火力发电厂煤炭与生物质掺烧：技术方案、影响和未来前景
生物质掺烧(混合燃烧，生物质耦合)被广泛认为是减少煤炭发电行业二氧化碳排放的最具成本效益和易于部署的方式。除了政策和市场的益处及瓶颈外，生物质掺烧在煤电厂的实施还受到多种技术和环境问题的影响。已开发并验证了多种掺烧的技术方案，从最常见的直接掺烧方案到更复杂的并行和间接掺烧系统。掺烧的影响主要与生物质燃料和灰分的特性有关，影响燃料处理系统、燃料转换、结渣/积灰和腐蚀、排放和灰分利用。现有的运行经验和可用的解决方案表明，当生物质热量比例相对较低时，大多数技术问题并未显现或可轻松解决。然而，随着生物质热量比例的增加以及更多问题燃料的利用，需要进一步的研究和示范活动来评估掺烧的潜在影响。
掺烧被定义为在同一能源厂中同时燃烧两种或多种燃料以生产一种或多种能源载体的过程。掺烧最常见的应用是在大型煤粉炉电厂中，部分用固体生物质燃料替代煤炭。在近些年，国内不少煤电企业和设研机构针对煤炭掺烧生物质展开了众多实验，使用了几乎所有主要类型的生物质（草本、木质、动物废弃物和其他废物），与几乎所有等级的煤炭组合，并在几乎所有主要类型的煤粉锅炉（切向燃烧、壁式燃烧和旋风燃烧）中进行了燃烧。
掺烧的主要优势在于，与其他技术相比，它能够以非常低的成本和短时间实现煤炭行业的二氧化碳减排。已报告的掺烧改造的投资成本范围为每千瓦电功率（kWe）300至2500人民币，生物质容量低于每千瓦电功率7500人民币，而专用生物质电厂的成本为每千瓦电功率16000-35000人民币。这与其他较低成本的可再生能源发电（如水电的每千瓦电功率17500人密闭和陆上风电的每千瓦电功率7000人民币）相当。然而，作为一种热能过程，掺烧及专用生物质燃烧可以根据需求发电，而不像太阳能或风能那样受限。这有助于电网的稳定性，并通过利用更高的容量因数来加速资本投资回报率。总体而言，各国拥有掺烧经验的燃煤电厂数量及其燃烧技术的总电力成本与煤炭相当，较高的价格主要归因于生物质燃料的较高成本。此外，生物质掺烧目前是生物质转化技术中电效率最高的。专用生物质电厂的典型报告效率仅为25%，而经合组织国家的常规亚临界燃煤电厂的效率约为36%，最先进的机组则达到或超过43%。考虑到掺烧对煤电厂发电效率的影响可以忽略不计，这些生物质掺烧电厂的效率本质上与煤电厂相同。
尽管具有这些优势，掺烧并未被普遍采用。与政策、生物质市场和可持续性计划相关的问题是将燃煤电厂改造成掺烧电厂的首要考虑因素；不同国家对大规模生物质掺烧所需的支持方案的差异，已导致或预计将导致不同的市场发展和掺烧部署。一旦决定采用掺烧，并设定了政策和市场边界条件，主要影响改造决策的是技术和环境问题，如使用的生物质燃料类型、掺烧比例及掺烧方案。已识别出几项技术和环境挑战，这些挑战影响燃煤电厂运行的不同方面，包括燃料处理、燃料转化、结渣/积灰和腐蚀、排放形成及废气净化设备，最终涉及灰分利用。本文着重讨论当前的经验及与技术和环境问题相关的最新进展。首先，将概述将掺烧方案应用于燃煤锅炉的可用技术解决方案。然后，将分别讨论每个技术和环境影响类别。最后，将基于掺烧行业的技术方向提出结论和未来展望。
生物质掺烧技术方向
