生物質(zhì)鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀與存在問題

河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院

摘要：根據(jù)國家能源局印發(fā)的"《生物質(zhì)能發(fā)展“十二五”規(guī)劃》確定的目標(biāo)，至2015年我國生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)容量將超過13000"MW。生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的研究及開發(fā)對(duì)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有決定性的影響。生物質(zhì)作為新型的燃料，其爐內(nèi)燃燒特性需要詳細(xì)的研究，本文結(jié)合國內(nèi)外的生物質(zhì)鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)我國生物質(zhì)鍋爐存在的受熱面沾污、腐蝕及結(jié)渣、SOx、NOx、HCl以及氣溶膠的排放問題進(jìn)行了初步分析研究，并對(duì)生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行了介紹，分析了其燃料在鍋爐中燃燒存在的問題，提出適應(yīng)我國的生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的相關(guān)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì);鍋爐技術(shù);現(xiàn)狀;問題

由于大量使用化石燃料而引起的能源短缺和環(huán)境惡化問題，生物質(zhì)能已經(jīng)在鍋爐燃料中占據(jù)重要的地位。我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約為6.5"X108t，預(yù)計(jì)到2015年將達(dá)到7.26"X108t;薪柴和林業(yè)廢棄物資源量中，可開發(fā)量每年達(dá)到6"X108t以上[1]。每年因無法處理的剩余農(nóng)作物秸稈在田間直接焚燒的超過2"X108t，這不僅浪費(fèi)了資源，而且造成嚴(yán)重的空氣污染。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源生產(chǎn)和減少溫室氣體排放的目的，我國已于2006年1月開始實(shí)施《中華人民共和國可再生能源法》，為生物質(zhì)能等可再生能源的廣泛應(yīng)用提供制度和法律保證。

1生物質(zhì)鍋爐

生物質(zhì)鍋爐是將生物質(zhì)直接作為燃料燃燒，將燃燒產(chǎn)生的能量用于發(fā)電。當(dāng)今用于發(fā)電的生物質(zhì)鍋爐主要燃燒型式為流化床燃燒鍋爐和層燃鍋爐。

1.1流化床燃燒

流化床燃燒與普通燃燒最大的區(qū)別在于燃料呈顆粒形狀，燃料在流化床內(nèi)處于流化狀態(tài)進(jìn)行燃燒反應(yīng)和熱交換。生物質(zhì)燃料水分比較高，采用流化床技術(shù)，有利于生物質(zhì)的完全燃燒，提高燃燒效率。生物質(zhì)流化床鍋爐可以采用砂子、高鋁磚屑、燃煤爐渣等作為流化介質(zhì)，形成蓄熱量大、溫度高的密相床層，為高水分、低熱值的生物質(zhì)提供優(yōu)越的著火條件，依靠床層內(nèi)劇烈的傳熱傳質(zhì)過程和燃料在床內(nèi)較長(zhǎng)的停留時(shí)間，使生物質(zhì)燃料得以充分燃盡[2]。流化床鍋爐能夠維持在850℃左右的燃燒溫度并伴隨料層充分?jǐn)_動(dòng)，所以床內(nèi)不易結(jié)渣，并且低溫燃燒及爐內(nèi)脫硫減少了NOx，SOx等有害氣體的生成。

但是，流化床對(duì)入爐燃料顆粒尺寸要求嚴(yán)格，因此需對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行干燥、粉碎等一系列預(yù)處理，使其尺寸、狀況均一化，以保證生物質(zhì)燃料的正常流化。對(duì)于類似稻殼、木屑等比重較小、結(jié)構(gòu)松散的生物質(zhì)，就必須不斷地添加石英砂、高鋁磚屑等以維持正常燃燒所需的蓄熱床料，燃燒后產(chǎn)生的飛灰硬度較高，容易磨損鍋爐受熱面。此外，為了維持一定的床料流化速度，鍋爐風(fēng)機(jī)的耗電量較大，運(yùn)行成本相對(duì)較高。

