替代燃料与煤混合燃烧的特点与应用前景

替代燃料与煤混合燃烧既可综合利用废物和煤炭资源，又能降低污染排放 。阐述了替代燃料与煤混合燃烧的燃料特性、污染物排放和结渣特性，探讨了该技术目前的应用前景和存在的问题。　　

。阐述了替代燃料与煤混合燃烧的燃料特性、污染物排放和结渣特性，探讨 了该技术目前的应用前景和存在的问题。　　

了该技术 目前的应用前景和存在的问题。　　

目前的应用前景和存在的问题。

 

 

替代燃料;混合燃烧;燃料特性;污染物;结渣

Cocombustion of alternative fuels with coal：the charaeteristics and
application prospects

XU Maorong, YAN Jianhua, JIANG Xuguang

(Institute of Thermal Power Engineering, Zhejiang University,
Hangzhou 310027, C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

替代燃料与煤混合燃烧既可综合利用废物和煤炭资源，又能降低污染排放。阐述了替代燃料与煤混合燃烧的燃料特性、污染物排放和结渣特性，探讨了该技术目前的应用前景和存在的问题。　　

hina)

 

 

　　Abstract:

 

 

Cocombustion of alternative fuels with coal is a relatively new conce

 

pt, which comprehensively utilizes waste and coal sources and even has th

e potential to reduce pollutants emission. This paper gives a brief description

of fuel characteristics, pollutants emission and fouling behaviour of co-com

bustion of alternative fuels with coal.
　　Keywords:

0 引言

 

 

 

 

 

　　替代燃料（alternative fuels）包括大量能与空气进行热化学反应的物质[1]，如 目前，欧美等发达国家纷纷开展替代燃料的实际应用研究，并建立了一些示范工厂。如

工农业废

弃物、城市生活垃圾（Municipal Solid Waste, MSW）及垃圾衍生燃料（Refuse Derived F

uel，RDF）等。其中废轮胎燃料(Tyre Derived Fuel，TDF)的热值等于甚至大于优质煤的热

值，而其它替代燃料通常需要添加辅助燃料才能获得稳定燃烧。

　　目前，欧美等发达国家纷纷开展替代燃料的实际应用研究，并建立了一些示范工厂。如

英国在现有2400MWe的煤粉电厂基础上，建立了其国内规模最大的干污泥（10万t/a）

 

 

 

 

 

 

 

 

共焚

发电项目[2]。造纸黑液已成为美国工业副产品衍生能量的最大来源。据估计，美

国每年硫

 

酸盐法（kraft process，简称KP法）制得干浆4000万t，6000万t黑液固形物（热值为15kJ/

g）被余热锅炉回收利用，生产的热能占其总热电产量的1%以上[3]。而在北欧，造

 

 

 

 

纸黑液则发

挥着更为重要的作用。例如，芬兰和瑞典通过黑液燃烧生产的热能分别占其总热电产量的7%

和4.5%，即相当于生物质热电产量的30%[4]。
　　与燃用单一燃料相比，替代燃料与煤混烧即可以节约化石燃料，又

可以获得更大的燃烧规模和更高的燃烧效率。煤作为辅助燃料，可以适应燃料变化的

要求，起到稳定燃烧的作用。从环境角度来看，使用农业废物这种廉价燃料对环境保护能

起到积极作用。因为农业废物除了具有低SO₂、NOx和灰尘排放的特性外，其对环境

 

 

 

 

 

 

的最大贡

献还在于具有CO₂零排放的特点。此外，混燃还可避免由于填埋带来的CH₄温室气体的排

 

放[5]，CH₄的温室效应是CO₂的21倍[6]。
　　本文介绍了替代燃料的燃料特性及其对现有燃煤锅炉的影响，并对替代燃料与煤共燃过

 

程中污染物排放和结渣特性进行了初步探讨。

 

