【技術(shù)】生物質(zhì)發(fā)電及其灰渣處理綜述
2019-06-18
摘要：介紹了生物質(zhì)發(fā)電的意義、現(xiàn)狀、工藝，分析測試了安徽某生物質(zhì)發(fā)電廠灰渣的主要成分，探討了灰渣處理方法和發(fā)展趨勢，并采用檸檬酸為活化劑開展了探索性試驗。
生物質(zhì)發(fā)電是利用生物質(zhì)所具有的生物質(zhì)能進(jìn)行的發(fā)電，即將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換為電能，是一種可再生能源發(fā)電。早在工業(yè)革命前，生物質(zhì)資源就是支撐人類社會發(fā)展的主要能源。因為化石的出現(xiàn)，生物質(zhì)能利用量不足；但是隨著日益突出的資源和環(huán)境矛盾，人類又將重新選擇生物質(zhì)能源。
01生物質(zhì)發(fā)電的意義及現(xiàn)狀
1.1生物質(zhì)發(fā)電的意義
(1)充分利用閑置的秸稈資源發(fā)電，既能有效緩解秸稈禁燒難題，又避免了秸稈資源的浪費。
(2)秸稈是一種低碳燃料，對大氣和環(huán)境質(zhì)量的影響較小，是一種較為“清潔”的可再生能源，在我國清潔能源中占有越來越高的比重翻。
(3)生物質(zhì)的含硫量僅為煤炭的四分之一。通過生物質(zhì)代替煤炭發(fā)電，可顯著減少二氧化硫的排放量。
(4)利用秸稈等資源燃燒發(fā)電后剩下的草木灰(渣)，含有豐富的鉀、鈣、鎂等礦物質(zhì)，可以還田作為農(nóng)作物的肥料。
(5)利用秸稈資源發(fā)電可增加就業(yè)崗位，提高就業(yè)率。
(6)利用秸稈資源發(fā)電可以增加電量，緩解部分地區(qū)電力緊張。
總之，開發(fā)利用生物質(zhì)發(fā)電對我國能源安全、生態(tài)環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展都有重要意義。
1.2生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀
(1)國外現(xiàn)狀
生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)備受世界各國關(guān)注。資料顯示，目前在丹麥、芬蘭、瑞典、荷蘭等國家，以農(nóng)林生物質(zhì)為燃料的發(fā)電廠有300多座。另外，東南亞國家在以稻殼、甘蔗渣等為原料的生物質(zhì)直接燃燒方面也取得了一定的發(fā)展。截至到2012年，美國生物質(zhì)發(fā)電的裝機容量已經(jīng)超過1萬兆瓦，并計劃到2050年全美的生物質(zhì)發(fā)電比例提升到能源產(chǎn)出的50％；德國制定了到2030年使全國16％的電力、10％的供暖和15％的汽車動力都來自生物質(zhì)發(fā)電供能的目標(biāo)。
總之，目前國外的生物質(zhì)能技術(shù)和裝置已達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用程度，實現(xiàn)了規(guī)模化產(chǎn)業(yè)經(jīng)營。
(2)國內(nèi)現(xiàn)狀
與水電、核電、風(fēng)電及光伏發(fā)電等新能源發(fā)電形式相比，我國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，市場化程度較低，屬于能源領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)。從2006年《可再生能源法》頒布實施以來，我國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，年裝機增長量達(dá)到了30％以上。根據(jù)我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國生物質(zhì)發(fā)電裝機量預(yù)計達(dá)到3000萬千瓦。
02生物質(zhì)發(fā)電工藝
2.1生物質(zhì)發(fā)電種類
(1)直燃發(fā)電
生物質(zhì)直燃發(fā)電，就是將生物質(zhì)直接作為燃料進(jìn)行燃燒，用于發(fā)電或者熱電聯(lián)產(chǎn)，是在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機發(fā)電技術(shù)上進(jìn)行設(shè)備改型而實現(xiàn)的技術(shù)，該技術(shù)基本成熟并得到規(guī)模化商品運用，是生物質(zhì)發(fā)電的主要方式。
(2)混合發(fā)電
生物質(zhì)還可以與煤混合作為燃料發(fā)電，稱為生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電技術(shù)。混合燃燒方式主要有兩種：一種是生物質(zhì)直接與煤混合后投人燃燒；另一種是生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃?xì)馀c煤混合燃燒。
(3)氣化發(fā)電
