1、引言
隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，我國(guó)的能源消費(fèi)量也在不斷增加。作為主要能源來源的石油、天然氣和煤炭等資源正在迅速減少，按目前剩余可采儲(chǔ)量和能源消費(fèi)量來看，煤炭還可以開采50年左右，石油還可以開采40年，天然氣還可以開采40年。大力發(fā)展可再生能源利用技術(shù)，是解決我國(guó)能源問題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要途徑，對(duì)節(jié)能減排和改善生態(tài)環(huán)境都具有重要作用和實(shí)際意義。
生物質(zhì)能是一種可再生能源。廣義上講，生物質(zhì)是各種生命體產(chǎn)生或構(gòu)成生命體的有機(jī)質(zhì)的總稱，生物質(zhì)所蘊(yùn)含的能量稱為生物質(zhì)能。
自1989年第一家生物質(zhì)燃燒發(fā)電廠Haslev電廠在丹麥投入運(yùn)行以來，全球生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)建設(shè)了很多以生物質(zhì)為燃料的電廠，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益良好。
我國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電起步較晚，但得益于生物質(zhì)燃料資源豐富、國(guó)家大力發(fā)展可再生能源的一系列優(yōu)惠政策及國(guó)內(nèi)大量的技術(shù)研究和開發(fā)工作，目前發(fā)展勢(shì)頭良好，已建成一批示范性的生物質(zhì)電廠。國(guó)內(nèi)用于生物質(zhì)發(fā)電的鍋爐型式主要有爐排鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐，目前都已有工程的應(yīng)用，如國(guó)能威縣生物質(zhì)電廠、中節(jié)能（宿遷）生物質(zhì)能電廠、柳城生物質(zhì)電廠等，規(guī)模基本都在75 t/h和130 t/h等級(jí)，目前國(guó)內(nèi)外尚無220 t/h及以上的單機(jī)規(guī)模投運(yùn)業(yè)績(jī)。
國(guó)內(nèi)外都在致力于生物質(zhì)機(jī)組容量大型化的研究，其中最主要的課題之一就是燃燒方式及爐型的選擇。本文結(jié)合某電廠使用的燃料情況，對(duì)其鍋爐燃燒方式和爐型選擇進(jìn)行分析。
2、燃料分析
鍋爐燃用生物質(zhì)燃料及灰品質(zhì)分析資料見表1。
從表1中可以看出，生物質(zhì)燃料具有以下特性：
(1)燃料種類多，性質(zhì)差異大。燃料中有桉樹砍伐、加工過程中產(chǎn)生的枝、葉、根、邊角料等廢棄物及甘蔗收割后遺留的甘蔗葉，種類繁多，不同燃料成分有一定差異，尤其是燃料的水分含量差別很大，桉樹皮收到基水分甚至高達(dá)70.76%；此外，燃料的物理性質(zhì)有明顯差異主要是比重和人爐粒徑差別較大。燃料性質(zhì)的差異對(duì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行影響很大。
(2)含碳量少，發(fā)熱量低。按入爐時(shí)水分含量20%考慮，各種燃料的收到基含碳量一般在30%～40%之間，相對(duì)于煤炭等燃料比較低，也是其發(fā)熱量低的主要原因，一般在13000—15 000kj/kg之間（按燃料水分含量20%折算）。以生物質(zhì)為燃料的鍋爐爐內(nèi)溫度偏低，燃燒穩(wěn)定性較差。
(3)揮發(fā)份高。按入爐時(shí)水分含量20%折算，燃料的揮發(fā)份大都在60%左右，燃料入爐后揮發(fā)份迅速析出并燃燒，因此燃料著火溫度低，易著火、燃燒迅速且易燃燼。
