摘要：介紹了生物質(zhì)成型、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)液化及熱解多聯(lián)產(chǎn)等幾種常見的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)。分析了生物質(zhì)燃料在鍋爐行業(yè)中的利用現(xiàn)狀及存在的主要問題，并指出鍋爐行業(yè)未來應(yīng)立足生物質(zhì)燃料的發(fā)展，并朝著原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化的方向發(fā)展。
0、引言
工業(yè)鍋爐是重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活中起著不可或缺的作用。當(dāng)前我國(guó)工業(yè)鍋爐以燃煤為主，年耗煤量約占全國(guó)煤炭消耗總量的1/5，污染物排放總量?jī)H次于電站鍋爐[1]。
隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，污染物排放嚴(yán)重的中小型燃煤鍋爐在我國(guó)將逐漸淘汰，被天然氣、電力或生物質(zhì)等新能源為燃料的高效節(jié)能環(huán)保型鍋爐所替代。
作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，能源化利用潛力巨大。全國(guó)可作為能源利用的農(nóng)作物秸稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和能源作物、生活垃圾與有機(jī)廢棄物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)作為一種含碳、固體形態(tài)的可再生能源，其熱轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、設(shè)備與煤炭具有相似性，且生物質(zhì)氮、硫含量低，污染物排放要遠(yuǎn)低于燃煤。因此，大力發(fā)展生物質(zhì)燃料鍋爐將有助于緩解燃煤帶來的環(huán)境污染問題。
我國(guó)政府歷來重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用，并將其作為能源領(lǐng)域的一個(gè)重要方面，納入了國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略。國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)生物質(zhì)能供熱發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出：到2035年，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量超過2500萬千瓦，生物質(zhì)成型燃料年利用量約5000萬噸，生物質(zhì)燃?xì)饽昀昧考s250億立方米，生物質(zhì)能供熱合計(jì)折合供暖面積約20億平方米，年直接替代燃煤約6000萬噸[2]。鍋爐是生物質(zhì)燃料利用的主要設(shè)備，也是我國(guó)節(jié)能減排的主戰(zhàn)場(chǎng)，鍋爐行業(yè)必須緊跟新時(shí)代要求，加快實(shí)現(xiàn)原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化。
1、生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)現(xiàn)狀
生物質(zhì)資源來源廣泛，理化特性各具特色，轉(zhuǎn)化技術(shù)也多種多樣，包括物理方法、熱化學(xué)方法和生物化學(xué)方法等，可得到的產(chǎn)品包括：成型燃料、生物燃?xì)�、生物油、生物炭、沼氣、燃料乙醇、生物柴油等。下面主要介紹幾種與鍋爐相關(guān)的生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)。
1.1生物質(zhì)成型技術(shù)
與傳統(tǒng)化石能源相比，生物質(zhì)具有資源分散、能量密度低、容重小、儲(chǔ)運(yùn)不方便等缺點(diǎn)，造成運(yùn)輸成本較高，嚴(yán)重制約了生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用。生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是生物質(zhì)能的一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效的利用形式，可以大大提高生物質(zhì)能量密度，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，為高效利用農(nóng)林廢棄物提供了一條新的途徑。生物質(zhì)在擠壓成型后，密度可達(dá)0.8～1.3kg/m3，能量密度與中熱值煤相當(dāng)，非常適合作為鍋爐的燃料[3]。
