2生物質(zhì)燃料鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題

近年來，我國的生物質(zhì)燃燒技術(shù)有了很大的發(fā)展，研發(fā)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)燃燒技術(shù)及設(shè)備。但從整體來看，我國生物質(zhì)燃料鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念、技術(shù)還不夠先進(jìn)，在運(yùn)行、管理、污染物控制等方面還存在諸多問題。

生物質(zhì)燃料在鍋爐中應(yīng)用的主要形式包括：生物質(zhì)固體燃料燃燒，生物燃?xì)馊紵吧镉腿紵?。下面分別闡述生物質(zhì)燃料鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題。

2.1生物質(zhì)固體燃料燃燒

按照燃燒方式的不同，生物質(zhì)固體燃料燃燒技術(shù)可分為層燃技術(shù)、流化床燃燒技術(shù)及懸浮燃燒技術(shù)。層燃技術(shù)主要包括鏈條爐、往復(fù)爐排爐及振動(dòng)爐排爐，適用于燃燒含水率較高、顆粒尺寸變化較大的生物質(zhì)燃料，具有較低的投資和操作成本。國外生物質(zhì)層燃技術(shù)的發(fā)展已比較成熟，其中具有代表性的產(chǎn)品有丹麥的“雪茄型”捆燒爐[9]及比利時(shí)的溫克生物質(zhì)爐。我國也有許多研究單位開發(fā)出了各種類型的生物質(zhì)層燃爐，并針對(duì)所使用原料的燃燒特性對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，包括雙燃燒室結(jié)構(gòu)、閉式爐膛結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)[10]。流化床燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒溫度低、有害氣體排放少、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大等一系列的優(yōu)點(diǎn)，很適合燃燒水分大、熱值低的生物質(zhì)燃料。目前，國外采用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模。美國GE公司及愛達(dá)荷能源公司分別研制出100t/h的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐及50t/h的蒸汽鍋爐[11]。

我國自20世紀(jì)80年代末開始，對(duì)生物質(zhì)流化床燃燒技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究。國內(nèi)各研究單位與鍋爐廠合作，聯(lián)合開發(fā)了各種類型的生物質(zhì)流化床鍋爐，投入運(yùn)行后效果良好，還有大量產(chǎn)品出口到了國外，這對(duì)我國生物質(zhì)能的利用起到了很大的推動(dòng)作用。例如華中科技大學(xué)根據(jù)稻殼的物理、化學(xué)性質(zhì)和燃燒特性，設(shè)計(jì)了以流化床燃燒方式為主，輔之以懸浮燃燒和固定床燃燒的組合燃燒式流化床鍋爐[12]。試驗(yàn)研究證明，該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩(wěn)定、不易結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn)，已獲得國家專利。此外華中科技大學(xué)還研究開發(fā)了生物質(zhì)與煤流化床混燒技術(shù)，并為廣西某糖廠研發(fā)了一臺(tái)35t/h蔗渣與煤混燒循環(huán)流化床鍋爐，如圖8所示。懸浮燃燒技術(shù)主要適用于燃燒粉體生物質(zhì)燃料，燃燒強(qiáng)度及溫度較高，可達(dá)到較高的燃燒效率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷快速變化和高效控制。但由于燃燒溫度較高，其NOx排放控制需要特別關(guān)注。燃燒器是確保生物質(zhì)粉體高效低NOx燃燒的關(guān)鍵，由于生物質(zhì)與煤燃燒特性存在巨大差異，常規(guī)的煤粉燃燒器并不適用，因此需要從生物質(zhì)本身的燃燒特性出發(fā)，設(shè)計(jì)專用的生物質(zhì)燃燒器，圖9為針對(duì)生物質(zhì)粉體燃料研發(fā)設(shè)計(jì)的低NOx燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖。

近30年來，盡管我國在生物質(zhì)固體燃料燃燒利用技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步，但是與發(fā)達(dá)國家相比，仍有很大差距。目前國內(nèi)生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)多為套用燃煤鍋爐，并未根據(jù)生物質(zhì)燃料特性進(jìn)行相應(yīng)的鍋爐結(jié)構(gòu)和配風(fēng)設(shè)計(jì)。因此在鍋爐燃燒效率及污染物排放控制方面與國外先進(jìn)水平有一定差距，無法滿足差異化市場(chǎng)需求。

