生物質(zhì)鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

白兆興

(上海電氣集團(tuán)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)中心，上海200002)

　　摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)鍋爐的技術(shù)現(xiàn)狀，著重討論了生物質(zhì)鍋爐存在的問(wèn)題及解決途徑。其中對(duì)生物質(zhì)鍋爐的沾污、腐蝕、結(jié)塊，SO2、NOx、HCl以及氣溶膠的排放等問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。對(duì)生物質(zhì)燃料鍋爐的設(shè)計(jì)及已投運(yùn)鍋爐的安全運(yùn)行有一定的參考作用，對(duì)我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的應(yīng)用實(shí)例和研究發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹。

　　0前言

　　由于大量使用化石燃料而引起的能源短缺和環(huán)境惡化問(wèn)題，生物質(zhì)能已經(jīng)在鍋爐燃料中占據(jù)重要的地位。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約為6.5億t，預(yù)計(jì)到2010年將達(dá)到7.26億t；薪柴和林業(yè)廢棄物資源量中，可開(kāi)發(fā)量每年達(dá)到6億t以上。每年因無(wú)法處理的剩余農(nóng)作物秸稈在田間直接焚燒的超過(guò)2億t，這不僅浪費(fèi)了資源，而且造成嚴(yán)重的空氣污染。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源生產(chǎn)和減少溫室氣體排放的目的，我國(guó)已于2006年1月開(kāi)始實(shí)施《中華人民共和國(guó)可再生能源法》，為生物質(zhì)能等可再生能源的廣泛應(yīng)用提供制度和法律保證。

　　根據(jù)我國(guó)新能源和可再生能源發(fā)展綱要提出的目標(biāo)，至2010年，我國(guó)生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)容量將超過(guò)3000MW。生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的研究及開(kāi)發(fā)對(duì)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有決定性的影響。生物質(zhì)作為新型的燃料，其爐內(nèi)燃燒特性需要詳細(xì)的研究，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外的生物質(zhì)鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)生物質(zhì)鍋爐存在的受熱面沾污、腐蝕及結(jié)渣、SOx、NOx、HCl以及氣溶膠的排放問(wèn)題進(jìn)行了初步分析研究。

　　1生物質(zhì)鍋爐

　　生物質(zhì)鍋爐是將生物質(zhì)直接作為燃料燃燒，將燃燒產(chǎn)生的能量用于發(fā)電。當(dāng)今用于發(fā)電的生物質(zhì)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(qū)別在于燃料呈顆粒形狀，燃料在流化床內(nèi)處于流化狀態(tài)進(jìn)行燃燒反應(yīng)和熱交換。生物質(zhì)燃料水分比較高，采用流化床技術(shù)，有利于生物質(zhì)的完全燃燒，提高燃燒效率。

　　生物質(zhì)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(zhì)，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(zhì)提供優(yōu)越的著火條件，依靠床層內(nèi)劇烈的傳熱傳質(zhì)過(guò)程和燃料在床內(nèi)較長(zhǎng)的停留時(shí)間，使生物質(zhì)燃料得以充分燃盡。流優(yōu)素鍋爐能夠維持在850℃燃燒溫度并伴隨料層充分?jǐn)_動(dòng)，所以床內(nèi)不易結(jié)渣，并且低溫燃燒及爐內(nèi)脫硫減少了NOx、SOx等有害氣體的生成。

　　但是，流化床對(duì)入爐燃料顆粒尺寸要求嚴(yán)格，因此需對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行干燥、粉碎等一系列預(yù)處理，使其尺寸、狀況均一化，以保證生物質(zhì)燃料的正常流化。對(duì)于類似稻殼、木屑等吃重較小、結(jié)構(gòu)松散的生物質(zhì)，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(chǎn)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(fēng)機(jī)的耗電量較大。運(yùn)行成本相對(duì)較高。安裝予某電廠75t／h國(guó)產(chǎn)生物質(zhì)燃料流純床鍋爐見(jiàn)圖1。

　　1.2層狀燃燒

　　層狀燃燒是常見(jiàn)的燃燒方式，通常在燃燒過(guò)程中，沿著爐播上床瑟的高度形成不同的燃燒階段。

　　層燃鍋爐的爐排主要有往復(fù)爐排、水冷振動(dòng)爐排及鏈條爐排等。采用層燃技術(shù)開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)能鍋爐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、投資與運(yùn)行費(fèi)用都褶對(duì)較低。由于鍋爐的爐排面積較大，爐排運(yùn)動(dòng)速度或振動(dòng)頻率可以調(diào)整，并且爐膛有足夠的懸浮空闊，能延長(zhǎng)生物質(zhì)在爐內(nèi)的停留時(shí)間，有利于生物質(zhì)燃料的完全燃燒。但層燃鍋爐的爐內(nèi)溫度較高，可以達(dá)到1000℃以上，由于生物湊燃料酶灰熔點(diǎn)較低，很容易結(jié)渣。同時(shí)，在燃燒過(guò)程中對(duì)鍋爐配風(fēng)的要求比較高，難以保證生物質(zhì)燃料的充分燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率。