在所有混合燃烧的情况下，其核心思想是用生物质提供的热量来替代主燃料（煤炭）提供的等量热量。用于替代的技术解决方案取决于多个参数，如电厂类型、使用的燃料、生物质的热量比例、所需的复杂性以及经济性。一般来说，随着工艺复杂性和投资成本的增加，生物质的热量比例可以提高，并且可以与更多“问题”生物质燃料一起燃烧。混合燃烧的技术选项可分为三大类：
- 直接掺烧
- 并行掺烧
- 间接/气化掺烧
直接掺烧是最常见且经济的解决方案，但它对燃料的种类和热量比例有多种限制。对于含有问题化合物的生物质燃料或灰分质量在后续销售或处置中具有重要意义的情况，并行和间接混合燃烧方案更为合适。不同的混合燃烧技术选项如图1所示。
图一：不同的生物质掺烧方案
直接掺烧
直接混合燃烧是指在同一锅炉中同时燃烧煤炭和生物质。这是采用混合燃烧的最简单方法，因为所需的额外设备安装最少。针对直接混合燃烧，有不同的技术方案，主要区别在于燃烧前的生物质处理及其进入锅炉的入口位置。图2中列出了煤电厂的基本选项。
图二：直接掺烧的技术选项
第一个选择（图2中的路径1）涉及使用与煤相同的研磨设备处理生物质，并通过现有的煤燃烧器将其注入炉膛。该方法称为“共同研磨”选项，是混合燃烧的最简单方法，所需的资本成本最低。然而，由于燃烧条件未优化，火焰稳定性和传热特性较差，同时增加了结渣/积灰和腐蚀倾向的可能性。此外，生物质可能会干扰煤的进料和研磨系统，如造成堵塞或增加颗粒尺寸分布。因此，共同研磨仅适用于生物质热量比例较低且生物质燃料不具挑战性的情况，如清洁的木质颗粒。
第二个选择（图2中的路径2）通过一个独立的系统对生物质进行预处理，包括新的专用粉碎机或改装的煤研磨机。生物质燃料的进入仍通过现有的煤燃烧器来实现。这种设置需要在锅炉外进行改装，同时允许对生物质和煤颗粒大小进行更好的控制。另一方面，生物燃料输送管道的安装需要锅炉周围可能有限的空间，同时燃烧器的运行特性控制仍不理想。国内一些使用煤粉炉的电厂采用这个方案，其布局如图3所示。
图三：生物质单独粉碎直接掺烧方案
第三个选择（图2中的路径3）是在前一种方案的基础上，不仅安装了专用的生物质进料和粉碎系统，还安装了专用的生物质燃烧器。该方案需要更高的资本投资，并涉及更大的技术风险，因为这些改动还影响锅炉本身。然而，这种方案在燃烧条件上的控制程度更高，并且生物质对锅炉运行的影响风险最小。
还有一种选择，将生物质燃料用于上炉膛中专门设计的再燃系统中，旨在控制NOx排放。该系统仍处于开发阶段，目前仅有小规模测试的结果。预计该系统的投资成本将高于其他混合燃烧方案。在大多数情况下，直接掺烧方案中的生物质热量输入约为10%，受技术和经济限制。
并行掺烧
并行掺烧涉及在一个单独的、生物质专用锅炉中燃烧生物质。煤炭和生物质系统的集成发生在蒸汽循环中。通常情况下，生物质锅炉产生低等级蒸汽，该蒸汽在煤锅炉中被提升，从而实现的效率高于单独的生物质电厂，而煤锅炉的运行不会因添加生物质燃料而受到影响。燃烧残留物也是分别产生的，可以按照单一燃料燃烧的残留物进行处理。此外，尽管投资成本高于直接混合燃烧选项，但仍低于专用生物质电厂，因为该系统设计利用了燃煤电厂的现有组件。
在丹麦哥本哈根有一个并行掺烧的典型案例，据了解其主系统是800MW的超超临界锅炉，燃料采用木质颗粒、重油和天然气，辅系统由105MW的生物质锅炉驱动，燃料使用秸秆。它是世界上利用生物质的最高效电厂之一，总效率高达92%，电效率为42%，若无区域供热可升至49%。
间接/气化掺烧
