我國生物質鍋爐替代燃煤鍋爐技術分析及政策建議

文 // 武斌 四川省節能監察中心

我國生物質鍋爐替代燃煤鍋爐技術分析及政策建議

文 // 武斌 四川省節能監察中心

1 背景和意義

隨著人口的大幅增長和社會經濟的快速發展，中國已成為世界第一大能源消費國，能源安全及環境污染問題受到國內外的高度關注，并已成為影響我國全面建設小康社會的重要因素。因此，關注能源問題，探索非化石能源的開發利用具有重要意義。

隨著經濟快速發展，我國對煤、石油、天然氣資源需求量不斷增加，能源消費總量從2009年的306647萬噸標準煤增加到2013年的375000萬噸標準煤；其中2013年煤炭占消費總量的66.00%，石油占18.40%，天然氣占5.8%，水電、核電和風電等非化石能源僅占9.8%。可見，能源消耗日益增長，能源需求的不斷增加將導致常規能源供需矛盾日益突出。

2 國內外生物質燃燒替代燃煤技術的情況

2.1 爐排層燃技術

由于大多數工業企業采用的都是層燃鍋爐，所以開發適用于生物質的層燃鍋爐受到國內外廣泛關注。

丹麥開發出一種專門燃燒成捆秸稈的燃燒爐，起重機將秸稈捆放入防火通道中，用傳送裝置將其運至料箱中，隨后預熱室的爐門打開，秸稈進入預熱室，在預熱室內被已燃燒的燃料點燃，根據煙氣溫度和濃度來控制空氣量。安裝在預熱室底部的傳輸設備將正在燃燒的秸稈捆向前運送直至灰室。

我國針過對秸稈本身特性的進行分析研究，在秸稈直燃熱水鍋爐燃燒室的設計中，采用雙燃燒室結構。第一燃燒室為主燃區，設置于爐膛前部；第二燃燒室為輔助燃燒區，設置于爐膛后部，兩者間由擋火拱分隔。該布置方式加強了秸稈與高溫煙氣、空氣的相互混合，同時延長了燃料在爐內燃燒的停留時間，確保了秸稈燃燒的充分完全，取得了良好的運行效果。

福建某鍋爐有限公司研制的臥式三回程水火管自然循環鏈條鍋爐，燃料以廢木料為主，煙煤為輔。木屑、碎木從前面進入爐膛，木條、樹皮從兩側爐門進入爐膛，木粉通過噴射系統從爐前木粉噴管送入爐膛，需助燃時煙煤從煤斗進入爐膛。運行實踐表明該鍋爐符合設計規范的要求，具有出力足、調節方便、水循環運行良好等特點。

2.2 浮懸燃燒技術

浮懸燃燒方式主要適用于稻殼、鋸屑、砂光木粉等細小生物質燃料的燃燒。

南京林業大學研究開發的燃燒木粉等散碎木廢料的旋風燃燒爐，由主燃燒室和相鄰的二次燃燒室組成，木粉由羅茨鼓風機的壓氣管向下噴入燃燒爐的主燃燒室，在爐體圓周切向有3對噴氣管，左右相對地向爐膛噴射空氣，以鼓動木粉螺旋式旋轉并充分燃燒。二次燃燒室圓周切向也設有噴氣管，以推動氣流繼續旋轉。出口處設有第二道扼流圈，進一步阻擋未燒完的火星。高溫煙氣經調溫調濕處理后，可直接作為干燥纖維、刨花的干燥介質，也可作為間接加熱的載熱體。

華中科技大學研制出一種生物質粉體燃燒技術，將農業廢棄物用破碎機破碎成粉體后，由進料裝置噴入立式雙回旋燃燒爐中燃燒。一次風為輸料進風，與粉體均勻混合形成風粉氣流；二次風切向進入，主要用于改善爐內氣流狀態。此裝置能最大限度地提高燃燒溫度和燃燒效率，并能減輕結渣腐蝕對燃燒產生的不利影響。