(4)灰分、硫分含量低，污染物排放濃度低。燃料的收到基灰分含量一般不超過3%，收到基硫分含量不超過0,13%，燃燒生成的煙塵和SOx排放量少，污染物排放濃度低，不需設(shè)專門的脫硫裝置，對(duì)除塵裝置的要求也不高。另外，燃料燃燒時(shí)，生成的CO2與其生長(zhǎng)時(shí)通過光合作用吸收的相當(dāng)，可以認(rèn)為是零排放，有助于緩解溫室效應(yīng)，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)都非常有利。
(5)灰中堿金屬含量高，還存在微量的氯元素。燃料燃燒后灰中的堿金屬尤其是K、Na的含量較高，燃料的灰熔點(diǎn)較低。從各種文獻(xiàn)資料和工程經(jīng)驗(yàn)來看，生物質(zhì)燃料的灰熔點(diǎn)大都在800℃左右，鍋爐容易出現(xiàn)腐蝕和結(jié)焦，影響正常運(yùn)行；另外，生物質(zhì)燃料中還可能含有少量的氯元素，與堿金屬結(jié)合生成堿金屬鹽，使鍋爐的腐蝕和結(jié)焦問題更加嚴(yán)重。
3、生物質(zhì)燃燒方式及爐型選擇
鍋爐按燃燒方式可分為層燃爐（爐排爐）、室燃爐（煤粉爐）、旋風(fēng)爐、沸騰爐（流化床鍋爐）。目前生物質(zhì)燃料應(yīng)用較多的燃燒方式有兩種，即層燃燃燒和流態(tài)化燃燒兩種。
3.1層燃燃燒方式
以爐排爐為代表的層燃燃燒中，燃料在固定或者移動(dòng)的爐排上實(shí)現(xiàn)燃燒，燃燒所需空氣從下方透過爐排供應(yīng)給上部的燃料，燃料處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，燃料人爐后的燃燒時(shí)間可由爐排的移動(dòng)或者振動(dòng)來控制，灰渣從爐排下端或后端落下。
作為生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行較多的國(guó)家之一，丹麥基于本國(guó)的生物質(zhì)燃料資源特點(diǎn)，以層燃爐為基本形式開發(fā)了以麥秸稈為燃料的振動(dòng)爐排鍋爐，麥秸稈在爐排的一端通過機(jī)械推送或者風(fēng)力播撒送人爐膛后部，爐排向爐前傾斜，秸稈隨著爐排的振動(dòng)向爐前移動(dòng)。其結(jié)構(gòu)型式見圖1。
生物質(zhì)燃料著火溫度低、揮發(fā)份份額高且析出快速，在燃料的給入段需迅速給人大量的燃燒風(fēng)，在該處形成強(qiáng)烈的火焰燃燒區(qū)，燃燒區(qū)后燒散的燃料或者未燃燼的殘枝、半焦等落在爐排上繼續(xù)燃燒并通過爐排運(yùn)動(dòng)保證其燃燼；同時(shí)，為了保證大量的揮發(fā)份燃燼，爐排上部空間還需要有合理的二次風(fēng)系統(tǒng)。從燃燒組織角度看，該技術(shù)根據(jù)生物質(zhì)的燃燒特性對(duì)常規(guī)的爐排爐燃燒進(jìn)行了改進(jìn)，占主要燃燒份額的揮發(fā)份燃燒發(fā)生在燃料給入段和整個(gè)爐排上部空間。爐膛上部大量氣相可燃物進(jìn)行懸浮燃燒，部分未燃燼的燃料和半焦落在爐排上進(jìn)一步燃燒則具有層燃的特性。該技術(shù)基本切合了生物質(zhì)燃燒的特性，通過合理的燃料給入方式、一二次風(fēng)配比以及控制爐排振動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高效燃燒。
