗高的小型機(jī)組。因此，煤電生物質(zhì)耦合發(fā)電主要用于大型高效煤電機(jī)組。我國30萬kW以上煤電機(jī)組占比超過88.3%，將生物質(zhì)用于大型煤電機(jī)組混燒發(fā)電，不僅可大大降低煤耗和碳排放，還可加速我國煤電的低碳轉(zhuǎn)型，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
由于安全、穩(wěn)定、高效及靈活的調(diào)節(jié)性能，火電已成為電力系統(tǒng)保障電力供應(yīng)的優(yōu)質(zhì)可靠電源，火電承擔(dān)著電力系統(tǒng)兜底保障調(diào)節(jié)的不可替代作用。因此，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)除了大力發(fā)展風(fēng)光電外，通過生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電減少煤炭使用，是當(dāng)前且長遠(yuǎn)火力發(fā)電的重要發(fā)展方向。建議發(fā)展的路線為：低碳—零碳—負(fù)碳。
采用生物質(zhì)替代煤作為燃料，CO2排放量隨生物質(zhì)替代率及凈發(fā)電效率提升的變化趨勢(shì)如圖7所示。目前主力火電機(jī)組碳排放量約為750g/kWh，與光伏的50g/kWh存在數(shù)量級(jí)差距，而隨著火電凈發(fā)電效率的提升，即使從目前的43%提升至50%，CO2排放量降低仍有限，而通過提高生物質(zhì)熱量摻混比例，火電機(jī)組的CO2排放顯著降低。事實(shí)上，當(dāng)生物質(zhì)摻混比例達(dá)到90%，即可不通過CCS實(shí)現(xiàn)與光伏發(fā)電相同的碳排放率。圖7表明，煤電的生物質(zhì)混燒改造，應(yīng)當(dāng)首選在高效率的大型煤電機(jī)組上進(jìn)行。
大力推動(dòng)碳捕集、利用和封存，包括生物質(zhì)能的碳捕集、利用和封存(CCUS和BECCUS)技術(shù)的研發(fā)示范和應(yīng)用，有望在2030—2045年逐步實(shí)現(xiàn)各CCUS技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，使全部火電實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。由此可見，采用生物質(zhì)高比例摻混的方式，既能發(fā)揮火電作為電源的強(qiáng)大調(diào)節(jié)能力，也能滿足CO2減排需求，甚至負(fù)碳排放，是實(shí)現(xiàn)2060碳中和目標(biāo)的重要支撐。
2.2生物質(zhì)摻燒技術(shù)改造需求
對(duì)于已有超臨界機(jī)組進(jìn)行生物質(zhì)摻混燃燒改造的基本要求包括：①保持鍋爐效率和出力不變；②滿足污染物排放要求；③保證生物質(zhì)燃料燃燒的安全；④滿足生物質(zhì)轉(zhuǎn)換后運(yùn)行壽命要求。
為此，對(duì)機(jī)組的改造包括：根據(jù)生物質(zhì)燃料特點(diǎn)，改造或更新生物質(zhì)燃料的儲(chǔ)存、輸送、粉塵控制、凈化系統(tǒng)、防火和火災(zāi)控制系統(tǒng)；改造磨煤機(jī)和分離器、煤粉管道、一次風(fēng)等；研發(fā)新型生物質(zhì)低NOx燃燒器、油點(diǎn)火系統(tǒng)以及改造原有煤粉火上風(fēng)系統(tǒng)以達(dá)到低NOx排放和鍋爐效率要求；針對(duì)生物質(zhì)燃料灰渣特性，改造灰渣系統(tǒng)包括冷灰斗除灰渣系統(tǒng)和飛灰系統(tǒng)；一般不改動(dòng)機(jī)組受熱面，但針對(duì)生物質(zhì)燃料的不同結(jié)渣和積灰特性，需改造爐膛和受熱面清潔系統(tǒng)；由于生物質(zhì)為低灰燃料，考慮改造更新電除塵器[7，16，44-46]。
值得指出的是，采用大比例生物質(zhì)摻燒技術(shù)甚至生物質(zhì)純?nèi)挤桨笗r(shí)，對(duì)生物質(zhì)存儲(chǔ)、上料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)以及污染物控制系統(tǒng)會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)。需要對(duì)生物質(zhì)原料的燃燒特性及灰渣成分進(jìn)行限定，開發(fā)適用于高比例摻燒的鍋爐裝置，借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展適合中國生物質(zhì)特點(diǎn)的先進(jìn)混燃技術(shù)。
2.3生物質(zhì)供應(yīng)鏈的建立
歐美等發(fā)達(dá)國家對(duì)生物質(zhì)利用的實(shí)踐表明，建立適合本國國情的生物質(zhì)補(bǔ)貼激勵(lì)政策，是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)摻混發(fā)電利用的首要問題，我國生物質(zhì)摻燒經(jīng)驗(yàn)也表明，建立生物質(zhì)燃料的供應(yīng)鏈及市場機(jī)制，是生物質(zhì)利用的關(guān)鍵[13-14，47]，我國這方面的研究任重而道遠(yuǎn)。我國生物質(zhì)供應(yīng)鏈的建立涉及2個(gè)關(guān)鍵問題：①當(dāng)前及未來是否有足夠的生物質(zhì)替代煤；②采用何種生物質(zhì)供料及補(bǔ)貼方式更合理。