2.3 流化床燃燒技術

流化床燃燒方式最適合含高水分生物質燃料的燃燒。西方發達國家研究生物質循環流化床鍋爐(CFB)已經很多年了。20世紀80年代末，美國就開發出大型燃燒廢木料的CFB鍋爐。同一時期，我國哈爾濱工業大學與長沙鍋爐廠等鍋爐制造企業合作，研制了多臺生物質流化床鍋爐，可燃燒甘蔗渣、稻殼、碎木屑等多種生物質燃料，鍋爐出力充分，低負荷運行穩定，熱效率高達80%以上。

3 生物質能源替代工業燃煤鍋爐的技術現狀

目前生物質替代工業燃煤鍋爐主要有兩個關鍵節點：一是生物質成型燃料技術；二是生物質替代燃煤供熱或發電。

3.1 生物質成型燃料技術現狀

由于生物質密度較低、不耐燒，堆放體積較大，因此需要將生物質預制成成型燃料以降低其堆放體積并提升其耐燃性和熱值，這是生物質替代燃煤鍋爐的重要前置條件。

在生物質（秸稈）成型燃料的制備中，生物質（秸稈）成型燃料在不添加任何粘結劑條件下成型，并保證較高強度是國內一大技術難題。國內有多家公司對此進行了技術研發和創新，其中四川生物環保工程有限公司通過多年技術攻關，從工藝和裝備技術上創新，研發出一套新型工藝裝備并獲得多項知識產權。該工藝技術成套設備的優點是：能一次性將高濕秸稈生物質加工成符合標準的生物質鍋爐的燃料，該成套設備對生物質物料的適應范圍廣，前處理粉碎采用無篩結構和生物質物理調質后再采用該公司專利造粒機成型，提高了成形效果，節約了能量消耗，噸（秸稈）成型燃料綜合生產成本比傳統加工技術裝備下降了30﹪，為生物質（秸稈）成型燃料的低成本加工提供了技術裝備。該公司研發的單機生產線年產可達2萬噸生物質（秸稈）成型燃料。

3.1.1 生物質成型燃料技術類別

生物質成型燃料加工技術按成型加壓的方法不同來區分,目前國內外技術較為成熟、應用較多的生物質成型燃料加工機有螺旋擠壓式、活塞沖壓式(包括機械式、液壓式)、有輥模碾壓式(包括環模式和平模式)等。按照其成型過程是否對原料輔助加熱，上述三種加工方式又分為冷成型和熱成型兩類工藝；螺旋擠壓式、活塞沖壓式都屬于熱壓成型工藝，輥模碾壓式采用的是冷壓成型工藝。

3.1.2 生物質成型燃料制備存在的問題

在生物質成型燃料的制備過程中也暴露了一些問題。總體來說，目前我國的生物質固化成型裝備在設備的實用性、系列化、規模化上還很不足,距國際先進水平還有不小的差距。表現在生產率低、成型能耗高、主要工作部件壽命短、機器故障率多、費用高等方面。

3.2 生物質替代燃煤供熱和發電技術現狀

3.2.1 生物質秸稈發電及供熱概況

據不完全統計，到2010年底，由國家發展和改革委和各省發展和改革委核準的生物質規模化發電項目超過50個，總裝機容量超過150萬千瓦；其中，僅2006年就核準39個，總投資100億元以上。全國已經建成投產的生物質直燃發電項目已經超過10個，在建項目30個左右（其中，國能占10個）。可以預見，在今后一段時期，我國的生物質發電產業將保持快速發展的勢頭。

