生物質(zhì)氣化鍋爐綜述

1、生物質(zhì)氣化鍋爐綜述0前言人類社會進(jìn)入21世紀(jì)，正面臨著發(fā)展與環(huán)境的雙重壓力。經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展 以能源的消耗為重要動力，經(jīng)濟(jì)越發(fā)展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消費的 增加。這樣就有兩個突出問題擺在我們前面：一是環(huán)境污染日益嚴(yán)重；二是化石 燃料的緊缺。我國作為一個迅速崛起的發(fā)展中大國，2008年中國能源的消耗總 量28.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長4.0%。統(tǒng)計表明，中國煤炭消耗量為27.4億噸, 增長3.0%；原油消耗量為3.6億噸，增長5.1%；天然氣消耗量為807億立方米, 增長10.1%；電力消耗量為34502億千瓦小時，增長5.6%o我國已經(jīng)成為世界 能源消耗大國，能源形勢更加嚴(yán)峻。2006

2、年中國能源發(fā)展報告中指出，在全球能源消費構(gòu)成中，化石能源 占90%,核電、水電僅占10%。目前，中國消耗的主要能源是煤（占75%）和 石油（占17%）o按冃前技術(shù)水平和開采量計算，全球的石油可開采40年，煤炭 可開采200年，天然氣約為60年3】，同時隨著化石能源的過度消耗，釋放了大 量的多余能量和碳素，打破了自然界的能量和碳平衡，是造成臭氧層破壞、全球 氣候變暖和酸雨等災(zāi)難性后果的肓接因素。1997年我國排放co2中85%是燃煤 排放的，排放的so2中的90%是由燃煤排放，煙塵排放1744噸，其中73%是能 源開發(fā)利用而排放的。我國頒布的防止大氣污染法和簽訂的“京都議定書” 都對我國城鎮(zhèn)直接

3、燃煤問題提岀了量的限制和技術(shù)改造要求?，F(xiàn)在許多城市己經(jīng) 開始禁用小型燃煤鍋爐，所以研究開發(fā)可替代煤的清潔燃料勢在必行。生物質(zhì)在 能源利用過程中可以基木實現(xiàn)co2零排放，給緩解能源緊缺和環(huán)境惡化提供了 新的解決途徑。生物質(zhì)在生長過程屮通過光合作用吸收大氣中的co2,將碳和能量固定下 來，因此利用生物質(zhì)能基本上可以達(dá)到co?的零排放，緩解全球變暖的問題，同 時可以降低對化石能源的依賴性，達(dá)到可持續(xù)能源生產(chǎn)的目的。植物每年儲存的 能量約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的10倍，而作為能源的利用量還不到其總量的 1%?，F(xiàn)代的生物質(zhì)能包括：（1）木質(zhì)廢棄物（工業(yè)性的），（2）甘蔗渣（工業(yè) 性的），（3）城市廢物，

4、（4）生物燃料（包括沼氣和能源型作物）；傳統(tǒng)的生物質(zhì) 能包括：（1）家庭使用的薪柴和木炭，（2）稻草稻殼，（3）其他的植物性廢棄物, （4）動物的糞便。我國每年生產(chǎn)的農(nóng)作物秸稈總量約占全世界秸稈總量的 20-30%5o我國是一個農(nóng)業(yè)大國，2001年我國主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量如表l-l6o 在中國，農(nóng)作物秸稈傳統(tǒng)上是農(nóng)村生活燃料、牲畜飼料與有機(jī)肥料的主要來源。 近年來，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的提高，高品位的商品能源已逐步進(jìn)入農(nóng)村，所以秸 稈在農(nóng)村生活用能中所占的比例正逐步下降，同時養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；罐r(nóng)村的牲畜 散養(yǎng)量下降，用作飼料的秸稈的量也大量減少，所以這造成了秸稈的嚴(yán)重過剩。 又由于人們對農(nóng)作物秸稈資源

5、的認(rèn)識不足，缺乏開發(fā)利用農(nóng)作物秸稈的技術(shù)手 段、設(shè)備等原因，使許多秸稈被堆放在田間地頭，占用大量的耕地，尤其是秸稈 的荒燒，不僅浪費了大量的能源資源，還引起嚴(yán)重的煙霧污染，極大地影響空屮 和陸地交通，同時破壞了生態(tài)環(huán)境，影響了人類的健康，現(xiàn)已引起各級政府的高 度重視。表1-1 2001年我國主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量農(nóng)作物產(chǎn)量/萬噸草谷比秸稈量/萬噸折標(biāo)煤系數(shù)折標(biāo)煤量/萬噸稻谷17758.00.62311063.20.4294746小麥9387.31.36612823.10.5006412玉米11408.82.00022817.60.52912071豆類2052.81.5003079.20.54316

