秸稈鍋爐應(yīng)用研究探討

(哈爾濱市熱力公司，哈爾濱 150016)

0 引 言

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[1-3], 是可再生能源發(fā)電的一種, 包括農(nóng)林廢棄物(秸稈)直接燃燒發(fā)電、農(nóng)林廢棄物氣化發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電、垃圾填埋氣發(fā)電、沼氣發(fā)電[4-6]。

1 生物質(zhì)發(fā)電的形式及機(jī)理

生物質(zhì)發(fā)電主要方式是生物質(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)。生物質(zhì)直燃發(fā)電是在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)上進(jìn)行設(shè)備改型而實(shí)現(xiàn)的技術(shù), 技術(shù)基本成熟并得到規(guī)?；唐愤\(yùn)用, 是生物質(zhì)發(fā)電的主要方式。

2 發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電的重要意義

2.1 利用生物質(zhì)發(fā)電是解決能源短缺途徑之一

我國(guó)一次能源儲(chǔ)量少,其中煤的儲(chǔ)量為全世界的1/10,石油儲(chǔ)量為全世界的1/40,天然氣儲(chǔ)量為世界的1/100。能源短缺已經(jīng)制約了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為緩解這種狀況我國(guó)非常重視研究可再生能源的利用,如太陽(yáng)能、風(fēng)能、垃圾廢料、生物秸稈。中國(guó)政府先后出臺(tái)了《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》》，《 可再生能源與新能源國(guó)際科技合作計(jì)劃》和《可再生能源發(fā)展十一五規(guī)劃》。這些規(guī)劃和計(jì)劃中指出中國(guó)現(xiàn)階段全國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量約6億t，其中大約3億t可作為燃料使用，折合約1．5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，林木枝椏和林業(yè)廢棄物年可獲得量約9億t，大約3億t可作為能源利用，折合約2億t標(biāo)準(zhǔn)煤。

2.2 生物質(zhì)發(fā)電可以減少大氣污染

根據(jù)國(guó)家環(huán)保局統(tǒng)計(jì)由于SO2的污染,產(chǎn)生的酸雨已危害30%國(guó)土面積。中國(guó)每排放1 t SO2造成的經(jīng)濟(jì)損失約2萬(wàn)元,顧此2005年我國(guó)因SO2造成經(jīng)濟(jì)損失5 098億元。秸稈中硫的含量?jī)H為0.125%,相當(dāng)于燃煤含量的1/10，利用生物質(zhì)發(fā)電可以大量減少SO2的排放。

2.3 生物質(zhì)能發(fā)電可增加農(nóng)民收入

我國(guó)年產(chǎn)秸稈6億t左右,造肥還田、家庭燃灶消耗約35%,剩余4億t秸稈沒有利用。若秸稈以150元/t收購(gòu),農(nóng)民可增加收入600億元,對(duì)增加農(nóng)民收入,提高農(nóng)民生活水平大有好處。

3 秸稈鍋爐在電力和熱力行業(yè)應(yīng)用狀況及存在的問(wèn)題

3.1 秸稈鍋爐應(yīng)用狀況

秸稈直燃供熱發(fā)電項(xiàng)目對(duì)于桔稈的需求相當(dāng)大,一般25 MW秸稈直燃供熱發(fā)電項(xiàng)目年需要秸稈16萬(wàn)t左右。因此,發(fā)展秸稈直燃供熱發(fā)電項(xiàng)目的地區(qū),必須是糧棉等農(nóng)作物的主產(chǎn)區(qū)和種植相對(duì)集中的地區(qū),以保證有足夠的秸稈資源供應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)供熱發(fā)電秸稈鍋爐基本在75～130 t/h，不能增大容量的主要原因就是因?yàn)檫\(yùn)輸半徑的制約。同時(shí)，秸稈到廠價(jià)格直接決定了應(yīng)用的長(zhǎng)期性和經(jīng)濟(jì)性。目前，我國(guó)秸稈固體成型的關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，并已實(shí)行商業(yè)化。因此秸稈燃料的運(yùn)輸半徑最大可達(dá)到100 km以內(nèi)。