就給料系統(tǒng)而言，我國尚未形成完善的生物質(zhì)燃料市場(chǎng)供應(yīng)體系，送入鍋爐的生物質(zhì)燃料種類繁雜，特性各異，因此生物質(zhì)鍋爐給料系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不高。同時(shí)由于生物質(zhì)含水量較高，容易造成給料系統(tǒng)堵塞卡死。利用煙氣余熱對(duì)入爐燃料進(jìn)行干燥將有助于改善生物質(zhì)燃料的輸送特性，同時(shí)還有利于降低排煙損失，提高鍋爐效率。另外，生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高，且易于著火，運(yùn)行過程中極易出現(xiàn)回燃現(xiàn)象，為保證鍋爐設(shè)備安全運(yùn)行，對(duì)于層燃爐需要在進(jìn)料口加裝隔板，同時(shí)調(diào)整配風(fēng);而對(duì)于流化床宜采用兩級(jí)進(jìn)料的方式，并加大送料風(fēng)。

對(duì)于煤改生物質(zhì)的工業(yè)鍋爐，往往會(huì)導(dǎo)致鍋爐結(jié)構(gòu)與生物質(zhì)燃料特性不匹配，燃盡困難，燃燒效率低，因此需要對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性改造。具體改造措施為：提高前拱角度，降低后拱高度、縮短后拱長度，同時(shí)采用分級(jí)配風(fēng)，提高爐膛有效空間，保證揮發(fā)分的充分燃燒，進(jìn)而提高燃燒效率。

此外，生物質(zhì)中的堿金屬還會(huì)引起鍋爐受熱面的積灰、結(jié)渣和腐蝕，直接造成鍋爐壽命和熱效率的降低;同時(shí)堿金屬還易引起床料的聚團(tuán)、結(jié)渣破壞正常流化，使燃燒工況惡化。在生物質(zhì)燃燒利用過程中，通過降低燃料中堿金屬含量的比例(與煤混燒或適當(dāng)預(yù)處理手段)，設(shè)法提高燃料灰分的熔點(diǎn)(加入添加劑)，抑制堿金屬的揮發(fā)性，以及在保證鍋爐正常運(yùn)行的情況下，通過調(diào)節(jié)一二次風(fēng)配比或采用煙氣再循環(huán)適當(dāng)降低燃燒溫度，是防止生物質(zhì)鍋爐積灰、結(jié)渣和腐蝕問題的有效途徑。另外對(duì)于流化床鍋爐，選用合適的床料(富含抑制聚團(tuán)燒結(jié)元素，如Fe、Al等)，及時(shí)排出大渣，保證均勻流化也是一種有效減輕結(jié)渣的方法。生物質(zhì)燃料與煤的另一個(gè)顯著不同在于生物質(zhì)中的氯含量較高，氯在生物質(zhì)燃燒過程中的揮發(fā)及其與鍋爐受熱面的反應(yīng)會(huì)引起鍋爐的腐蝕。針對(duì)氯腐蝕問題，主要的防制措施有：合理調(diào)整燃燒工況、選用耐腐蝕的受熱面材料、加入適量的吸收劑脫氯及加強(qiáng)吹灰等。

2.2生物燃?xì)馊紵?

生物燃?xì)馊紵饕侵干镔|(zhì)原料或生物質(zhì)成型燃料首先通過氣化爐產(chǎn)生可燃?xì)?，然后再將可燃?xì)馑腿脲仩t進(jìn)行燃燒。該技術(shù)燃燒效率高，且易實(shí)現(xiàn)清潔燃燒。燃燒產(chǎn)物經(jīng)除塵、脫硫后可達(dá)到煙塵小于20mg/m3，NOx小于200mg/m3(O2=3.5%)，SO2小于50mg/m3，達(dá)到天然氣燃燒排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，生物燃?xì)馊紵夹g(shù)備受發(fā)達(dá)地區(qū)青睞[11]。國外生物燃?xì)馊紵夹g(shù)主要應(yīng)用于水泥窯、石灰窯及熱電聯(lián)產(chǎn)，部分技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營，而目前國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要以氣化發(fā)電和農(nóng)村供氣為主，氣化燃?xì)夤I(yè)鍋爐應(yīng)用才剛剛起步，實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目較少[12]。

