生物質鍋爐技術現狀與存在問題

河南省電力勘測設計院

摘要：根據國家能源局印發的"《生物質能發展“十二五”規劃》確定的目標，至2015年我國生物質能發電裝機容量將超過13000"MW。生物質發電鍋爐的研究及開發對這一目標的實現具有決定性的影響。生物質作為新型的燃料，其爐內燃燒特性需要詳細的研究，本文結合國內外的生物質鍋爐發展現狀，對我國生物質鍋爐存在的受熱面沾污、腐蝕及結渣、SOx、NOx、HCl以及氣溶膠的排放問題進行了初步分析研究，并對生物質鍋爐進行了介紹，分析了其燃料在鍋爐中燃燒存在的問題，提出適應我國的生物質發電鍋爐的相關對策。

關鍵詞：生物質;鍋爐技術;現狀;問題

由于大量使用化石燃料而引起的能源短缺和環境惡化問題，生物質能已經在鍋爐燃料中占據重要的地位。我國作為農業大國，每年農作物秸稈產量約為6.5"X108t，預計到2015年將達到7.26"X108t;薪柴和林業廢棄物資源量中，可開發量每年達到6"X108t以上[1]。每年因無法處理的剩余農作物秸稈在田間直接焚燒的超過2"X108t，這不僅浪費了資源，而且造成嚴重的空氣污染。為實現可持續能源生產和減少溫室氣體排放的目的，我國已于2006年1月開始實施《中華人民共和國可再生能源法》，為生物質能等可再生能源的廣泛應用提供制度和法律保證。

1生物質鍋爐

生物質鍋爐是將生物質直接作為燃料燃燒，將燃燒產生的能量用于發電。當今用于發電的生物質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別在于燃料呈顆粒形狀，燃料在流化床內處于流化狀態進行燃燒反應和熱交換。生物質燃料水分比較高，采用流化床技術，有利于生物質的完全燃燒，提高燃燒效率。生物質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，形成蓄熱量大、溫度高的密相床層，為高水分、低熱值的生物質提供優越的著火條件，依靠床層內劇烈的傳熱傳質過程和燃料在床內較長的停留時間，使生物質燃料得以充分燃盡[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擾動，所以床內不易結渣，并且低溫燃燒及爐內脫硫減少了NOx，SOx等有害氣體的生成。

但是，流化床對入爐燃料顆粒尺寸要求嚴格，因此需對生物質進行干燥、粉碎等一系列預處理，使其尺寸、狀況均一化，以保證生物質燃料的正常流化。對于類似稻殼、木屑等比重較小、結構松散的生物質，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，鍋爐風機的耗電量較大，運行成本相對較高。

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爐排、水冷振動爐排及鏈條爐排等。采用層燃技術開發的生物質能鍋爐，結構簡單、操作方便、投資與運行費用都相對較低。由于鍋爐的爐排面積較大，爐排運動速度或振動頻率可以調整，并且爐膛有足夠的懸浮空間，能延長生物質在爐內的停留時間，有利于生物質燃料的完全燃燒。但層燃鍋爐的爐內溫度較高，可以達到1000℃以上，由于生物質燃料的灰熔點較低，很容易結渣。同時，在燃燒過程中對鍋爐配風的要求比較高，難以保證生物質燃料的充分燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率。

生物質鍋爐的技術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，近幾年由于環境保護要求日益嚴格和能源短缺，我國生物質燃燒鍋爐的研制工作也取得了進展。

2生物質燃料鍋爐存在的問題

由于生物質燃料，尤其是農業廢棄物，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一些技術難點，需要認真對待，其中主要為：沾污、腐蝕、結塊、SOx、NOx、HCI以及氣溶膠的排放等。

2.1沾污與腐蝕

生物質鍋爐基本上都存在嚴重的各級受熱面的積灰、過熱器結渣與沾污的問題。嚴重的沾污會降低傳熱效率，在惡劣的情況下，局部傳熱表面會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本身高的鉀和氯含量引起的。鉀和氯會以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生成低熔點灰，增加了粘著在傳熱面的趨勢[5]。生物質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。生物質鍋爐中的腐蝕機理與氣相氯化物有關的腐蝕，沉積物中氯化物的固相反應以及熔化的氯化物與硫酸鹽的反應有關。沾污和腐蝕現象通常是同時存在的。腐蝕多發生在過熱器受熱面上，以氯腐蝕為主。

