高效洁净生物质锅炉的开发及应用

摘要：生物质燃料锅炉具有高效、环保等优点，对于社会和经济的可持续发展具有重要意义。目前我国对生物质锅炉领域尤其是对生物质气化发电技术进行了大量的研究，也取得了相当的成果。本文重点分析了生物质锅炉的技术与现状，并提出了高效洁净生物质锅炉的开发建议。

中图分类号： TK223文献标识码： A

一、生物质能的特点与发展生物质能意义 

（一）生物质能的特点

1、可再生性 

生物质属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用； 

2、低污染性 

生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的硫化物、氮氧化物较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应；

3、广泛分布性 

缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能。 

4、生物质燃料总量十分丰富 

根据生物学家估算,地球陆地每年生产1000～1250亿吨生物质;海洋每年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。

（二）发展生物质能意义

生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。国外生物质能研究开发工作主要集中于气化、液化、热解、固化和直接燃烧等方面。许多国家都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等发展计划。其它诸如加拿大、丹麦、荷兰、德国、法国、芬兰等国，多年来一直在进行各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。 

我国生物质能研究开发工作，起步较晚。随着经济的发展，开始重视生物质能利用研究工作，从八十年代起，将生物质能研究开发列入国家攻关计划，并投入大量的财力和人力。已经建立起一支专业研究开发队伍，并取得了一批高水平的研究成果，初步形成了我国的生物质能产业。生物质能是一个重要的能源，预计到下世纪，世界能源消费的40%来自生物质能，我国农村能源的70%是生物质，我国有丰富的生物质能资源，仅农村秸杆每年总量达6亿多吨。随着经济的发展，人们生活水平的提高，环境保护意识的加强，对生物质能的合理、高效开发利用，必然愈来愈受到人们的重视。因此，科学地利用生物质能，加强其应用技术的研究，具有十分重要的意义。 

二、生物质能发电工艺 

生物质锅炉是将生物质直接作为燃料燃烧,将燃烧产生的能量用于发电。当今用于发电的生物质锅炉主要包括流化床生物质锅炉和层燃锅炉。

（一）流化床燃烧技术

流化床燃烧与普通燃烧最大的区别在于燃料颗粒燃烧时的状态,流化床颗粒是处于流态化的燃烧反应和热交换过程。生物质燃料水分比较高,采用流化床技术,有利于生物质的完全燃烧,提高锅炉热效率。生物质流化床可以采用砂子、燃煤炉渣等作为流化介质,形成蓄热量大、温度高的密相床层,为高水分、低热值的生物质提供优越的着火条件,依靠床层内剧烈的传热传质过程和燃料在床内较长的停留时间,使难以燃尽的生物质充分燃尽。另外,流化床锅炉能够维持在 850℃稳定燃烧，可以有效遏制生物质燃料燃烧中的沾污与腐蚀等问题，且该温度范围燃烧NOx排放较低,具有显著的经济效益和环保效益。但是,流化床对入炉燃料颗粒尺寸要求严格,因此需对生物质进行筛选、干燥、粉碎等一系列预处理,使其尺寸、状况均一化,以保证生物质燃料的正常流化。对于类似稻壳、木屑等比重较小、结构松散、蓄热能力比较差的生物质,就必须不断地添加石英砂等以维持正常燃烧所需的蓄热床料,燃烧后产生的生物质飞灰较硬,容易磨损锅炉受热面。此外,在燃用生物质的流化床锅炉中发现严重的结块现象，其形成的主要原因是生物质本身含有的钾、钠等碱金属元素与床料(通常是石英砂)发生反应，形成K20·4Si02和Na20·2Si02的低温共熔混合物，其熔点分别为870℃和760℃，这种粘性的共晶体附着在砂子表面相互粘结，形成结块现象。为了维持一定的流化床床温,锅炉的耗电量较大,运行费用相对较高。