1 替代燃料的燃料特性
　　与其它燃料一样，替代燃料的燃料特性也分为如下四个方面： 　　(1) 燃料组成； 　　(2) 颗粒混合与燃烧特性； 　　(3) 灰分与不可燃物； 　　(4) 挥发性污染物。 表

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　表1总结了需要考察的燃料特性与燃料适应性，这些特性直接决定了现有系统对燃料变化的

 

 

 

 

 

适应性及共燃能力。

 

 

2替代燃料的基本组成
　　对替代燃料进行工业分析和元素分析可以确定其基本组成。
　　工业分析是指燃料的水分、挥发分、固定碳、灰分的百分含量。这些指标将直接影响燃料热

值/着火温度及燃烧过程。其中灰分不但影响燃烧过程，而且对烟气净化设计起着决定作用。元

素分析是指燃料干基各组成元素的百分含量。
　　相对于煤而言，农业废物中的大部分碳属挥发分。废木中的氮和硫可忽略不计，而某些农业

废弃物，如棉子、葡萄渣、坚果壳、果核等废物中的氮和硫就相对较高，但仍比煤、石油

约低十倍。
　　图1列举了几种燃料的基本组成。污水污泥代表了一种劣质燃料，仅含有11%的可燃分，水分 热值代表了燃料的可用能，其大小通常与燃料中的可燃成分含量成正比，随碳、氢含量

含量很高。废轮胎燃料TDF则代表了一种优质燃料，含有80%以上的可燃物，水分含量很低。

　　热值代表了燃料的可用能，其大小通常与燃料中的可燃成分含量成正比，随碳、氢含量

的增加而增加。含碳量最高的废轮胎甚至具有比烟煤或

 

褐煤还要高的热值。其它替代燃料的碳、氢

含量大体相当，因此热值也相差无几。 尽管如此，这些燃料与煤还是存在很大区别，因此在现有燃烧炉中能否燃烧这些燃料，就取

　　尽管如此，这些燃料与煤还是存在很大区别，因此在现有燃烧炉中能否燃烧这些燃料，就取

决于它们的燃料特性与燃烧系统对燃料的适应性。显然，新的燃烧炉可以根据给定燃料设计

，但对原本用于化石燃料的燃烧炉进行改造的话，则有一定局限性。

3 替代燃料与煤共燃的污染物排放情况
　　由于各种替代燃料成分各异，因此所产生的污染物也各不相同，表2列出了几种具有代表性

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

的替代燃料污染物排放与控制。除农业废物具有低SO₂、NOx和灰尘排放的特性外

，其它替代燃料由于富含氯和重金属所导致的污染物排放值得进一步深入研究。

 

 

 

 

 

 

 

3.1 氮氧化物
　　农业废物与煤共燃能够降低氮氧化物NOx的排放水平，这是因为[8]：①农业 此外，农业废物与煤共燃过程中

废物中含有大量挥发

分，在低温下迅速析出进而与煤争夺氧燃烧，从而形成较低氧气浓度，有利于C和CO等还原

物质对NOx的还原分解反应，减少NOx的形成；②农业废物本身氮含量比煤少得

多，故与煤共

燃生成NOx的数量也会降低；③燃烧过程中农业废物释放出的挥发分与煤相比更富含

NH₃，而煤

则更富含HCN。NH₃能够分解成NH₂和NH，还能将NO还原成N₂，从而起到降

低NOx的作用；

而HCN能在O₂的作用下分解成NCO，进一步与NO反应生成污染物N₂O。增加农业废物与煤

的混燃比，有助于N₂O的低水平排放[9]。
　　此外，农业废物与煤共燃过程中NOx的减排作用还与其本身的含氮量、煤种（灰分）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

以及燃

烧方式有关[10]。例如，混烧煤和树叶，燃料NOx转变率降低了2%；混燃煤

和树枝时，燃料NOx转变率降低了33%[11]。
3.2 二氧化硫
　　因为农业废物中的含硫量大大低于煤，因此增加农业废物的比例将相应减少SO 的

2的

排放。而且，农业废物中的碱金属或碱金属氧化物能够与SO₂反应生成硫酸盐，起到固硫

剂的作用[12]。
　　SO₂的减排效果因共燃农业废物和煤种含硫量的不同而不同。例如，刘豪等研究混烧煤和

 

