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佟力
(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046)
摘要：本文介紹了生物質燃料特性及生物質發電現狀。對生物質顆粒與燃煤耦合發電技術進行了研究，分析了其對鍋爐運行的影響，同時展望了我國生物質利用發展趨勢。
0引言
利用生物質能發電，不僅可以開發新能源，節約煤炭，改善我國能源結構，減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護環境，而且可以充分利用當地資源，增加農民收入，增強企業經濟效益和生存能力，具有重要意義。本文介紹了生物質燃料特性及生物質發電現狀。對生物質顆粒與燃煤耦合發電技術進行了研究，分析了其對鍋爐運行的影響，同時展望了我國生物質利用發展趨勢。
1生物質燃料特性
生物質包括一切直接或間接利用植物光合作用而形成的有機物質。本文所說的生物質均指農作物秸桿和農業加工殘余物以及林木和林業加工剩余物等生物質，不包括有機污水、生活垃圾及禽畜糞便。從物理本質上來說，生物質是由纖維素、半纖維素、木質素、無機物和水組成的[1]。從化學元素來說，其包含C、H、O、N、S，水和灰分。
與燃煤相比，生物質燃料具有自身的特點：
1)木本燃料的生物活性較高，可能引起料堆發熱并損失干物質，且貯藏點的含塵量和孢子含量很高，在燃料儲運過程中會引起健康和安全問題。
2)生物質燃料可燃基揮發分含量在70%以上，干燥后具有很好的著火特性，燃點大概400℃左右。
3)生物質S和N含量較低，代替部分燃煤可減少SO2和NOx的排放。
4)灰中的K、Na含量相對較高，灰熔點大概在800－1000℃，高溫下堿金屬析出容易導致飛灰團聚和受熱面結渣。
5)部分生物質Cl含量相對較高，燃燒釋放出高濃度HCl進入鍋爐尾氣會引起受熱面高溫腐蝕。
2生物質發電技術現狀
現有的生物質燃燒發電技術主要有兩種類型，一種是生物質直燃發電技術，即將生物質作為唯一燃料，采用水冷振動爐排或循環流化床燃燒生物質發電[2]。生物質直燃發電技術存在制造成本高、發電效率低、燃料適應性差、受熱面結焦、腐蝕等問題。
另一種利用生物質發電的技術為生物質氣化與燃煤耦合發電技術[3]，即將生物質氣化后帶有可燃氣體的煙氣送入燃煤鍋爐進行耦合發電。生物質氣化燃煤耦合發電技術存在氣化裝置結構復雜、運行控制難度大、投入成本高、焦油析出導致閥門堵塞等安全問題。
3生物質顆粒與燃煤耦合發電技術
將生物質燃料破碎后送入燃煤鍋爐進行混合發電是一種新的高效利用生物質能的方法。本文介紹了一種生物質顆粒與燃煤耦合發電系統。該系統由三個部分組成，即生物質顆粒制備系統，生物質顆粒輸送系統，生物質顆粒燃燒及煙氣凈化系統，如圖1所示。
3.1生物質顆粒制備系統
生物質原料由特殊的生物質破碎機完成初步加工后，燃料粒徑變為3－6cm，大約失掉5%的水分，密度約400kg/m3。破碎后的燃料經過一級螺旋輸料機進入蒸汽干燥器內，將燃料水分干燥至12%以下，以便于進一步粉碎。干燥后的燃料經過二級螺旋輸料機進入粉碎機內，通過錘刀切割和高速氣流沖擊作用將生物質制成粒徑約5mm的顆粒，送至粉料倉儲存，中儲倉的設置能夠保證生物質制粉設備長期在額定工況下運行，同時滿足機組升降負荷控制燃料量的要求。
3.2生物質顆粒輸送系統
成型的生物質顆粒經過輸粉機進入錐形粉斗內，通過螺旋卸料閥將所需的燃料顆粒送入管道內，利用風機進行氣力輸送。送粉管道上設置有快關閥，當鍋爐緊急停爐時可迅速切斷生物質燃料，保證鍋爐安全運行;管道上還設置有風速測量裝置，實時監控調整風粉混合物的速度，防止堵粉;管道上還設置有溫度傳感器，將物料溫度控制在70℃以下，防止發生燃料自燃;送粉管道的末端設置有氣動球閥，可對燃料入爐量進行調節。當管道發生堵粉時，可通過管道上設置的清堵壓縮空氣及時吹掃，保證給粉的連續性和穩定性。
3.3生物質顆粒燃燒及煙氣凈化系統