间接掺烧（也称为气化后掺烧）在单独的气化炉中对生物质燃料进行气化；所产生的燃气在燃煤锅炉的炉膛中燃烧（图2中的路径4）。与并行掺烧类似，间接掺烧减少了生物质燃料对煤炉的影响，并允许单独收集残留物。此外，将气化气注入炉膛可以用作气体过度燃烧，以减少NOx的排放。最后，由于气体可以直接注入炉膛，电厂可以避免生物质气化过程中常见的能量转换损失和昂贵的烟气净化问题。然而，根据生物质燃料的质量以及氯和碱金属等元素的存在，可能仍需要进行烟气净化。因此，这种方案的投资成本也较高，因为需要安装新的气化炉。
据了解，市场还有一种专门针对气化掺烧设计的常压循环流化床气化炉，它产生的其他可以直接送入主煤炉，特别适用“问题”燃料的处理(未分类的城市固体垃圾，园林垃圾，废轮胎等)，国内不少头部电厂在很早之前都开展了这方面的研究和测试，积累了非常多的经验。
生物质燃料的储存和预处理
大型燃烧电厂需要对生物质燃料进行大量储存和预处理。对于固体生物质掺烧电厂来说，生产过程受到生物质低能量密度及其物理和生物化学特性（如纤维状性质和潜在分解性）的严重影响。而这些问题通常不会出现在煤炭中。因此，确保生物质处理系统的可靠性和无故障运行是混合燃烧改造的主要目标之一。
生物质预处理系统的设置高度依赖于燃料的物理特性；一般来说，有两种类型的系统：一种是处理颗粒或粒状材料的系统，另一种是用于处理捆扎生物质的系统。
- 秸秆和其他草本生物质材料通常以大方捆的形式运送到电厂，典型尺寸为1.2米x 1.3米x 2.4米，重量约为500公斤。这种捆包通常非常干燥，含水量低于20%，不太容易发生生物降解。它们可以长时间堆放在室内，并易于堆叠存储。此类系统可以高度自动化；秸秆捆通过吊车搬运，自动送入传送带，在传送带上进行拆捆、去除杂质，然后送入生物质粉碎机进行必要的尺寸减小，再送入燃烧器中。
- 颗粒状材料，如木屑和木块，以及颗粒化材料也是常见的生物质燃料。木屑和颗粒燃料都具有良好的流动性，尽管前者可能会表现出更广泛的颗粒尺寸、含水量和弹性，这可能导致进料系统中的堵塞问题。这些材料的储存通常是堆放进行的。对于木屑，含水量超过20%的材料可能会导致分解增加、干物质损失以及堆放点加热至自燃的情况。木颗粒由于生产过程中的低含水量，通常需要有屋顶的储存，以避免物理和生物降解。温度和气体测量的组合可以提供适当的生物质储存控制。
粉尘的产生和积累是一个主要问题，特别是在大规模处理颗粒燃料时。适当的抑尘设备包括爆炸通风口和灭火系统。在喂入生物质之前，去除超大尺寸、铁磁性和其他杂质是另一个重要步骤。接收料斗栅可以帮助去除大块材料，而移动筛或旋风分离器可以去除较小的杂质；铁磁性材料通过除铁器分离。
对于所有类型的生物质材料（颗粒、颗粒化或捆扎），粉碎燃料被认为是掺烧应用中最重要的预处理步骤。原因是煤粉炉是最常见的锅炉类型，它们要求煤颗粒的粒径分布在50–90微米之间。由于煤粉锅炉可以实现较大的生物质颗粒的有效转化，因此没有必要将生物质粒径减小至与煤相同的尺寸或形状。然而，对于生物质颗粒的尺寸要求仍超过专用生物质燃烧技术（如炉排燃烧和流化床）的典型要求。