3.2.2 生物質發電及供熱應用技術優勢

由于生物質發電項目到目前推廣較為緩慢，鍋爐制造廠商對大型生物質鍋爐資源投放較少，在國際上沒有較為明顯的技術及實力優勢。

而在小型供熱用生物質鍋爐的制造上，目前有多家制造商具有較好的技術優勢和實力，例如長生能源科技有限公司的小型生物供熱鍋爐具有較好的代表性，其研發的“生物質常壓鍋爐”，有較為完善的技術，耗能小、電耗低、通過二次燃燒達到自然除塵，采用半氣化燃燒、煙氣縱向橫向沖刷對流管束，提高的熱轉化率。其生產的“生物質燃料立式蒸汽鍋爐”，給料系統變頻調節、熱效率高、蒸汽輸出穩定。同時設計較為科學，全方位燃燒室，結構緊湊，占地面積小，基建投資省，對燃料的選擇性廣，既可以燃燒生物質燃料，也可以燃燒煤、木材等燃料。打破了同行業中的設備磨損大、技術要求高、生產成本高、費用昂貴的局限性。

4 生物質能源替代工業燃煤鍋爐的技術壁壘

4.1 生物質的特性壁壘

生物質燃料中大量的揮發分析出后，如果空氣不足或溫度較低，揮發分易裂解析出碳黑，使爐子冒黑煙；

固體燃料燃燒后期主要是固定碳的燃燒，而生物質固定碳含量少，因此，其燃燒過程持續時間較短，不耐燒；

生物質水分含量較多，且水分隨生物質加工過程和儲存條件顯著變化，燃燒潮濕生物質燃料時，爐內溫度場偏低，組織穩定的燃燒比較困難，排煙熱損失增加。

生物質(尤其是農作物秸稈)中含有較多的堿性物質，在高溫燃燒環境下，堿性物質及其相關無機元素可能在爐膛內形成熔渣或以蒸氣和飛灰顆粒的形式沉積于受熱面，影響鍋爐的熱效率，同時對換熱面造成嚴重腐蝕；

生物質(尤其是農作物秸稈)原料來源呈現很強的季節性，而且來源地分散，這給生物質的規模化、工業化利用造成了很大的困難。

4.2 鍋爐生物質燃燒方式存在的壁壘

生物質燃料在鍋爐中可以采用爐排層燃、浮懸燃燒、流化床燃燒以及層燃與浮懸復合燃燒等燃燒方式。

4.2.1 爐排層燃

燃燒生物質的層燃鍋爐一般采用鏈條爐或往復推飼爐排爐，小型燃燒設備也可采用固定爐排。由于生物質中的灰分較低，易使爐排片燒損。往復爐排可在燃盡區采用耐熱鋼材作為爐排材料，固定爐排和往復爐排還可以采用風冷或水冷方式對爐排進行冷卻，這些在鏈條爐排上很難實現，所以，鏈條爐排在燃用灰分過低的生物質燃料時，到燃燒后期爐排上殘留的灰渣較少，容易燒損爐排片。

爐排燃燒主要適用于大顆粒及塊狀生物質燃料，而細小生物質燃料在爐排上燃燒時，由于易從爐排孔隙中漏下或被爐排下的一次風吹起，因而一般不適合單獨在爐排上燃燒。

4.2.2 浮懸燃燒

生物質在進行浮懸燃燒時，一旦爐子熄火，極易發生爆燃，所以必須安裝火焰探測或爐溫探測裝置，爐子熄火時必須立即中斷供料或立即點火，同時還須設置可靠的防爆裝置。

5 生物質能源替代工業燃煤鍋爐存在的問題

5.1 認識問題

生物質能源正處在一個很尷尬的境地。可再生能源中生物質能源是最重要的，但相比而言，它的產業化程度，發展規模都是最差的。這其中有一些客觀原因，也有一些屬于認識問題。

除了客觀上發展規模受限以外，對生物質能的認識各不相同，對其投資的額度，與地方的GDP增長是不相符的，資源的分散性導致生物質能源在一地的投資較低；這在某些政府那來看，生物質能源有點像“雞肋”。

5.2 補貼門檻過高

對生物質能源的支持，國家采取了多種補貼手段。但補貼門檻過高，手續繁瑣、先墊付后補貼也困擾著不少企業。

由于受到生物質資源的自身特性和地理條件的限制，決定許多地區了無法進行大規模的集中收割和處理資源，也導致了無法建設大型的規模以上的生物質燃燒企業和設備。這也導致了很多企業無法申請到財政相關補助。受制于這些現實難題，財政部的萬噸補貼政策遭遇落地難。

