生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)的探索

金山

(上海浦東環(huán)保發(fā)展有限公司，上海200127)

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)的探索

金山

(上海浦東環(huán)保發(fā)展有限公司，上海200127)

介紹了生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)原理及其設(shè)備的工作過程，著重討論了生物質(zhì)鍋爐燃燒過程中的燃料收集和存儲、送料堵塞以及受熱面結(jié)焦等問題，并提出了優(yōu)化運(yùn)行和提高鍋爐效率的改進(jìn)措施。

生物質(zhì);直燃發(fā)電;燃料特性;改進(jìn)措施

1 概述

我國生物質(zhì)能資源豐富，特別是在我國許多偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)能仍是主要的生活能源，但均是傳統(tǒng)的低效利用方式，利用技術(shù)水平低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。生物質(zhì)能源由于具有資源豐富、可再生且分布地域廣、可實現(xiàn)CO2零排放、大氣污染物排放少等優(yōu)點，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的綠色可再生能源之一［1－2］。我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006年－2020年)指出，到2020年我國生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)到30000MW，生物質(zhì)成型燃料5000萬t，將生物質(zhì)秸稈發(fā)電和秸稈成型燃料確定為秸稈能源利用重點技術(shù)［3］。利用生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)建設(shè)大型直燃發(fā)電廠，單機(jī)容量達(dá)10～25MW，可將熱效率提高到90%以上，規(guī)模大、效率高，同時環(huán)保效益突出［4－5］。但是生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)還不成熟，運(yùn)行優(yōu)化還有待提高。

本文介紹了生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)的原理及設(shè)備，主要分析了燃燒過程中出現(xiàn)的問題并提出了改進(jìn)優(yōu)化運(yùn)行和提高鍋爐效率的措施。

2 國內(nèi)外的生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電項目

2.1 國外的生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電項目

目前，丹麥生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)先進(jìn)，且得到了廣泛應(yīng)用。丹麥BWE公司是世界領(lǐng)先者，第一家生物質(zhì)燃燒發(fā)電廠于1998年投運(yùn)。此后，BWE公司在西歐建造了大量的生物發(fā)電廠，其中最大的發(fā)電廠是英國的Elyan發(fā)電廠，裝機(jī)容量38MW。目前丹麥已建立了13個生物質(zhì)燃燒發(fā)電廠，生物質(zhì)燃燒發(fā)電等可再生能源占到全國能源消費(fèi)量的24%以上。許多國家都將生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)作為21世紀(jì)發(fā)展可再生能源戰(zhàn)略的重點工程，還制定了相應(yīng)的計劃，如日本的“陽光計劃”，美國的“能源農(nóng)場”，印度的“綠色能源工廠”等。

德國在20世紀(jì)80年代提出的控制NOx排放的燃料分級燃燒技術(shù)，也可用于生物質(zhì)－煤粉混燒。試驗證明，對于固體和液體燃料，再燃燃料的揮發(fā)分越高，則再燃效果越好。在固體燃料中，生物質(zhì)的揮發(fā)分為75%，為最佳再燃燃料。

2.2 國內(nèi)的生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電項目

我國政府對生物質(zhì)能利用極為重視，已連續(xù)四個“五年計劃”將生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點科技攻關(guān)項目，開展了生物質(zhì)能利用新技術(shù)的研究與開發(fā)，并取得了多項科研成果。

2005年12月在山東棗莊的十里泉發(fā)電廠建成投產(chǎn)的我國首臺“煤粉－秸稈混燃”發(fā)電機(jī)組，丹麥BWE公司生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)，每年將燃用10.50萬t秸稈，相當(dāng)于減少7.56萬t原煤消耗，與改造前單純?nèi)济喊l(fā)電相比，利用秸稈－煤粉混燒發(fā)電技術(shù)改造后，每年可減少SO2排放量1.50t，有效減少了有害氣體及懸浮顆粒對大氣的污染。