（二）层燃燃烧技术

层燃燃烧是常见的燃烧方式,通常在燃烧过程中,沿着炉排上床层的高度分成不同的燃烧阶段。层燃锅炉的炉排主要有往复炉排、水冷振动炉排及链条炉排等。采用层燃技术开发生物质能,锅炉结构简单、操作方便、投资与运行费用都相对较低。由于锅炉的炉排面积较大,炉排速度可以调整,并且炉膛容积有足够的悬浮空间,能延长生物质在炉内燃烧的停留时间,有利于生物质燃料的充分完全燃烧。但层燃锅炉的炉内温度很高,可以达到1000℃以上,灰熔点较低的生物质燃料很容易结渣。同时,在燃烧过程中需要补充大量的空气,对锅炉配风的要求比较高,难以保证生物质燃料的充分燃烧,从而影响锅炉的燃烧效率。

三、国内外生物质锅炉的开发及应用

生物质发电在发达国家己受到广泛重视，在奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典等欧洲国家和北美，生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。

（一）国外生物质锅炉的开发及应用

生物质锅炉的技术研究工作最早在北欧一些国家得到重视，随焉在美国也开展了大量研究开发，近几年由于环境保护要求日益严格和能源短缺，我国生物质燃烧锅炉的研制工作也取得了进展。生物质

燃料锅炉国内外发展现状示于表1。

美国在20世纪30年代就开始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术，并研制了螺旋压缩机及相应的燃烧设备；日本在20世纪30年代开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物，1954年研制成棒状燃料成型机及相关的燃烧设备；70年代后期，西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等国家也开始重视压缩成型技术及燃烧技术的研究，各国先后有了各类成型机及配套的燃烧设备。

丹麦BWE公司秸杆直接燃烧技术的锅炉采用振动水冷炉排，自然循环的汽包锅炉，过热器分两级布置在烟道中，烟道尾部布置省煤器和空气预热器。位于加拿大威廉斯湖的生物质电厂以当地的废木料为燃料，锅炉采用设有BW“燃烧控制区”的双拱形设计和底特律炉排厂生产的DSH水冷振动炉排，使燃料燃烧完全，也有效地降低了烟气的颗粒物排放量。同时，还在炉膛顶部引入热空气，从而在燃烧物向上运动后被再次诱入浑浊状态，使固体颗粒充分燃烧，提高热效率，减少附带物及烟气排放量。流化床技术以德国KARLBAY公司的低倍率差速床循环流化床生物质燃烧锅炉为代表。该锅炉的特点主要体现在燃烧技术上。高低差速燃烧技术的要点是改变现有常规流化床单一流化床，而采用不同流化风速的多层床“差速流化床结构”。瑞典也有以树枝、树叶等作为大型流化床锅炉的燃料加以利用的实例。国内无锡锅炉厂、杭州锅炉厂、济南锅炉厂等都有燃用生物质的流化床锅炉。

（二）我国生物质锅炉的开发及应用

我国生物质成型燃料技术在20世纪80年代中期开始，目前生物质成型燃料的生产已达到了一定的工业化规模。成型燃料目前主要用于各种类型的家庭取暖炉(包括壁炉)、小型热水锅炉、热风炉，燃烧方式主要为固定炉排层燃炉。河南农业大学副研制出双层炉排生物质成型燃料锅炉，该燃烧设备采用双层炉排结构，双层炉排的上炉门常开，作为燃料与空气进口；中炉门于调整下炉排上燃料的燃烧和清除灰渣，仅在点火及清渣时打开；下炉门用于排灰及供给少量空气。上炉排以上的空间相当于风室，上下炉排之间的空间为炉膛，其后墙上设有烟气出口。这种燃烧方式，实现了生物质成型燃料的分步燃烧，缓解生物质燃烧速度，达到燃烧需氧与供氧的匹配，使生物质成型燃料稳定、持续、完全燃烧，起到了消烟除尘作用。20世纪80年代末，我国哈尔滨工业大学与长沙锅炉厂等锅炉制造企业合作，研制了多台生物质流化床锅炉，可燃烧甘蔗渣、稻壳、碎木屑等多种生物质燃料，锅炉出力充分，低负荷运行稳定，热效率高达80％以上。浙江大学等也开展了相关研究工作。下面介绍两种国产的代表性锅炉。