針對(duì)生物質(zhì)燃料的堿金屬問題，主要通過在爐膛上部、后部增加低溫蒸發(fā)受熱面，使進(jìn)入第一級(jí)對(duì)流受熱面的煙氣溫度降低到相對(duì)安全的程度，緩解尾部受熱面堿金屬問題，其它的輔助措施包括降低高溫?zé)煔鈸Q熱區(qū)域內(nèi)管內(nèi)工質(zhì)的溫度、采用耐腐蝕管材以及強(qiáng)化吹灰和檢修制度等。對(duì)于落在爐排上的殘余燃料和半焦，由于土部輻射加熱和自身的燃燒放熱，即使是在爐排采用水冷的情況下，依然存在高溫下灰燼出現(xiàn)軟化、黏粘的現(xiàn)象，針對(duì)該問題的解決主要依賴精心設(shè)計(jì)的爐排移動(dòng)和振動(dòng)方式。良好的設(shè)計(jì)必須考慮在爐排上不同部位燃燒灰燼的堆積、軟化、黏粘或者脫落特性，以保證在較高燃燼率的前提下的正常排灰，設(shè)計(jì)不良的爐排可能在短短幾天內(nèi)就會(huì)因?yàn)榕呕也粫吃斐赏t。
根據(jù)對(duì)丹麥的振動(dòng)爐排燃燒麥秸稈技術(shù)的跟蹤和文獻(xiàn)研究，在長(zhǎng)期工程經(jīng)驗(yàn)的積累基礎(chǔ)上，爐膛對(duì)流受熱面沉積、高溫受熱面金屬腐蝕以及爐膛區(qū)的熔渣現(xiàn)象得到了一定程度的緩解，但沒有根本解決；另外，爐膛內(nèi)高溫區(qū)域的控制、爐排的移動(dòng)和正常排灰等設(shè)計(jì)和組織需要細(xì)致考察燃料的特性，一旦實(shí)際運(yùn)行時(shí)燃料的特性發(fā)生改變，爐排爐對(duì)燃料變動(dòng)的適應(yīng)性較差的缺點(diǎn)容易凸顯，燃燒效率降低和堿金屬問題惡化。
國(guó)內(nèi)生物質(zhì)燃料具有多樣性、復(fù)雜性和季節(jié)性的特點(diǎn)，丹麥的這種拋料式的爐型不太適用。國(guó)內(nèi)通過技術(shù)引進(jìn)后創(chuàng)新或自行開發(fā)等途徑實(shí)現(xiàn)振動(dòng)爐床燃燒設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，設(shè)計(jì)出適合中國(guó)國(guó)情的振動(dòng)爐排。與丹麥技術(shù)最大的不同處在于其爐排是由爐前向爐后傾斜，燃料在爐前落到爐排上后，隨著爐排的振動(dòng)向爐后方向移動(dòng)，結(jié)構(gòu)型式見圖20這種型式的爐排在同時(shí)燃用多種類型燃料時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的爐排基本上都是這種型式，已有大量的運(yùn)行業(yè)績(jī)。
3.2流態(tài)化燃燒方式
流態(tài)化燃燒是近代從化學(xué)反應(yīng)工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型燃燒技術(shù)，其爐型可分為鼓泡床和循環(huán)流化床鍋爐，目前電站鍋爐應(yīng)用較多的是循環(huán)流化床鍋爐，其主要特點(diǎn)是低溫燃燒、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒可控性能好等，近年來得到了快速的發(fā)展，不但成功地在中小規(guī)模的熱電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用，更逐步大型化、高參數(shù)化。
由于流態(tài)化燃燒的優(yōu)點(diǎn)，越來越多的電站利用循環(huán)流化床爐型進(jìn)行生物質(zhì)燃料的燃燒，從燃燒方式的組織角度結(jié)合生物質(zhì)燃料的燃燒特性進(jìn)行分析，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1)低溫燃燒特性和爐膛溫度均勻性。循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)大量惰性的床料與燃料之間充分的混合使燃料燃燒放出的熱量能均勻釋放，不會(huì)形成層燃燃燒所難以避免的局部高溫，有效降低爐內(nèi)氣相堿金屬的濃度和熔體形成的速度，基本解決了生物質(zhì)鍋爐的堿金屬問題，可以說流態(tài)化燃燒在該點(diǎn)上優(yōu)于層燃。