3.2 秸稈鍋爐發(fā)電供熱的成本分析

根據(jù)國(guó)外生物質(zhì)發(fā)電廠運(yùn)行統(tǒng)計(jì)及我國(guó)權(quán)威部門測(cè)算, 生物質(zhì)發(fā)電總體成本遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤發(fā)電成本, 約為煤電的1.5倍。成本高的原因有三個(gè): 一是初投資高, 生物發(fā)電單位投資約10 000元/kW, 而常規(guī)火電機(jī)組, 一般都在6 000～7 000元/kW。二是機(jī)組熱效率低于常規(guī)火電機(jī)組, 國(guó)內(nèi)可建的生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組容量較小, 參數(shù)較低, 因此熱效率低。三是燃料成本較高, 秸稈燃料的熱值小, 比重低, 導(dǎo)致燃料收集運(yùn)輸成本較高,這是制約其發(fā)展的主要因素之一。西北某地秸稈鍋爐驅(qū)動(dòng)超臨界1 000 MW機(jī)組項(xiàng)目運(yùn)行后得出只有標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)與秸稈單價(jià)比大于2.6時(shí)才能保證秸稈鍋爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，(如標(biāo)煤600元/t，電廠買入秸稈價(jià)格不能超過(guò)320元/t)。

3.3 秸稈鍋爐直接應(yīng)用于城市供熱的技術(shù)問(wèn)題

城市供熱區(qū)域鍋爐房主要是層燃爐，包括鏈條爐、往復(fù)推動(dòng)爐等，這類鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，技術(shù)上是可以燃煤層燃爐直接使用秸稈燃料運(yùn)行的。但是由于生物質(zhì)顆粒燃料與煤的燃燒特性不同，所以原有鍋爐結(jié)構(gòu)與操作工藝必須加以改造和改進(jìn)，否則將出現(xiàn)鍋爐出力和鍋爐熱效率大幅下降，甚至出現(xiàn)鍋爐設(shè)備事故，如直接使用秸稈燃料會(huì)發(fā)生以下問(wèn)題：

(1)使用秸稈燃料的結(jié)焦問(wèn)題。層燃爐使用生物質(zhì)燃料應(yīng)重點(diǎn)考慮燃料床結(jié)焦現(xiàn)象，生物質(zhì)燃料本身的灰分中含有鈣、鈉、鉀等離子，在生物質(zhì)燃料中秸稈里的堿金屬元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)燃煤的堿含量，層燃爐在改燒生物質(zhì)燃料后會(huì)形成渣層，進(jìn)而出現(xiàn)大面積結(jié)焦現(xiàn)象，對(duì)一次風(fēng)構(gòu)成較大影響。堿金屬( Na, K)氧化物和鹽類可以與SiO2形成的低溫共熔體熔融溫度分別僅為874°和764°,從而造成嚴(yán)重的燒結(jié)現(xiàn)象，會(huì)發(fā)生以下反應(yīng):

2SiO2+Na2CO3→Na2O*2SiO2+CO2

(1)

4SiO2+K2CO3→K2O*4SiO2+CO2

(2)

(2)使用秸稈燃料的腐蝕問(wèn)題。秸稈燃料中的氯元素不僅加重結(jié)焦還加重腐蝕現(xiàn)象，研究結(jié)果表明，當(dāng)燃料中氯含量大于0.3%時(shí)，與氯有關(guān)的鍋爐管束高溫腐蝕加劇。同時(shí)在鍋爐管的高溫腐蝕中，硫的腐蝕是一次性的，而氯的腐蝕是重復(fù)性。這就增加了鍋爐運(yùn)行的故障率和以及維修成本。

(3)秸稈燃料的揮發(fā)分過(guò)高引起的問(wèn)題。燃煤鍋爐不改造就不能很好地適應(yīng)秸稈燃料燃燒。原因一是因?yàn)榻斩捜剂蠐]發(fā)分太高，揮發(fā)分集中析出要求集中供應(yīng)二次風(fēng)。二是揮發(fā)分高使得燃燒設(shè)備的燃燒空間和受熱面要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。三是秸稈燃料碳含量少，鍋爐內(nèi)高溫停留時(shí)間短，需要的爐排面積和燃燒強(qiáng)度都比燃煤鍋爐小。四是秸稈燃料燃燒溫度低，原有燃煤鍋爐受熱面需要按照秸稈燃燒特性設(shè)置。

4 燃煤層燃鍋爐的改造與操作運(yùn)行工藝改進(jìn)

(1)鼓、引風(fēng)機(jī)應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置。為了適應(yīng)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒，必須對(duì)鼓、引風(fēng)機(jī)增裝變頻調(diào)速裝置，它可以實(shí)時(shí)調(diào)整供、引風(fēng)量及風(fēng)壓、煙壓，使燃料充分燃燒。

(2)爐排運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)采用變頻調(diào)速設(shè)備。當(dāng)燃料品種固定后在負(fù)荷一定的情況下燃料層厚度是不須經(jīng)常調(diào)整的，只須對(duì)爐排速度及配風(fēng)進(jìn)行調(diào)整。所以爐排必須為變頻調(diào)速方式。

