煤与生物质共燃的技术、经济与环境分析：气化共燃、热解共燃与直接共燃的比较研究

《Energy》：Technical, Economic, and Environmental Analysis of Coal Co-firing with Biomass: A Comparative Study of Gasification Co-firing, Torrefaction Co-firing, and Direct Co-firing

　　

卢雪琴|孙莉|李宇涵|宣浩琳|郑润佳

中国南宁南宁学院商学院

摘要

将生物质与煤炭共同燃烧被认为是减少传统发电厂碳排放的有效途径。然而，现有研究主要集中在直接共燃上，而在气化共燃和热解共燃方面的研究还存在显著不足。为了解决这些局限性，本研究系统地模拟了关键的共燃过程，包括专用煤炭燃烧、直接共燃、气化共燃和热解共燃，并特别强调将热解过程与现有发电厂系统集成，以最小化能源消耗和碳排放。基于这些模型，进行了一项系统的比较研究，评估了不同共燃过程、生物质类型和共燃比例下的能源效率、熵效率、单位电力生产成本和二氧化碳（CO₂）排放量。通过敏感性分析，研究了影响生产成本和二氧化碳排放量的主要因素，并提出了控制成本和二氧化碳排放量的建议。本研究的主要结论如下：热解共燃的锅炉效率高于气化共燃，但低于直接共燃。在三种共燃方法中，气化共燃的熵效率最低，其次是热解共燃，而直接共燃的熵效率最高。对于锯末生物质，当共燃比例从0增加到大约25%时，直接共燃、气化共燃和热解共燃的二氧化碳排放量分别从1.041千克/千瓦时降至0.72千克/千瓦时和0.71千克/千瓦时，而单位生产成本分别增加了8.5%、7.3%和4.8%。本研究为通过生物质共燃减少燃煤发电厂的碳排放提供了重要的实践参考。

引言

中国长期以来一直依赖煤炭作为主要能源。2022年，煤炭占全国能源消费的56%，而在电力行业中，燃煤发电占比达到58.4%，远高于全球平均水平的35% [1]，[2]。这种以煤炭为主的能源结构使得燃煤发电成为中国碳排放的主要来源，占全国总排放量的近50%。然而，这种高碳能源结构与中国“双碳”目标（即到2030年实现碳排放峰值，到2060年实现碳中和）严重矛盾 [3]。为了实现这些目标，推动煤炭电力行业的脱碳已成为首要政策任务。为此，中国正在加快传统燃煤发电厂的减排步伐，并建设绿色、低碳的能源系统 [4]，[5]。

目前，减少燃煤发电厂碳排放的主要方法包括提高机组效率、开发碳捕获、利用和储存（CCUS）技术以及促进燃料替代 [6]。其中，生物质共燃作为一种有效的燃料替代方法，逐渐成为减少碳排放的重要途径 [7]。生物质能源是一种可再生资源，其燃烧过程中释放的二氧化碳可以通过植物光合作用重新吸收，从而实现碳循环的平衡，并表现出显著的碳中和特性 [8]。中国拥有丰富的生物质资源，包括农业和林业废弃物、秸秆以及林业残余物，年可用量超过10亿吨标准煤，为生物质共燃提供了丰富的原材料基础 [9]，[10]。通过将生物质与煤炭混合燃烧，可以有效降低燃煤发电厂的碳排放强度，并减少对化石燃料的依赖。因此，生物质共燃不仅是减少燃煤发电厂碳排放的重要技术途径，也是促进能源结构绿色转型的重要手段。在“双碳”目标的指导下，增加生物质共燃技术的推广和应用对于实现电力行业的低碳发展具有重要意义 [11]。

生物质共燃技术主要包括三种方法：直接共燃、间接共燃和平行共燃 [12]，[13]。直接共燃涉及对生物质燃料进行预处理并将其与粉煤混合燃烧，这是目前最广泛使用的方法 [14]。然而，这种方法存在一些缺点，如燃料运输和锅炉灰分沉积问题。生物质热解技术可以在低温下对生物质进行热处理以去除水分，使生物质变得脆弱，并能够将其研磨成类似于煤粉的颗粒大小。这种方法有效解决了燃料运输的问题 [15]，[16]，[17]。间接共燃主要包括气化共燃和热解共燃，其中生物质在独立的气化或热解单元中先进行气化或热解，然后再引入燃烧过程。气化或热解过程中可能会在炉渣中保留灰分和某些污染物，建立独立的运输系统可以更好地解决燃料运输和锅炉灰分沉积问题。此外，一些研究表明，气化共燃和热解共燃对污染物控制具有积极作用 [18]。