生物質(zhì)固化成型技術(shù)主要分為輥模擠壓式成型(包括環(huán)模式和平模式)、活塞沖壓式成型(包括機(jī)械式、液壓式)和螺旋擠壓式成型等幾種主要型式，工作原理分別如圖1、圖2和圖3所示。其中的輥模擠壓式成型可以實(shí)現(xiàn)自然含水率生物質(zhì)不用任何添加劑、粘結(jié)劑的常溫壓縮成型，生產(chǎn)率較高，是規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)。國(guó)外輥模擠壓式成型機(jī)設(shè)備制造比較規(guī)范，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟，關(guān)鍵部件壽命達(dá)到1000h以上，生產(chǎn)率達(dá)到2t/h以上，已實(shí)現(xiàn)規(guī)�；唐飞a(chǎn)。但是，這些成型設(shè)備是以木屑等林業(yè)剩余物為主要原料，且設(shè)備價(jià)格高，并不適合我國(guó)以秸稈為原料的國(guó)情。
近年來，由于國(guó)家對(duì)秸稈能源化工作的高度重視及相關(guān)政策的支持，我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)取得明顯的進(jìn)展，生物質(zhì)成型技術(shù)及成型壓制設(shè)備也逐漸成熟，成型機(jī)械的能耗、關(guān)鍵部件使用壽命達(dá)到了大規(guī)模生產(chǎn)的要求。2016年建設(shè)農(nóng)作物秸稈固化成型工程合計(jì)1300多處，成型燃料年產(chǎn)量達(dá)653萬噸；林業(yè)三剩物固體成型燃料年產(chǎn)量約250萬噸，總計(jì)900萬噸左右[4]。此外，農(nóng)業(yè)部和地方政府陸續(xù)發(fā)布了《生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件》、《生物質(zhì)固體成型燃料質(zhì)量分級(jí)》、《生物質(zhì)成型燃料鍋爐》、《生物質(zhì)成型燃料鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為生物質(zhì)成型燃料鍋爐專業(yè)化、規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打下了較好的基礎(chǔ)。
1.2生物質(zhì)氣化技術(shù)
生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧或其它含氧物作氣化劑，在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的可燃物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?主要是氫氣、一氧化碳和甲烷)的熱化學(xué)過程。生物質(zhì)原料揮發(fā)分高達(dá)70%以上，受熱后在相對(duì)較低的溫度下就可使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出，因此，氣化技術(shù)非常適用于生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化[6]。生物質(zhì)氣化得到的燃?xì)饧瓤勺鳛榍鍧嵢剂�，又可作為費(fèi)托合成液體燃料的原料，在電力供應(yīng)、熱能生產(chǎn)、化工合成、金屬冶煉等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，因此氣化技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外競(jìng)相開發(fā)的重要生物質(zhì)能技術(shù)。
根據(jù)所使用氣化劑的不同，生物質(zhì)氣化可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、氫氣氣化等。出于成本考慮，一般采用空氣氣化，但所產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂递^低，一般在5～6MJ/m3[7]。氣化爐是生物質(zhì)氣化技術(shù)的核心設(shè)備，按設(shè)備運(yùn)行方式，生物質(zhì)氣化爐可分為固定床、流化床和氣流床。其中固定床和流化床是比較常見的兩種氣化爐型式。固定床氣化爐分為下吸式和上吸式(如圖4)，流化床氣化爐分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床(如圖5)。不同氣化設(shè)備的技術(shù)對(duì)比如表1所示。通常，固定床氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適合較小規(guī)模和對(duì)燃?xì)馄焚|(zhì)要求不高的場(chǎng)合，如戶用或農(nóng)村集中供氣；而流化床特別是循環(huán)流化床氣化爐適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，如發(fā)電或制合成氣。
我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代初期，目前已研制出可用于戶用、集中供氣和發(fā)電的各種類型氣化設(shè)備，擁有成熟的燃?xì)忮仩t供熱、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等技術(shù)。其中，氣化集中供氣已在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個(gè)省市推廣，MW級(jí)氣化發(fā)電技術(shù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了出口，生物質(zhì)氣化合成液體燃料技術(shù)也已完成了千噸級(jí)的示范。
