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        生物質燃燒技術現狀與展望

        中國爐具網-爐具行業門戶丨綜合服務平臺    2015-12-03     來源:中國新能源網     瀏覽:2246

        陳漢平,李斌,楊海平,王賢華,張世紅

        (華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室,武漢430074)

          摘要:生物質燃燒技術是大規模高效潔凈利用生物質能的一種重要方式,也是目前生物質能的各種利用轉化途徑中最成熟、最簡便可行的方式之一,從物質的燃燒特性出發,分析了目前生物質各種常規特性測試方法的不足,介紹了國內外各種生物質燃燒技術的特點及其應用情況,并對生物質燃燒存在的問題及相應解決措施進行了探討,最后對我國生物質燃燒技術的發展進行了展望。

          0引言

          生物質能是一種清潔可再生能源,幾乎不含硫、含氮很少,且具有CO2近零排放的優點。據估計,地球上每年生物能總量約1400億~1800億千噸,相當于目前世界總能耗的10倍。我國擁有豐富的生物質資源,據2006年的統計,可供開發的生物質資源至少能達到5.4億噸標準煤。其中,每年農作物秸稈量有7.2億多噸,林業剩余物資源1.25億多噸,而未來可利用邊際土地種植的速生林等能源作物量更大。在生物質的各種利用轉化途徑中,生物質燃燒技術無疑是目前適合我國國情的、生物質大規模高效潔凈利用途徑中最成熟、最簡便可行的方式之一,在不需對現有燃燒設備作較大改動的情況下即可獲得很好的燃燒效果,其推廣應用對于推動我國生物質能利用技術的發展、保護環境與改善生態、提高農民生活水平等具有重要的作用。

          1生物質燃燒特性與分析測試標準

          圖1所示為某玉米稈與黃陵煙煤在空氣氣氛下的TG-DTG曲線。由圖1可知,生物質與煤的燃燒過程非常相似,可大致分為預熱干燥、揮發分的析出、燃燒與焦炭形成和殘余焦炭的燃燒、燃盡三個階段。但是,生物質的揮發分析出溫度和最大失重速率峰值均遠低于煤,更易著火燃燒,表現出與煤不同的燃燒特性,這主要與生物質和煤的組成不同有關。已有經驗表明,直接將燃煤鍋爐改燒生物質往往會出現很大的問題。因此,生物質燃燒設備的設計和運行方式的選擇必須從生物質自身燃燒特性出發,才能保證運行的經濟性和可靠性。

         

          表1所示為幾種常見生物質燃料和煤的常規分析結果。與煤相比,生物質中的揮發分含量高、固定碳和灰分含量低,元素組成中碳含量低、氧含量高而熱值低,這正是兩者燃燒特性有很大差別的原因。然而,目前國內有關生物質常規特性的分析測試大部分仍采用原有的煤的分析測試標準,與生物質的實際特性并不相符,美國材料與試驗協會(ASTM)已經出臺了專門的生物質分析標準。

         

          生物質灰中的大量堿金屬(K、Na)在燃燒過程中的揮發遷徙極易造成聚團、結渣和腐蝕等,其含量的準確測定顯得尤為重要。表2所示為在國標和ASTM標準下生物質灰成分的測定結果。

         

          由表2可知,在兩個不同標準下,生物質的灰成分差別很大,而ASTM標準則更加符合實際應用過程。燃燒設備及受熱面等的高溫氯腐蝕是生物質燃燒應用中需要面對的另一個重要問題,在生物質的常規測試分析中補充測量生物質中的氯含量十分必要。為了更好的研究和利用生物質能,我國應盡快研究制定出相應的生物質分析測試的標準方法。

          2生物質直接燃燒技術

          生物質直接燃燒是指純燒生物質,主要分為爐灶燃燒和鍋爐燃燒。傳統的爐灶燃燒方式燃燒效率極低,熱效率只有10%~18%,即使是目前大力推廣的節柴灶,其熱效率也只有20%~25%。生物質鍋爐燃燒采用先進的燃燒技術,把生物質作為鍋爐的燃料,以提高生物質的利用效率,適應于相對集中、大規模利用生物質資源。鍋爐按照燃燒方式的不同可分為層燃爐和流化床鍋爐等,以下就生物質層燃和流化床燃燒作重點介紹。

