生物質燃料摻燒技術簡述

一．引言 　　近年來我國能源、電力供求趨緊，國內外在發(fā)電行業(yè)對資源豐富、可再生性強、有利于改善環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的生物質資源的開發(fā)利用給予了極大的關注。于是生物質能發(fā)電行業(yè)應運而生，在我國也掀起了生物質能發(fā)電的浪潮。據(jù)發(fā)改委能源研究所有關專家介紹，秸稈氣化發(fā)電、秸稈直燃發(fā)電、煤與秸稈混燃發(fā)電都是可以采用的技術路線。煤-秸稈混燃技術的特點是可以對現(xiàn)有的電廠進行改造，投資很少。但是首先需要解決好電廠摻燒秸稈量的計量和監(jiān)督的問題。 　　二．生物質能應用簡介 　　生物質能是綠色植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能并貯存在生物質內部的能量,它是植物體內的葉綠素在太陽能的作用下,吸收空氣中的二氧化碳和土壤中的水,最終合成碳水化合物,轉化為化學能而固定下來的一種自然資源。 　　生物質能應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:沼氣發(fā)酵、制燃料乙醇、生物柴油、制乙二醇、生物質固體成型燃料、生物質發(fā)電。 　　三．生物質能發(fā)電應用現(xiàn)狀 　　我國生物質能發(fā)電主要分為直燃發(fā)電和氣化發(fā)電。其中，在生物質直燃發(fā)電項目上，2008年，生物質直燃發(fā)電，國家發(fā)展改革委和地方發(fā)展改革委總計核準了39個項目，合計裝機容量為128.4萬千瓦。目前生物質直燃發(fā)電主要應用在小型燃煤鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐中，在大型電站煤粉爐中應用較少，缺乏大型電站鍋爐摻燒生物質燃料相關的運行經驗。 　　四．電站鍋爐摻燒秸稈技術性分析 　　考慮到投資與實際收益，目前的生物質摻燒以摻燒秸稈為宜。秸稈與礦物燃料相比，其揮發(fā)組分高、含硫量和灰分都比煤低。由于秸稈熱值低、密度小，為燃料的運輸、儲存帶來不便。秸稈中堿金屬含量較高、灰熔點低，清華大學在實驗室中，對典型的秸稈的燃燒特性進行了詳細的研究，表明秸稈燃料均屬于易結焦燃料，單純燃燒秸稈在工業(yè)規(guī)模應用，將產生一系列的問題。若單純以秸稈作為燃料，在鍋爐實際運行過程中，會在設備內產生腐蝕、燒結等問題，嚴重影響設備的可靠性、安全性、以及電站的經濟性，這已經為大量的國外經驗所證實。 　　我廠600MW超臨界鍋爐的制粉系統(tǒng)是雙進雙出鋼球磨，其燃燒可調節(jié)性大和燃料適應性較好，將秸稈與煤混合燃燒，現(xiàn)有設備不需太大的改動，就能適應于秸稈的多樣性。因此從技術的角度來看，采用原生秸稈和壓縮成型秸稈，與煤混合燃燒，是秸稈燃燒發(fā)電的主要出路。 　　TGA以及CFB熱態(tài)實驗臺的研究表明，秸稈的燃燒特性普遍比較好。秸稈燃燒主要集中于燃燒前期，而煤燃燒主要集中于燃燒后期。摻混秸稈可以改善煤的著火性能，可獲得更好的燃盡特性。在CFB熱態(tài)實驗臺上，對不同比例的摻混成型秸稈進行實驗，結果表明秸稈的燃燒特性比較好，1050℃時未發(fā)生結焦，只要秸稈的摻燒量不超過20%，混合燃料的燃燒特性就比較接近煤的燃燒特性。