1.3生物質(zhì)液化技術(shù)
20世紀(jì)70年代爆發(fā)石油危機(jī)后，可以直接從生物質(zhì)得到液體燃料的生物質(zhì)熱解液化技術(shù)迅速發(fā)展。生物質(zhì)熱解液化是指在中溫(500℃左右)和缺氧條件下使生物質(zhì)快速受熱分解，熱解氣體再經(jīng)快速冷凝得到以液體產(chǎn)物(生物油)為主的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。在合適的條件下，生物油的最高產(chǎn)率可以達(dá)到70%以上。
國(guó)外在生物質(zhì)熱解液化研究方面起步較早，所開發(fā)的鼓泡流化床、循環(huán)流化床、旋轉(zhuǎn)錐和真空反應(yīng)器等技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的應(yīng)用。其中流化床熱解裝置的最大處理量達(dá)到200噸/天，所生產(chǎn)的生物油用于熱電聯(lián)產(chǎn)。我國(guó)從1995年開始發(fā)展該技術(shù)，目前已有多家單位研發(fā)熱解液化技術(shù)，但大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。其中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了年產(chǎn)10000噸生物油的生物質(zhì)熱解制備生物油應(yīng)用示范工程，華中科技大學(xué)開發(fā)了移動(dòng)式生物質(zhì)液化技術(shù)，可有效解決生物質(zhì)資源低成本收集和高值化利用問題。
表2給出了生物油與重油基本特性對(duì)比。生物油熱值(LHV)為13～18MJ/kg，約為重油的一半，可以作為鍋爐、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，比直接燃燒生物質(zhì)要高效、清潔。但同時(shí)生物油中的氧含量較高，還含有15%～30%的水，所以生物油往往表現(xiàn)出強(qiáng)酸性、高粘度、低熱值和品質(zhì)不穩(wěn)定等特性，使生物油的推廣應(yīng)用受到了很大的限制。除用作燃料外，生物油還可作為大規(guī)模氣化、制氫的原料及用于提煉高附加值的化學(xué)品。此外，生物油中的羧酸含量一般在15%左右，主要是乙酸、甲酸和丙酸，還含有少量的苯甲酸，是制備有機(jī)酸鈣鹽的合適廉價(jià)原料。華中科技大學(xué)利用生物油和鈣基吸附劑制備出富含有機(jī)酸的“富鈣生物油”，可作為有機(jī)酸鈣鹽的替代品，用于爐內(nèi)氮硫污染物的聯(lián)合脫除，圖6為不同溫度下富鈣生物油對(duì)SO2及NOx的聯(lián)合脫除效率，其最大脫硫效率超過90%，脫硝效率約60%[8]。
催化調(diào)質(zhì)與分組富集、熱解氣凈化與品質(zhì)提升等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的精確調(diào)控和高效提質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)炭、氣、油的高效、高值化多聯(lián)產(chǎn)，以及氣、電、熱多聯(lián)供，該技術(shù)工藝流程如圖7。以秸稈為例，炭產(chǎn)率≥35%，熱值≥20MJ/kg；熱解氣產(chǎn)率約25%，熱值≥12MJ/m3；生物油產(chǎn)率≥30%，富含糠醛、苯酚等物質(zhì)。其中，品質(zhì)優(yōu)良的炭可作為燃料炭、生物炭和活性炭；中高熱值的燃?xì)庥糜诩泄狻l(fā)電，余熱用于供熱；富含有機(jī)成分的液體產(chǎn)物可以作為化工原料，從而實(shí)現(xiàn)了低品位的生物質(zhì)資源向高附加值的能源和化工產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化和利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)生產(chǎn)強(qiáng)度提高4倍以上，能耗降低50%。
目前已在湖北鄂州、天門、孝感、赤壁等地建設(shè)20多處生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)示范點(diǎn)，每個(gè)示范點(diǎn)的供氣規(guī)模1000～6000戶，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益明顯。因其先進(jìn)性和優(yōu)異的環(huán)保性能，該技術(shù)獲得2014年聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織頒發(fā)的“全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價(jià)值的領(lǐng)先技術(shù)藍(lán)天獎(jiǎng)”。同時(shí)“一種連續(xù)式生物質(zhì)熱解炭氣油多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)”獲得第十七屆中國(guó)專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。該技術(shù)現(xiàn)作為國(guó)家“綠色能源示范縣”以及“新能源示范城市”等建設(shè)的主推技術(shù)之一，將很快在全國(guó)多地推廣應(yīng)用。
