生物质燃烧发电过程中若干问题的探讨

摘要：介绍生物质燃烧发电过程中燃烧方式选择、生物质进料形态(散料或成型)、锅炉容量选择、结渣、积灰、腐蚀等问题，并进行探讨，提出符合国情的合理燃烧方式及锅炉容量。 　　0 概述 　　我国《可再生能源中长期发展规划纲要》(2006～ 2020)指出，到2020年我国生物质发电机组装机容量达到3 000万kW，生物质成型燃料5 000万t，将生物质秸秆发电和秸秆成型燃料确定为秸秆能源利用重点技术。农作物秸秆作为燃料具有挥发分高、含水率高，氯、钾等碱金属含量高等特点，当秸秆含水率超过40% 时，燃烧不稳定、热效率低，不太适合作为燃料使用。农作物散装秸秆只能作为生物质能源化利用的初级燃料，难以满足生物质发电、供热等工业化需求。加快研发秸秆成型技术，生产高效、清洁、优质的秸秆成型燃料，对增加能源供应，改善能源结构，保护环境，促进农村经济发展，具有重要的现实意义。 　　1 燃料 　　1.1 打捆散料我国生物质直燃发电产业近几年虽然得到较快发展，但总体上还处于起步阶段，发展中的问题已经显现，难题都集中在燃料问题上。具体体现在： 　　(1)秸杆资源调查数据误差较大，一般只做总量统计，缺乏可能源化利用的准确比例，导致电厂燃料供应不足，只得不断扩大收集半径，有的电厂的燃料收集半径已从50 km扩展到100 km，既增加运输成本，也造成燃料收购价格上涨。 　　(2)收购方式造成燃料质量失控。电厂收购秸秆采用重量计价为主的收购方式，造成“经理人”出售秸杆时追求重量，去土、去杂、晾晒不够，燃料质量降低。有的电厂反映，原设计0.9.kg/kW h燃料耗量增加到1.5 kg/kW h以上。 　　(3)燃料供应体系不够科学。大多数电厂燃料管理上呈现“小电厂、大燃料”的现象。电厂燃料管理部门也从地头管到厂内，管理跨度大，难以做到燃料保质保量。同时因季节性收储，无法满足全年需求。 　　(4)燃料预处理简单，造成秸杆收集、储存、运输困难。目前一般采取人工打捆或机械打包后运送到电厂，电厂设若干个储存点。由于季节性收集、储存量大，难防雨、雪及霉变，储存损耗大，储存占用大量场地，使用机械与人工二次堆垛、搬运增加了燃料成本。 　　(5)燃料成本高，经营困难。生物质电厂原先计划燃料收购成本为120～150 t，现在收购价已提高至240～300 t，加上入场后管理损失不低于20% ，导致燃料管理费用大。又因收购秸秆质量低，导致发电成本大幅升高，电厂经营亏损。 　　1.2 成型燃料 　　秸秆成型燃料，是指通过专门设备在一定温度和压力作用下，将秸秆压缩成棒状、块状、颗粒状等成型燃料，能够解决秸秆运输、储存、防火等问题。 　　秸秆成型燃料可达到下列各项技术指标：灰分≤12% ，水分≤15% ，挥发分>70% ，低位发热值≥14.50 MJ/kg，密度0.6～1.2 t/m。，燃料尺寸32×32(mm×nl/n)，长度I>20 mill。市场售价为360～450元/t。 　　另外还有一种圆柱型颗粒，直径8～12 mm，长度10～30 mm，密度为1.0～1.2 t/m 。这种生物质成型颗粒在制造过程中将秸秆粉碎成粉末状，然后通过轧辊挤压方式形成圆柱形颗粒。因电耗比上述成型方法高，而且磨损更严重，生产能力更低，所以，价格更高，目前市场上售价为550～800 元/t。因此，这种生物质成型颗粒不适合于生物质电厂使用。 　　目前市场上秸秆成型机的种类大致分为三类：螺旋挤压机，活塞冲压机，滚柱旋转挤压机。 　　