1、无锡华光锅炉股份有限公司

锅炉为单锅筒、集中下降管、自然循环、四回程布置燃秸秆炉。炉膛采用膜式水冷壁,炉底布置为水冷振动炉排。在冷却室和过热器室分别布置了高温过热器、中温过热器和低温过热器。尾部采用光管式省煤器及管式空气预热器。炉膛、冷却室和过热器室四周全为膜式水冷壁,为悬吊结构。锅筒中心线标高为32100m。锅炉按半露天。布置进行设计。

2、济南锅炉集团有限公司

济南锅炉集团有限公司在采用丹麦BWE技术生产生物质锅炉的同时,也开发出循环流化床生物质锅炉,其燃料主要为生物质颗粒。其燃料主要通过机械压缩成型,一般不需添加剂,其颗粒密度可达到1～017t/m3,这样就解决了生物质散料因密度低造成的燃料运输量大的问题。但颗粒燃料的生产电耗高,一般每生产1t颗粒燃料需耗电30～

55kW,因而成本较高,大约在300元/t。循环流化床锅炉炉内一般需添加粘土、石英沙等作为底料已辅助燃烧。由于燃料呈颗粒状,因而上料系统同输煤系统一致,很适于中小型燃煤热电厂的生物质改造工程,在国家关停中小型燃煤(油)火力热电政策和鼓励生物质能开发政策下有广阔的市场前景。

四、我国生物质直燃发电政策

我国具有丰富的新能源和可再生能源资源，近几年在生物质能开发利用方面取得了一些成绩。2005年2月28日通过了《可再生能源法》，其中明确指出“国家鼓励和支持可再生能源并网发电”，它的颁布和实施为我国可再生能源的发展提供了法律保证和发展根基。随后，与之配套的一系列法律、法规、政策等陆续出台，如《可再生能源发电有关管理规定》(发改能源[2006]13号)、《可再生能源发电价

格和费用分摊管理试行办法》(发改价格[2006]7号)、《可再生能源电价附加收入调配暂行办法》(发改价格[2007]44号)、《关于2006年度可再生能源电价补贴和配额交易方案的通知》(发改价格[2007]

2446号)、《关于2007年1—9月可再生能源电价附加补贴和配额交易方案的通知》(发改价格[2008]640号)等的。与此同时，国务院有关部门也相继了涉及生物质能的中长期发展规划，生物质能的政策框架和目标体系基本形成。2012年科技部日前就《生物质能源科技发展"十二五 "重点专项规划》、《生物基材料产业科技发展"十二五"专项规划》、《生物种业科技发展"十二五"重点专项规划》、《农业生物药物产业科技发展"十二五"重点专项规划》等公开征求意见。表示将建立政府引导和大型生物质能源企业集团参与科技投入机制，推进后补助支持方式向生物质能源科技创新倾斜，形成政府引导下的多渠道投融资机制。这些政策的出台为生物质发电技术在我国的推广利用提供了有力的保障。