因此，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各種生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化利用技術(shù)已比較成熟，已基本滿足工業(yè)鍋爐燃料供給的需要。目前各項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙是技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。根據(jù)生物質(zhì)原料自身特點(diǎn)，有必要改變單一產(chǎn)品為主的轉(zhuǎn)化利用模式，積極尋求利用價(jià)值最大化的轉(zhuǎn)化技術(shù)，綜合化、高熱值、多聯(lián)產(chǎn)的資源化利用應(yīng)是生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展方向。
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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)外，這對(duì)我國(guó)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(guó)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(guó)在生物質(zhì)固體燃料燃燒利用技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有很大差距。目前國(guó)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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?/div>
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)猓缓笤賹⒖扇細(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(guó)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(yíng)，而目前國(guó)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，�?guó)內(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(guó)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(guó)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(guó)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。
3、鍋爐行業(yè)的選擇
當(dāng)前，在“限煤”的大環(huán)境下，鍋爐行業(yè)面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)的選擇。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，國(guó)家能源和環(huán)保政策逐步調(diào)整到位，鍋爐行業(yè)也基本明確原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化的發(fā)展方向。
3.1原料綠色化
未來能源增長(zhǎng)將主要來自于可再生能源，對(duì)于鍋爐行業(yè)來說，必須立足生物質(zhì)燃料，從吃黑色原料轉(zhuǎn)向吃綠色原料。生物質(zhì)燃料種類眾多，包括不同來源以及不同轉(zhuǎn)化技術(shù)得到的，燃料特性千差萬別，對(duì)鍋爐來說是不小的挑戰(zhàn)，但也是一個(gè)必須要解決的問題。
鍋爐行業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)生物質(zhì)燃料特性對(duì)鍋爐實(shí)現(xiàn)高效清潔安全燃燒的影響，利用現(xiàn)有設(shè)備開展各種燃料(固體燃料或氣體燃料)及燃燒方式(純?nèi)蓟蚧烊?下的性能測(cè)試，積累相關(guān)工業(yè)數(shù)據(jù)；應(yīng)積極主動(dòng)參與生物質(zhì)燃料技術(shù)的研發(fā)，參與相關(guān)燃料標(biāo)準(zhǔn)的制定。例如，針對(duì)生物質(zhì)燃燒過程中突出的沾污、腐蝕問題，通過燃料添加劑是可以大大緩解的，這就需要對(duì)現(xiàn)有的成型燃料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。另外，還應(yīng)加快研制生物質(zhì)燃料專用鍋爐，使生物質(zhì)燃料特性與鍋爐參數(shù)相互匹配最終實(shí)現(xiàn)效能最大化。