主要存在问题：磨损严重，单位产量电耗高(60～ 100 kW/t)，产量低，单机每小时只能生产0.5～2t/h。 　　由于目前的秸秆挤压成型机过去是用来生产牲畜饲料，其生产能力远远不能满足秸秆燃料的需求，所以，研发低磨损、高生产率、低电耗的秸秆成型机势在必行。最有前途的燃料成型机可能是活塞冲压机，因其磨损较轻，可以4～6个活塞缸同时工作，有望提高生产能力。 　　1.3 研发含添加剂的成型燃料秸秆类生物质含灰量约占总量的4% ～10% ，且富含氯、钾元素，未加添加剂的生物质燃料在燃烧过程中产生的氯化氢会造成锅炉受热面的腐蚀，同时灰中K含量高，所以灰熔点低，一般在950～1 100℃ ，燃烧过程中容易结焦从而影响燃烧设备的正常运行。 　　在生物质成型过程中加入添加剂一起成型，从而实现添加剂在燃烧过程中吸收氯化氢、固钾和提高灰熔点，以减轻锅炉受热面遭受氯化氢、碱腐蚀等实际问题。通过大量实验研究，我们研发出3种添加剂，分别命名为添加剂A、添加剂B、添加剂C，实验结果见表1。 　　实验结果表明，与原生秸秆相对比，加添加剂后的生物质灰的变形熔点提高280～300 oC，灰熔点得到大幅度提高，说明添加剂与灰中的低熔点物质反应生成高熔点物质，彻底解决了生物质燃烧因灰熔点低导致炉内结渣问题。 　　1.4 含添加剂的成型燃料的应用 　　含添加剂的秸秆成型燃料在实验室的燃烧结果表明，燃烧彻底，底灰不结渣，燃烧效果明显优于未加添加剂的成型燃料。在4 t/h的热水锅炉上试烧，没有出现炉排结渣问题;在130 t/h高温高压水冷振动炉排锅炉上试烧发现，成型燃料燃烧不完全，主要原因是掺烧部分成型燃料，所以，散料与成型燃料前进速度相同，而燃料前进速度是按散料来定的，这样成型燃料势必燃烧不完全。当全烧成型燃料时，调整燃料前进速度和料层厚度，就可解决这一问题。 　　1.5 建议电厂采用生物质成型燃料 　　秸杆成型燃料是优质的生物质燃料。由于送料系统给料均匀，燃烧稳定，给机组稳定满发提供条件。又因含水率低、热值高所以机组热效率高，燃料成本降低。若采用防结渣添加剂的成型燃料，可以防治炉内结渣，减轻锅炉尾部受热面积灰。若电厂收购每吨360元，加上运费和储存损耗，人炉前成本价可控制在420—450元。若发电成本为1.2 kg秸~T/kW h(中压机组就可实现)，那么燃料发电成本能控制在0.50～0.54元 kW h，在享受入网电价0.7元/kW h时，电厂利润是相当丰厚的。 　　2 燃烧方式 　　2.1 层燃 　　一般生物质燃烧后灰分很少(稻壳、稻草除外)又很轻，在层燃炉中燃烧后形成的灰不能覆盖在炉排上。因而不能有效保护炉排免受炉内高温辐射。此外，秸秆灰中K、cl含量高，导致灰熔点只有950～1100℃ ，所以生物质在炉排上燃烧后灰易软化，容易在炉排上结成大块，一方面影响锅炉稳定运行，另一方面，也影响燃烧效率。因此，一般认为不宜采用链条炉排锅炉燃烧生物质。为此，丹麦BWE公司开发了水冷振动炉排，很好地解决了这一难题，国内BWE公司130 t/h水冷振动炉排的运行结果表明，水冷振动炉排较好地解决了炉排冷却、床面结块问题。 　　当燃烧稻壳、稻草或它们与其他秸秆混合的燃料时，采用常规链条炉排是可以的，因为稻壳、稻草或它们与其他秸秆混合燃烧后，炉床表面能够形成稳定厚度的灰渣层，并且其灰熔点可达到1 200 cc，在控制好燃烧的基础上是能够解决上述存在问题。 　　