“共同研磨”是指在研磨系统之前将生物质与煤流混合，如前文所述，这是最简单的方法，因为其唯一改造是生物质处理和储存系统。大多数煤磨粉机的运行取决于煤颗粒的脆性断裂，而这不适用于纤维状的生物质材料。此外，生物质颗粒在正常运行中往往会在磨粉机中积聚，并在停机时需要更长的时间才能清除。此外，研磨过程中的最大产品尺寸往往会增加，而湿生物质的研磨预计会影响研磨机的热平衡。旧的电厂改造项目中曾报道过研磨机功耗增加了10-15%，这表明没有对补充燃料进行适当处理。最后，由于生物质在较低温度（180°C）下会释放挥发性可燃物，因此应避免干燥的生物质与研磨机内的热风接触，特别是在间歇性研磨操作期间。
木屑和煤炭混合中进入磨粉机共同研磨
由于生物质对煤磨性能的影响，共同研磨仅限于较低的生物质比例。为了提高生物质的热量比例，建议使用专用的粉碎设备。在多个案例中，针对木质颗粒的煤磨改造表现出了总体满意的结果。然而，经验表明，改造后的研磨机的热量输入显著下降至原来的50-70%。此外，改造后的煤磨倾向于将颗粒破碎回其原始尺寸分布，同时需要与共同研磨相同的安全预防措施。对于需要更小粒径的情况，建议安装专门用于生物质燃料的粉碎机。
燃料转化
由于生物质颗粒具有高能耗、研磨磨损和纤维性特质，其研磨过程通常会生成尺寸较大、非球形、拉长的颗粒，典型长度为1-3毫米，长宽比超过6。煤粉锅炉通常设计用于处理非常小、几乎球形的煤颗粒，其粒径范围为50–100微米，长宽比不超过2。然而，与煤炭相比，生物质通常具有更高的挥发物含量，在热解过程中，生物质挥发物可占其无机物含量的90–95%，而大多数煤炭则为55–60%。热重分析实验表明，生物质挥发物的释放速度远高于煤炭，且在较低的温度下发生，从而降低了与煤相比的着火温度，并提高了火焰稳定性。此外，在煤粉锅炉条件下，生物质炭具有高度的多孔性和活性，而生物质颗粒的形状比煤颗粒的典型球形更有利于促进快速燃烧。因此，尽管颗粒尺寸不利，但当生物质的热量比例较低时，燃料转化仍可维持在较高水平。
然而，过大或过密的生物质颗粒可能会以较低的转化率留在底灰中。这种情况发生在大生物质颗粒燃烧延迟，且空气动力作用不足以支撑其重量时。此外，生物质的含水量（可能高于煤炭）也会影响其最大锅炉负荷和效率，从而影响转化效率。
计算流体动力学正逐渐成为评估生物质掺烧对燃烧器和锅炉运行影响的重要工具。为了获得良好的建模效果，多个研究者强调使用适当的子模型来描述生物质颗粒的行为。特别需要考虑的子模型包括：
- 生物质的热解动力学：由于生物质燃料的高挥发物含量，其热解动力学尤为重要。通常，CFD子模型采用单一的热解反应模型，但未考虑原料的多样性以及温度和加热范围的变化。随着生物质比例的增加，使用更复杂的模型（如多组分竞争模型）可以提供更深入的分析。
- 等温行为：对于煤颗粒，通常使用等温行为模型，但这种模型不再适用于生物质颗粒。对于大颗粒，使用等温模型会导致气体释放延迟和气体释放持续时间的缩短，而实验结果和建模证据表明，颗粒表面在核心之前已达到热解温度。
- 生物质颗粒的非球形效应：在评估生物质颗粒的阻力和传热方程时，必须考虑其非球形的影响，因为这些因素会影响生物质颗粒的停留时间和燃尽。
总体而言，在正确的生物质颗粒大小和干燥度的情况下，生物质掺烧对转化效率的影响是微小的，并且即使是负面影响也是可控的。文献表明，将含水量低于10%的木质生物质燃料按质量比例5%与含12%水分和15.7%灰分的高挥发分烟煤一起混合燃烧，计算的效率损失在0.1%左右。
沉积物和腐蚀