同時(shí)，鍋爐行業(yè)還要大膽探索與生物質(zhì)能源結(jié)合的新方式，先行先試，搶占先機(jī)。實(shí)際上生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電就是一個(gè)很好的例子。生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用一直受制于焦油問題，但如果直接將氣化氣送入鍋爐燃燒，就可以避開焦油問題，如果配套的是大容量高參數(shù)鍋爐，效率和效益就更具優(yōu)勢(shì)了。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，還有很多待開發(fā)利用的生物質(zhì)資源，采用合適的轉(zhuǎn)化技術(shù)，就地與生產(chǎn)過程中的用能需求相結(jié)合，對(duì)于控制和降低生物質(zhì)燃料成本以及生產(chǎn)過程的能耗也是極為有利的。
3.2生產(chǎn)清潔化
作為一種相對(duì)清潔的燃料，使用生物質(zhì)燃料對(duì)于鍋爐污染物的控制是有利的。但我國(guó)能源行業(yè)整體實(shí)施超低排放已成趨勢(shì)，如何實(shí)現(xiàn)綠色燃料的清潔利用也是鍋爐行業(yè)采用生物質(zhì)燃料時(shí)需要重點(diǎn)考慮的。應(yīng)結(jié)合生物質(zhì)燃料及其燃燒污染物初始排放濃度低的特點(diǎn)，因地制宜、因勢(shì)利導(dǎo)，采用靈活的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)污染物的控制，絕不能簡(jiǎn)單照搬燃煤鍋爐超低排放技術(shù)。
除了從原料端預(yù)處理入手，盡可能在燃燒過程中實(shí)現(xiàn)低排放外，還可以結(jié)合一些新技術(shù)，例如，以生物質(zhì)熱解得到的富含有機(jī)酸的生物油為原料制備富鈣生物油進(jìn)行聯(lián)合脫硫脫硝，其脫硫效率大于90%，脫硝效率最大可到57%。生物油還可以作為尿素SNCR脫硝的添加劑，有利于拓寬脫硝反應(yīng)溫度窗口。將生物質(zhì)熱解所得生物焦進(jìn)行富氮化改性，不僅促進(jìn)了富氮生物焦的孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展，還增加了富氮焦表面含氮官基團(tuán)的引入，進(jìn)而改善富氮焦吸附污染物的特性，是一種優(yōu)良的煙氣凈化吸附劑，可以同時(shí)吸收二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳。如果將上述技術(shù)整合成一體，可以滿足超低排放的要求。
3.3產(chǎn)品智能化
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的融合正在加快，未來的生物質(zhì)燃料鍋爐理應(yīng)進(jìn)入智能化時(shí)代。通過物聯(lián)網(wǎng)，可以隨時(shí)掌握鍋爐燃料特性；通過人工智能系統(tǒng)，可以將鍋爐運(yùn)行參數(shù)調(diào)整到最佳；生物質(zhì)燃料的消耗量、能源(電力)輸出量、污染物排放量等數(shù)據(jù)傳向各種終端，整個(gè)生產(chǎn)過程可根據(jù)原料價(jià)格、庫(kù)存、碳稅、能源價(jià)格、排污費(fèi)、設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。
鍋爐企業(yè)需要跳出傳統(tǒng)的只賣鍋爐的狹隘盈利模式，而成為清潔能源整體解決方案的提供商，通過提供技術(shù)含量高的產(chǎn)品，以及各種后續(xù)技術(shù)服務(wù)，甚至是承擔(dān)運(yùn)營(yíng)任務(wù)，獲得長(zhǎng)期收益。此外，還應(yīng)打破用戶、制造企業(yè)及行業(yè)專家之間缺乏深度信息融合的限制，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)及工業(yè)鍋爐行業(yè)專家資源，搭建集監(jiān)測(cè)、診斷及遠(yuǎn)程服務(wù)于一體的綜合性平臺(tái)，并基于平臺(tái)大數(shù)據(jù)，為鍋爐制造企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、用戶的爐型選擇、鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化提供指導(dǎo)，促進(jìn)工業(yè)鍋爐產(chǎn)品運(yùn)行智能化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、全生命周期持續(xù)進(jìn)化，全面提升我國(guó)工業(yè)鍋爐行業(yè)的技術(shù)水平。
4、結(jié)語(yǔ)
鍋爐行業(yè)正處于一個(gè)新舊交替的重要?dú)v史時(shí)期，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。在與生物質(zhì)燃料結(jié)合的過程中，需要打破行業(yè)傳統(tǒng)發(fā)展模式的束縛，始終瞄準(zhǔn)新技術(shù)和市場(chǎng)變化，不斷提升產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量，拓寬盈利渠道，開創(chuàng)鍋爐行業(yè)發(fā)展的新時(shí)代。
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