(2)較好的燃料適應(yīng)性。循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)的床料溫度在800℃左右，熱容量較高，即使燃料的水分高達(dá)50%—60%，進(jìn)入爐膛后也能穩(wěn)定燃燒，加上密相區(qū)內(nèi)燃料與空氣接觸良好，擾動(dòng)劇烈，燃燒效率較高。流態(tài)化燃燒對(duì)燃料的強(qiáng)適應(yīng)性在燃煤甚至生活垃圾的應(yīng)用已得到充分的體現(xiàn)。流態(tài)化燃燒不但能適應(yīng)生物質(zhì)原料在種類、破碎條件、水分、雜質(zhì)含量等方面的變動(dòng)，維持良好的燃燒組織，更重要的是燃料變動(dòng)時(shí)，依然能夠根據(jù)改變配風(fēng)順利實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，對(duì)堿金屬引發(fā)的各種問題加以有效控制。
國(guó)際上以流態(tài)化燃燒技術(shù)燃用生物質(zhì)的公司很多，有代表性的有AE&E、Foster Wheeler、B＆W、Kvaerner等，其主要的應(yīng)用都在歐洲和美國(guó)，燒的多是木片鋸末、果園修剪枝條以及河道污泥等，容量都不大。國(guó)外生物質(zhì)流化床鍋爐見圖3。
在國(guó)內(nèi)，針對(duì)生物質(zhì)燃燒灰熔點(diǎn)低、易結(jié)渣等特點(diǎn)進(jìn)行研究，不斷改進(jìn)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，通過采用特殊的配風(fēng)及組織方式保證生物質(zhì)的流態(tài)化燃燒和順暢排渣，優(yōu)化受熱面布置，降低堿金屬的腐蝕，解決了一系列的難題，設(shè)計(jì)的鍋爐（見圖4）安裝在江蘇宿遷、廣西柳城等電廠，目前已投入運(yùn)行。
3.3生物質(zhì)燃燒方式的對(duì)比
相比層燃方式，流化床燃燒具有低溫燃燒特性、爐膛溫度均勻、燃料適應(yīng)性好等特點(diǎn)，更能適應(yīng)生物質(zhì)燃料品種復(fù)雜、水分高、熱值低的特點(diǎn)，爐內(nèi)溫度控制和機(jī)組負(fù)荷控制上也具有一定的優(yōu)勢(shì)；另外，目前國(guó)內(nèi)外爐排鍋爐的容量大都是75 t/h和130 t/h等級(jí)，當(dāng)鍋爐容量為220 t/h甚至更高時(shí)，爐排爐的爐排面積將按鍋爐容量成比例增大，爐排的加工制作、布風(fēng)的均勻、爐排的密封和受熱面的腐蝕、結(jié)焦等方面都存在很大的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可供參考和借鑒。一般認(rèn)為，生物質(zhì)爐排爐的最大容量一般以130t/h等級(jí)為上限，開發(fā)更大容量鍋爐，技術(shù)研發(fā)成本增加，技術(shù)和投資風(fēng)險(xiǎn)加大，須要慎重考慮。而目前國(guó)內(nèi)循環(huán)流化床燃煤鍋爐已經(jīng)可以做到容量為1 025t/h等級(jí)，并正在進(jìn)行2 000 t/h等級(jí)鍋爐的技術(shù)攻關(guān)，在以生物質(zhì)為燃料的循環(huán)流化床向大型化方向發(fā)展上，可以從燃煤鍋爐上借鑒一些成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。
4、結(jié)論
綜合所述，循環(huán)流化床鍋爐特別適合生物質(zhì)燃料的特性，在生物質(zhì)鍋爐大型化發(fā)展方向上有著極大的優(yōu)越性和潛力�？梢灶A(yù)見，循環(huán)流化床鍋爐將是今后大型純生物質(zhì)直燃鍋爐中主要選擇。