6、72薯類3563.10.5001781.60.486866棉花532.43.00015970.543867油料2864.92.0005729.80.5293031甘蔗7566.30.100756.60.441382合計55133.659648.130047我國2006年1月1日開始實施的可再生能源法指岀'促進(jìn)可再生能源 的開發(fā)利用，增加能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，保護(hù)環(huán)境，實現(xiàn)經(jīng) 濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展?！眹夜膭钋鍧?、高效地開發(fā)利用生物質(zhì)燃料，專家認(rèn)為, 到2015年，全球總能耗將有40%來自生物質(zhì)能源。根據(jù)中國工程院中國可持 續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略研究預(yù)測，2050年我國生物質(zhì)能開發(fā)

7、利用量將占一次能源供 應(yīng)量的8%°。合理利用生物質(zhì)能，不僅可以滿足快速發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)對能源利 用的需要，而且對于改善能源結(jié)構(gòu)，緩解能源生產(chǎn)和使用造成的環(huán)境污染，彌補(bǔ) 化石能源的不足，保障能源供應(yīng)安全，建立可持續(xù)的生物質(zhì)能源系統(tǒng)，保障我國 經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。1生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀目前，生物質(zhì)能以其清潔性和可持續(xù)性贏得了世界各國政府和科學(xué)家的關(guān) 注，生物質(zhì)能開發(fā)技術(shù)己成為世界重大熱門課題之一，許多國家都開展了相關(guān)的 研究。國外許多國家也因此相繼制定了各自的能源研究開發(fā)計劃，如美國的能源 農(nóng)場、口本的陽光計劃、巴西的酒精能源計劃以及印度的綠色能源工程等。一般

8、 來講，生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換技術(shù)可以分為兩類：熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)和生物轉(zhuǎn)化技術(shù)az。 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)包括：直接燃燒、熱解和氣化；生物轉(zhuǎn)化技術(shù)主要是通過微生物 發(fā)酵方法制取液體燃料或氣體燃料。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)以其高效性和易大規(guī)?；?產(chǎn)的優(yōu)點成為生物質(zhì)利用技術(shù)的主要手段，而生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)是最古老的生 物質(zhì)利用手段，操作簡單，取材方便，將生物質(zhì)原料壓制成成型燃料，可以直接 用于鍋爐的燃燒，生產(chǎn)熱力和電力以及熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power production,chp),符合國家改造燃煤小機(jī)組的政策，適合中國國情。牛物質(zhì)直接燃燒主要分為爐灶燃燒和鍋爐燃燒。爐灶燃燒操作簡便、投資少,

9、 但燃燒效率普遍偏低，從而造成生物質(zhì)資源的嚴(yán)重浪費。而鍋爐燃燒采用先進(jìn)的 燃燒技術(shù)，把生物質(zhì)作為鍋爐的燃料燃燒，以提高生物質(zhì)的利用效率，適用于相 對集中、大規(guī)模地利用生物質(zhì)資源。生物質(zhì)燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃用 生物質(zhì)品種的不同可分為：木材爐、薪柴爐、秸稈爐、垃圾焚燒爐等；按照鍋爐 燃燒方式的不同乂可分為流化床鍋爐、層燃爐等血】。近年來，隨著牛物質(zhì)成型 燃料技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)成型燃料鍋爐技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。1.1國外生物質(zhì)燃燒設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀美國在20世紀(jì)30年代就開始研究成型燃料技術(shù)及其相應(yīng)的燃燒設(shè)備，開發(fā) 研制了螺旋壓縮機(jī)，并建立較多專業(yè)的成型燃料加工廠和燃燒設(shè)備廠,344;日木

10、在20世紀(jì)30年代開始研究機(jī)械活塞式成型技術(shù)，并在1983年前后從美國引進(jìn) 顆粒燃料成型技術(shù)及相應(yīng)的燃燒設(shè)備，并發(fā)展成了日木壓縮成型及燃燒的工業(yè)體 系15u6o 20世紀(jì)80年代亞洲除日木外，泰國、印度、菲律賓、韓國、馬來西亞 已建立了不少固化、碳化專業(yè)生產(chǎn)廠，并已研制出相關(guān)的燃燒設(shè)備。70年代后 期，由于出現(xiàn)石油能源危機(jī)，西歐許多國家開始致力于生物質(zhì)燃燒技術(shù)的研究。 丹麥從1970年開始將生物質(zhì)作為本國的主要能源，到2002年，丹麥國內(nèi)己有 50臺燃用木屑、25臺燃用成型生物質(zhì)燃料和75臺燃用秸稈的電站鍋爐，這些機(jī) 組的熱功率都在2.5-35mw之間。丹麥bwe公司率先研發(fā)秸稈牛物燃燒發(fā)電