目前制約生物燃?xì)馊紵夹g(shù)發(fā)展的主要問題在于燃?xì)鉄嶂灯?，且焦油含量高。一方面，國?nèi)尚未有專門針對(duì)低熱值生物質(zhì)燃?xì)忾_發(fā)的燃燒設(shè)備，大多由天然氣鍋爐改造而成，燃燒穩(wěn)定性及燃燒效率都無法保證，因此需開發(fā)專用的低熱值生物質(zhì)燃?xì)馊紵?，同時(shí)還需對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提高燃燒效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一方面，生物質(zhì)燃?xì)庵械慕褂蜁?huì)與水、灰結(jié)合在一起，沉積在氣化設(shè)備、管道、閥門和下游設(shè)備，造成設(shè)備堵塞及磨損，同時(shí)也導(dǎo)致燃?xì)鈨艋到y(tǒng)復(fù)雜且運(yùn)行成本高昂。圖10為兩種常見的生物質(zhì)燃?xì)饫眉夹g(shù)路線圖，即“冷燃?xì)?rdquo;路線與“熱燃?xì)?rdquo;路線。在條件允許的情況下，建議采用“熱燃?xì)?rdquo;路線，即生物質(zhì)原料經(jīng)過氣化爐氣化后，通過高溫風(fēng)機(jī)將高溫燃?xì)庵苯铀腿脲仩t燃燒，過程中確保燃?xì)鉁囟却笥?00℃，防止焦油冷凝，盡可能減少焦油對(duì)設(shè)備的影響。

2.3生物油燃燒

生物油是生物質(zhì)經(jīng)過快速熱解后得到的主要產(chǎn)物，其能量密度是生物質(zhì)原料的8～10倍，可替代重油用于鍋爐燃燒設(shè)備[14]。國內(nèi)外已有許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)生物油在鍋爐和窯爐中的燃燒特性及污染物控制開展研究，經(jīng)過多年的發(fā)展，生物油的鍋爐燃燒技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且已在工業(yè)上有小規(guī)模應(yīng)用。

芬蘭NesteOy公司[15]利用改造后的2.5MWDam-stoker鍋爐，實(shí)現(xiàn)了生物油的穩(wěn)定燃燒，尾氣中CO和NOx的排放量分別為0.003%和0.014%。芬蘭國家技術(shù)研究中心VTT[15]在改造后的8MW工業(yè)爐上進(jìn)行生物油燃燒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)排放產(chǎn)物中除微粒外，其余污染物排放量均低于重油。此外，生物油與化石燃料共燃也是一種比較合適的生物油利用方式，美國RedArrow公司、荷蘭BTG公司[16]分別在20MW燃煤鍋爐及251MW天然氣電站中成功實(shí)現(xiàn)了生物油與煤、燃?xì)獾墓踩?，結(jié)果表明生物油與化石燃料共燃對(duì)鍋爐設(shè)備沒有任何有害影響，還可以減少污染物的排放。

生物油在鍋爐燃燒的關(guān)鍵技術(shù)是點(diǎn)火。生物油水分含量高，熱值低，在點(diǎn)火期間，水分的蒸發(fā)會(huì)吸收大量的熱量，導(dǎo)致生物油著火困難，且燃燒初期火焰穩(wěn)定性差。同時(shí)在點(diǎn)火初期，爐膛溫度較低，火焰散熱損失嚴(yán)重，容易熄滅。為保證生物油的成功點(diǎn)火，最有效的方法是采取爐膛預(yù)熱或使用輔助點(diǎn)火源。其次提高霧化質(zhì)量也有利于生物油的點(diǎn)火，推薦采用空氣或蒸汽霧化，典型的空氣霧化噴槍結(jié)構(gòu)如圖11所示。其次，點(diǎn)火期間，在保證霧化質(zhì)量的前提下，降低噴霧速度，可防止火焰被吹熄，有利于火焰穩(wěn)定。最后，采用旋流霧化噴嘴可以在爐膛內(nèi)形成高溫回流區(qū)，著火能更穩(wěn)定。除點(diǎn)火問題以外，生物油霧化燃燒還需要注意下面的一些問題：生物油中一般含有一些雜質(zhì)，其中較大的顆?？赡軙?huì)堵塞噴嘴，因此含固體顆粒較多的生物油必須過濾后使用;生物油穩(wěn)定性較差，受熱后容易變性結(jié)焦，從而堵塞霧化噴嘴，因此需要用空氣冷卻噴嘴，并在啟停階段用酒精等燃料清洗油路。

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