目前，已有相关研究探讨了上述共燃方法，大多数研究关注共燃条件对共燃系统的影响。这些因素包括共燃比例 [19]、协同效应 [20]、生物质供应 [21]、锅炉负荷 [22]、污染物去除 [23]，[24] 以及残渣特性 [25]。Mukhambet等人 [26] 使用一个10千瓦的流化床设施，确定了煤炭和生物质废弃物燃料的最佳共燃条件，阐明了一氧化碳（CO）的形成机制，并展示了现场二氧化硫（SO₂）捕获技术。上述研究主要采用实验方法来阐明煤炭和生物质共燃过程特性的变化。除了实验研究外，数值模拟还准确揭示了共燃过程中炉内的燃烧动力学、热质传递和多物理场分布 [27]，[28]，[29]。这些研究大致描绘了煤炭和生物质的共燃特性，包括共燃比例、不同生物质和煤炭类型以及各种运行参数对燃烧温度、烟气特性和污染物浓度传输的影响。Chen等人 [30] 和Huang等人 [31] 将这项工作扩展到工业规模试验，评估了纸浆生物质（污泥、沼气和木屑）共燃后燃煤发电厂的能源效率和排放稳定性，同时研究了碳税对共燃过程的影响。生物质和煤炭共燃过程中的碳捕获是另一个重要的研究方向，为将燃煤发电厂转向净零排放提供了技术途径。此外，大量研究量化了燃煤发电厂中生物质共燃相关的生命周期二氧化碳（CO₂）排放 [32]。

为了进一步推进煤炭和生物质共燃的工业化，现阶段进行经济分析和环境影响评估至关重要。一些学者采用建模方法来研究共燃过程，以评估其经济性能，如表1所示。表1中的文献综述显示，大多数经济和环境影响研究集中在直接共燃上，而关于气化共燃和热解共燃的经济和环境影响特性的研究相对较少。尽管有一些研究对热解共燃进行了建模，但热解过程并未与现有发电厂过程集成，且热解所需的能源来自天然气，导致过程成本和温室气体排放较高。此外，关于气化共燃的大规模经济研究主要集中在流化床气化技术上，尚未评估固定床气化技术的经济和环境影响特性。目前，共燃技术已在工程项目中得到应用，常见于美国、芬兰和英国等发达国家，但在中国的推广程度较低，仍处于技术选择和工业试验阶段 [6]。在这个阶段，提供全面的比较技术研究具有重要意义。特别是对于具有巨大应用潜力的气化共燃和热解共燃 [33]。

鉴于上述研究的不足，本研究对纯煤炭燃烧、固定床气化共燃、热解共燃和直接共燃过程进行了建模研究。对于热解共燃，本研究将发电厂的烟气废热系统集成进来，利用烟气中的废热作为能源，避免了天然气热解相关的能源消耗和温室气体排放。对于气化共燃过程，本文使用固定床气化设备研究共燃特性。对不同生物质共燃方法、不同生物质类型和不同共燃比例下的锅炉热效率、熵效率、单位电力生产成本和二氧化碳（CO₂）排放特性进行了系统的比较研究。此外，还进行了广泛的敏感性分析，系统地探讨了影响生产成本和二氧化碳排放量的主要因素。本文为推进生物质和煤炭共燃技术的工业应用提供了重要的参考价值。

章节片段

过程描述

本章的主题是生物质在传统热电厂中共燃对碳排放和单位电力生产成本的影响。以一个传统的600兆瓦超临界燃煤发电厂为例，研究了三种共燃方法：直接共燃、气化共燃和热解共燃。这三种共燃方法的流程图如图1所示。三种工艺流程的主要区别在于生物质

结果与讨论

图3显示了通过ASPEN模拟优化后的不同混合比例下的生物质添加量。从图中可以看出，当混合比例从5%增加到25%时，锯末生物质在直接共燃、气化共燃和热解共燃中的添加量分别从13.4吨/小时、13.45吨/小时和13.41吨/小时增加到69吨/小时、69.3吨/小时和70吨/小时。三种混合方法之间的生物质添加量存在轻微差异，主要是由于每种方法中的能量损失不同

结论

本研究系统地分析了生物质共燃在热电厂中的碳减排途径和有效性。利用现有的先进技术，对主流共燃过程——直接共燃、气化共燃和热解共燃进行了全面的比较研究。建立了四个ASPEN Plus工艺模拟模型，其中包括一个基于传统燃煤发电的模型。利用这些模型，详细分析了锅炉效率、熵效率

CRediT作者贡献声明

卢雪琴：撰写——原始草案、方法论、调查、正式分析、概念化。孙莉：方法论、调查、正式分析。李宇涵：方法论、调查。宣浩琳：方法论、调查。郑润佳：监督、方法论、调查

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。