1.2層狀燃燒

層狀燃燒是常見的燃燒方式，通常在燃燒過程中，沿著爐排上床層的高度形成不同的燃燒階段。層燃鍋爐的爐排主要有往復(fù)爐排、水冷振動(dòng)爐排及鏈條爐排等。采用層燃技術(shù)開發(fā)的生物質(zhì)能鍋爐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、投資與運(yùn)行費(fèi)用都相對(duì)較低。由于鍋爐的爐排面積較大，爐排運(yùn)動(dòng)速度或振動(dòng)頻率可以調(diào)整，并且爐膛有足夠的懸浮空間，能延長(zhǎng)生物質(zhì)在爐內(nèi)的停留時(shí)間，有利于生物質(zhì)燃料的完全燃燒。但層燃鍋爐的爐內(nèi)溫度較高，可以達(dá)到1000℃以上，由于生物質(zhì)燃料的灰熔點(diǎn)較低，很容易結(jié)渣。同時(shí)，在燃燒過程中對(duì)鍋爐配風(fēng)的要求比較高，難以保證生物質(zhì)燃料的充分燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率。

生物質(zhì)鍋爐的技術(shù)研究工作最早在北歐一些國家得到重視，隨后在美國也開展了大量研究開發(fā)，近幾年由于環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格和能源短缺，我國生物質(zhì)燃燒鍋爐的研制工作也取得了進(jìn)展。

2生物質(zhì)燃料鍋爐存在的問題

由于生物質(zhì)燃料，尤其是農(nóng)業(yè)廢棄物，含有比化石燃料高的氯含量和堿金屬含量，使得燃燒過程中出現(xiàn)一些技術(shù)難點(diǎn)，需要認(rèn)真對(duì)待，其中主要為：沾污、腐蝕、結(jié)塊、SOx、NOx、HCI以及氣溶膠的排放等。

2.1沾污與腐蝕

生物質(zhì)鍋爐基本上都存在嚴(yán)重的各級(jí)受熱面的積灰、過熱器結(jié)渣與沾污的問題。嚴(yán)重的沾污會(huì)降低傳熱效率，在惡劣的情況下，局部傳熱表面會(huì)被沾污覆蓋而喪失傳熱性能。積灰中存在大量的KCl（40%～80%）。積灰的形成主要是由于生物質(zhì)本身高的鉀和氯含量引起的。鉀和氯會(huì)以KCl的形式直接沉積在傳熱表面，也可能鉀與灰中的硅酸鹽反應(yīng)生成低熔點(diǎn)灰，增加了粘著在傳熱面的趨勢(shì)[5]。生物質(zhì)鍋爐過熱器同樣存在腐蝕的問題，并且隨著蒸汽溫度的升高，腐蝕率也增加。生物質(zhì)鍋爐中的腐蝕機(jī)理與氣相氯化物有關(guān)的腐蝕，沉積物中氯化物的固相反應(yīng)以及熔化的氯化物與硫酸鹽的反應(yīng)有關(guān)。沾污和腐蝕現(xiàn)象通常是同時(shí)存在的。腐蝕多發(fā)生在過熱器受熱面上，以氯腐蝕為主。

2.2生物質(zhì)燃料鍋爐結(jié)渣

在燃用生物質(zhì)的流化床中，發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的結(jié)塊現(xiàn)象。其形成的主要原因是生物質(zhì)本身含有的鉀鈉元素與床料（通常是石英砂）發(fā)生反應(yīng)，形成K2O·4Si02和Na2O·2Si02的低溫共熔混合物，其熔點(diǎn)分別為870℃和760℃。這種粘性的共晶體附著在砂子表面相互粘結(jié)，形成結(jié)塊現(xiàn)象[3]。在層燃鍋爐中燃燒溫度高于生物質(zhì)燃料灰融點(diǎn)（灰融點(diǎn)低于1000℃），形成較易碎裂的渣塊。