我國實(shí)現(xiàn)煤與生物燃料混燒直至燃料替換的關(guān)鍵在于國內(nèi)有無足夠的生物質(zhì)能資源潛力，已有研究表明，我國目前的生物質(zhì)能總量為4.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，這與我國電力部門每年消耗超過20億t的煤炭量相比，差距較大。但我國邊際土地種植能源植物仍有巨大潛力，研究表明，利用邊際土地大力發(fā)展生物質(zhì)能源經(jīng)濟(jì)作物是一種可行的能源替代模式[48-50]，預(yù)計(jì)未來10a其規(guī)模潛力可達(dá)4億t標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)的能量替代率可達(dá)約9億t標(biāo)準(zhǔn)煤，加上其他可再生能源比例上升，這一替代規(guī)模足以滿足我國中期碳減排目標(biāo)，并可解決風(fēng)、光等可再生能源不穩(wěn)定的問題。事實(shí)上，在邊際土地上種植高產(chǎn)能源作物正受到各國重視，我國也有顯著發(fā)展，如武漢蘭德公司開發(fā)了一種速生、高產(chǎn)和高熱值的超級(jí)蘆竹，產(chǎn)量達(dá)7500t/k㎡，具備大規(guī)模推廣的潛力。我國現(xiàn)有邊際土地78萬k㎡[51]，鹽堿地36.7萬k㎡[52]，還有大面積荒地。按照7500t/k㎡干基超級(jí)蘆竹生物質(zhì)能源量計(jì)算，利用40萬k㎡邊際土地種植超級(jí)蘆竹即可滿足將來燃煤電廠的燃料替換需求。一旦解決我國生物質(zhì)能源作物的生產(chǎn)和供應(yīng)問題，不僅能實(shí)現(xiàn)火電的低碳化發(fā)展，還必將促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
由于生物質(zhì)利用成本較高，如何有效降低成本以及實(shí)施合理的補(bǔ)貼政策，也是促進(jìn)生物質(zhì)利用的重要因素。目前國內(nèi)對(duì)生物質(zhì)利用仍采用比較粗放的管理模式，生物質(zhì)補(bǔ)貼政策相對(duì)簡單，并未顧及生物質(zhì)直燃發(fā)電等技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)生物質(zhì)來源的界定和限定并不規(guī)范，導(dǎo)致生物質(zhì)利用形態(tài)多樣，既有簡單干燥打捆的原始生物質(zhì)，也有深加工的成型生物質(zhì)顆粒，使生物質(zhì)來源不穩(wěn)定、補(bǔ)貼政策難以落實(shí)等問題進(jìn)一步突出。范翼麟等[53]研究表明，生物質(zhì)利用的經(jīng)濟(jì)性與生物質(zhì)密度密切相關(guān)。國外經(jīng)驗(yàn)也表明，采用生物質(zhì)干燥或成型生物質(zhì)顆粒經(jīng)濟(jì)性更好[54，20]。因此，應(yīng)對(duì)不同場景開展生物質(zhì)預(yù)先處理經(jīng)濟(jì)性研究，進(jìn)而規(guī)范生物質(zhì)加工及收購標(biāo)準(zhǔn)，是建立長遠(yuǎn)穩(wěn)定生物質(zhì)供應(yīng)鏈的重要前提。
根據(jù)英國對(duì)于生物質(zhì)顆粒燃料市場的評(píng)估和經(jīng)驗(yàn)，國際市場生物質(zhì)顆粒燃料的供應(yīng)潛力巨大。如果我國將發(fā)展生物質(zhì)電力作為能源革命的戰(zhàn)略，加強(qiáng)國際合作，同時(shí)帶動(dòng)和發(fā)展生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并與三農(nóng)戰(zhàn)略結(jié)合，形成生物質(zhì)顆粒燃料的國內(nèi)外2個(gè)市場雙循環(huán)與可靠的供應(yīng)源，則我國煤電從生物質(zhì)混燒逐步過渡到生物質(zhì)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)高碳電力轉(zhuǎn)型過渡到低碳電力未來可期。
3結(jié)語與展望
低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型必須依靠政策推動(dòng)，煤電生物質(zhì)燃料的混燒和轉(zhuǎn)換需結(jié)合我國能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略制定穩(wěn)定政策。基于國外成功經(jīng)驗(yàn)的梳理及對(duì)我國生物質(zhì)耦合利用現(xiàn)狀的分析可知：
1)生物質(zhì)混燒發(fā)電是一種技術(shù)成熟的低碳利用方式，對(duì)保障新能源電力生產(chǎn)、構(gòu)建低碳發(fā)電體系具有重要支撐作用。我國短期內(nèi)最適合的生物質(zhì)利用模式是對(duì)在役的煤電機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造，發(fā)展生物質(zhì)摻混技術(shù)，不斷提高生物質(zhì)混燒比例。而生物質(zhì)中長期利用發(fā)展路線圖為：低碳—零碳—負(fù)碳，適時(shí)推動(dòng)生物質(zhì)發(fā)電-碳捕集利用和封存(BECCUS)技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)示范和應(yīng)用。
2)生物質(zhì)成功利用的關(guān)鍵包括：通過國家法規(guī)政策對(duì)燃煤電廠混燒生物質(zhì)進(jìn)行約束和支持；建立穩(wěn)定可靠的生物質(zhì)燃料供給市場；研發(fā)先進(jìn)的生物質(zhì)與煤混燒技術(shù)，乃至100%燃燒生物質(zhì)技術(shù)開發(fā)。
3)未來生物質(zhì)低碳能源系統(tǒng)建立的關(guān)鍵在于制定系列激勵(lì)政策，建立穩(wěn)定的生物質(zhì)燃料供應(yīng)鏈。為此，需推進(jìn)在邊際土地上種植如超級(jí)蘆竹等灌木、草類等能源植物以及現(xiàn)有林地改造，建立農(nóng)、林廢棄物和能源植物收、儲(chǔ)、運(yùn)和初加工產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)建立全國性生物質(zhì)燃料供需市場。
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