11、技術(shù),1988年,丹麥誕生了世界上第1座秸稈生物燃燒發(fā)電廠。丹麥現(xiàn)已建立了 13 家秸稈發(fā)電廠，以秸稈和木屑為主要原料的生物質(zhì)能在丹麥可再生能源中的比重 已超過40%o丹麥elsam公司陰出資改造的benson型鍋爐采用兩段式加熱， 由四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，并且爐膛和 管道內(nèi)還設(shè)置有纖維過濾器以減輕煙氣中有害物質(zhì)對設(shè)備的磨損和腐蝕。經(jīng)實踐 運(yùn)行證明，改造后的生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，并取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。圖 1-1是以農(nóng)作物秸稈為燃料的丹麥rudkobing熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程，系統(tǒng)參 數(shù)見表12。存儲在料倉經(jīng)打捆的燃料經(jīng)過自動化上料機(jī)構(gòu)，粉碎后，進(jìn)入生物

12、 質(zhì)鍋爐，燃燒產(chǎn)生高溫?zé)釤煔?，熱煙氣?jīng)過換熱鍋爐、過熱器、省煤器和空氣預(yù) 熱器釋放熱量后，進(jìn)入袋式除塵器凈化，經(jīng)煙囪排放，尾氣溫度約110°co鍋爐 換熱后生產(chǎn)的高溫高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，乏氣經(jīng)過冷凝器釋放出熱量，循環(huán) 使用。冷凝器釋放的熱量傳遞給區(qū)域供熱系統(tǒng)。圖l-lrudko)bing熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程 表1-2 rudk(dbing熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)項目參數(shù)裝機(jī)容量/mw2.3供熱量/mw7.0蒸汽壓力/mpa6蒸汽溫度/oc450燃料消耗量/(血)12500燃料含水率/%10 25這些國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備具有加工工藝合理、專業(yè)化程度高、操作 自動化程度高、熱效率高、排

13、煙污染小等優(yōu)點。但相對于我國存在著價格高、使 用燃料品種單一、易結(jié)渣、電耗高等缺點，不適合于引進(jìn)我國。東南亞一些國家 生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備大多數(shù)為碳化爐與焦炭燃燒爐，直接燃用生物質(zhì)成型燃 料的設(shè)備較少，同時這些燃燒設(shè)備存在著加工工藝差、專業(yè)化程度低、熱效率低、 排煙污染嚴(yán)重、勞動強(qiáng)度大等缺點；燃燒設(shè)備還未定型，還需進(jìn)一步的研究、試 驗與開發(fā)，這些國家生物質(zhì)成型燃料鍋爐也不適合于引進(jìn)我國。1.2國內(nèi)生物質(zhì)燃燒設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀我國從20世紀(jì)80年代，由于能源危機(jī)，生物質(zhì)作為一種可再生能源又得到 人們的重視。翟學(xué)民根據(jù)甘蔗渣的燃燒機(jī)理，研制出了一種采用閉式爐膛結(jié) 構(gòu)的甘蔗渣鍋爐。該鍋爐將燃燒室與輻射

14、受熱面分開布置，甘蔗渣在爐內(nèi)進(jìn)行半 層燃半懸浮燃燒，既有助于甘蔗渣的著火和燃盡，又可以布置足夠的受熱面，滿 足了燃燒和傳熱兩方面的要求；爐膛內(nèi)布置人字型前后拱，通過前后拱的和互配 合加強(qiáng)了高溫?zé)煔鈱Ω收嵩妮椛?，有利于甘蔗渣的及時著火和穩(wěn)定燃燒。甘蔗 渣作為生物質(zhì)燃料有一定的代表性，因此該爐型對稻殼、樹皮等生物質(zhì)燃料具有 一定的通用性?？谝怂堣b銘等2°通過對秸稈本身特性的分析研究，在秸稈 直燃熱水鍋爐燃燒室的設(shè)計中，采用雙燃燒室結(jié)構(gòu)。第一燃燒室為主燃區(qū)，設(shè)置 于爐膛前部；第二燃燒室為輔助燃燒區(qū)，設(shè)置于爐膛后部，兩者間由擋火拱分隔。 該布置方式加強(qiáng)了秸稈與高溫?zé)煔狻⒖諝獾叵嗷セ旌希?/p>