2004年我國首個秸稈燃燒發(fā)電廠在河北省晉州市開工建設(shè)。該發(fā)電廠引進(jìn)丹麥的生物質(zhì)燃燒發(fā)電設(shè)備，建成后年發(fā)電量為1.20億(kW·h)，每年可節(jié)約煤炭16萬t，減少SO2排放量60多t，減少煙塵排放量400 t。

3 生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電原理及設(shè)備組成

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)直接送往鍋爐中燃燒，產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽推動蒸汽輪機(jī)做功，最后帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生清潔高效的電能。

目前國內(nèi)的生物質(zhì)發(fā)電項目，爐型基本上以水冷振動爐排爐為主。生物質(zhì)鍋爐燃燒設(shè)備與常規(guī)燃煤鍋爐有較大的區(qū)別，它是由給料機(jī)、爐膛、水冷振動爐排、一二次風(fēng)管、拋料機(jī)等設(shè)備組成。為了防止?fàn)t膛正壓時出現(xiàn)回火現(xiàn)象，一般在給料機(jī)出口處安裝有防火快速門，而且在全部給料系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有多處密封門、消防安全擋板和消防水噴淋設(shè)施。爐排多為振動爐排，振動爐排動作較小，活動時間短，設(shè)備的可靠性和自動化水平高，維護(hù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于往復(fù)式爐排及鏈條式爐排?？諝忸A(yù)熱器與燃煤電廠不同，它是一個獨立的系統(tǒng)。給水在送往省煤器之前，設(shè)置一條旁路流經(jīng)空氣預(yù)熱器和煙氣冷卻器進(jìn)行熱交換。流經(jīng)空氣預(yù)熱器時冷空氣被給水加熱，給水被冷卻;流經(jīng)煙氣冷卻器時給水被加熱，煙氣被冷卻。其他系統(tǒng)和設(shè)備與同規(guī)模的燃煤電廠相似。另外，由于生物質(zhì)中N和S元素含量較少，無需配備脫硫裝置。

3.1 生物質(zhì)直接燃燒過程

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電廠的原料經(jīng)過破碎、分選等預(yù)處理后放到原料儲存?zhèn)}，然后由輸送裝置送到給料機(jī)，然后送進(jìn)爐排，在爐膛內(nèi)開始燃燒，燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成煙氣的熱能。煙氣經(jīng)爐膛進(jìn)入水平煙道和尾部煙道，在流動過程中完成換熱過程。

3.2 余熱鍋爐的煙風(fēng)道系統(tǒng)

送風(fēng)機(jī)將冷空氣送入空氣預(yù)熱器中，加熱后的空氣分為兩路，一路(二次風(fēng))直接送入爐膛，主要用來混合、擾動和強(qiáng)化燃燒，另一路(一次風(fēng))進(jìn)入爐底一次風(fēng)斗，經(jīng)水冷振動爐排上方布風(fēng)板上的小孔進(jìn)入爐膛與燃料混合，提供燃燒需要的氧氣。高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)主要以輻射換熱的方式將熱量傳遞給爐膛四周的水冷壁，在爐膛上部和水平煙道處將熱量傳遞給過熱器、省煤器和煙氣冷卻器，然后流經(jīng)除塵器將攜帶的飛灰除去，比較潔凈的煙氣由引風(fēng)機(jī)送往煙囪排入大氣中。

3.3 余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)

鍋爐給水由給水泵升壓后，送到高壓加熱器加熱，經(jīng)過空氣預(yù)熱器和煙氣冷卻器然后送到省煤器中預(yù)熱，受熱后進(jìn)入汽包。分離后的水沿著下降管送到水冷壁管，吸收輻射熱量，部分變?yōu)樗羝?。汽水混合物上升進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離，分離的水留在汽包中又一次下降，蒸汽則經(jīng)過過熱器等加熱后變成飽和蒸汽送到汽輪機(jī)進(jìn)行做功。做功后的蒸汽經(jīng)凝汽器、凝結(jié)水泵、低壓加熱器和除氧器，然后又經(jīng)過給水泵和高壓加熱器送進(jìn)汽包，如此往復(fù)循環(huán)。