与固体燃料能源应用相关的一个常见问题是，由于热交换设备上积累的沉积物，导致热传递率逐渐降低。沉积物通常包含“结渣”和“污垢”。结渣是指在锅炉主要暴露于辐射热的部分（如炉壁）上形成的沉积物，而污垢是指在对流通道上（如热交换管）因凝结而形成的沉积物。结渣和污垢的增加会降低热传递效率，并促进腐蚀反应的发生。腐蚀是指由于气相物质、沉积物或它们之间相互作用引起的壁材料内在特性恶化。尽管结渣和污垢问题会影响设备的整体效率和可用性，但在设备停机期间，通过烟灰吹扫（对于过热器管）和清洗可以去除沉积物。而腐蚀是永久性的，并严重影响设备的使用寿命。
结渣、污垢和腐蚀是复杂的现象，取决于燃料灰分的化学和矿物组成，以及炉内条件（温度和速度分布、还原或氧化气氛等）。对于煤粉锅炉，结渣倾向通常通过一系列经验指标进行评估，这些指标要么通过测量的灰分熔化温度（结渣指数）计算，要么通过主要灰分元素的化学成分（碱酸比）计算。煤的污垢指数主要依赖于钠含量。这些指数在生物质燃料的适用性方面仅在特定情况下得到验证。在掺烧的情况下，混合物的灰分组成主要取决于化石燃料部分，因为其灰分含量比生物质燃料更高。因此，当生物质热量比例较低（通常低于20%）时，这些指数仍然可以被视为估算此类混合燃料沉积倾向的有用工具。
生物质灰分，特别是草本材料或快速生长树种的灰分，与大多数煤种相比，具有更高的碱金属和氯含量。生物质灰分的部分碱金属含量通过氯化物或氢氧化物的形成释放到气相中。氯特别促进碱金属的蒸发，比碱金属浓度本身更为显著。因此，在燃烧过程中，部分碱金属以硅酸盐或硫酸盐的形式留在燃料灰分中，并最终以粗颗粒的飞灰颗粒的形式存在，这些颗粒主要由耐火物质（如钙、镁和硅）构成。灰分中的碱硅酸盐熔点较低，有时低于700°C，从而增加了结渣的倾向。气相中的碱金属，主要是碱金属氯化物，要么随烟气逃逸，要么在过热器管或较粗的灰分颗粒上凝结，增加污垢的倾向。
腐蚀现象发生在管壁上形成的保护氧化层受到含氯或硫化合物攻击时。管表面的硫化和氯化导致外层形成，这种外层没有氧化层的保护特性。其缺陷结构使其容易因侵蚀而脱落，从而进一步受到腐蚀。腐蚀可以通过气相反应（如Cl2和NaCl(g)与金属表面的反应）或通过固态和熔融相反应（与硫酸盐和氯化物的反应）发生。对于煤的燃烧，腐蚀通常是由与铁碱金属三硫酸盐（(Na,K)₃Fe(SO₄)₃）的熔融相反应引起的，而对于生物质燃烧，氯化物的影响更为显著。
欧洲经验表明，无论是煤炭锅炉中单独燃烧秸秆，还是在循环流化床锅炉中燃煤掺烧秸秆，都会导致严重的结垢和加速的过热器腐蚀（腐蚀速率增加了5到40倍），主要表现为选择性氯腐蚀。而在改造后的煤粉锅炉中混烧煤和秸秆，则没有出现严重的结垢问题，过热器腐蚀速率也只略微增加了50%。不过需要注意的是，在煤粉锅炉中，秸秆的热值占比不到10%。
腐蚀主要与碱金属（Na和K）和Cl以及Pb和Zn相关。生物质燃烧或共同燃烧期间的污垢和腐蚀现象可以通过在沉积之前捕获氯化物中的碱金属来缓解。这可以通过与硫或铝硅酸盐化合物的反应实现，如下所示：
其中M可以是钾（K）或钠（Na）。因此，可以通过与煤、污水污泥共同燃烧或添加煤灰来减轻问题生物质燃料的污垢和腐蚀倾向。图4展示了在高碱生物质与煤共同燃烧期间硫和铝硅酸盐的保护作用。值得注意的是，腐蚀仍可能通过与HCl的气相反应或与硫沉积物的反应发生，尽管这些被认为不如氯化物沉积引起的腐蚀严重。含有Al-Si、Ca、S和P物质的化学添加剂的使用也被广泛研究；然而，这种做法更为昂贵，且某些结果被报告为特定于地点的。