由于国内生物质燃料比较杂，燃烧单一燃料的电厂较少，通常都掺烧部分稻壳，运行的结果不能让人满意，因为，稻壳是最难燃尽的生物质之一，当采用层状燃烧时(包括链条炉排和水冷振动炉排)，炉排上灰渣含碳量有的高达10% ，而尾部飞灰有的高达20% ，对锅炉的热效率影响较大。当然，这与燃料水分(有时水分高达40%)和燃烧调整密切相关。 　　根据我们的实测结果，当链条炉排纯烧稻壳时，炉排上灰渣含碳量一般在8% ～10% ，尾部飞灰含碳量一般在14% ～20% 。所以，在燃料不断涨价的情况下，纯烧稻壳锅炉采用链条炉排不是最佳选择(尽管很多用户选择链条炉排，因为操作简单，自用电低)。 　　2.2 流化床燃烧 　　哈尔滨工业大学研究采用流化床技术燃烧生物质如稻壳、木屑、甘蔗渣等已有20年的历史，到目前为止，采用哈工大技术生产的生物质锅炉已有30多台，其中20余台出口马来西亚、泰国和西非加纳共和国，受到国内外用户的好评。但是，当生物质燃料(如农业秸秆、林业废弃物如棕榈须等)灰中K、Na以及Cl含量较高时，采用流化床燃烧方式最大难题就是床料选择，砂子是最廉价的床料，但砂子主要成分是SiO：，在床温800 oC以上时会与K、Na反应生成低熔点的玻璃，很容易造成床料粘结，导致流化失败，这一点在早期的稻壳炉和烧棕榈废料流化床锅炉上发生过。于是人们将目光投向燃煤流化床的底料，一般的燃煤流化床底料是生物质流化床锅炉较好的床料，但是，实验室试验结果表明，并不是所有的流化床底料都适合作为床料，有的底料也是容易结焦的，所以，需要慎重选择。有时用户连流化床底料也买不到，这时要么低温燃烧(锅炉出力降低)，要么使用添加剂，添加高铝基的添加剂效果比较理想，但要控制运行费用，最好在当地寻找廉价的床料。 　　因大多数生物质燃料容易燃尽，所以，从燃烧角度考虑，流化床燃烧是不错的选择。采用鼓泡床加飞灰燃尽室是可以充分燃烧的。在燃烧木屑时燃烧效率达到99%，在烧稻壳时，飞灰含碳量仅为4% －10%，比层燃炉低10%以上，而且采用负压给料，不易出现回火现象，运行比较安全。因此，我们认为当锅炉容量为10～20 Vh时，可以采用流化床燃烧生物质，而且是不错的选择。由于不布置埋管，自然就不存在埋管磨损问题，炉内受热面磨损问题也基本不存在。当锅炉容量为35～75 L/h时，我们建议采用低倍率循环流化床，燃烧生物质低倍率循环流化床锅炉与燃煤低倍率循环流化床锅炉不同，首先密相区不布置埋管，这是因为生物质在密相区燃烧份额很低，密相区温度在设计合理条件下容易控制在合理范围内，而在稀相区受热面需要特殊设计。此外，炉膛出口布置高温水冷或汽冷分离器，有利于燃尽，提高锅炉燃烧效率和热效率。其优点是燃烧效率高、电耗相比于循环流化床为低，负压给料不易回火、磨损轻微等。 　　2.3 循环流化床采 　　用循环流化床燃烧农业生物质开始时是不被人们接受的， 为炉内容易结焦。实践证明循环流化床是可以燃烧农业秸秆的，而且在较低温度下就能燃烧完全。为解决cl、K引起的高温腐蚀问题，设计人员将垃圾焚烧成熟经验移植到燃烧秸秆循环流化床上来，将高温过热器布置在外置换热器中，高温腐蚀大为减轻，材料采用普通的12CrlMoVG就可满足要求，而不需要像层燃锅炉那样选用TP 347材料，节省初投资，使产品更具竞争力。当然不是说循环流化床燃烧秸秆就没有问题，其实，最大的问题是床料问题、给料问题以及磨损问题，但最麻烦的问题可能是给料问题，因为循环流化床为正压燃烧，给料点通常为微正压，很容易出现回火现象，曾出现过因同火将给料系统严重烧毁的实例。