生物質(zhì)成型燃料鍋爐應(yīng)用及存在問題

張 彥，范振山

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121)

0 引 言

生物質(zhì)能是植物通過光合作用固定的太陽能，其利用過程中CO2零排放，SO2、NOx排放量較低，具有環(huán)境友好性，是一種低碳、清潔、綠色、可運(yùn)輸、可儲(chǔ)存的可再生能源[1]；對(duì)其進(jìn)行合理利用既能減少環(huán)境污染又能實(shí)現(xiàn)CO2減排減輕溫室效應(yīng)。開發(fā)利用生物質(zhì)能可改變我國(guó)現(xiàn)有的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少生物質(zhì)秸稈露天焚燒和棄置等環(huán)境問題，同時(shí)對(duì)解決“三農(nóng)”問題，推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，進(jìn)行生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

目前，世界上生物質(zhì)能利用技術(shù)在生物質(zhì)發(fā)電、生物液體燃料、生物質(zhì)成型燃料和生物質(zhì)燃?xì)獾确矫孑^成熟、可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；_發(fā)利用[2]。近年來，我國(guó)生物質(zhì)直燃發(fā)電快速發(fā)展，2018年全國(guó)生物質(zhì)發(fā)電量906億kW·h，為可再生能源發(fā)電量的4.85%。截至2018年底，全國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)1 781萬kW[3]。但直燃發(fā)電仍有燃燒裝置沉積結(jié)渣和防腐技術(shù)需要突破。生物質(zhì)燃燒技術(shù)與氣化、發(fā)酵等技術(shù)相比有效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。朱文[5]采用Fuzzy-VIKOR法和層次分析法兩種方法對(duì)江蘇省秸稈能源化四種利用方案進(jìn)行評(píng)價(jià)排序，兩種方法得出的一致結(jié)論為：秸稈成型燃料利用方案綜合評(píng)價(jià)值最高，其次是秸稈直燃發(fā)電、秸稈氣化、秸稈燃料乙醇。生物質(zhì)成型燃料是目前生物質(zhì)綜合利用的最為現(xiàn)實(shí)有效的方法之一[6]。

1 生物質(zhì)成型燃料特性

生物質(zhì)成型燃料是將生物質(zhì)廢棄物經(jīng)粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝，使木質(zhì)素軟化粘著后在機(jī)械壓力下壓縮制成一定形狀、結(jié)構(gòu)緊密的生物質(zhì)塊狀或棒狀、顆粒的成型燃料[7]，是一種可以替代薪柴、煤炭為生產(chǎn)生活供能的清潔燃料。

我國(guó)生物質(zhì)成型燃料的75%以秸稈為原料[8]。生物質(zhì)燃料C含量較低，約35.1%～42.6%[9]；S含量?jī)H為0.1%～0.5%，N含量為0.5%～3%[10]；燃燒時(shí)NOx、SO2排放量分別為煤的1/5、1/10，CO2凈排放量近似為0[11]。揮發(fā)分含量一般在60%～70%，遠(yuǎn)高于煤，比煤更易于點(diǎn)火和燃燒[12]。

2 生物質(zhì)成型燃料鍋爐的應(yīng)用

我國(guó)生物質(zhì)成型燃料鍋爐主要應(yīng)用于民用炊事、清潔取暖，工業(yè)供熱、干燥和發(fā)電等領(lǐng)域。

2.1 民用炊事、清潔取暖

我國(guó)農(nóng)村地區(qū)居民居住分散，炊事、清潔取暖需求因地制宜。目前多家機(jī)構(gòu)根據(jù)社會(huì)需求研發(fā)推廣熱水爐、熱風(fēng)爐、炊事爐及炊事采暖兩用爐等生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備，從多方面滿足用戶炊事、取暖生活需求。有些縣鄉(xiāng)洗浴中心、飯店等也采用生物質(zhì)成型燃料鍋爐。吉林固得為科技有限公司的5萬t秸稈成型燃料項(xiàng)目投產(chǎn)后，推廣了2000套農(nóng)村戶用爐具。吉林計(jì)劃到2020年，采用固得為模式建設(shè)10個(gè)同類示范項(xiàng)目，推廣30萬套戶用爐具[13]。生物質(zhì)成型燃料鍋爐可用于我國(guó)北方地區(qū)為居民供熱采暖，也適合向非集中供暖、偏遠(yuǎn)地區(qū)和單位靈活供熱供暖。

2.2 工業(yè)供熱、干燥

生物質(zhì)成型燃料鍋爐在工業(yè)供熱、干燥中也逐漸發(fā)揮其環(huán)保經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，如在糧食、煙葉等農(nóng)產(chǎn)品烘干中提供清潔熱力。武漢光谷藍(lán)焰生物質(zhì)成型燃料鍋爐清潔供熱項(xiàng)目33個(gè)，其在蒙牛(武漢)園區(qū)供熱項(xiàng)目中，每噸蒸汽耗資約312元，且排放標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于天然氣鍋爐排放水平[14]。