图四：生物质与含硫和铝硅酸盐的煤共燃可避免产生碱性氯化物
S/Cl或Al-Si/Cl摩尔比广泛用于指示燃料或燃料混合物受氯影响的沉积和腐蚀倾向。S/Cl比小于2通常表明高腐蚀风险，而当S/Cl比超过4时，预计会出现非腐蚀性行为。值得注意的是，与添加剂的使用相反，燃料混合物的复杂化学成分可能影响抵抗腐蚀元素的作用。例如，钙对硫的保留可能降低用于形成碱金属硫酸盐的硫的可用性。
总体而言，固体燃料燃烧中的沉积和腐蚀现象是非常复杂的现象，目前尚未完全理解。根据当前的操作经验，即使是含有高浓度碱金属和氯的“问题”燃料，在低热量比例的共同燃烧中，沉积物或腐蚀的管理是可行的，实际上可能被视为优于专门的生物质燃烧。
排放
在燃煤发电厂实施掺烧的主要原因之一是减少来自碳中性生物质燃料燃烧的二氧化碳排放。生物质掺烧过程中污染物形成和其他气体排放的复杂性与煤燃烧中的相似，主要污染物包括二氧化硫（SOx）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、有机化合物（包括二恶英）和尘埃颗粒。
生物质掺烧对二氧化硫排放的潜在减少被广泛视为一种好处。通常，随着生物质混合燃料比例的增加，减少的幅度更大，因为大多数生物质燃料的硫含量低于大多数煤类型。通过生物质灰分中的碱基化合物保留煤中的硫，有时会观察到比预期的燃料硫含量更高的附加减少。掺烧中较低的二氧化硫排放也会影响烟气脱硫（FGD）装置的运行，减少石灰石需求和石膏生产率。
掺烧中氮氧化物的排放情况则更为复杂，报告显示排放量有时低于专用煤燃烧的水平，也有时高于其水平。然而，通常情况下，混合燃烧的氮氧化物排放水平低于煤燃烧的水平，因为许多生物质类型，尤其是木材的燃料氮含量较低，并且生物质中的燃料氮主要转化为氨（NH3），其转化为氮氧化物的比例低于煤燃料氮主要产生的氰化氢（HCN）。在某些情况下，混合燃烧中氮氧化物的减少量被报道高于理论计算的进入炉内的总燃料氮量。
如前所述，生物质燃料通常比煤产生更高的挥发物，从而在近燃烧器区域创造出更大的富燃料区域，促进氮氧化物还原反应。然而，在燃烧器系统的空气供应设计中必须特别小心，以确保有足够的氧气用于快速释放的挥发物的燃烧，避免燃烧延迟。这一点在斜射燃烧和壁式燃烧锅炉中尤其重要，这些锅炉的低氮氧化物燃烧器最初就设计为在主燃烧区以化学当量或亚化学当量的条件下运行，同时部分二次空气被引导到过火空气系统。
此外，利用生物质作为重燃燃料以进一步降低氮氧化物排放的潜力也存在。生物质燃料通常还含有比煤更多的水分，降低了峰值温度，并相应减少了氮氧化物的排放。
然而，某些生物质燃料，如稻草，燃料氮含量较高。在这些情况下，建议通过计算流体动力学（CFD）建模评估混合燃烧对氮氧化物排放的影响，并结合试点和大规模演示结果。
越来越多的发电厂正在安装选择性催化还原（SCR）去氮氧化系统，以符合日益严格的排放限值。与选择性非催化还原（SNCR）系统不同，SCR系统的催化剂对挥发性无机化合物（如碱金属和磷酸盐）易受毒害，这些化合物在混合燃烧的烟气中预期会增加，尤其是在使用草本生物质时。除了生物质类型外，对催化剂的影响还取决于SCR单元在烟气处理系统中的位置。如果该单元位于烟气脱硫单元和烟囱之间，则烟气中的有害成分较少，这样就可以降低对催化剂的损害。然而，大多数SCR单元安装在高粉尘环境中，在空气预热器之前，因为该区域的高温使得使用更有效的沸石和钒或二氧化钛催化剂成为可能，因此烟气中无机挥发物的潜在影响更大。总体而言，混合燃烧对SCR操作的影响尚未完全解决，仍需进一步研究。