　　生物質(zhì)鍋爐的技術(shù)研究工作最早在北歐一些國(guó)家德到重視，隨焉在美國(guó)也開(kāi)展了大燕研究開(kāi)發(fā)，近幾年豳于環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格和能源短缺，我國(guó)生物質(zhì)燃燒鍋爐的研制工作也取得了進(jìn)展。生物質(zhì)燃料鍋爐國(guó)內(nèi)外發(fā)震現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

　　2生物質(zhì)燃料鍋爐存在的問(wèn)題

　　由予生物質(zhì)燃料，尤其是農(nóng)業(yè)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(guò)程中出現(xiàn)一些技術(shù)難點(diǎn)，需要認(rèn)真對(duì)待，其中主要為：沾污、腐蝕、結(jié)抉，SO2、NOx、HCl以及氣溶膠的排放等。

　　2.1沾污與腐蝕

　　生物質(zhì)鍋爐基本上都存在嚴(yán)重的各級(jí)受熱面的狡灰、過(guò)熱器結(jié)渣與沽污的聞?lì)}，如圖2所示。嚴(yán)重的沾污會(huì)降低傳熱效率，在惡劣的情況下，局部傳熱表面會(huì)被沾污覆蓋而喪失傳熱性能。積灰中存在大量的KCl(40％一80％)。積灰的形成主要是由于生物質(zhì)本身高的鉀和氯含量引起的。鉀和氯會(huì)以KCl的形式直接沉積在傳熱表蕊，也可能鉀與灰中的硅酸鹽反應(yīng)生成低熔點(diǎn)灰，增加了粘著在傳熱面的趨勢(shì)。

　　生物質(zhì)鍋爐過(guò)熱器同樣存在腐蝕的問(wèn)題，并且隨著蒸汽溫度的升高，腐蝕率也增加。生物質(zhì)鍋爐中的腐蝕機(jī)理與氣相氯化物有關(guān)的腐蝕，沉積物中氯化物的固相反應(yīng)以及熔化的氯化物與硫酸鹽的反應(yīng)有關(guān)。液污秘腐鍵現(xiàn)象通常是弱時(shí)存在的。腐蝕多發(fā)生在過(guò)熱器受熱面上，以氯腐蝕為主。

　　2.2生物質(zhì)燃料鍋爐結(jié)渣

　　在燃用生物質(zhì)的流化床中，發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的結(jié)塊現(xiàn)象。其形成的主要原因是生物質(zhì)本身含有的鉀鈉元素等床料(通常是石英砂)發(fā)生及應(yīng)，形成K2O·4SiO2和Na2O·2SiO2的低溫共熔混合物，其熔點(diǎn)分別為870℃和760℃。這種粘性的共晶體附著在砂子表面耦互粘結(jié)，形成結(jié)塊現(xiàn)象。在層燃鍋爐中燃燒溫度高于生物質(zhì)燃料灰融點(diǎn)(灰融點(diǎn)低予1000℃)，形成較易碎裂的渣塊。

　　2.3有害氣體的排放

　　生物質(zhì)中S元素的含量一般都比較低，但在廢氣排放中仍可監(jiān)測(cè)到有部分SO2氣體。但在生物質(zhì)燃燒過(guò)程中，HCl的排放則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高予煤的燃燒，這主要?dú)w咎于生物質(zhì)中的高氯含量。而這些排放物進(jìn)一步與生物質(zhì)巾的鉀元素反應(yīng)，就很容易形成氣溶液。

　　氣溶膠排放到大氣會(huì)造成環(huán)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(zhì)量撂準(zhǔn)來(lái)看，生物質(zhì)中的N含量要小于煤，但由于生物質(zhì)的低熱值，以能量為標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)的N含量與煤同在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。但由于流化床燃燒溫度較羝，且在高瀑旋風(fēng)分離器后可較方便地采用噴氨脫硝措施以滿足≤100mg／m3NOx排放的嚴(yán)格要求。

　　3我國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電鍋爐

　　3.1燃煤小火電廠改造成生物質(zhì)能發(fā)電廠

　　為實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)，對(duì)燃煤小火電廠鍋爐采靂生物質(zhì)和煤混燒或者生物質(zhì)直接燃燒鍋爐改造的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究，研究生物質(zhì)燃料和常規(guī)燃料混燒或生物質(zhì)直接燃燒的合理運(yùn)行方式，既節(jié)約了社會(huì)資源，又有科于柱會(huì)穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)，符合當(dāng)前建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和諧社會(huì)的大局。