四、高效洁净生物质锅炉的开发应用建议

（一）重点开发适用于秸秆捆烧的燃烧设备

目前对生物质直接燃烧的研究，比较多地集中在生物质燃烧特性、燃烧方法和燃烧技术等方面，而对各种燃烧技术的经济性研究较少，更缺乏对不同燃烧方法、燃烧技术经济性的比较分析。实际上，由于生物质(尤其是农作物秸秆)原料来源地分散，收集、运输、贮存都需要一定的成本，有些燃烧技术需先对生物质燃料进行干燥、破碎等前期加工处理，真正适用的、值得推广的是能源化利用总成本最低、从收集到燃烧前期加工处理过程耗能最少、对环境影响最小的技术。例如，对于秸秆类生物质，捆烧将会是最有市场竞争力的燃烧方法，所以，应针对我国农村耕种集约化程度较低的现状，开发各种秸秆的小型打捆机械，并重点开发适用于秸秆捆烧的燃烧设备。农林加工剩余物(如甘蔗渣、稻壳、废木料等)则宜就地或就近燃烧利用，如剩余物数量较大且能常年保证供应，则可作为热能中心或热电联产锅炉燃料，热电联产的锅炉型式应优先采用循环流化床锅炉，数量较少或不能保证常年供应的，则可采用能与煤混烧的燃烧设备。

（二）加大科技支撑力度,加强产学研结合,突破关键技术和核心装备的制约

加大科技支撑力度,尽快将生物质能源的研究开发纳入重大专项,开发低成本非粮原料生产燃料乙醇和高效酶水解及高效发酵工艺,研究可适用不同原料、节能环保的具有自主知识产权的生物柴油绿色合成工艺,开发适宜中国不同区域特点的高效收集秸秆资源、发展成型燃料的关键生产技术与装备。

（三）做好技术方面控制

生物质锅炉的开发过程中应当克服以下技术问题：

1、粉尘控制与防火防爆 

目前生物质电厂的燃料储运是在常压下进行的，由于生物质燃料自身的特点，在其粉碎过程中或者在运输过程中出现落差的情况下，会产生大量的粉尘，导致了上料系统合锅炉给料系统的粉尘含量高，粉尘浓度甚至进入爆炸极限范围，存在极大的安全隐患。 

针对这种情况，需要我们根据国内燃料供应情况，在燃料粉碎、运输及上料环节上对生产工艺做相应修改，如采用封闭式负压储运；在落差较大的位置设置除尘装置；增设粉尘浓度传感器对粉尘进行实时监测；保持料仓的通风性良好，监测并控制料仓的温度、湿度。 

2、燃料输送系统的简化 

目前燃料输送系统和锅炉给料系统环节较多，工艺复杂，螺旋和斗式提升机经常堵塞的现象。燃料输送系统故障会导致炉前料仓断料，不能满足锅炉负荷下的燃料供应。 

为了避免这种现象发生，可以考虑改进现有的给料工艺，减少给料环节，不采用斗式提升机，改用栈桥、皮带，直接将料仓的料输送到炉前料仓。同时严格控制燃料湿度和粒度，防止燃料结团、缠绕，并改进自动化控制手段，保证输料系统连续稳定运行。 

3、结焦和腐蚀 

生物质燃料的成分和煤粉存在极大差异，尤其灰分中含有大量碱金属盐，这些成分导致其灰熔点较煤粉的灰熔点低，容易产生沾污结焦和腐蚀。因而生物质锅炉产生结焦、腐蚀的工况参数与普通燃煤炉不同，应该根据燃料性质及燃烧特性的不同，对锅炉及其辅助设备的工艺设计提出不同要求，并改进相关自动化控制使工艺运行环境符合现有设备要求。

随着国家大气污染排放标准的提高，因重视对废气排放的控制，炉内脱硫技术是控制空气污染的有效方法。循环流化床是我国燃煤发电重要的清洁煤技术。历经二十余年的发展，我国掌握了300MW亚临界循环流化床锅炉设计制造运行的系统技术，发展超临界参数循环流化床锅炉已经势在必行。国家发改委自主研发超临界600MWCFB锅炉是当前技术的典范。

参考文献

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[2]俞国盛，侯孟.生物质成型燃料加工装备发展现状及趋势.林业机械与木工设备，2009（37） 

[3]赵辉.生物质高温气流床气化制取合成气的机理试验研究[D].杭州:浙江大学,2007.