一氧化碳和有机污染物的排放主要取决于燃烧过程的质量，这在前面的章节中已讨论。只要燃烧系统设计合理，这些物质的排放水平应与燃煤的排放水平相当。然而，某些草本生物质的氯含量较高，可能导致氯化氢（HCl）排放水平升高。另一方面，典型的煤粉锅炉的高温水平表明，二恶英在炉中会被热降解，而不会被发电厂排放。
静电除尘器的性能和颗粒物排放水平在很大程度上取决于飞灰的化学性质。因此，在混合燃烧应用中，一个主要关注点是生物质灰分颗粒的捕集效率可能低于煤颗粒，而亚微米颗粒的排放水平将增加。这一点已通过多家工厂的运营经验得到证实，这些工厂在与木材混合燃烧时报告颗粒物排放略有增加。在某些情况下，由于混合燃烧过程中烟气体积的增加，烟气处理系统的有效性，包括静电除尘器（ESP），可能受到影响。另一方面，固体生物燃料的低灰分水平有助于ESP的性能。然而，其他工厂则报告混合燃烧对ESP性能没有影响，尽管大多数工厂的混合燃烧比例较低。与混合燃烧的其他影响一样，较高的热能比例预计会增加对ESP性能的影响。
总体而言，生物质掺烧相较于燃煤可视为对环境产生积极或中性的影响。仍然存在一些不确定领域，主要与SCR催化剂失活和对ESP性能的影响有关，需要进一步的研究和运营经验的反馈。
掺烧应用中的灰分利用
灰分是电厂的主要副产品，其利用是评估电厂环境性能的重要组成部分。然而，由于预测灰分特性存在困难，以及填埋灰分的选择始终存在，灰分的利用问题通常在设备启动后被搁置。
对于燃煤发电厂，灰分的利用途径已经相当成熟。例如，大多数煤粉灰以其良好的特性使其成为混凝土生产的有价值添加剂。相比之下，生物质灰分的利用尚不够先进，尽管根据燃料特性，有多种可用的选择，如作为天然肥料回收入土壤。混合燃烧灰分面临独特的挑战，因为燃烧副产品的化学特性介于纯灰分之间，可能不符合利用途径的规格。由于煤中的灰分含量高于大多数典型生物质，目标是获得使混合燃烧灰分特性符合现有煤灰利用途径的标准。这对最大混合燃烧比例构成了重要限制，此外还有前面讨论的其他因素。
底灰通常占煤粉锅炉总灰分的10–15%；底灰最常见的利用方式是在道路建设和其他基础设施工程中使用，用于路基和基础。在这些应用中，关键要求是通过浸出不良元素的污染是否保持在法规限制以下。在实践中，大多数来自燃煤发电厂的底灰，无论是否混合燃烧生物质，都可以在几乎没有限制的情况下使用。有时，灰分需要老化（暴露于环境空气中），以便吸收二氧化碳，使其碱性降低，从而减少某些元素的浸出。
粉灰占总灰分的大部分。如前所述，煤粉灰的主要利用途径是作为混凝土生产的添加剂。GB/T1596-2017标准规定了煤粉灰在该应用中必须满足的要求；对于混合燃烧的粉灰，该标准施加了一系列直接和间接的限制，涉及允许的生物质燃料清单、最大混合燃烧比例以及化合物的含量，如游离的氧化钙、磷和碱，以及未燃烧的物质。例如，根据GB/T1596-2017，基于质量的混合燃烧比例应低于40%或50%，如果生物质燃料是绿木，则混合灰分在总灰分中的比例应低于30%。