　　3.2生物質(zhì)鍋爐的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

　　鍋爐的設(shè)計(jì)制造技術(shù)目前還是以引進(jìn)技術(shù)、國(guó)內(nèi)制造為主。山東單縣、高唐等多個(gè)項(xiàng)目都是引進(jìn)丹麥BWE公司的秸稈生物發(fā)電技術(shù)。種鍋爐技術(shù)在星外已經(jīng)成熟并得到了認(rèn)可，但價(jià)格相對(duì)較高。我國(guó)目前尚處于消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)階段，從利用生物質(zhì)能、環(huán)境保護(hù)方面考慮必須開(kāi)發(fā)具有自主翔識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)生物質(zhì)鍋爐。

　　國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)鍋爐主要以農(nóng)作物秸稈為主，已經(jīng)初步具備的燃燒技術(shù)包括：秸稈捆扎進(jìn)料結(jié)合水冷震動(dòng)爐排技術(shù)、秸稈與煤混燒技術(shù)、壓裁成裂的秸稈燃燒技術(shù)。

　　秸稈捆扎進(jìn)料的燃燒，燃用前，需對(duì)每一包捆扎的秸稈進(jìn)行紅外線梭測(cè)其含承璧，含水量<25％的合格品，經(jīng)破碎機(jī)破碎后進(jìn)人爐膛，并結(jié)合水冷震動(dòng)式爐排技術(shù)進(jìn)行燃燒。

　　秸稈與煤混燒技術(shù)在國(guó)內(nèi)也有運(yùn)用，國(guó)東十里泉發(fā)電廠在原來(lái)的煤粉爐上摻燒破碎的秸稈，然而產(chǎn)生的灰渣很難得到綜合利用。單獨(dú)的秸稈燃燒產(chǎn)生的灰渣含有很高的鉀元素，可以用依肥料；煤的灰渣主要用于水泥工業(yè)的原材料。然而試驗(yàn)證明，秸稈與煤混燒的灰渣中的鉀元素對(duì)其回收科用具有負(fù)面影響。

　　秸稈燃料熱值低的特點(diǎn)，秸稈壓制成型的燃燒技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越引起人們的重視。根據(jù)我國(guó)國(guó)情以及50lW以下機(jī)組的老電廠改造的需要，上海四方鍋爐廠獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)了SF一75／3.82一T秸稈鍋爐，見(jiàn)圖3。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

　　采用壓制成型的燃料，將秸稈的體積壓縮到原來(lái)的1／10—1／15。燃燒設(shè)備采用在角管式鍋爐爐排酶基磁上，結(jié)合生物質(zhì)燃料豹特點(diǎn)兩秀發(fā)的具有四方廠專利的鱗片式鏈條爐排，鑄造精度高，爐排密封性好，通風(fēng)間隙均勻，風(fēng)室采用統(tǒng)倉(cāng)等壓風(fēng)室，風(fēng)室風(fēng)壓比一般爐排風(fēng)壓高高100-200Pa，對(duì)燃料的穿透力強(qiáng)，有利于鍋爐的強(qiáng)化燃燒。同時(shí)采用“室燃+層燃”的燃燒方式，燃料在爐前進(jìn)料職通過(guò)可調(diào)式二次風(fēng)送入爐膛，在一次風(fēng)的配合下，破碎后的秸稈在爐膛內(nèi)懸浮和半懸浮燃燒，未燃盡的秸稈落在爐排上繼續(xù)燃燒；設(shè)計(jì)高的爐膛結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)煙氣在爐膛的停留時(shí)間，通過(guò)一二次風(fēng)的合理配比，保證懸浮燃燒和層燃燃燒的順利進(jìn)行。鍋爐的結(jié)構(gòu)緊湊，秸稈燃料的前處理占地面積小，燃料的破碎和送料均可以采用原有的燃煤鍋爐設(shè)備，并可利用原有的鍋爐房以及原有的燃料儲(chǔ)存場(chǎng)地，不需添置太多的先進(jìn)設(shè)備，比較適合原有小火電廠的改造。該鍋爐安裝于長(zhǎng)葛電廠，2007年4月投運(yùn)，2007年9月通過(guò)性能測(cè)試。

　　4結(jié)論

　　我國(guó)生物質(zhì)燃燒技術(shù)已經(jīng)有了一些新的突破，并不斷有新?tīng)t投運(yùn)，國(guó)外的生物質(zhì)燃燒鍋爐技術(shù)已趨成熟，并投人運(yùn)行。然而生物質(zhì)鍋爐存在的一些問(wèn)題，包括沾污、腐蝕、結(jié)塊，SO2、NOx、HCl以及氣溶膠的排放等，這些問(wèn)題主要由生物質(zhì)本身的物理化學(xué)特性引起，還需要進(jìn)一步的研究，并開(kāi)發(fā)出合適的燃燒設(shè)備。

　　我國(guó)生物質(zhì)鍋爐的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)和需要解決的問(wèn)題是：生物質(zhì)燃料的預(yù)處理設(shè)備開(kāi)發(fā)、鍋爐受熱面沾污、腐蝕、結(jié)渣、氣溶膠排放等問(wèn)題的深入研究；鍋爐設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的提高。