 

 

 

 

 

 

 

树叶、树枝时，燃料SO₂转变率分别降低了10%和16.7%[11]。B. Leckner等

[13]在

污泥与煤/木质燃料的混燃实验中发现，添加石灰石对木质燃料的脱硫效果不及煤。

　　M.Belén Folgueras等[14]提出，脱硫效率还与燃烧温度有关，温度越高，脱硫效

率越低；当有Fe₂O₃和SiO₂存在时，CaO的固硫作用将被减弱。
3.3废物中氯的排放
　　大多数含氯燃料在燃烧中有可能产生HCl、二恶英PCDDs、呋喃PCDFs等含氯有害物质的排放

。
　　当煤与城市生活垃圾混烧时，几乎所有的煤和MSW/RDF中的氯都会转化为HCl挥发排出 混燃过程中含氯有机物的排放浓度与燃料类型和燃烧状况有关。烟气中二恶英的浓度随燃料

 

[16]，

进而引起锅炉热交换器的高温腐蚀。一般在喷钙脱硫的同时，也可以降低HCl的排放水

平。HCl的脱除与很多因素有关，其中温度和含水率的影响是最重要的。当高温和高含水率

时，HCl的脱除明显受到抑制[17]。

 

　　混燃过程中含氯有机物的排放浓度与燃料类型和燃烧状况有关。烟气中二恶英的浓度随燃料

中氯含量的增加而增加，飞灰中二恶英浓度则易受燃烧状况的影响，燃烧越完全，飞灰中的

二恶英浓度越

 

高[18]。Fe、Al等元素[19]，尤其是Cu对二恶英和呋喃的形成会起到催化 除了会引起氯化氢和二恶英的生成，氯还会造成积灰结渣问题。如

作用[20-21]，但也有研究结果表明，Cu与PCDD/F的形成并无直接关系

 

[22-23]。

　　除了会引起氯化氢和二恶英的生成，氯还会造成积灰结渣问题。如RDF含氯水平高，当与富

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

含碱金属的农业废物混燃时，将导致严重的积灰结渣问题[24]。此外，RDF中的氯

还会影响Pb、Ni等重金属的挥发性[25-26]。

3.4 替代燃料中重金属元素的迁移特性
　　除农业废物以外，替代燃料中的重金属含量普遍偏高，除部分残留于灰渣中之外，部分则会

在高温下气化挥发进入烟气。部分重金属在炉中参与反应生成的氧化物或氯化物，比原金

属元素更易气化挥发。各种金属元素及其化合物的挥发度见表3。

　　重金属排放与金属的挥发性和燃烧状况有关[28]。例如，Pb、Sb、Cd、As、Zn 大部分重金属可通过袋式或静电除尘器得到有效捕捉，脱除效率达流化床混合燃烧过程中，

、Ni等金属可与烟气中的HCl形成挥发性氯化物[29]。低温燃烧有

 

助于减少金属挥发，但在高温

下停留时

间过长势必造成金属挥发增加[30]。有关添加石灰石对重金属排放的影响众说纷纭

。Clarke

[30]认为，喷钙脱硫增加了As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、V、Zn、Cd等金属的排放。T

.C

 

.Ho等[31]则认为，脱硫的同时也可有效控制重金属的排放，可取得20%～99％的脱

除率；混合金属比单一金属能获得更高的脱除效率，而且混合吸收剂也能产生最高的脱除

效率；硫、氯的存在

能强化捕捉过程，对于Pb、Cr更是如此。Kouvo的实验结果显示[32]，喷石灰石仅

对As和Se的脱

 