3.4 汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電廠的汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)與同規(guī)模的常規(guī)燃煤電廠的相同，目前較為常用的是高溫高壓單缸抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組。

4 存在的問題及改進(jìn)措施

4.1 生物質(zhì)直接燃燒過程中存在的問題

(1)燃料的收集及儲存問題。我國生物質(zhì)資源以農(nóng)林廢棄物為主，其特點是資源分散、搜集運(yùn)輸較困難、季節(jié)性強(qiáng)、原料供應(yīng)穩(wěn)定性差。并且品種多樣，不同的生物質(zhì)燃料的各種成分含量不同，這要求鍋爐的上料系統(tǒng)具有對燃料種類、粒度有較廣泛的適應(yīng)性。生物質(zhì)燃料的密度較小，存儲堆放場地要求較大，而且還要進(jìn)行防雨、防潮和防火設(shè)施建設(shè)，維護(hù)費(fèi)用較大［6］。

(2)進(jìn)料及上料問題。生物質(zhì)質(zhì)地松軟，密度小，發(fā)熱量低，因此生物質(zhì)燃料的體積消耗量要比同規(guī)模燃煤電廠大很多，生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電廠需要更大的上料系統(tǒng)［7］。另外由于生物質(zhì)燃料種類很多，而且長時間堆放后容易吸水受潮，導(dǎo)致混和上料的時候，容易出現(xiàn)纏結(jié)堵料，不均勻，從而導(dǎo)致鍋爐的燃燒不穩(wěn)定。

(3)受熱面的結(jié)焦腐蝕問題。由于生物質(zhì)灰中的堿金屬及氯的含量高，燃燒過程中會產(chǎn)生大量的堿性物質(zhì)，具有較高的腐蝕性。由于飛灰的熔點低，因此受熱面又很易結(jié)焦。

(4)燃燒不穩(wěn)定問題。生物質(zhì)燃料的水分和氧量含量較多，熱值較低，在相同鍋爐出力的情況下，煙氣量較大，燃燒穩(wěn)定性差，灰渣含碳量高，進(jìn)而導(dǎo)致主要輔機(jī)故障率和能耗較高、燃燒效率低。

4.2 針對生物質(zhì)燃燒過程中產(chǎn)生問題的改進(jìn)措施

(1)燃料輸送系統(tǒng)的優(yōu)化。燃料輸送系統(tǒng)和鍋爐給料系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，工藝復(fù)雜，另外由于生物質(zhì)燃料種類很多，混和上料的時候，容易出現(xiàn)輸料螺旋和斗式提升機(jī)經(jīng)常堵塞的現(xiàn)象?？筛倪M(jìn)現(xiàn)有的給料工藝減少給料環(huán)節(jié)，不采用斗式提升機(jī)，改用棧橋、皮帶，直接將料倉的料輸送到爐前料倉。同時嚴(yán)格控制燃料濕度和粒度，防止燃料結(jié)團(tuán)，并改進(jìn)自動化控制手段，保證輸料系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行［8］。

(2)受熱面及吹灰系統(tǒng)的優(yōu)化。生物質(zhì)燃料具有高氯、高堿、灰熔點低等特點，燃燒時比燃煤電廠更易發(fā)生結(jié)焦、腐蝕，從而影響過熱蒸汽的產(chǎn)量以及鍋爐性能。措施:一是可以改進(jìn)低壓煙氣冷卻器鰭片式緊湊結(jié)構(gòu)，采用光管煙氣冷卻器可以減輕積灰;二是在過熱器、再熱器等換熱面的吹灰設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，選擇最優(yōu)的吹灰時間，以減少換熱面結(jié)焦和提高鍋爐效率。