此外，床料问题仍然是问题的焦点，目前看来在750～800℃ 范围内，采用河沙是可行的，因为循环流化床内烟气速度较高，床料在烟气作用下湍动强烈，不易结焦。 　　有的循环流化床就以秸秆携带的泥土为床料，运行效果良好。从燃烧效果来看，飞灰含碳量很低，一般在2% 以下。循环流化床存在的另一主要问题是出力较低，一般仅为设计参数的80% 左右，这主要是因结焦风险使得运行温度低于设计温度100.℃左右，同时，即使在设计参数下，燃烧生物质本身传热系数就低于燃煤循环流化床，二者的共同作用使得出力难以达到设计参数。另外实际运行中发现，采用高温绝热分离器时，出现分离器内结焦再燃现象，虽然这在燃煤循环流化床来说是正常现象，但即使再燃也不会出现结焦问题，然而对燃烧生物质来说，情况完全不同，因为灰熔点低，比较容易造成分离器内结焦，所以，建议设计者充分重视分离器再燃问题。 　　3 燃烧方式选择 　　燃烧方式选择与燃料种类、电耗以及飞灰再利用等有关。如果国内水冷振动炉排技术成熟的话，对于水分低于25% 且非难燃生物质，如玉米秆、小麦秆、棉花秆、油菜秆等，采用水冷振动炉排层燃炉是首选，因为电耗低、飞灰可以作为肥料使用。但由于国内该技术目前还未成熟，国内生产厂家自己研发的水冷振动炉排没有长期成功运行业绩，个别用户由于采用国内生产的水冷振动炉排，导致锅炉不能正常稳定运行。当上述燃料水分达到30% ～40% 时，采用流化床或循环流化床是比较合适的，因为燃烧比较稳定，燃烧效率与层燃炉相比较高，能够弥补流化床电耗高的不足。当燃烧上述秸秆成型燃料(含添加剂)时，采用常规链条炉排锅炉比较合适，因为运行稳定，电耗低，而且解决床面结渣(焦)问题，灰渣利用率高等。当燃烧难燃生物质，如稻壳、稻草时，采用循环流化床比较合适，因为燃烧比较完全，虽然电耗高，但总体经济性还是合适的。当稻壳、稻草与其他燃料混烧时，建议采用流化床或循环流化床。 　　4 炉内结渣、积灰、腐蚀 　　生物质因K、Cl含量较高，所以燃烧后灰中含有大量的KCI、K CO 和K SO 等碱金属盐，作为肥料是很好的，但是在燃烧过程中因为这些盐熔点低，容易在炉排、水冷壁以及尾部受热面上结渣、积灰，应引起设计者和运行人员的高度重视。采用流化床或循环流化床燃烧方式时，这些K盐会与砂床料或秸秆夹带的泥土(含砂子)反应生成硅酸钾一玻璃，容易造成床料结焦或颗粒长大，因此运行过程中应及时排除燃烧过程中形成的大颗粒物，补充合适的床料，维持炉内物料粒度的相对均匀。 　　由于灰中碱金属含量高，导致对流受热面的积灰严重，一方面需要采用合适的管子节距，同时需要选择合适的吹灰方式。从目前的运行效果来看，脉冲吹灰、蒸汽吹灰、机械振打方式是有效的清灰方式，效果较好，而超声波除灰效果不佳。 　　此外，由于秸秆中C1元素一部分转化为HC1和cl，，汇同碱金属盐一起对过热器造成高温腐蚀。解决高温腐蚀的方法对循环流化床来说可以将高温过热器放置在外置换热器中，也可像其他燃烧方式一样采用抗腐蚀材料如TP 347(应用于蒸汽出口温度540 oC)或将过热器放置于650℃ 以内的烟气中，采用12Crl MoVG或表面喷涂耐腐蚀材料。解决省煤器腐蚀的方法是使省煤器入口水温高于HC1露点温度20～30℃ 。避免或减轻空气预热器腐蚀的方法是采用考登钢或热空气再循环，保证空预器人口温度在80～100℃ ;也可以采用暖风器将空气加热到80～100℃ 以上再送入空气预热器。 　　5 给料 　　如果燃烧生物质成型燃料，那么给料方式与给煤相同。