生物質(zhì)發(fā)電鍋爐存在問(wèn)題及處理措施分析

喻兵YU Bing

（光大城鄉(xiāng)再生能源（鐘祥）有限公司，鐘祥 431900）

0 引言

隨著國(guó)家和社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)新能源和可再生能源的關(guān)注越來(lái)越高，發(fā)展目標(biāo)也同過(guò)去相比有了較大變化，尤其是生物質(zhì)能技術(shù)發(fā)展逐漸引起重視，中央和地方政府均制定了一系列的優(yōu)惠措施發(fā)展生物質(zhì)能技術(shù)。有資料顯示，我國(guó)多個(gè)省份都發(fā)布了相關(guān)政策，要求必須關(guān)閉全部的小型燃煤機(jī)組。提倡發(fā)展生物質(zhì)，通過(guò)使用生物質(zhì)，不僅可以發(fā)電和供暖，而且還是綠電，國(guó)家會(huì)對(duì)每度電有一定的可再生能源補(bǔ)貼或發(fā)放綠證進(jìn)行綠電交易，市場(chǎng)背景廣闊。無(wú)論是從解決中國(guó)能源短缺還是實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”角度來(lái)看，利用生物質(zhì)發(fā)電對(duì)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義。生物質(zhì)能屬于可再生能源，且是唯一可以儲(chǔ)存的可再生能源。再加上利用生物質(zhì)能的過(guò)程較為環(huán)保，與傳統(tǒng)的燃料相比可大大減少CO2排放。因此，生物質(zhì)能的應(yīng)用前景十分樂觀，未來(lái)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和規(guī)模化利用，于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言十分有益。發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電不僅能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還十分環(huán)保，其作為一種新的能源供應(yīng)體系，具有安全、清潔、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定的特點(diǎn)。發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電替代傳統(tǒng)燃料可以顯著減少CO2和NOX等氣體排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)而言意義重大。

1 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電廠鍋爐的現(xiàn)狀

目前，我國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電廠鍋爐相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟和先進(jìn)。北京德普新源引進(jìn)丹麥BWE 公司振動(dòng)爐排燃燒技術(shù)。江西江聯(lián)鍋爐公司基于自身技術(shù)積累，以生物質(zhì)燃料為燃料，高低差流化床技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鍋爐技術(shù)。杭州鍋爐和南通萬(wàn)達(dá)鍋爐在自身技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，開發(fā)出循環(huán)流化床鍋爐。

1.1單臺(tái)鍋爐容量

查閱國(guó)內(nèi)外大量資料可知，截至目前單臺(tái)鍋爐的容量一般為35t/h、75t/h 和130t/h。國(guó)外僅有少數(shù)幾個(gè)生物質(zhì)發(fā)電廠的單臺(tái)鍋爐容量為220t/h，但由于現(xiàn)有的技術(shù)還不成熟，并未真正利用其生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品。

1.2生物質(zhì)鍋爐的參數(shù)

鍋爐參數(shù)少數(shù)采用中溫次高壓，多數(shù)為高溫高壓。

1.3通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)發(fā)電廠鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況，目前光大綠色環(huán)保投運(yùn)的生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目鍋爐主要類型包括水冷振動(dòng)爐排、循環(huán)流化床以及高低差速流化床等。具體見表1。

表1 主要爐型介紹

2 生物質(zhì)電站鍋爐特點(diǎn)

2.1爐排層燃生物質(zhì)鍋爐技術(shù)

概念：爐排層燃是指將生物質(zhì)燃料鋪設(shè)在爐排上進(jìn)行分層燃燒。

優(yōu)點(diǎn)：該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括燃燒穩(wěn)定、煙塵排放濃度低、操作便捷、勞動(dòng)強(qiáng)度低、對(duì)燃料粒度要求較低等。

應(yīng)用：①爐排層燃燒爐膛更加適用于大塊狀生物質(zhì)或燃料顆粒，較小的生物質(zhì)顆粒不適宜該技術(shù)，可能面臨懸浮燃燒的不利局面。②若用于燃燒的生物質(zhì)含水量較高，那么為了縮短干燥時(shí)間，提升燃燒質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制干燥環(huán)境，科學(xué)合理確定干燥時(shí)間和干燥溫度。③生物質(zhì)燃料灰分較低，燃燒后期只有較少殘余灰留在爐排上，對(duì)爐排片極易造成損傷，基于這種情況，制作爐排時(shí)應(yīng)選用耐高溫、耐腐蝕、耐熱的合金鋼，并同時(shí)采取必要的冷卻爐排措施。④生物質(zhì)燃料具有高揮發(fā)性，因此與燃煤鍋爐相比，需要更大的爐膛空間。因此在實(shí)際利用鍋爐進(jìn)行生物質(zhì)發(fā)電時(shí)，出于安全的角度考慮，必須要科學(xué)合理選用爐膛結(jié)構(gòu)，否則極易引發(fā)安全事故。