(3)生物質(zhì)燃料檢測。由于生物質(zhì)燃料中含有較多的水分，在生物質(zhì)燃料進(jìn)廠前，應(yīng)采用人工或在線檢測的方法測定燃料中的水分含量，確保在運(yùn)行過程中設(shè)定合適的一、二次風(fēng)量。

(4)燃燒過程中的優(yōu)化調(diào)整。針對生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電廠的鍋爐，設(shè)計燃燒調(diào)整試驗，分析一次風(fēng)、二次風(fēng)和燃料性質(zhì)等因素對燃燒工況的影響，得到典型工況點下最佳的一、二次風(fēng)量比以及配風(fēng)方式，從而降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率［9］。

(5)煤與生物質(zhì)混合燃燒。煤與生物質(zhì)混合燃燒技術(shù)簡單，投資和運(yùn)行費(fèi)用低，此外，生物質(zhì)相對較便宜，對燃煤電廠而言還可增加燃料的選擇范圍和燃料適應(yīng)性，降低燃料成本。煤粉燃燒發(fā)電效率高，可達(dá)35%以上，生物質(zhì)燃燒低硫低氮，在與煤粉混合燃燒時可以降低電廠的SOx和NOx排放［10］。煤與生物質(zhì)混合燃燒，為現(xiàn)役電廠提供一種快速而低成本的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，是一種廉價而低風(fēng)險的可利用再生能源的發(fā)電技術(shù)。

5 建設(shè)生物質(zhì)燃燒發(fā)電廠急需解決的問題

目前，生物質(zhì)燃燒發(fā)電項目普遍存在的較大問題就是原料收集難問題，據(jù)統(tǒng)計，江蘇省已建成投運(yùn)的13家生物質(zhì)發(fā)電廠，出現(xiàn)了家家虧損的局面。

生物質(zhì)燃料的收購工作有其特殊性，可以采用以下方式取得當(dāng)?shù)卣闹С?與政府簽定生物質(zhì)收購合作協(xié)議，根據(jù)總收購量給予政府一定金額的組織管理費(fèi)用補(bǔ)貼。政府可以在以下方面對生物質(zhì)燃料收購工作進(jìn)行支持:采取相關(guān)措施，全面禁止生物質(zhì)燃料在田間焚燒;采取必要措施，禁止境內(nèi)生物質(zhì)資源外流;全力協(xié)調(diào)周邊的交通運(yùn)輸部門，確保生物質(zhì)燃料的運(yùn)輸工作正常進(jìn)行;利用當(dāng)?shù)孛襟w及行政手段積極大力宣傳生物質(zhì)燃料收購工作，引導(dǎo)當(dāng)?shù)厝罕姺e極參與收購工作;在不影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入的情況下，積極引導(dǎo)農(nóng)民收集生物質(zhì)燃料，使我們項目有可靠的燃料供應(yīng);為能及時有效協(xié)調(diào)生物質(zhì)燃料收購工作過程中各種問題，可成立燃料收購聯(lián)合協(xié)調(diào)辦公室。

綜上，探索經(jīng)濟(jì)高效的生物質(zhì)燃燒和優(yōu)化技術(shù)以及促進(jìn)建立生物質(zhì)燃料收集、預(yù)處理和配送體系是亟待解決的問題。生物質(zhì)具有可再生性、環(huán)境友好性，推廣及發(fā)展生物質(zhì)能利用及燃燒發(fā)電技術(shù)對于我國的能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

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Exploration of biomass direct combustion technology

The biomass direct combustion power generation technology and its equipment working process are discussed and analyxed.It focused on the biomass boiler combustion process fuel collection and storage，feed blockage and heating surface coking and other issues.Some improvements to optimize operations and improve boiler efficiency are put forward.

biomass;direct－fired power generation;fuel characteristic;improvements

TK6

B

1674－8069(2015)01－050－03

2014-09-19;

2014-12-05

金山(1982-)，男，碩士，主要從事能源電力及環(huán)保工作。E－mail:nissan_sss@163.com