除有用，As的脱除率由28%增加至68%，Se的脱除率则由79%增加至92%，脱汞率反而下降到28

%。Manninen[33]研究表明，添加石灰石脱硫脱氯对重金属排放并未构成显著

影响。

　　大部分重金属可通过袋式或静电除尘器得到有效捕捉，脱除效率达80%～100% 流化床混合燃烧过程中，

 

[32-33]。

　　流化床混合燃烧过程中，Cu、Pb、Mn、Ni、Zn等重金属既可以通过床料捕捉，也可以从床层

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

中挥发出去，这取决于燃料特性、燃烧工况及重金属在床层中的饱和程度。例如，当燃料中

不

含氯时，Zn可以氧化生成ZnO固定在床层中；当燃料中含氯时，Zn则与燃料中的氯结合成ZnC

l2而从床层中挥发出去[34]。

 

 

4 结渣特性
　　引起替代燃料结渣的原因很多，其中研究最多的是因替代燃料的灰熔点低而引起的

结渣现象，现以富含碱金属的农业废物为例来说明。
　　许多农业废物在流化床燃烧过程中，可能发生烧结现象。例如稻草、高粱秆的烧结温度在68 　　

0℃左右，玉米秆的烧结温度在740℃左右[35]。一般认为，这与燃料中富含钾、钠

有关。床

料一般采用石英砂，其熔融点为1450℃[36]。除了灰分自身的粘结作用，碱金属化

合物还与床料发生如下反应：
　　2SiO₂+Na₂CO₃→Na₂O·2SiO₂+CO₂（1）
　　4SiO₂ +K₂CO₃→K₂O·4SiO₂+CO₂（2）
　　上述反应所形成的共晶物熔融点分别为874℃和764℃。如灰渣中富含Fe₂O₃，则结渣倾 向将 有所减轻，因为反应（　　

 

 

有所减轻，因为Fe₂O₃会与碱金属化合物（X代表K或 Na）发生反应（3）、（4），阻止 反应（　　

反应（1）、（2）的发生，形成熔点高于1135℃的共融物[37-38]。 　　Fe₂O₃+X₂O→X₂Fe₂O₄　　（3）
　　Fe₂O₃+X₂CO₃→X₂Fe₂O₄+CO₂　　（4）
　　流化床一旦结渣，则床内温度梯度和床压波动开始形成，随着给料的继续和结渣程度的加剧 ，最终将导致整个床层流化失败。　　当许多替代燃料在成管路灰沉积，如有硫或氯存在，还将进一步引起高温腐蚀问题。表

 

 

，最终将导致整个床层流化失败。
　　当许多替代燃料在FBC锅炉中燃烧时，由于熔融或半熔融的飞灰颗粒或碱金属盐的冷凝，造 成管路灰沉积，如有硫或氯存在，还将进一步引起高温腐蚀问题。表

成管路灰沉积，如有硫或氯存在，还将进一步引起高温腐 蚀问题。表

蚀问题。表4列举了由此引发的运行故障。

5结语
　　替代燃料与煤混合燃烧，具有解决能源与污染问题的双重意义，近十几年来发展很快， 应用前景十分广阔。我国在这方面的研究比较薄弱，有关替代燃料的燃料特性、 燃烧技术等方面的基础性工作有待逐步完成。尽管共燃具有许多优点，但仍面临许多问题，如替代燃料的预处理、结渣、腐蚀等等。此外，由替代燃料中的氯和重金属所致的污染物排放也值得进一步研究。

 

 

燃烧技术等方面的基础性工作有待逐步完成。尽管共燃具有许多优点，但仍面临许多问题 ，如替代燃料的预处理、结渣、腐蚀等等。此外，由替代燃料中的氯和重金属所致的污染物排放也值得进一步研究。

，如替代燃料的预处理、结渣、腐蚀等等。此外，由替代燃料中的氯和重金属所致的污 染物排放也值得进一步研究。

染物排放也值得进一步研究。  

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alternative fuels; cocombustion; fuel characteristics; pollutants; fouling

 

　　关键词： 替代燃料

 

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