如果是送散料人炉，那么，首先将打捆破袋，然后通过分散装置将捆实的物料分散开落人料斗，通过螺旋送料系统强制送人炉内。也有在电厂内将秸秆进行破碎(如棉花秆)，通过上料系统送入体积庞大的料仓(上小下大)，再通过双螺旋绞龙送入炉内的方式。由于生物质挥发分很高，很容易着火燃烧，当送料口在微正压区，很容易造成回火，酿成火灾事故。因此送料系统的密封性很重要，丹麦BWE公司在螺旋四周采用长2.5 m的水套较好地解决密封和回火问题。但实际应用中还应防止水套中的水汽化，以免发生爆炸事故。 　　由于目前成型燃料与散装打包燃料成本相差100 元/t左右，所以很多用户接受不了成型燃料，这样就不得不散料人炉，给送料系统带来一系列难题。一般来说，打捆燃料送到炉前大约有20% 滑包，需破袋后重新打包，造成燃料成本增加。实际上成型燃料热值达到14 212 kJ/kg以上，水分一般在15%以下，燃烧效率可以达到99% ，热效率达到90% 一9l% 。而现在燃烧含水率25% ～40%散料，锅炉热效率只有80% 一85% ，加上散料运输、储存、防火和自然损耗，总体经济性可能赶不上成型燃料。 　　6 燃料储存与破碎 　　由于生物质打包后密度也只有0.3 t/m 左右，所以，燃料储存占据很大的场地，一般都露天堆放。例如某25 MW 的生物质发电机组就有4个上万平米以上的燃料堆积场和厂内庞大的燃料堆放场，即前述的“小”电厂“大”燃料问题。不仅如此，由于秸秆在收集过程中不可能完全干燥后再打捆，以致于密实的燃料包不能通过后期堆放自然晾干，相反，由于打捆时水分一般在25% 以上，导致秸秆捆内升温发酵，产生沼气飞失，加之下雨、下雪(融化后)都渗入其内，更加剧发酵过程，以至燃烧时水分高达38% ～40%，灰分12% 以上，热值只有8 360 kJ/kg左右，锅炉热效率自然无法提高，仅此一项，某电厂一年因燃料储存损失约1 000万元。 . 　　此外，生物质属非脆性材料，不适于破碎处理，否则电耗很高。例如某25 MW 生物质电厂采用破碎方法将棉花秆破碎至长50～80 mm，电耗为电厂发电总量的1% ，若破碎玉米秆电耗将更高。为此，作者认为能否研发生物质切碎机械，或许能够节省电力消耗。 　　7 锅炉容量选择 　　受生物质收集半径的限制以及地理位置的影响，中南部农业省份一般可选用35～75 t/h中压或次高压生物质锅炉机组，在燃料充足的地方可以上2台以上75 t/h锅炉。东三省由于原料相对充足，可以考虑上75—130 t/h次高压、高压锅炉1台或多台。从目前国内生物质机组运行情况来看，普遍存在燃料供应不足问题，尽管目前上网电价0.7kW ;h，加上0.1 f_/kW h碳减排交易费，几乎所有生产企业都异口同声说“亏损”，这与燃料提价和供应不足密切相关。对于目前部分地区筹建5OMW生物质电厂，作者持保留态度，因为一旦燃料供应不上，企业亏损就在所难免。 　　8 结论 　　国内生物质燃烧发电炉型可以采用层燃(链条炉排、水冷振动炉排)、流化床或循环流化床锅炉，可以烧成型燃料或散料，最好烧含有防结渣添加荆的成型燃料。因为烧散料问题较多，容易回火，燃料输送量不足，锅炉出力受影响。从整体经济性来看，燃烧成型燃料可能更经济。炉内结渣(焦)问题可以考虑使用添加剂来缓解或解决;尾部受热面积灰问题可以采用脉冲吹灰、蒸汽吹灰方式解决;受热面腐蚀问题可以采用抗腐蚀材料或放置在合适的温区内;机组容量根据燃料情况以12～25 MW为宜。