2.3 發(fā)電

我國(guó)推進(jìn)生物質(zhì)直燃發(fā)電轉(zhuǎn)向熱電聯(lián)產(chǎn)，穩(wěn)步發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電[2]。生物質(zhì)成型燃料可作為發(fā)電廠燃料[7]。

《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出積極發(fā)展生物質(zhì)成型燃料供熱，計(jì)劃到2020年將生物質(zhì)成型燃料年利用量由2015年的800萬t提高到3 000萬t，這使生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)面臨挑戰(zhàn)和機(jī)遇。規(guī)劃要求因地制宜，依據(jù)資源和市場(chǎng)條件、結(jié)合燃煤鍋爐治理和大氣污染防治，在京津冀魯、長(zhǎng)三角、珠三角、東北等區(qū)域和消費(fèi)散煤較多農(nóng)村地區(qū)加快推廣生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱。同時(shí)要求加強(qiáng)技術(shù)進(jìn)步和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。

3 存在問題及解決方法

一些單位盲目將燃煤鍋爐改造燃用生物質(zhì)成型燃料，造成爐膛設(shè)計(jì)參數(shù)與生物質(zhì)成型燃料不匹配、排煙損失大、鍋爐熱效率低，積灰和結(jié)渣造成沉積腐蝕，NOx等污染物排放超標(biāo)等問題[11,15-16]。

3.1 鍋爐熱效率低問題

要提升生物質(zhì)成型燃料鍋爐燃燒效率與熱效率，需要根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的特性，設(shè)計(jì)合理爐膛結(jié)構(gòu)，確定適宜配風(fēng)方式及參數(shù)，使揮發(fā)分充分燃燒，減小排煙損失和排煙污染，同時(shí)合理解決結(jié)渣和沉積腐蝕等問題。

3.2 沉積腐蝕問題

生物質(zhì)堿金屬、氯含量較高，燃燒時(shí)易形成沉積腐蝕，硅、硫等元素對(duì)沉積形成也起重要作用[16]。劉圣勇等[17]以玉米秸稈成型燃料為實(shí)驗(yàn)燃料，研究了燃料結(jié)渣的成因及影響因素，認(rèn)為燃料層溫度高于灰的軟化溫度、管壁表面粗糙造等是結(jié)渣的重要原因；隨著過量空氣系數(shù)增大、燃料層厚度增加、爐膛溫度上升、燃料粒徑增大，結(jié)渣率也相應(yīng)增大。羅娟等[18]用8種典型的生物質(zhì)顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表明當(dāng)生物質(zhì)顆粒軟化溫度超過1 389 ℃時(shí)，不結(jié)渣；軟化溫度越低越容易結(jié)渣；反之越抗結(jié)渣。

為防止沉積腐蝕問題的發(fā)生，可采用原料預(yù)處理去除氯和堿金屬，采用煤、石灰石等添加劑與生物質(zhì)成型燃料混燒，確定適宜的燃燒溫度和燃料顆粒密度，受熱面噴涂防腐蝕材料及機(jī)械方式吹灰、除渣等方法[1,16]。

3.3 NOx的排放問題

為減少生物質(zhì)成型燃料燃燒產(chǎn)生的NOx排放量，付成果[19]研究了甜高粱莖稈發(fā)酵后殘?jiān)尚皖w粒(發(fā)酵過程添加了N源)的燃燒特性和排放規(guī)律。趙琳琳等[20]在生物質(zhì)層燃爐低氮改造時(shí)采用低溫?zé)煔獯娑物L(fēng)，能使NOx的排放量有效降低，將20 ℃空氣改為50 ℃低溫?zé)煔鈺r(shí)，NOx的排放量為最低值88.15 ppm，減少了43%，NOx排放量總體隨低溫?zé)煔鉁囟壬叨仙?/p>

因此，采用優(yōu)化鍋爐設(shè)計(jì)，增大爐膛容積，降低過量空氣系數(shù)及燃燒溫度，低溫?zé)煔獯娑物L(fēng)等方法，能有效減少NOx的排放。

4 結(jié)束語

在“十三五”能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要時(shí)期，國(guó)家提出了積極發(fā)展生物質(zhì)成型燃料供熱的要求，實(shí)施了生物質(zhì)固體成型燃料質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T2909—2016)、生物質(zhì)成型燃料鍋爐(NB/T47062—2017)等標(biāo)準(zhǔn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和標(biāo)準(zhǔn)體系的健全，生物質(zhì)成型燃料鍋爐的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍將逐步擴(kuò)大，為各類用戶提供可再生清潔熱力，促進(jìn)生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。