2.2懸浮爐（旋風(fēng)爐）生物質(zhì)燃燒技術(shù)

概念：小型、干燥的生物質(zhì)燃料在爐內(nèi)進(jìn)行懸浮燃燒。

優(yōu)點(diǎn)：該技術(shù)的燃燒優(yōu)點(diǎn)是由于燃燒面積大，能夠使生物質(zhì)燃料更充分燃燒，燃燒效率更高。

應(yīng)用：①對(duì)生物質(zhì)燃料的含水量存在一定要求，若燃料的含水量過(guò)高，選用該技術(shù)不僅無(wú)法充分發(fā)揮燃料的價(jià)值，燃料的穩(wěn)定性也較差，且在燃燒過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，客觀上增加了排煙工作，因此，該技術(shù)僅適用于含水量低的生物質(zhì)燃料。②該技術(shù)燃燒期間對(duì)護(hù)理工作要求較高，只有加強(qiáng)相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)做好相應(yīng)的保護(hù)措施，才能避免意外事故發(fā)生。③一次風(fēng)量必須充足，唯有如此才能確保其充分燃燒。④科學(xué)控制生物質(zhì)熱風(fēng)量的輸送，過(guò)大或者過(guò)小都不利于燃燒的充分燃燒。⑤在混合燃燒中若采用的是樹皮等難以燃燒的生物質(zhì)燃燒，可能會(huì)增加飛灰中碳的含量，對(duì)此應(yīng)加強(qiáng)重視，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)之法。⑥在實(shí)踐中一般會(huì)將懸浮燃燒技術(shù)和爐排爐燃燒技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用，如此既使得生物質(zhì)優(yōu)良的燃燒特性的價(jià)值得以充分發(fā)揮，還能夠減少NOX排放。

2.3生物質(zhì)流化床鍋爐技術(shù)

概念：在流化床中，空氣和燃料混合燃燒。該技術(shù)是目前生物質(zhì)發(fā)展中最有前景的，同時(shí)也是最高效的。

優(yōu)點(diǎn)：該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是燃燒穩(wěn)定；二是燃燒效率高；三是燃燒期間污染物排放較少。

應(yīng)用：①該技術(shù)較為適用于含水量低的生物質(zhì)燃料，反之，若選用的生物質(zhì)燃料含水量過(guò)高，則不適宜選用該技術(shù)。②該技術(shù)對(duì)燃料的密度和尺寸有一定要求，只有燃料的密度和尺寸在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，才能真正形成流化狀態(tài)，將生物質(zhì)流化床鍋爐技術(shù)的價(jià)值充分發(fā)揮出來(lái)。反之，若密度和尺寸不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，不僅無(wú)法發(fā)揮該技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還可能對(duì)燃燒質(zhì)量造成負(fù)面影響。③與其他技術(shù)相比，生物質(zhì)流化床鍋爐技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是燃料適應(yīng)范圍更廣。④若選用的生物質(zhì)燃料容易結(jié)渣和結(jié)焦，則禁止使用含硅量高的床料。⑤生物質(zhì)在高溫旋風(fēng)分離器中容易發(fā)生二次燃燒，導(dǎo)致旋風(fēng)分離器結(jié)焦，影響分離和燃燒效率。因此，不建議使用高溫分離器。建議采用低溫分離，中溫燃燒，既可保證燃燒效率又可以保證環(huán)保參數(shù)可控。

3 以光大綠色環(huán)保某生物質(zhì)項(xiàng)目為例簡(jiǎn)介

光大綠色環(huán)保某生物質(zhì)鍋爐采用德普新源DHZ-130/9.2-T 水冷振動(dòng)爐排爐，生物質(zhì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)采用青島捷能N30-8.83/535-2 純凝汽輪發(fā)電機(jī)組。其生物質(zhì)機(jī)組于2017 年12 月25 日完成72+24 小時(shí)試運(yùn)行，2018 年12 月生物質(zhì)汽輪機(jī)進(jìn)行為期12 天B 級(jí)檢修，進(jìn)行鍋爐給料機(jī)改造、水冷套更換、鍋爐管排熔敷、輸灰系統(tǒng)技改工作。2019 年01 月01 日至12 月15 日，生物質(zhì)機(jī)組完成發(fā)電量24571.32 萬(wàn)kWh，上網(wǎng)電量22897.67 萬(wàn)kWh，廠用電率6.81%，原桿單耗1181.68g/kWh，補(bǔ)水率1.05%，年機(jī)組利用小時(shí)數(shù)8190 小時(shí)（預(yù)計(jì)全年8300 小時(shí)）。

