秸稈鍋爐應用研究探討

(哈爾濱市熱力公司，哈爾濱 150016)

0 引 言

生物質發電是利用生物質所具有的生物質能進行的發電[1-3], 是可再生能源發電的一種, 包括農林廢棄物(秸稈)直接燃燒發電、農林廢棄物氣化發電、垃圾焚燒發電、垃圾填埋氣發電、沼氣發電[4-6]。

1 生物質發電的形式及機理

生物質發電主要方式是生物質直燃發電,就是將生物質直接作為燃料進行燃燒, 用于發電或者熱電聯產。生物質直燃發電是在傳統的內燃機發電技術上進行設備改型而實現的技術, 技術基本成熟并得到規?；唐愤\用, 是生物質發電的主要方式。

2 發展生物質發電的重要意義

2.1 利用生物質發電是解決能源短缺途徑之一

我國一次能源儲量少,其中煤的儲量為全世界的1/10,石油儲量為全世界的1/40,天然氣儲量為世界的1/100。能源短缺已經制約了社會和經濟的發展，為緩解這種狀況我國非常重視研究可再生能源的利用,如太陽能、風能、垃圾廢料、生物秸稈。中國政府先后出臺了《可再生能源中長期發展規劃》》，《 可再生能源與新能源國際科技合作計劃》和《可再生能源發展十一五規劃》。這些規劃和計劃中指出中國現階段全國農作物秸稈年產生量約6億t，其中大約3億t可作為燃料使用，折合約1．5億t標準煤，林木枝椏和林業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標準煤。

2.2 生物質發電可以減少大氣污染

根據國家環保局統計由于SO2的污染,產生的酸雨已危害30%國土面積。中國每排放1 t SO2造成的經濟損失約2萬元,顧此2005年我國因SO2造成經濟損失5 098億元。秸稈中硫的含量僅為0.125%,相當于燃煤含量的1/10，利用生物質發電可以大量減少SO2的排放。

2.3 生物質能發電可增加農民收入

我國年產秸稈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,農民可增加收入600億元,對增加農民收入,提高農民生活水平大有好處。

3 秸稈鍋爐在電力和熱力行業應用狀況及存在的問題

3.1 秸稈鍋爐應用狀況

秸稈直燃供熱發電項目對于桔稈的需求相當大,一般25 MW秸稈直燃供熱發電項目年需要秸稈16萬t左右。因此,發展秸稈直燃供熱發電項目的地區,必須是糧棉等農作物的主產區和種植相對集中的地區,以保證有足夠的秸稈資源供應。目前國內供熱發電秸稈鍋爐基本在75～130 t/h，不能增大容量的主要原因就是因為運輸半徑的制約。同時，秸稈到廠價格直接決定了應用的長期性和經濟性。目前，我國秸稈固體成型的關鍵技術已取得突破，并已實行商業化。因此秸稈燃料的運輸半徑最大可達到100 km以內。

3.2 秸稈鍋爐發電供熱的成本分析

根據國外生物質發電廠運行統計及我國權威部門測算, 生物質發電總體成本遠高于常規燃煤發電成本, 約為煤電的1.5倍。成本高的原因有三個: 一是初投資高, 生物發電單位投資約10 000元/kW, 而常規火電機組, 一般都在6 000～7 000元/kW。二是機組熱效率低于常規火電機組, 國內可建的生物質發電機組容量較小, 參數較低, 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, 導致燃料收集運輸成本較高,這是制約其發展的主要因素之一。西北某地秸稈鍋爐驅動超臨界1 000 MW機組項目運行后得出只有標煤單價與秸稈單價比大于2.6時才能保證秸稈鍋爐的運行經濟性，(如標煤600元/t，電廠買入秸稈價格不能超過320元/t)。

3.3 秸稈鍋爐直接應用于城市供熱的技術問題

城市供熱區域鍋爐房主要是層燃爐，包括鏈條爐、往復推動爐等，這類鍋爐結構簡單、操作方便，技術上是可以燃煤層燃爐直接使用秸稈燃料運行的。但是由于生物質顆粒燃料與煤的燃燒特性不同，所以原有鍋爐結構與操作工藝必須加以改造和改進，否則將出現鍋爐出力和鍋爐熱效率大幅下降，甚至出現鍋爐設備事故，如直接使用秸稈燃料會發生以下問題：