5.3 布局不合理

西南地區由于受地理條件的制約沒法建大廠，但東北墾區就比較適合建大型電廠，有條件上規模，成本才越低，效益才越高。一定要因地制宜。密集地區可以建氣化發電，做成型燃料，不一定去建發電廠。

企業要多方考慮，合理布局，否則很容易陷入發展困局。建生物質能電廠首先要考慮可持續發展，原料分散，就需要分散性利用，要考慮水資源、電力、人文環境是不是可以支撐這個項目。

5.4 成本價格難控

受耕作制度和地理條件的限制，許多省農村土地高度分散，從資源的收集儲存運輸帶來很大不利因素，在后續的環節上會放大很多倍。

所以準備入行的企業首先要考慮的是原料資源的可獲得性，如果不成熟千萬不要貿然進入地方政府可以進行協調，比如利用示范效應，鼓勵農民種植秸稈作物，做好企業加農戶的結合，平衡好企業和農戶之間的利益。

5.5 技術投入過小

目前存在的問題是，有些研究成果與生產有些脫節，并沒有轉化為生產力。一方面技術部門因缺少資金，無法進行規模化生產；另一方面為了盡可能多地收回技術成本，企業有意拉長新技術向市場投放的周期。

5.6 缺少專業技術人才

生物質燃料多種多樣，性質也有很大差別,所以不同生物質燃料的爐型和燃燒技術也不盡相同，需要專業人員研究開發和改造，生產運行中不斷完善管理和操作方法，只有這樣才能使這一技術成熟和發展，制造出不同爐型和配套設備，并完善燃燒技術。

5.7 可研階段所得結果過于理想化

可研報告所有取值和結果太理想化，和實際有較大出入。例如，收購的分散性、難度及價格就是很大的變數，天氣以及干旱、洪澇災害糧食及秸稈減收，都將得不到充足的燃料供應，還有技術及設備原因等都將造成減產、停產損失，影響回收年限，將對生物質發電產業的發展產生不利的影響。

6 建議

6.1 利用技術方面的建議

應根據不同種類生物質燃料的燃燒特性，開發不同類型的燃燒技術，并研制相應的燃燒設備。

在繼續加大對生物質直接燃燒的研究同時，加強研究干燥、破碎等前期加工處理，以及真正適用的、值得推廣的能源化利用總成本最低，從收集到燃燒前期加工處理過程耗能最少，對環境影響最小的技術。

目前在生物質燃燒技術開發研究領域對生物質收集、處理技術和設備的研究較少。重視生物質燃燒技術研究的同時，也應重視生物質收集、干燥、粉碎等技術的研究，關鍵是要研究開發簡便適用、運行乘便低廉的相關設備。

6.2 政策支持及其他建議

建議各省根據自身作物種類和土地特性超前制定出符合本省基本情況的生物質分析測試標準方法。

制定更多針對生物質能源開發利用的相應優惠及補貼政策，進一步加大該技術的扶持力度。

加快建立健全生物質燃料的收集、預處理及配送體系。

加強對生物質資源的管理，科學規劃和優化布局。

切實加強生物質能源化利用的能力建設和人才培養，積極促進科技研發和設備國產化。

目前生物質直燃的生態環境效益由于沒有內部化造成了收益外泄；而化石能源產生的環境成本也沒有內部化，結果影響了生物質能的發展。國家需要加大環境立法，使生物質能利用的生態環境效應轉化為貨幣，體現到產品價格中去。

生物質能產業作為新興綠色產業，需要大量資金投入，國家和地方政府在信貸、融資等方面都應該給生物質能產業創造便利條件，甚至于政策傾斜，在這方面，歐盟、美國、巴西等國家都有成功的經驗可資借鑒。