(3)增裝二次風(fēng)系統(tǒng)是燃料充分燃燒減少氣體不完全熱損失的有效措施。通常情況下中小型鍋爐都是只有一次風(fēng)系統(tǒng)就可以滿足燃料燃燒了，但生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分遠(yuǎn)高于煤的揮發(fā)分，而且析出和燃燒時(shí)間很短，只是整個(gè)燃燒時(shí)間的10%左右，且主要是在爐膛空間燃燒。此時(shí)單靠從爐排下部供給的一次風(fēng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠且不及時(shí)的，必須及時(shí)向爐膛空間送入適量的空氣保證燃料懸浮燃燒所需的足夠氧氣。增裝二次風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選用變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)就會(huì)適應(yīng)燃燒需求。

5 生物質(zhì)能發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題

盡管生物質(zhì)燃料本身具有低灰、低硫特性,在直接燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電兩種系統(tǒng)的環(huán)境污染物排放都顯著優(yōu)于火電廠, 但仍然會(huì)有一定量的污染物產(chǎn)生。因此生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目必須依法開展環(huán)境影響評(píng)價(jià), 項(xiàng)目應(yīng)編制環(huán)境影響報(bào)告書。

6 秸稈鍋爐應(yīng)用目前存在的其他問(wèn)題

秸稈鍋爐應(yīng)用目前存在的問(wèn)題一是電價(jià)補(bǔ)貼要嚴(yán)格執(zhí)行、落實(shí)到位，目前秸稈發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)隨著投資的不同在0.58～0.7元/(kW·h)之間。在《可再生能源法》出臺(tái)后明確規(guī)定國(guó)家給予0.25元/(kW·h)的電價(jià)補(bǔ)貼,只有嚴(yán)格執(zhí)行此政策，才能有力地推動(dòng)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國(guó)第1臺(tái)裝機(jī)容量5 MW燃用谷殼、木屑、稻草的江蘇興化中科生物質(zhì)能發(fā)電有限公司因電價(jià)補(bǔ)貼沒有執(zhí)行而運(yùn)行不到一年被迫停產(chǎn)。二是缺乏專門制造燃用農(nóng)林廢棄物的鍋爐。目前雖有燃用秸稈等的專用鍋爐,但噸位偏小不符合城市發(fā)展需要，同時(shí)設(shè)計(jì)和制造上經(jīng)驗(yàn)不足,制造成本高,運(yùn)行可靠性差和配套設(shè)施不完備,投資過(guò)大,限制了推廣應(yīng)用。三是運(yùn)行成本高不利于競(jìng)價(jià)上網(wǎng)。由于秸稈熱電項(xiàng)目總投資普遍高于一般火電廠,必然導(dǎo)致發(fā)電成本要高。同時(shí)秸稈的收集、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、制備等過(guò)程耗費(fèi)大量的人力物力,致使秸稈收購(gòu)成本大幅上漲達(dá)到與煤價(jià)相當(dāng),所以不利于競(jìng)價(jià)上網(wǎng)。

7 供熱燃煤鍋爐改為秸稈燃料可行性的結(jié)論

(1)從煤和秸稈的燃料特性和現(xiàn)有供熱鍋爐的結(jié)構(gòu)來(lái)看，供熱燃煤鍋爐使用秸稈燃料是可行的，只是要部分系統(tǒng)改造。由于供熱行業(yè)鍋爐的鼓、引風(fēng)系統(tǒng)和爐排運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)基本都已采用變頻調(diào)速裝置，除塵器均為高效干濕兩級(jí)除塵器，現(xiàn)有輸煤和除渣系統(tǒng)的狀況，都符合秸稈鍋爐的運(yùn)行要求，所以現(xiàn)有供熱鍋爐只是增加二次風(fēng)系統(tǒng)、給料口等改造即可，改造量不大。

(2)供熱鍋爐使用秸稈的關(guān)鍵在于燃料的穩(wěn)定供應(yīng)，由于城市內(nèi)區(qū)域鍋爐房煤場(chǎng)均很小，不具備大量?jī)?chǔ)存秸稈燃料的條件，只能在城郊區(qū)域或者更遠(yuǎn)的農(nóng)村設(shè)置秸稈燃料收集、制備和集中儲(chǔ)運(yùn)廠。因此燃料的穩(wěn)定供應(yīng)和由此帶來(lái)的高額運(yùn)輸成本決定了秸稈燃料能否在供熱行業(yè)大面積推廣使用。

(3)秸稈燃料的價(jià)格決定了供熱企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。秸稈燃料的價(jià)格如果遠(yuǎn)小于燃煤價(jià)格，供熱企業(yè)就有推廣使用的積極性，否則供熱企業(yè)將不會(huì)采用這種增大了管理難度的新型燃料。

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