(1)使用秸稈燃料的結焦問題。層燃爐使用生物質燃料應重點考慮燃料床結焦現象，生物質燃料本身的灰分中含有鈣、鈉、鉀等離子，在生物質燃料中秸稈里的堿金屬元素遠遠超過燃煤的堿含量，層燃爐在改燒生物質燃料后會形成渣層，進而出現大面積結焦現象，對一次風構成較大影響。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°,從而造成嚴重的燒結現象，會發生以下反應:

2SiO2+Na2CO3→Na2O*2SiO2+CO2

(1)

4SiO2+K2CO3→K2O*4SiO2+CO2

(2)

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

(3)秸稈燃料的揮發分過高引起的問題。燃煤鍋爐不改造就不能很好地適應秸稈燃料燃燒。原因一是因為秸稈燃料揮發分太高，揮發分集中析出要求集中供應二次風。二是揮發分高使得燃燒設備的燃燒空間和受熱面要進行重新設計。三是秸稈燃料碳含量少，鍋爐內高溫停留時間短，需要的爐排面積和燃燒強度都比燃煤鍋爐小。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置。

4 燃煤層燃鍋爐的改造與操作運行工藝改進

(1)鼓、引風機應采用變頻調速裝置。為了適應生物質顆粒燃料的燃燒，必須對鼓、引風機增裝變頻調速裝置，它可以實時調整供、引風量及風壓、煙壓，使燃料充分燃燒。

(2)爐排運轉應采用變頻調速設備。當燃料品種固定后在負荷一定的情況下燃料層厚度是不須經常調整的，只須對爐排速度及配風進行調整。所以爐排必須為變頻調速方式。

(3)增裝二次風系統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系統就可以滿足燃料燃燒了，但生物質顆粒燃料的揮發分遠高于煤的揮發分，而且析出和燃燒時間很短，只是整個燃燒時間的10%左右，且主要是在爐膛空間燃燒。此時單靠從爐排下部供給的一次風是遠遠不夠且不及時的，必須及時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。增裝二次風系統時，應選用變頻調速風機就會適應燃燒需求。

5 生物質能發電產生的環境問題

盡管生物質燃料本身具有低灰、低硫特性,在直接燃燒發電和氣化發電兩種系統的環境污染物排放都顯著優于火電廠, 但仍然會有一定量的污染物產生。因此生物質發電項目必須依法開展環境影響評價, 項目應編制環境影響報告書。

6 秸稈鍋爐應用目前存在的其他問題

秸稈鍋爐應用目前存在的問題一是電價補貼要嚴格執行、落實到位，目前秸稈發電上網電價隨著投資的不同在0.58～0.7元/(kW·h)之間。在《可再生能源法》出臺后明確規定國家給予0.25元/(kW·h)的電價補貼,只有嚴格執行此政策，才能有力地推動生物質發電產業的發展。我國第1臺裝機容量5 MW燃用谷殼、木屑、稻草的江蘇興化中科生物質能發電有限公司因電價補貼沒有執行而運行不到一年被迫停產。二是缺乏專門制造燃用農林廢棄物的鍋爐。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展需要，同時設計和制造上經驗不足,制造成本高,運行可靠性差和配套設施不完備,投資過大,限制了推廣應用。三是運行成本高不利于競價上網。由于秸稈熱電項目總投資普遍高于一般火電廠,必然導致發電成本要高。同時秸稈的收集、存儲、運輸、制備等過程耗費大量的人力物力,致使秸稈收購成本大幅上漲達到與煤價相當,所以不利于競價上網。

7 供熱燃煤鍋爐改為秸稈燃料可行性的結論

(1)從煤和秸稈的燃料特性和現有供熱鍋爐的結構來看，供熱燃煤鍋爐使用秸稈燃料是可行的，只是要部分系統改造。由于供熱行業鍋爐的鼓、引風系統和爐排運轉系統基本都已采用變頻調速裝置，除塵器均為高效干濕兩級除塵器，現有輸煤和除渣系統的狀況，都符合秸稈鍋爐的運行要求，所以現有供熱鍋爐只是增加二次風系統、給料口等改造即可，改造量不大。

(2)供熱鍋爐使用秸稈的關鍵在于燃料的穩定供應，由于城市內區域鍋爐房煤場均很小，不具備大量儲存秸稈燃料的條件，只能在城郊區域或者更遠的農村設置秸稈燃料收集、制備和集中儲運廠。因此燃料的穩定供應和由此帶來的高額運輸成本決定了秸稈燃料能否在供熱行業大面積推廣使用。

(3)秸稈燃料的價格決定了供熱企業的經濟性。秸稈燃料的價格如果遠小于燃煤價格，供熱企業就有推廣使用的積極性，否則供熱企業將不會采用這種增大了管理難度的新型燃料。

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