2.3有害氣體的排放

生物質(zhì)中S元素的含量一般都比較低，但在廢氣排放中仍可監(jiān)測(cè)到有部分SO2氣體。但在生物質(zhì)燃燒過程中，HCL的排放則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤的燃燒，這主要?dú)w咎于生物質(zhì)中的高氯含量。而這些排放物進(jìn)一步與生物質(zhì)中的鉀元素反應(yīng)，就很容易形成氣溶膠。氣溶膠排放到大氣會(huì)造成環(huán)境污染，而且也容易粘著在催化劑（例如SCR）表面，影響催化劑作用。以質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來看，生物質(zhì)中的N含量要小于煤，但由于生物質(zhì)的低熱值，以能量為標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)的N含量與煤同在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。但由于流化床燃燒溫度較低，且在高溫旋風(fēng)分離器后可較方便地采用噴氨脫硝措施以滿足NOx排放的嚴(yán)格要求。

3我國的生物質(zhì)發(fā)電鍋爐

3.1燃煤小火電廠改造成生物質(zhì)能發(fā)電廠

為實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)開發(fā)，對(duì)燃煤小火電廠鍋爐采用生物質(zhì)和煤混燒或者生物質(zhì)直接燃燒鍋爐改造的技術(shù)問題進(jìn)行研究，研究生物質(zhì)燃料和常規(guī)燃料混燒或生物質(zhì)直接燃燒的合理運(yùn)行方式，既節(jié)約了社會(huì)資源，又有利于社會(huì)穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)，符合當(dāng)前建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和諧社會(huì)的大局[4]。

3.2生物質(zhì)鍋爐的開發(fā)應(yīng)用

鍋爐的設(shè)計(jì)制造技術(shù)目前還是以引進(jìn)技術(shù)、國內(nèi)制造為主。山東單縣、高唐等多個(gè)項(xiàng)目都是引進(jìn)丹麥BWE公司的秸稈生物發(fā)電技術(shù)。這種鍋爐技術(shù)在國外已經(jīng)成熟并得到了認(rèn)可，但價(jià)格相對(duì)較高，我國目前尚處于消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)階段，從利用生物質(zhì)能、環(huán)境保護(hù)方面考慮必須開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)生物質(zhì)鍋爐。國內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)鍋爐主要以農(nóng)作物秸稈為主，已經(jīng)初步具備的燃燒技術(shù)包括：秸稈捆扎進(jìn)料結(jié)合水冷震動(dòng)爐排技術(shù)、秸稈與煤混燒技術(shù)、壓制成型的秸稈燃燒技術(shù)。秸稈捆扎進(jìn)料的燃燒，燃用前，需對(duì)每一包捆扎的秸稈進(jìn)行紅外線檢測(cè)其含水量，含水量lt;25%的合格品，經(jīng)破碎機(jī)破碎后進(jìn)人爐膛，并結(jié)合水冷震動(dòng)式爐排技術(shù)進(jìn)行燃燒。秸稈與煤混燒技術(shù)在國內(nèi)也有運(yùn)用，山東十里泉發(fā)電廠在原來的煤粉爐上摻燒破碎的秸稈，然而產(chǎn)生的灰渣很難得到綜合利用。單獨(dú)的秸稈燃燒產(chǎn)生的灰渣含有很高的鉀元素，可以用作肥料;煤的灰渣主要用于水泥工業(yè)的原材料。然而試驗(yàn)證明，秸稈與煤混燒的灰渣中的鉀元素對(duì)其回收利用具有負(fù)面影響。

4結(jié)論

我國生物質(zhì)燃燒技術(shù)已經(jīng)有了一些新的突破，并不斷有新爐投運(yùn)，國外的生物質(zhì)燃燒鍋爐技術(shù)已趨成熟，并投人運(yùn)行。然而生物質(zhì)鍋爐存在的一些問題，包括沾污、腐蝕、結(jié)塊、SOx、NOx、HCl以及氣溶膠的排放等，這些問題主要由生物質(zhì)本身的物理化學(xué)特性引起，還需要進(jìn)一步的研究，并開發(fā)出合適的燃燒設(shè)備。我國生物質(zhì)鍋爐的開發(fā)重點(diǎn)和需要解決的問題是：生物質(zhì)燃料的預(yù)處理設(shè)備開發(fā)、鍋爐受熱面沾污、腐蝕、結(jié)渣、氣溶膠排放等問題的深人研究;鍋爐設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的提高。

參考文獻(xiàn)：

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