無煙煤中摻混10%~20%的成型秸稈，混合燃料的燃燒特性接近于煙煤。摻混10%~20%的成型秸稈的混合燃料，SO2和NOX排放可以控制在要求范圍內。在目前的循環(huán)流化床鍋爐設備中，不經過改動，直接在煤中摻混10%~20%的成型秸稈，在技術上是完全可行的。 　　在秦皇島某發(fā)電廠75t/h循環(huán)流化床鍋爐上，對摻燒秸稈比例分別為0%、10%、15%、20%和25%五種條件下進行了試驗，試驗結果表明，目前的循環(huán)流化床鍋爐設備中，不經過改動，直接在煤中摻混10%~25%的成型秸稈，在技術上是完全可行的；摻燒秸稈有助于降低循環(huán)流化床鍋爐的飛灰與低渣含碳量，從而有助于提高鍋爐效率，見圖1[2]；成型秸稈與煤混燃的污染物的排放水平可以滿足目前的國家標準。 　　五．電站鍋爐摻燒秸稈經濟性分析 　　目前主要采取以電廠為中心，在電廠周圍50km范圍內建立若干個秸稈收購/加工點為網(wǎng)絡，在農村收購來的秸稈經過壓縮，成型后的體積是原料體積的1/30~40，比重是原料的10~15倍（密度為：0.8-1.4）熱值可達3400~6000大卡，是高揮發(fā)酚的固體燃料，再分批運送至電廠；這種分散形式的收集加工模式不僅對于降低運輸與儲存成本非常有利，而且可以減少生物質資源大量集中堆放造成的火災隱患。 　　目前一臺1噸/小時產量的秸稈壓縮機以及配套設備總投資約20萬元左右。秸稈壓縮成本約在100元/噸，這其中包含了設備維修、折舊、人工費用以及電費等各項費用。如果加上秸稈收購費用約60~100元/噸， 運輸費用平均約20元/噸，收購/加工店的利潤提留約20元/噸，到電廠燃料成本價格在200~240元/噸?？紤]到秸稈的發(fā)熱量在3100kCal/kg左右，240元/噸的價格在煤價較高的地區(qū)本身就可產生一定的直接經濟效益。因此，無論是電廠直接在周圍投資建立秸稈收購/加工點，還是由當?shù)卮濉㈡?zhèn)建立收購/加工點，加工好的燃料顆粒按合同交付電廠，都是可行的。 　　六．電站鍋爐摻燒秸稈的優(yōu)點 　　1)秸稈與礦物燃料相比，秸稈資源是新能源中最具開發(fā)利用規(guī)模的一種綠色可再生能源，秸稈為低碳燃料，揮發(fā)分含量較高，含硫量和灰分都比煤低，因此，生物質利用過程中溫室氣體、SO2、NOx的排放較少，造成空氣污染和酸雨現(xiàn)象會明顯降低； 　　2)可以將農作物秸稈處理掉，避免田間焚燒處理秸稈造成空氣污染等不良影響，減輕城市生活垃圾堆放壓力，還可增加農民收入； 　　3)生物質資源豐富，經簡單壓縮處理后，其儲存及運行均較方便； 　　4)摻混秸稈可以改善煤的著火性能，可獲得更好的燃盡特性； 　　5)秸稈燃料燃燒后灰分很少，能夠減輕鍋爐設備的磨損； 　　6)生物質燃料摻燒能夠替代部分煤炭，生物質燃料價格與煤價相比價格低廉，本身就可產生一定的直接經濟效益。 　　七．電站鍋爐摻燒秸稈可能遇到的問題 　　1)秸稈資源的收集困難 　　生物質發(fā)電最大的問題是資源的收集，這在我國尤其困難。我國大部分地區(qū)都是以農戶為農業(yè)生產單位，戶均耕地占有面積很小，根據(jù)對我國糧食產量最大的五個省的統(tǒng)計，每年每戶的秸稈可獲得量僅為4～5噸。以發(fā)電廠每年消耗秸稈10萬噸計，需要從2萬多戶農戶收購，這些秸稈還是分夏秋兩季提供，意味每年需要完成近5萬筆秸稈收購交易，無論對收購的組織還是收集成本控制都是極大的考驗。