2生物質燃料鍋爐技術現(xiàn)狀及存在的問題

近年來，我國的生物質燃燒技術有了很大的發(fā)展，研發(fā)了一批具有自主知識產權的生物質燃燒技術及設備。但從整體來看，我國生物質燃料鍋爐系統(tǒng)設計理念、技術還不夠先進，在運行、管理、污染物控制等方面還存在諸多問題。

生物質燃料在鍋爐中應用的主要形式包括：生物質固體燃料燃燒，生物燃氣燃燒及生物油燃燒。下面分別闡述生物質燃料鍋爐技術現(xiàn)狀及存在的問題。

2.1生物質固體燃料燃燒

按照燃燒方式的不同，生物質固體燃料燃燒技術可分為層燃技術、流化床燃燒技術及懸浮燃燒技術。層燃技術主要包括鏈條爐、往復爐排爐及振動爐排爐，適用于燃燒含水率較高、顆粒尺寸變化較大的生物質燃料，具有較低的投資和操作成本。國外生物質層燃技術的發(fā)展已比較成熟，其中具有代表性的產品有丹麥的“雪茄型”捆燒爐[9]及比利時的溫克生物質爐。我國也有許多研究單位開發(fā)出了各種類型的生物質層燃爐，并針對所使用原料的燃燒特性對爐膛結構進行優(yōu)化，包括雙燃燒室結構、閉式爐膛結構及其他結構[10]。流化床燃燒技術具有燃料適應性廣、燃燒溫度低、有害氣體排放少、負荷調節(jié)范圍大等一系列的優(yōu)點，很適合燃燒水分大、熱值低的生物質燃料。目前，國外采用流化床燃燒技術開發(fā)利用生物質能已具有相當?shù)囊?guī)模。美國GE公司及愛達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80年代末開始，對生物質流化床燃燒技術也進行了深入的研究。國內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流化床鍋爐，投入運行后效果良好，還有大量產品出口到了國外，這對我國生物質能的利用起到了很大的推動作用。例如華中科技大學根據(jù)稻殼的物理、化學性質和燃燒特性，設計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]。試驗研究證明，該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩(wěn)定、不易結焦等優(yōu)點，已獲得國家專利。此外華中科技大學還研究開發(fā)了生物質與煤流化床混燒技術，并為廣西某糖廠研發(fā)了一臺35t/h蔗渣與煤混燒循環(huán)流化床鍋爐，如圖8所示。懸浮燃燒技術主要適用于燃燒粉體生物質燃料，燃燒強度及溫度較高，可達到較高的燃燒效率，同時可實現(xiàn)負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注。燃燒器是確保生物質粉體高效低NOx燃燒的關鍵，由于生物質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，因此需要從生物質本身的燃燒特性出發(fā)，設計專用的生物質燃燒器，圖9為針對生物質粉體燃料研發(fā)設計的低NOx燃燒器結構示意圖。

近30年來，盡管我國在生物質固體燃料燃燒利用技術方面取得了長足的進步，但是與發(fā)達國家相比，仍有很大差距。目前國內生物質鍋爐設計多為套用燃煤鍋爐，并未根據(jù)生物質燃料特性進行相應的鍋爐結構和配風設計。因此在鍋爐燃燒效率及污染物排放控制方面與國外先進水平有一定差距，無法滿足差異化市場需求。

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

對于煤改生物質的工業(yè)鍋爐，往往會導致鍋爐結構與生物質燃料特性不匹配，燃盡困難，燃燒效率低，因此需要對爐膛結構進行針對性改造。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，同時采用分級配風，提高爐膛有效空間，保證揮發(fā)分的充分燃燒，進而提高燃燒效率。

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

2.2生物燃氣燃燒

生物燃氣燃燒主要是指生物質原料或生物質成型燃料首先通過氣化爐產生可燃氣，然后再將可燃氣送入鍋爐進行燃燒。該技術燃燒效率高，且易實現(xiàn)清潔燃燒。燃燒產物經(jīng)除塵、脫硫后可達到煙塵小于20mg/m3，NOx小于200mg/m3(O2=3.5%)，SO2小于50mg/m3，達到天然氣燃燒排放標準，因此，生物燃氣燃燒技術備受發(fā)達地區(qū)青睞[11]。國外生物燃氣燃燒技術主要應用于水泥窯、石灰窯及熱電聯(lián)產，部分技術已實現(xiàn)商業(yè)化，形成規(guī)?；a業(yè)經(jīng)營，而目前國內生物質氣化技術的產業(yè)化應用主要以氣化發(fā)電和農村供氣為主，氣化燃氣工業(yè)鍋爐應用才剛剛起步，實際運行項目較少[12]。

目前制約生物燃氣燃燒技術發(fā)展的主要問題在于燃氣熱值偏低，且焦油含量高。一方面，國內尚未有專門針對低熱值生物質燃氣開發(fā)的燃燒設備，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燃氣燃燒器，同時還需對鍋爐結構進行重新設計，提高燃燒效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一方面，生物質燃氣中的焦油會與水、灰結合在一起，沉積在氣化設備、管道、閥門和下游設備，造成設備堵塞及磨損，同時也導致燃氣凈化系統(tǒng)復雜且運行成本高昂。圖10為兩種常見的生物質燃氣利用技術路線圖，即“冷燃氣”路線與“熱燃氣”路線。在條件允許的情況下，建議采用“熱燃氣”路線，即生物質原料經(jīng)過氣化爐氣化后，通過高溫風機將高溫燃氣直接送入鍋爐燃燒，過程中確保燃氣溫度大于200℃，防止焦油冷凝，盡可能減少焦油對設備的影響。

2.3生物油燃燒

生物油是生物質經(jīng)過快速熱解后得到的主要產物，其能量密度是生物質原料的8～10倍，可替代重油用于鍋爐燃燒設備[14]。國內外已有許多研究機構對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已經(jīng)比較成熟，并且已在工業(yè)上有小規(guī)模應用。

芬蘭NesteOy公司[15]利用改造后的2.5MWDam-stoker鍋爐，實現(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%。芬蘭國家技術研究中心VTT[15]在改造后的8MW工業(yè)爐上進行生物油燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)排放產物中除微粒外，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現(xiàn)了生物油與煤、燃氣的共燃，結果表明生物油與化石燃料共燃對鍋爐設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鍵技術是點火。生物油水分含量高，熱值低，在點火期間，水分的蒸發(fā)會吸收大量的熱量，導致生物油著火困難，且燃燒初期火焰穩(wěn)定性差。同時在點火初期，爐膛溫度較低，火焰散熱損失嚴重，容易熄滅。為保證生物油的成功點火，最有效的方法是采取爐膛預熱或使用輔助點火源。其次提高霧化質量也有利于生物油的點火，推薦采用空氣或蒸汽霧化，典型的空氣霧化噴槍結構如圖11所示。其次，點火期間，在保證霧化質量的前提下，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形成高溫回流區(qū)，著火能更穩(wěn)定。除點火問題以外，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，其中較大的顆粒可能會堵塞噴嘴，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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