15、同時延長了物料在爐內(nèi)燃 燒的停留時間，確保了秸稈燃燒的充分完全，取得了良好的運(yùn)行效果。何育恒0 開發(fā)設(shè)計了燃木屑、木粉、樹皮等廢料的層燃鍋爐。該鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，前墻 及爐膛布置少量水冷壁管，保證爐膛具有較高的溫度，以便木屑、木粉的燃燼； 爐膛內(nèi)布置有防爆門，防止木粉爆燃；鍋爐為負(fù)壓燃燒，保證木粉在燃燒時不向 爐外噴火。鍋爐投入運(yùn)行后，經(jīng)測試達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求，為燃木屑、木粉等 林業(yè)廢棄物鍋爐的開發(fā)設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。梧鍋鍋爐制造有限公司的梁福任 陽研制了 10t/h燃稻谷殼鍋爐，該鍋爐簡圖如圖12鍋爐設(shè)計參數(shù)見表13。鍋 爐采用“室燃+層燃”雙重燃燒方式，燃燒設(shè)備有：谷殼噴射設(shè)備和鏈條爐

16、排。 鍋爐雙重燃燒方式的原理為：鍋爐爐膛下部前墻沿寬度方向布置有2個谷殼噴射 設(shè)備，燃燒室呈長方形斷面，設(shè)置有前拱和后拱，該區(qū)域有較高的熱負(fù)荷，有利 于稻谷殼的著火和燃燒。谷殼噴射設(shè)備的噴料口距鏈條爐排面高度約3150mm, 稻谷殼由氣力噴播方式送入爐膛中，利用高度差使稻谷殼在爐內(nèi)飛行的一段路程 中受到熱煙氣的加熱，稻谷殼中的水分基本被烤干，稻谷殼在煙氣及空氣的托浮 下，在爐內(nèi)懸浮燃燒，構(gòu)成室燃區(qū)；未燃盡的稻谷殼落在爐排面上繼續(xù)充分燃盡, 構(gòu)成層燃區(qū)。爐排面至爐膛出口的距離約10 m,有足夠的高度保證稻谷殼在燃 燒區(qū)內(nèi)完全燃盡。燃燒室后墻布置有三次風(fēng)，其目的是增強(qiáng)爐內(nèi)氣流擾動和補(bǔ)充 空氣，使燃

17、燒更為完全。圖1-2 10t/h稻谷殼鍋爐簡圖 表1-3 10t/h稻谷殼鍋爐參數(shù)主要參數(shù)設(shè)計值測量值鍋爐蒸發(fā)量（t/h）1010.3蒸汽壓力（mpa）2.52.48蒸汽溫度（°c）400397給水溫度（°c）105104.3燃料低位發(fā)熱值（kj/kg）1305513105燃料消耗量（kg/h）25652632熱效率（）83.884.1排煙溫度（。0158156灰渣和飛灰含碳量（）5<=4.8此外，黑龍江省能源研究所劉惠寧23設(shè)計開發(fā)了秸稈生物質(zhì)燃料鍋爐，鍋 爐出力d=50t/h,燃料為生物質(zhì)秸稈，排煙溫度設(shè)計為180°c,鍋爐熱效率 q=86.24%；河南

18、農(nóng)業(yè)大學(xué)劉圣勇等開發(fā)設(shè)計了燃生物質(zhì)成型燃料的雙層爐排熱 水鍋爐。38hi2三次風(fēng)噴料風(fēng)日38006730-133931doo,93生物質(zhì)燃料鍋爐存在的問題由于生物質(zhì)燃料本身的原因，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，使得燃燒過程中岀現(xiàn)一些技術(shù)難點，需耍認(rèn)真對待，其中主耍 為：沾污、腐蝕、結(jié)塊，so2、nox、hcl以及氣溶膠的排放等叫1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與床料（通常是石英砂）發(fā)生反應(yīng)，形成k2o-4s1o2和 na2o-2 sio2的低溫共熔混合物，其熔點分別為870°c

19、和760。（3。這種粘性的共 晶體附著在砂子表面相互粘結(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（灰融點低于1 000。0,形成較易碎裂的渣塊。2沾污與腐蝕生物質(zhì)鍋爐過熱器存在著腐蝕的問題，并且隨著蒸汽溫度的升高，腐蝕率也 增加。牛物質(zhì)鍋爐中的腐蝕機(jī)理與氣相氯化物有關(guān)，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)。沾污和腐蝕現(xiàn)象通常是同吋存在的。腐 蝕多發(fā)生在過熱器受熱面上，以氯腐蝕為主。此外，生物質(zhì)鍋爐基本上都存在嚴(yán) 重的各級受熱面的積灰、過熱器結(jié)渣與沾污的問題，嚴(yán)重的沾污會降低傳熱效率, 在惡劣的情況下，局部傳熱表面會被沾污覆蓋而喪失傳熱性能。積灰中存在大量 的kcl(40%- 80% )o積灰的形成主要是由于牛物質(zhì)木身高的鉀和氯含量引起 的。鉀和氯會以kcl的形式直接沉積在傳熱表面，也可能鉀與灰中的硅酸鹽反 應(yīng)生成低熔點灰，增加了粘著在傳