生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化為氣體燃料，將凈化后的氣體燃料直接送人鍋爐、內(nèi)燃發(fā)電機、燃?xì)鈾C的燃燒室中燃燒來發(fā)電。氣化發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一是燃?xì)鈨艋瑲饣鰜淼娜細(xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)除去雜質(zhì)，以保證發(fā)電設(shè)備正常運行。該技術(shù)目前尚不成熟，有待于商品化。
在這三類生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)中，生物質(zhì)直燃發(fā)電工藝較為成熟，是當(dāng)前全球范圍內(nèi)使用最多的一種生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。目前此技術(shù)已被廣泛運用在各工業(yè)系統(tǒng)中。整套裝置可以穩(wěn)定而連續(xù)地運行，可以高效率、大規(guī)模地處理多種廢棄生物質(zhì)，并且原料易于就地收集，且運營維護成本相對較低，因此非常適合在我國進(jìn)行大規(guī)模推廣。
2.2生物質(zhì)燃燒發(fā)電工藝
秸稈直燃發(fā)電原理流程如圖1所示。生物質(zhì)燃料需要經(jīng)過預(yù)處理壓塊成型，經(jīng)過預(yù)處理的生物質(zhì)與過量空氣在鍋爐中燃燒，產(chǎn)生出的高溫高壓蒸汽通過汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。
燃燒生成的高溫?zé)煔猓刂仩t的煙道依次流過爐膛、水冷壁管、過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器，逐步將煙氣的熱能傳給工質(zhì)以及空氣，自身變成低溫?zé)煔猓?jīng)除塵器凈化后再排人大氣。秸稈等燃料燃燒剩余物中密度大的部分從燃燒爐的下口收集得到渣；密度低的部分從燃燒爐的上口收集得到灰。
03生物質(zhì)發(fā)電廠灰渣及其處理方法
3.1生物質(zhì)發(fā)電灰渣
生物質(zhì)發(fā)電的同時產(chǎn)生大量灰渣。由于使用的燃料為秸稈，因此排出的灰渣屬于草木灰系列，含有大量的硅酸鹽、鈣、鉀、鐵、鎂等化合物。表1和表2為安徽某秸稈發(fā)電廠灰、渣成分。
3.2生物質(zhì)發(fā)電灰渣處理與發(fā)展
目前灰渣被生物質(zhì)發(fā)電廠視為固體廢棄物，對電廠及其周邊環(huán)境造成污染，在一定程度上制約著秸稈發(fā)電的發(fā)展，同時引發(fā)技術(shù)人員積極開展灰渣處理或利用技術(shù)研究。目前主要處理方法有：
(1)堆放或用于筑路、填埋等初級處理，但這樣粗放的處理方式不但沒有任何經(jīng)濟效益，還占用土地資源和產(chǎn)生環(huán)境污染。
(2)用于改善酸性土壤的活性或修復(fù)土壤結(jié)構(gòu)。灰渣因為呈堿性，且營養(yǎng)元素豐富，施用于土壤可以提高土壤pH及營養(yǎng)成分的濃度，適用于遭受酸化的土壤。但灰渣中的營養(yǎng)元素水溶性不高。本文測試表明，安徽某秸稈發(fā)電廠灰中水溶性鉀、鈣、鎂含量分別是27.63％、2.36％、3.59％；渣中水溶性鉀、鈣、鎂含量分別是1.22％、0.07％、2.43％。因此，若秸稈發(fā)電廠灰渣直接施用于土壤，則其中的養(yǎng)分利用率不高。
(3)灰渣經(jīng)加工成化肥或土壤調(diào)理劑。我國南方山區(qū)的土壤退化嚴(yán)重，其中西南地區(qū)退化土壤面積為1.36萬平方千米，占該區(qū)總面積的14.3％。將秸稈發(fā)電廠灰渣中營養(yǎng)元素活化后施用于土壤，能夠很好地調(diào)理土壤養(yǎng)分平衡。廖奇等采用無機酸作為活化劑在80℃下處理灰渣，能使灰渣中鉀的水溶性提高到近90％。本文采用檸檬酸作為活化劑，在常溫下處理灰渣，能使灰渣中鉀的水溶性接近50％。
我國農(nóng)田缺鉀日益嚴(yán)重，每年急需補充約千萬噸標(biāo)準(zhǔn)鉀肥以維持土壤的鉀素平衡。將秸稈發(fā)電所產(chǎn)生的灰渣用于缺鉀農(nóng)田，既可以降低處理缺鉀農(nóng)田所需的費用，還可以使生物質(zhì)發(fā)電廠的灰渣得到很好利用，并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。
04結(jié)論
秸稈發(fā)電廠產(chǎn)生的灰渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可以作為鉀肥施用，具有促進(jìn)作物莖稈健壯和增強作物抗逆性等多方面作用，且不會對土壤產(chǎn)生不良影響，有利于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改善。可見，生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)生的秸稈灰渣利用的有效方法是制作化肥或土壤調(diào)理劑，變廢為寶，既可減輕因施用化肥造成的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境破壞，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良性循環(huán)；同時還可以增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。