其生物質(zhì)鍋爐在項(xiàng)目運(yùn)行期間，常常面臨各類生物質(zhì)發(fā)電鍋爐問(wèn)題，影響其正常運(yùn)行，主要表現(xiàn)在生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的鍋爐熱效率低、沉積腐蝕、鍋爐高溫腐蝕和NOX的排放等方面，下文將重點(diǎn)分析生物質(zhì)發(fā)電鍋爐存在問(wèn)題及相應(yīng)的處理措施，以便合理開發(fā)和利用生物質(zhì)能，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，并響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4 以上生物質(zhì)項(xiàng)目存在問(wèn)題及解決方法

4.1鍋爐熱效率低問(wèn)題及解決措施

為了提高生物質(zhì)燃料鍋爐的燃燒效率和熱效率，有必要根據(jù)生物質(zhì)燃料的特性設(shè)計(jì)合理的爐膛結(jié)構(gòu)，確定合適的空氣分配方法和參數(shù)，從而使燃料得以充分燃燒，并不對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。通過(guò)干燥將燃料水分含量為50wt%降至30wt%、將煙氣中的O2含量降低1.0%、燃燒中降低灰分中的含碳量從10.0wt%至5.0wt%等措施均可以不同程度上影響直燃鍋爐熱效率，具體影響如表2 所示。

表2 各種措施對(duì)生物質(zhì)直燃鍋爐熱效率的影響

分析表2 各種措施對(duì)生物質(zhì)直燃鍋爐熱效率的影響可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)燃燒裝置相比，尾部煙氣冷凝最能夠?qū)崿F(xiàn)潛在的熱效率提高。同時(shí)，在多數(shù)情況下，如果可以低成本或免費(fèi)獲得預(yù)熱空氣，生物質(zhì)干燥是經(jīng)濟(jì)的（如太陽(yáng)能空氣收集器、利用煙氣余熱和給水加熱預(yù)熱空氣）。通過(guò)自然對(duì)流干燥生物是不經(jīng)濟(jì)的，大多數(shù)情況因?yàn)樯锝到庠斐傻母晌镔|(zhì)損失（每月1%-2%）高于考慮室外晾曬時(shí)獲得的效率增加。

4.2沉積腐蝕問(wèn)題及解決措施

生物質(zhì)含有較高的堿金屬和氯，在燃燒過(guò)程中容易導(dǎo)致沉積物腐蝕。除此之外，硅和硫等元素也會(huì)一定程度上影響沉積。查閱大量資料發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)者都對(duì)沉積腐蝕相關(guān)問(wèn)題及解決措施進(jìn)行過(guò)研究，總結(jié)下來(lái)可知，燃燒溫度、堿金屬和氯含量、燃料顆粒密度等對(duì)沉積腐蝕均存在不同程度的影響，為避免和解決沉積腐蝕問(wèn)題，應(yīng)對(duì)這些因素加強(qiáng)重視。具體來(lái)說(shuō)：在原料預(yù)處理上就加強(qiáng)重視，做好沉積腐蝕的防止工作，將燃料中的氯和堿金屬去除。此外，還可以采取必要的防腐措施，比如涂抹防腐材料等。

4.3鍋爐高溫腐蝕原因分析及控制要點(diǎn)

4.3.1腐蝕原因

①燃料中鉀、鈉、氯等無(wú)機(jī)物含量較高，燃燒過(guò)程中，形成氣相堿金屬氯化物，沉積在高溫受熱面管壁上，與金屬表層的氧化膜發(fā)生氧化還原反應(yīng)。②生物質(zhì)灰灰熔點(diǎn)較低，黏度較高，沉積增長(zhǎng)得很快。③腐蝕速度隨著溫度的升高而加劇，氯元素影響很大。

4.3.2控制要點(diǎn)