2.2生物質燃料鍋爐結渣

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

2.3有害氣體的排放

生物質中S元素的含量一般都比較低，但在廢氣排放中仍可監測到有部分SO2氣體。但在生物質燃燒過程中，HCL的排放則遠遠高于煤的燃燒，這主要歸咎于生物質中的高氯含量。而這些排放物進一步與生物質中的鉀元素反應，就很容易形成氣溶膠。氣溶膠排放到大氣會造成環境污染，而且也容易粘著在催化劑（例如SCR）表面，影響催化劑作用。以質量標準來看，生物質中的N含量要小于煤，但由于生物質的低熱值，以能量為標準，生物質的N含量與煤同在一個數量級上。但由于流化床燃燒溫度較低，且在高溫旋風分離器后可較方便地采用噴氨脫硝措施以滿足NOx排放的嚴格要求。

3我國的生物質發電鍋爐

3.1燃煤小火電廠改造成生物質能發電廠

為實現能源的可持續開發，對燃煤小火電廠鍋爐采用生物質和煤混燒或者生物質直接燃燒鍋爐改造的技術問題進行研究，研究生物質燃料和常規燃料混燒或生物質直接燃燒的合理運行方式，既節約了社會資源，又有利于社會穩定和環境保護，符合當前建設資源節約型、環境友好型和諧社會的大局[4]。

3.2生物質鍋爐的開發應用

鍋爐的設計制造技術目前還是以引進技術、國內制造為主。山東單縣、高唐等多個項目都是引進丹麥BWE公司的秸稈生物發電技術。這種鍋爐技術在國外已經成熟并得到了認可，但價格相對較高，我國目前尚處于消化吸收國外先進技術階段，從利用生物質能、環境保護方面考慮必須開發具有自主知識產權的國產生物質鍋爐。國內現有的生物質鍋爐主要以農作物秸稈為主，已經初步具備的燃燒技術包括：秸稈捆扎進料結合水冷震動爐排技術、秸稈與煤混燒技術、壓制成型的秸稈燃燒技術。秸稈捆扎進料的燃燒，燃用前，需對每一包捆扎的秸稈進行紅外線檢測其含水量，含水量lt;25%的合格品，經破碎機破碎后進人爐膛，并結合水冷震動式爐排技術進行燃燒。秸稈與煤混燒技術在國內也有運用，山東十里泉發電廠在原來的煤粉爐上摻燒破碎的秸稈，然而產生的灰渣很難得到綜合利用。單獨的秸稈燃燒產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的原材料。然而試驗證明，秸稈與煤混燒的灰渣中的鉀元素對其回收利用具有負面影響。

4結論

我國生物質燃燒技術已經有了一些新的突破，并不斷有新爐投運，國外的生物質燃燒鍋爐技術已趨成熟，并投人運行。然而生物質鍋爐存在的一些問題，包括沾污、腐蝕、結塊、SOx、NOx、HCl以及氣溶膠的排放等，這些問題主要由生物質本身的物理化學特性引起，還需要進一步的研究，并開發出合適的燃燒設備。我國生物質鍋爐的開發重點和需要解決的問題是：生物質燃料的預處理設備開發、鍋爐受熱面沾污、腐蝕、結渣、氣溶膠排放等問題的深人研究;鍋爐設計和制造技術的提高。

參考文獻：

[1]蘇海鵬.鍋爐利用生物質能源的技術應用[J].煤氣與熱力，2012，32（1）：1-3.

[2]韓民德.生物質鍋爐之第二代生物質燃料市場前景誘人[J].生物質化學工程，2012，46（1）：65.

[3]郭飛強，董玉平，董磊等.生物質成型燃料三次配風鍋爐的設計及低NOx排放效果[J].農業工程學報，2012，28（14）：42-44.

[4]黃春，袁恒淑，姚莉娜.基于嵌入式系統的生物質鍋爐優化監控系統的研究與應用[J].鄭州大學學報，2014，46（1）：103-106.

[5]周圣林.高低差速流化床及V+4T燃燒技術在生物質鍋爐中的應用[J].能源研究與管理，2014，1（1）：62-65.