          2.1層燃技術

          傳統的層燃技術是指生物質燃料鋪在爐排上形成層狀,與一次配風相混合,逐步地進行干燥、熱解、燃燒及還原過程,可燃氣體與二次配風在爐排上方的空間充分混合燃燒。鍋爐形式主要采用鏈條爐和往復推飼爐排爐。生物質層燃技術被廣泛應用在農林業廢棄物的開發利用和城市生活垃圾焚燒等方面,可適于燃燒含水率較高、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,一般額定功率小于20MW。

          在丹麥,開發了一種專門燃燒已經打捆秸稈的燃燒爐,采用液壓式活塞將一大捆的秸稈通過輸送通道連續地輸送至水冷的移動爐排。由于秸稈的灰熔點較低,通過水冷爐墻或煙氣循環的方式來控制燃燒室的溫度,使其不超過900e。丹麥ELSAM公司出資改造的Benson型鍋爐采用兩段式加熱,由4個并行的供料器供給物料,秸稈、木屑可以在爐柵上充分燃燒,并且在爐膛和管道內還設置有纖維過濾器以減輕煙氣中有害物質對設備的磨損和腐蝕。經實踐運行證明,改造后的生物質鍋爐運行穩定,并取得了良好的社會和經濟效益。

          在我國,已有許多研究單位根據所使用的生物質燃料的特性,開發出了各種類型生物質層燃爐,實際運行效果良好。他們針對所使用原料的燃燒特性不同,對層燃爐的結構都進行了富有成效的優化,爐型結構包括雙燃燒室結構、閉式爐膛結構及其他結構,這些均為我國生物質層燃爐的開發設計提供了寶貴的經驗。應當看到的是,我國生物質層燃技術與國外相比,仍存在較大的差距,應當進一步加大研發力度,開發出具有我國特色的先進的生物質層燃技術,以增強我國在生物質燃燒技術領域的競爭力。

          2.2流化床技術

          流態化燃燒具有傳熱傳質性能好、燃燒效率高、有害氣體排放少、熱容量大等一系列的優點,很適合燃燒水分大、熱值低的生物質燃料。流化床燃燒技術是一種相當成熟的技術,在礦物燃料的清潔燃燒領域早已進入商業化使用。將現有的成熟技術應用于生物質的開發利用,在國內外早已進行了廣泛深入的研究,并已進入商業運行。

          目前,國外采用流化床燃燒技術開發利用生物質能已具有相當的規模。美國愛達荷能源產品公司已經開發生產出燃生物質的流化床鍋爐,蒸汽鍋爐出力為4.5~50t/h,供熱鍋爐出力為36.67MW;美國CE公司利用魯奇技術研制的大型燃廢木循環流化床發電鍋爐出力為100t/h,蒸汽壓力為8.7MPa;美國B&W公司制造的燃木柴流化床鍋爐也于20世紀80年代末至90年代初投入運行。此外,瑞典以樹枝、樹葉等林業廢棄物作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用,鍋爐熱效率可達到80%;丹麥采用高倍率循環流化床鍋爐,將干草與煤按照6:4的比例送入爐內進行燃燒,鍋爐出力為100t/h,熱功率達80MW。

          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,聯合開發了各種類型燃生物質的流化床鍋爐,投入生產后運行效果良好,并進行了推廣,還有許多出口到了國外,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,試驗研究證明,該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩定、不易結焦等優點,現已經獲得國家專利。

          3生物質成型燃料燃燒技術

          生物質成型燃料體積小,密度大,儲運方便,并且燃料致密,無碎屑飛揚,使用方便、衛生,燃燒持續穩定、周期長,燃燒效率高,燃燒后的灰渣及煙氣中污染物含量小,是一種清潔能源。然而目前我國生物質成型燃料的規模仍然不大,成型燃料的壓制設備仍不成熟,成本較高,目前還只是作為采暖、炊事及其他特定用途的燃料,使用范圍還有待拓展。