生物質顆粒最終通過布置于送粉管道末端的燃燒器進入爐膛內燃燒，在此過程中，由送風機提供的二次風經空預器加熱后送入燃燒器，由此進入爐膛內，以補充燃料燃燒需要的氧量。煤粉鍋爐爐膛內平均溫度比水冷振動爐排鍋爐和流化床鍋爐要高，有利于生物質燃料的著火和燃盡，提高了其燃燒效率。運行時嚴格控制生物質燃料摻燒量，其輸入熱不超過爐膛總輸入熱的5%，煤粉燃燒產生的大量煙氣能夠稀釋生物質中K2O、Na2O等堿金屬氧化物及HCl的濃度，有效解決生物質灰結焦和受熱面腐蝕問題。燃料燃燒生成的煙氣在爐膛內流動至脫硝裝置，大量NOx被還原，可將出口NOx控制在50mg/Nm3以下。之后煙氣經過空預器將熱量傳遞給一次風和二次風，隨后進入除塵器將大部分粉塵除去，再通過引風機后進入脫硫裝置，凈化后的煙氣最后通過煙囪排入大氣。
4生物質顆粒與燃煤耦合發電對鍋爐運行的影響
4.1對鍋爐污染物排放的影響
植物利用光合作用將環境中的CO2吸收后釋放出O2，在生物質燃燒過程中，C轉化為CO2釋放出來，對于環境來說，并沒有增加CO2排放量。因此，可認為生物質燃燒時CO2為零排放。通常生物質中S含量小于0.13%，相比燃煤要低，以生物質代替部分燃煤可減少SO2的排放量。
燃料燃燒過程中會產生NOx，根據NOx的生成機理及含量主要分為兩種類型：燃料型NOx和熱力型NOx。燃料中的N與O結合形成燃料型NOx，通常生物質中N含量相比燃煤要低，以生物質代替部分燃煤可減少燃料型NOx的生成。在高溫火焰中，空氣中氮在高溫下氧化產生NOx，研究表明影響熱力型NOx生成量的主要因素是爐內溫度，當溫度低于1800K時，熱力型NOx生成量比較低，溫度高于1800K以后，熱力型NOx增加很快，溫度每增加100K，熱力型NOx生成反應速度將增加6～7倍。由于生物質燃料熱值較低，燃燒時火焰中心溫度較低，可減少熱力型NOx的生成。
4.2對鍋爐q2的影響
排煙熱損失(q2)指煙氣離開鍋爐末級受熱面時帶走的部分熱量，是鍋爐最主要的熱損失，q2主要取決于排煙溫度和煙氣量的大小。煤粉燃燒為發光火焰，輻射特性主要依靠炭黑粒子及三原子氣體，其中炭黑粒子輻射熱量占大部分。鍋爐摻燒生物質后，C含量相對減少，同時燃燒溫度低于煤粉燃燒溫度，所以生物質顆粒燃燒火焰輻射能力弱，摻燒生物質代替一部分燃煤后將降低爐膛吸熱量。同時由于生物質熱值較低，摻燒時會導致單位輸入熱量對應的煙氣量增加，火焰高溫區上移，爐膛出口及對流受熱面煙溫升高，排煙溫度及煙氣量增加，從而導致q2增加。
4.3對鍋爐q4的影響
機械不完全燃燒熱損失(q4)指固體炭顆粒在爐內未完全燃燒即隨飛灰和爐渣一同排出爐外而造成的熱損失，由飛灰不完全燃燒熱損失和爐渣不完全燃燒熱損失兩部分組成。q4反映了煤炭燃燒的完全程度，是影響鍋爐熱效率的重要指標。鍋爐降低飛灰燃盡損失的主要手段是給予煤粉顆粒充分的燃盡時間和燃燒所需的氧量，簡單來說就是增加煤粉顆粒在高溫區的停留時間和煤粉燃燒配風充分。
由于生物質燃料水分大、熱值低，當摻燒生物質顆粒后鍋爐煙氣量增加，爐內溫度水平降低，將會導致幾個趨勢：煤粉在爐內的停留時間縮短、煤粉的化學反應速度降低、生物質燃燒搶占煤粉顆粒燃燒所需的氧量。因此，總體來說對于煤粉顆粒的燃盡是不利的，q4將有增加的趨勢。
5結論
生物質顆粒與燃煤直接混合發電是一種高效、清潔的利用生物質能發電的技術。相比于生物質直燃發電及生物質氣化與燃煤耦合發電，其具有更強的燃料議價能力和更低的建造、運行、維護費用。用生物質顆粒代替部分燃煤會對原鍋爐燃燒效率產生一定影響，但可降低CO2、SO2、NOx的排放。生物質與燃煤耦合發電技術符合國家能源結構調整的大方向，順應市場需求，在未來很長一段時間內將成為生物質利用的重要方式。
參考文獻
[1]宋景慧，湛志鋼，馬曉茜，等.生物質燃燒發電技術[M].北京：中國電力出版社，2013.
[2]蓋東飛，呂英勝，等.水冷振動爐排鍋爐在生物質直燃發電廠中的應用[J].工業鍋爐，2011，(6)：27－30.
[3]田宜水，姚向君.生物質燃燒與混合燃燒技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2008. |