鍋爐高溫腐蝕控制要點(diǎn)措施主要分為兩方面，即主動(dòng)防護(hù)措施和被動(dòng)防護(hù)措施，見圖1、圖2。

圖1 主動(dòng)防護(hù)措施

圖2 被動(dòng)防護(hù)措施

堆焊合金Inconel625 是有效的防止鍋爐高溫腐蝕的材料，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，良好的加工性和焊接性，無(wú)焊后開裂敏感性，可有效地提升鍋爐設(shè)備的抗腐蝕能力。因此，堆焊合金Inconel625 常用來(lái)解決鍋爐高溫腐蝕問(wèn)題，并且經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，堆焊合金Inconel625 確實(shí)具備出色的抗腐蝕能力，在解決鍋爐高溫腐蝕問(wèn)題方面確實(shí)可行。

4.4NOX的排放問(wèn)題及解決措施

在生物質(zhì)燃料燃燒過(guò)程中，影響NOX排放的因素主要有燃燒溫度、NOX排放規(guī)律、空氣系統(tǒng)等，通過(guò)改變上述因素的參數(shù)可以不同程度上影響NOX的排放。為了減少生物質(zhì)燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOX排放，應(yīng)優(yōu)化鍋爐設(shè)計(jì)，增加爐膛容積，合理控制燃燒溫度，降低過(guò)剩空氣系數(shù)，用低溫?zé)煔獯娑物L(fēng)等方法，有效降低NOX排放（生物質(zhì)直燃項(xiàng)目排放標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示）。

表3 生物質(zhì)直燃項(xiàng)目排放標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)氮氧化物形成機(jī)理，說(shuō)明氧量對(duì)氮氧化物形成影響較大，而燃料型氮氧化物占總生成量80%以上，目前調(diào)整氮氧化物手段單一，我們目前只能通過(guò)以下幾種手段來(lái)調(diào)節(jié)氮氧化物：①增加氨水和次氯酸鈉來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)氮氧化物進(jìn)行控制；②改變?nèi)剂掀贩N，減少含氮、硫元素種類燃料入爐；③降低機(jī)組負(fù)荷，減少氮氧化物合成總量；④降低氧量來(lái)進(jìn)行控制氮氧化物。前面3 種為在實(shí)踐項(xiàng)目中較為常見的調(diào)整手段和方法，可調(diào)節(jié)手段較為被動(dòng)，并且嚴(yán)重影響機(jī)組負(fù)荷和機(jī)組運(yùn)行周期，使公司效益受到嚴(yán)重?fù)p失。第4 種方法通過(guò)控制氧量來(lái)控制氮氧化物合成，只能減少通過(guò)風(fēng)量來(lái)控制。目前大部分采用德普新源水冷振動(dòng)爐排的項(xiàng)目沒有單獨(dú)二次風(fēng)機(jī)，一、二次風(fēng)共用一個(gè)母管，二次風(fēng)門開度稍大，影響一次風(fēng)量，搶風(fēng)較為嚴(yán)重，二次風(fēng)開度減小，煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間短，Q2、Q3、Q4 熱損失增加，降低了機(jī)組出力，目前二次風(fēng)在調(diào)整中發(fā)現(xiàn)，只是提供了較大的風(fēng)量，而相應(yīng)的壓頭反而較小，造成必須開大二次風(fēng)才能控制Q2、Q3、Q4 熱損失減少，同時(shí)為了保證鍋爐正常燃燒，必須增加風(fēng)機(jī)開度，增加風(fēng)量，保證一次風(fēng)有足夠的風(fēng)量，同時(shí)造成煙氣體積的增加，引風(fēng)機(jī)出力增加，電耗增加。在運(yùn)行調(diào)整中發(fā)現(xiàn)，目前煙氣含氧量控制在2%以下，干基含氧量低于2%，煙氣濕度可以維持在25%以上，氮氧化物可以穩(wěn)定維持在100mg/m3以下，不用通過(guò)降低機(jī)組負(fù)荷和增加環(huán)保耗材來(lái)降低氮氧化物排放。目前只要能夠通過(guò)調(diào)整二次風(fēng)開度，減少二次風(fēng)量，控制住較多的風(fēng)量入爐，維持低氧量燃燒，氮氧化物基本在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)已煤電為主的電力結(jié)構(gòu)弊端逐漸顯露出來(lái)，不僅資源越來(lái)越少，對(duì)環(huán)境的不利影響也越來(lái)越受到關(guān)注。大力發(fā)展可再生能源是未來(lái)行業(yè)的大勢(shì)所趨，不僅能夠解決當(dāng)前的能源短缺問(wèn)題，還能夠降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。而生物質(zhì)能作為最重要的可再生能源類型，憑借可再生、分布廣、污染低的特點(diǎn)逐漸受到行業(yè)的青睞。合理發(fā)展生物質(zhì)能，不僅能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，還能夠響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，改善能源結(jié)構(gòu)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。