          生物質成型燃料與常規生物質和煤相比,其燃燒特性都有很大差別。生物質成型燃料燃燒過程中爐內空氣流動場分布、爐膛溫度場和濃度場分布、過量空氣系數大小、受熱面布置等都需要重新設計考慮。國外如日本、美國及歐洲一些國家生物質成型燃料燃燒設備已經定型,并形成了產業化,在加熱、供暖、干燥、發電等領域已普遍推廣應用。這些國家的生物質成型燃料燃燒設備具有加工工藝合理、專業化程度高、操作自動化程度好、熱效率高、排煙污染小等優點。我國自20世紀80年代開始進行生物質成型燃料燃燒技術的研究和開發,目前已經取得了一系列的成果和進展,但是相關技術與國外仍存在較大的差距。當前直接引進國外先進技術并不適合我國國情,國外大部分都是采用林業殘余物(如木材等)壓制成型燃料,這與我國生物質資源主要以農作物秸稈為主的情況并不相符,開發具有我國自主知識產權的高效經濟的生物質成型燃料燃燒技術將是我國未來發展的一個重要方向。

          4生物質與煤混燒技術

          生物質由于其能量密度低,形狀不規則,空隙率高,熱值低,不利于長距離運輸,且易導致鍋爐爐前熱值變化大,燃燒不穩定;同時,由于生物質燃料供應受到季節性和區域性影響,難以保證連續、穩定的供應,因此,一般的生物質純燒鍋爐很難保證其效率和經濟性。采用生物質與煤混燒技術能夠克服生物質原料供應波動的影響,在原料供應充足時進行混燃,在原料供應不足時單燒煤。利用大型電廠混燃發電,無需或只需對設備進行很小的改造,就能夠利用大型電廠的規模經濟,熱效率高,在現階段是一種低成本、低風險的可再生能源利用方式,不但有效彌補了化石燃料的短缺,減少了傳統污染物(SO2,NOx等)和溫室氣體(CO2,CH4等)的排放,保護了生態環境,而且促進了生物質燃料市場的形成,克服了純燒生物質鍋爐的缺點,發展了區域經濟,提供了就業機會。在許多國家,混合燃燒是完成CO2減排任務最經濟的技術選擇。

          國外的生物質與煤混合燃燒技術已進入到商業示范階段,在美國和歐盟等發達國家已建成一定數量生物質與煤混合燃燒發電示范工程,電站裝機容量通常在50~700MW之間,少數系統在5~50MW之間,燃料包括農作物秸稈、廢木材、城市固體廢物以及淤泥等?;旌先紵闹饕O備是煤粉爐,亦有發電廠使用層燃爐和采用流化床技術;另外,將固體廢物(如生活垃圾或廢舊木材等)放入水泥窯中焚燒也是一種生物質混合燃燒技術,并已得到應用。以荷蘭Gelderland電廠為例,它是歐洲在大容量鍋爐中進行混合燃燒最重要的示范項目之一,以廢木材為燃料,鍋爐機組選用635MW煤粉爐,木材燃燒系統獨立于燃煤系統,對鍋爐運行狀態沒有影響。該系統于1995年投入運行,現已商業化運行,每年平均消耗約6萬t木材(干重),相當于鍋爐熱量輸入的3%~4%,替代燃煤約4.5萬,t輸出電力20MW,為未來混合燃燒項目提供了直接經驗。

          我國生物質混合燃燒技術的研究起步較晚,目前還缺乏先進的技術和設備。同時,由于生物質與煤混燒難以計量和管理,使得國家在相關政策方面支持不夠,國家鼓勵對常規火電項目進行摻燒生物質的技術改造,但是當生物質摻燒量按照熱值換算低于80%時,應按照常規火電項目進行管理,并不享受政策優惠,這在很大程度上限制了我國生物質混燒技術的發展,相關方面的研究和應用也不多。

          華中科技大學對生物質與煤的混燒特性及污染物排放特性進行了廣泛深入的研究,發展了生物質與煤的流化床燃燒技術,開發了各種木屑、蔗渣與煤的混燒鍋爐,其中在廣西露塘糖廠進行的35t/h蔗渣與煤混燒的循環流化床鍋爐改造已經獲得了成功的工業應用,取得了良好的運行效果。2005年12月,山東棗莊十里泉秸稈與煤粉混燒發電廠竣工投產,引進了丹麥BWE公司的技術與設備,對發電廠1臺14kW機組的鍋爐燃燒器進行了秸稈混燒技術改造,預計年消耗秸稈10.5萬,t可替代原煤約7156萬t。