未来对增加生物质热能比例或改造为100%生物质燃烧的期望，将增加产生不合规灰分的数量。对于如何再利用，已经有了一些方向，包括追踪金属回收、作为金属和聚合物的填料以及磷的生产；然而，大多数并不具有经济吸引力，但国外有研究表明，生产轻质骨料的途径最接近经济成功。
生物质掺烧的未来展望
近年来，关于推进燃煤生物质掺烧的呼声越来越高，不少电厂在多年前就开始展开研究，很多项目也成功落地。结合国内外多年的实践经验，产业界多数认为目前两个方向是值得关注的。
第一个是利用热解生物质作为混合燃烧燃料（图2中的路线5），热解是一种在200–300°C下进行的热化学过程，典型的停留时间为1小时，在此过程中，生物质部分分解，释放挥发物，最终产品为剩余固体。热解过程中半纤维素基质的分解带来了显著的好处，如能量密度的增加、研磨时能耗的降低、疏水性特性的开发、抵抗生物降解的能力，以及更均匀的燃料特性。然而，热解气化方向需要投资大量设备，其稳定性也一般，国内的一项研究表明散料气化耦合的成本约为0.456元/kwh，在没有补贴的情况下难以盈利，目前关注度有所降低。
第二个是直接掺烧，不断提高生物质预处理系统的稳定性，产量和出料细度，减少处理能耗，同时，需在运行中不断积累数据，解决生物质占比高的情况下，整个热能系统相关问题，不断提高生物质在掺烧中的热能比例，最终实现火电厂零排目标。
结论
与煤炭混合掺烧生物质被认为是应对发电过程温室气体排放的最具吸引力的短期和长期解决方案。混合燃烧应用的有效性，加上其低成本和低技术风险，使其在大型发电厂运营商和考虑减缓二氧化碳排放、节省日益减少的化石燃料的机构的优先事项清单中排名较高。针对燃煤发电厂，已经开发了不同的混合燃烧方案。由于投资成本低，直接混合燃烧是最常见的方法；然而，它主要适用于无问题的木质生物质燃料，通常用于热能比例在10%左右的生物质。存在间接和并行混合燃烧电厂的例子，这些电厂即使在使用更具问题的生物质燃料时，也已证明能够达到高效率和良好的操作条件。
生物质燃料的处理由于生物质的生物性和纤维性而面临挑战；通过大规模专用生物质发电厂的操作经验，可以找到解决方案，而磨碎的要求在煤粉锅炉中由于相对高的转换效率而有所放宽。熔渣/结焦和腐蚀，尤其是在草本生物质燃料的情况下，是生物质燃烧的一个主要问题。以较低的热能比例与煤混合燃烧此类燃料可以通过硫酸盐或铝硅化合物对碱的保留，减轻氯引起的腐蚀和沉积的一些影响。混合燃烧已被证明对污染物排放产生了主要的积极影响，尤其是在SOx和NOx的情况下。关于脱氮催化剂失效和静电除尘器（ESP）性能影响的问题仍然存在不确定性。由于生物质灰分含量较低，混合燃烧的粉灰在大多数情况下可以遵循正常的煤灰利用途径，尽管在燃烧高碱或磷的生物质燃料以及提高混合燃烧比例时，预计会遇到挑战。显然，迫切需要确定新颖且经济的利用方案。
一般来说，当以热能比例不高于20%燃烧木质燃料时，混合燃烧实施容易且技术问题较少；对于稻草和草本生物质燃料，通常观察到没有问题的热能比例为10%。随着与其他生物能源系统以及木材非能源用途的竞争加剧，预计混合燃烧领域将向更高利用率的草本及其他“问题”生物质资源方向发展。随着热解生物质混合燃烧和燃煤电厂向更高生物质热能比例的转型趋势的发展，生物质混合燃烧领域亟需进一步的研究和技术开发。
注重长期价值，不销售廉价替代品