因此，設置秸稈收購/加工點必須充分考慮所覆蓋區(qū)域的秸稈資源量、儲存場地以及運輸條件。 　　2)鍋爐結焦、結渣問題 　　生物質中堿金屬含量較高、灰熔點低，若單純以生物質作為燃料，在鍋爐實際運行過程中，可能會產生受熱面積灰、結焦、結渣等問題，嚴重影響設備的可靠性、安全性、以及電站的經濟性。因此必須控制生物質燃料的摻燒比例，通過試驗總結不同的煤種適合的摻燒比例，在運行過程中嚴格按要求進行摻燒工作。另外還可通過正確、合理的吹灰手段來減輕或者消除以上問題的影響。 　　3)煤倉下煤不暢 　　將生物質燃料直接與煤混合輸入原煤倉內，如原煤含水分較多，秸稈顆粒會吸收水分后會軟化，其中所含的粘性纖維粘附煤粒，可能使煤倉內局部區(qū)域的煤板結成塊甚至粘附在煤倉壁上影響正常給煤。防治措施是將摻混的煤進行充分的預干燥，盡量降低期含水量，防治煤倉進水；另外在停爐過程中盡量將摻混有生物質燃料顆粒的煤倉燒空后再停運，避免生物質燃料長時間積存在煤倉中。 　　4)制粉系統(tǒng)起火甚至爆炸 　　秸稈燃料含有的揮發(fā)份較多，且燃點較低，隨原煤進入制粉系統(tǒng)內破碎后容易起火燃燒。如果制粉系統(tǒng)停運前未將充分拉空，積存在制粉系統(tǒng)內部的秸稈粉末容易氧化自燃；另外在磨制摻有生物質燃料的煤種時，出現(xiàn)制粉系統(tǒng)單邊給煤運行或料位極低等異常工況下，制粉系統(tǒng)內溫度較高，秸稈粉末容易起火甚至爆炸。因此，磨制摻有生物質燃料的煤種必須控制好摻燒的比例以及燃料混合的均勻性，同時要求運行專業(yè)按照磨制高揮發(fā)份煤種的注意事項嚴格控制制粉系統(tǒng)的運行工況。 　　5)燃燒器結焦或燒損 　　因秸稈燃料富含揮發(fā)份，噴如爐膛后會迅速燃燒，可能使煤粉提前燃燒，火焰貼近燃燒器，火咀附近溫度較高，可能造成火咀附近結焦甚至燒損火咀。因此必須根據(jù)煤種變化情況控制適當?shù)膿綗壤?，運行專業(yè)可通過調整配風和制粉系統(tǒng)運行方式等手段保障設備正常運行。 　　6)阻塞分離器 　　秸稈燃料顆粒雖經簡單粉碎后壓制成型，但其中可能含有較長的纖維。秸稈顆粒燃料進入磨煤機后被鋼球撞擊，顆粒破碎后密度大幅降低，可能未經鋼球研磨，部分小顆粒秸稈纖維即被負荷風帶離筒體進入出口分離器，較長的秸稈纖維可能會被分離器折向擋板鉤住，積存到一定程度會影響制粉系統(tǒng)出力。這種可能存在的問題需在運行中注意觀察。 　　7)受熱面腐蝕 　　生物質燃料的灰分中富含堿金屬，此類灰熔點低，在爐內高溫環(huán)境下可能呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，容易粘附在受熱面表面；另外堿金屬的硫酸鹽和堿金屬的氯化物會侵蝕高溫的金屬壁面，可能致使管道壁面因遭受嚴重的侵蝕而縮短使用壽命。防治措施是運行中進行正當?shù)拇祷也僮?；鍋爐停運后有機會進行受熱面檢查時應對壁溫較高的管壁進行仔細檢查，確定是否出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象。 　　8)燃料摻混不均勻 　　如果生物質燃料摻混不均勻有可能影響運行中煤質變化較大，影響運行主蒸汽參數(shù)及爐膛燃燒的穩(wěn)定性及設備自動控制的精確性。