          5生物質燃燒發電概況

          生物質直燃發電技術由于成本低,利用量大,一直被世界各國所重視。生物質燃料的運輸成本高,同時季節性和區域性強,為了克服生物質燃料供應波動的影響,大型電廠一般都采用混燃發電技術。同時為了提高生物質電廠的經濟性和熱效率,現在歐美一些國家都基本使用熱電聯合生產技術(CHP),鍋爐設計基本全部采用流化床技術。CHP工藝中發電效率在30%~40%,但是它有80%的潛力可控。瑞典和丹麥實行利用生物質進行熱電聯產的計劃,使生物質在提供高品位電能的同時,滿足供熱的需求。丹麥政府已明令電力行業必須每年焚燒140萬噸生物質,一般是在流化床爐上混燒或在爐排爐上全燒稻桿。英國Fibrowatt電站的3臺額定負荷為12.7MW、13.5MW和38.5MW的鍋爐,每年直接使用750000t的家禽糞,發電量足夠100000個家庭使用;并且禽糞經燃燒后重量減輕90%,便于運輸,作為一種肥料在全英、中東及遠東地區銷售。美國的生物質燃燒發電工作比較先進,相關的生物質發電站有350多座,發電裝機總容量達700MW,提供了大約6.6萬個工作崗位,據有關科學家估計,到2010年生物質發電將達到13000MW裝機容量,可安排17多萬就業人員。2002年日本提出計劃到2010年生物質能發電達330MW。

          在我國,直燃生物質發電技術主要在有穩定生物質原料來源的制糖廠和林木加工企業使用較多。最近幾年來,我國生物質發電產業得到了迅猛發展。截至2007年底,國家和各省發改委已核準項目87個,總裝機規模220萬千瓦。全國已建成投產的生物質直燃發電項目超過15個,在建項目30多個。根據國家"十一五"規劃綱要提出的發展目標,未來將建設生物質發電550萬千瓦裝機容量,已公布的可再生能源中長期發展規劃6也確定了到2020年生物質發電裝機3000萬千瓦的發展目標??偟恼f來,我國生物質能發電行業有著廣闊的發展前景。

          6生物質燃燒利用存在的問題

          6.1生物質的收集、儲運與預處理

          生物質的收集、儲運與預處理一直是生物質能利用技術發展的瓶頸。由于秸稈等農業加工剩余物原料較為分散、能量密度低,并且存在明顯的區域性和季節性,所以收集、運輸及貯存費用是生物質成本的主要部分。同時,由于生物質原料的纖維結構,其預處理困難,成本較高。目前秸稈發電所需的打包機、切碎機以及其他上料設備,產品質量差,生產能力小,亟需按照生物質發電的實際情況進行改進,以滿足生物質電廠燃料供應的要求。隨著生物質發電技術在我國的推廣應用,近年來,一些地方生物質發電廠的密集程度越來越大,已出現無序建設的苗頭。加之農業、畜牧業、造紙和家具建材等行業對原料的爭奪,生物質燃燒發電廠的原料供應難以保證。同時,新建電廠的鍋爐容量盲目求大,并沒考慮到生物質原料的特點和經濟規模。在建設生物質發電項目時,應充分發揮當地的優勢,合理規劃和布局,防止盲目布點,根據當地生物質資源的儲量和分布特點,確定經濟收集半徑,據此選擇合適的生物質燃燒電廠的規模,并配套合理的生物質收集、儲運和預處理,保證原料的穩定供應,提高系統的經濟性。

          6.2堿金屬引起的積灰、結渣和腐蝕

          生物質中高的堿金屬含量(K,Na)導致生物質的灰熔點較低,給燃燒過程帶來許多問題。在燃燒利用過程中,高的堿金屬含量是引起鍋爐受熱面積灰、結渣和腐蝕的重要因素,會直接造成鍋爐壽命和熱效率降低等;同時高的堿金屬含量還易引起床料的聚團、結渣破壞床內的流化,使燃燒工況惡化。

          Baxter認為生物質燃燒時的灰沉積率在燃燒早期最大,然后會單調遞減,且生物質燃燒所產生的灰沉積表面光滑、孔隙度小,比煤灰沉積更難去除。Bapat等在研究生物質流化床燃燒時發現生物質灰中的堿金屬氧化物或鹽類與床料顆粒(SiO2)發生以下反應:

         

          形成的低溫共熔體的熔融溫度分別僅為764e和874e,從而造成了嚴重的燒結。Blander等模擬了麥稈燃燒時的無機化學反應,發現麥稈中含量最高的兩種元素Si和K在燃燒時形成低熔點的硅酸鹽沉積在燃燒設備的金屬上會造成燃燒設備的腐蝕,因為金屬的氧化保護層會溶解在沉積的熔渣中。同時由于堿金屬的高揮發性可能會發生如下反應造成腐蝕:

         

          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),抑制堿金屬的揮發性,以及探索選用新型的床料(非SiO2類床料),是解決生物質流化床積灰、結渣和腐蝕問題的有效途徑。同時,在保證正常的流化床運行工況的前提下,適當地降低燃燒溫度、合理地調節燃燒工況也是一種有效減輕結渣的方法。

          6.3高溫氯腐蝕

          生物質燃料與煤的一個顯著不同還在于生物質中的氯含量高,氯在生物質燃燒過程中的揮發及其與鍋爐受熱面的反應會引起鍋爐的腐蝕。當生物質燃料含氯高(如稻草)時,將使壁溫高于400e的受熱面發生高溫氯腐蝕。生物質燃料鍋爐的高溫氯腐蝕比燃煤鍋爐嚴重得多,應予以足夠重視。

          生物質燃料鍋爐發生高溫氯腐蝕的原因主要是生物質中的氯在燃燒過程中以HCl形式揮發出來,與鍋爐的金屬壁面發生反應,生成的FeCl3熔點很低,僅為282e,較易揮發,對保護膜的破壞較為嚴重;除了對Fe、Fe2O3的侵蝕外,氯與氯化物還可在一定條件下對Cr2O3保護膜構成腐蝕。當氯、硫化合物共存時:

         

          可見氯、硫化物的同時存在并借助H2O和O2,不僅可加速硫酸鹽的生成,也有利于HCl、Cl2的形成,進而加速高溫腐蝕過程。除了以上高溫氣體腐蝕和熔融鹽腐蝕之外,HCl氣體還易在煙道出口處形成露點腐蝕。

          在鍋爐受熱面設計時選用新的防腐材料,在實際運行過程中應當合理的調整工況,加入適量的脫氯劑或吸收劑脫除或減少HCl的排放,降低爐內HCl的濃度,可以減輕鍋爐的高溫氯腐蝕。同時考慮到生物質燃料中的氯大部分是以游離氯離子的形態存在,收集原料時采用雨水沖刷后太陽晾干的生物質原料,在一定程度上可以緩解鍋爐的高溫氯腐蝕。

          7生物質燃燒技術的發展與展望

          大力發展生物質燃燒技術對于減少溫室氣體排放、減輕環境污染、優化我國能源結構、維持經濟可持續發展意義重大。近20年來,盡管我國在生物質燃燒利用方面取得了長足的進步,但是與發達國家相比,無論是技術層面還是應用層面仍有很大差距,國內大部分的生物質燃燒發電廠仍靠直接引進國外技術為主。同時,國外生物質燃燒的原料主要采用林業廢棄物資源,與我國國情相差甚遠,我國的主要生物質資源為農作物秸稈,國外引進技術的適用性并不理想。因此大力發展具有我國自主知識產權的生物質高效燃燒技術將是未來我國生物質燃燒技術發展的重要方向。

          目前,生物質燃燒技術與常規化石燃料利用技術相比仍然缺乏足夠的市場競爭力。為進一步促進我國生物質能產業的發展,建議政府的有關部門制定優惠政策,研究經濟高效的燃燒技術,促進建立健全生物質燃料的收集、預處理和配送體系,鼓勵建設和使用生物質發電系統,這將對我國社會經濟和環境持續協調發展起到重大深遠的影響。

          同時,在發展我國生物質發電產業的同時,要加強對生物質資源的管理,科學制定生物質發電規劃,優化生物質發電項目的布局,切實加強生物質發電的能力建設和人才培養,積極促進技術研發和設備國產化,為生物質發電的發展創造良好的基礎。我們相信由于生物質的可再生性、環境友好性及對全球氣候異常的抑制作用,大力發展生物質能利用及燃燒發電技術前景良好且意義重大。

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