生物質成型燃料鍋爐應用及存在問題

張 彥，范振山

(鄭州職業技術學院，鄭州 450121)

0 引 言

生物質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，具有環境友好性，是一種低碳、清潔、綠色、可運輸、可儲存的可再生能源[1]；對其進行合理利用既能減少環境污染又能實現CO2減排減輕溫室效應。開發利用生物質能可改變我國現有的能源消費結構，減少生物質秸稈露天焚燒和棄置等環境問題，同時對解決“三農”問題，推動農村經濟發展，進行生態文明建設具有重要意義。

目前，世界上生物質能利用技術在生物質發電、生物液體燃料、生物質成型燃料和生物質燃氣等方面較成熟、可實現規模化開發利用[2]。近年來，我國生物質直燃發電快速發展，2018年全國生物質發電量906億kW·h，為可再生能源發電量的4.85%。截至2018年底，全國生物質發電裝機1 781萬kW[3]。但直燃發電仍有燃燒裝置沉積結渣和防腐技術需要突破。生物質燃燒技術與氣化、發酵等技術相比有效率高、適應性強等優點[4]。朱文[5]采用Fuzzy-VIKOR法和層次分析法兩種方法對江蘇省秸稈能源化四種利用方案進行評價排序，兩種方法得出的一致結論為：秸稈成型燃料利用方案綜合評價值最高，其次是秸稈直燃發電、秸稈氣化、秸稈燃料乙醇。生物質成型燃料是目前生物質綜合利用的最為現實有效的方法之一[6]。

1 生物質成型燃料特性

生物質成型燃料是將生物質廢棄物經粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝，使木質素軟化粘著后在機械壓力下壓縮制成一定形狀、結構緊密的生物質塊狀或棒狀、顆粒的成型燃料[7]，是一種可以替代薪柴、煤炭為生產生活供能的清潔燃料。

我國生物質成型燃料的75%以秸稈為原料[8]。生物質燃料C含量較低，約35.1%～42.6%[9]；S含量僅為0.1%～0.5%，N含量為0.5%～3%[10]；燃燒時NOx、SO2排放量分別為煤的1/5、1/10，CO2凈排放量近似為0[11]。揮發分含量一般在60%～70%，遠高于煤，比煤更易于點火和燃燒[12]。

2 生物質成型燃料鍋爐的應用

我國生物質成型燃料鍋爐主要應用于民用炊事、清潔取暖，工業供熱、干燥和發電等領域。

2.1 民用炊事、清潔取暖

我國農村地區居民居住分散，炊事、清潔取暖需求因地制宜。目前多家機構根據社會需求研發推廣熱水爐、熱風爐、炊事爐及炊事采暖兩用爐等生物質成型燃料燃燒設備，從多方面滿足用戶炊事、取暖生活需求。有些縣鄉洗浴中心、飯店等也采用生物質成型燃料鍋爐。吉林固得為科技有限公司的5萬t秸稈成型燃料項目投產后，推廣了2000套農村戶用爐具。吉林計劃到2020年，采用固得為模式建設10個同類示范項目，推廣30萬套戶用爐具[13]。生物質成型燃料鍋爐可用于我國北方地區為居民供熱采暖，也適合向非集中供暖、偏遠地區和單位靈活供熱供暖。

2.2 工業供熱、干燥

生物質成型燃料鍋爐在工業供熱、干燥中也逐漸發揮其環保經濟優勢，如在糧食、煙葉等農產品烘干中提供清潔熱力。武漢光谷藍焰生物質成型燃料鍋爐清潔供熱項目33個，其在蒙牛(武漢)園區供熱項目中，每噸蒸汽耗資約312元，且排放標準優于天然氣鍋爐排放水平[14]。

2.3 發電

我國推進生物質直燃發電轉向熱電聯產，穩步發展生物質發電[2]。生物質成型燃料可作為發電廠燃料[7]。

《生物質能發展“十三五”規劃》提出積極發展生物質成型燃料供熱，計劃到2020年將生物質成型燃料年利用量由2015年的800萬t提高到3 000萬t，這使生物質成型燃料產業面臨挑戰和機遇。規劃要求因地制宜，依據資源和市場條件、結合燃煤鍋爐治理和大氣污染防治，在京津冀魯、長三角、珠三角、東北等區域和消費散煤較多農村地區加快推廣生物質成型燃料鍋爐供熱。同時要求加強技術進步和標準體系建設。

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成型燃料，造成爐膛設計參數與生物質成型燃料不匹配、排煙損失大、鍋爐熱效率低，積灰和結渣造成沉積腐蝕，NOx等污染物排放超標等問題[11,15-16]。

3.1 鍋爐熱效率低問題

要提升生物質成型燃料鍋爐燃燒效率與熱效率，需要根據生物質成型燃料的特性，設計合理爐膛結構，確定適宜配風方式及參數，使揮發分充分燃燒，減小排煙損失和排煙污染，同時合理解決結渣和沉積腐蝕等問題。

3.2 沉積腐蝕問題

生物質堿金屬、氯含量較高，燃燒時易形成沉積腐蝕，硅、硫等元素對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驗燃料，研究了燃料結渣的成因及影響因素，認為燃料層溫度高于灰的軟化溫度、管壁表面粗糙造等是結渣的重要原因；隨著過量空氣系數增大、燃料層厚度增加、爐膛溫度上升、燃料粒徑增大，結渣率也相應增大。羅娟等[18]用8種典型的生物質顆粒進行實驗，表明當生物質顆粒軟化溫度超過1 389 ℃時，不結渣；軟化溫度越低越容易結渣；反之越抗結渣。

為防止沉積腐蝕問題的發生，可采用原料預處理去除氯和堿金屬，采用煤、石灰石等添加劑與生物質成型燃料混燒，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

為減少生物質成型燃料燃燒產生的NOx排放量，付成果[19]研究了甜高粱莖稈發酵后殘渣成型顆粒(發酵過程添加了N源)的燃燒特性和排放規律。趙琳琳等[20]在生物質層燃爐低氮改造時采用低溫煙氣代替二次風，能使NOx的排放量有效降低，將20 ℃空氣改為50 ℃低溫煙氣時，NOx的排放量為最低值88.15 ppm，減少了43%，NOx排放量總體隨低溫煙氣溫度升高而上升。

因此，采用優化鍋爐設計，增大爐膛容積，降低過量空氣系數及燃燒溫度，低溫煙氣代替二次風等方法，能有效減少NOx的排放。

4 結束語

在“十三五”能源轉型升級的重要時期，國家提出了積極發展生物質成型燃料供熱的要求，實施了生物質固體成型燃料質量分級標準(NY/T2909—2016)、生物質成型燃料鍋爐(NB/T47062—2017)等標準。隨著技術的進步和標準體系的健全，生物質成型燃料鍋爐的應用領域和范圍將逐步擴大，為各類用戶提供可再生清潔熱力，促進生物質成型燃料產業化發展。