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李政
（中國華電集團電力建設技術經濟咨詢中心有限公司，北京100031）
摘要：本文闡述了農林生物質發電項目目前存在的主要技術問題，如參數效率問題、積灰沾污問題、高低溫腐蝕問題、給料堵料問題、排渣堵渣問題、爐膛內壁結垢問題、實現超低排放問題等。針對上述問題，提出了解決方案，供項目實施過程中參考。
我國是農業大國，也是秸稈資源最為豐富的國家之一，秸稈資源包括稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類油料作物、棉花、甘蔗。我國農作物秸稈主要集中分布在糧食主產區，包括河北、吉林、黑龍江、江蘇、安徽、山東、河南、湖北、湖南、四川等[1，2]。除了作為造紙原料、畜牧飼料、還田外，剩余部分用于農村生活燃料或者在田間地頭白白燒掉了，既浪費了資源，也污染了環境。
林業生物質能資源包括林木生物質能資源和林業廢棄物資源及林地內其他的生物質資源。我國具有各類林木質資源量200億t以上，每年通過正常的灌木平茬復壯、森林撫育間伐、果樹綠籬修剪以及收集森林采伐、造材、加工剩余物等，可獲得生物質資源量約8億~10億t。今后隨著造林面積的擴大和森林覆蓋率的提高，生物質資源量將會不斷擴大，預計到2020年，全國每年可獲得生物質資源量約20億t[3]。
生物質燃燒發電技術可以分為3種類型：生物質直燃發電、生物質與煤混合燃燒發電、生物質氣化發電[4]。
1生物質發電技術路線
1.1生物質直燃發電
運用生物質鍋爐直接燃燒生物質，形成蒸汽，推動蒸汽輪機作功發電，是生物質直燃發電的主要技術路線，是我國和各國利用生物質能的主要方式。生物質鍋爐是生物質直燃發電技術的核心裝備，對發電系統能效影響最大，國內多以秸桿為燃料開展燃燒技術的研究，并取得了較好的成果。當前，更高參數和熱效率的循環流化床鍋爐已在國內生物質發電領域得到研發和應用[4]。
1.2生物質與煤混合燃燒發電
生物質與煤的混合燃燒有兩種形式：一種是兩類資源直接混合燃燒；另一種是生物質氣化處理后，燃氣與煤混合燃燒[4]。
1.3生物質氣化發電
生物氣化的方式主要有兩種，一種是反應性氣化，一種是熱解氣化，氣化氣體經凈化和過濾后直接送入燃氣機燃燒作功發電。其中反應性氣化是指通過水蒸汽或等離子為反應載體進行氣化反應；熱解氣化是通過絕氧高溫加熱生物質使其可燃物以氣體析出。這種發電技術具有更高的熱能利用率，但對燃氣機的設計和制造有著苛刻的要求[4]。
生物質直燃發電系統主要包括農林生物質燃料收集、儲運和預處理系統、物質連續化輸送和上料系統、生物質專用鍋爐燃燒及輔機系統、汽輪發電機系統、變配電系統、余熱以及灰渣收集利用系統等。其關鍵技術主要有以下3項：一是生物質收集、供應、加工與管理成套技術與裝備。國內在這一方面相關管理技術和成套設備都不成熟，目前隨著國內生物質規模化高效應用產業的發展，相關的技術和設備有廣闊的市場。二是生物質原料輸料、進料系統技術與設備。主要指在實現生物質工業化應用轉化過程中，多種生物質物料規模化的輸料、進料技術和成套設備。通過國內一些生物質直燃發電廠運行實踐表明，生物質原料輸送、進料系統是瓶頸關鍵技術。能夠適應不同的生物質原料、穩定可靠的輸送技術及系統設備目前在國內尚不成熟。三是生物質能高效燃燒等轉化技術。在生物質直燃發電項目中是指生物質燃燒鍋爐和輔機設備。目前國內有國產的和引進丹麥技術在國內生產的鍋爐設備。鍋爐的主要類型一般分為爐排爐、循環流化床鍋爐[5]。
2農林生物質直燃發電項目主要技術問題
通過對已投運項目的經驗總結，生物質直燃發電項目目前在運行中存在如下技術問題。
2.1參數效率問題
目前生物質直燃機組主要采用高溫高壓、高溫超高壓、高溫超高壓帶一次再熱等參數。如需進一步提供效率，需相應提高主蒸汽參數。但生物質鍋爐受到耐腐蝕材料的限制，目前更高參數難以實現。對于中小型汽輪機，提高參數后高壓級葉片縮短較多，設計存在一些困難。
2.2積灰沾污問題
農林生物質原料中Na、K等堿金屬含量高，燃燒生成的堿金屬化合物熔點低（＜801℃）、粘接性強，容易造成爐內水冷壁積灰或沾污、結團、結渣，以及循環流化床旋風分離器內高溫返料灰結團粘結和積灰塔橋，造成堵塞或回流不暢。
2.3高低溫腐蝕問題
農林生物質原料中Na、K等堿金屬及Cl含量高，燃燒產生氯氣、氯化氫及堿金屬氯化物，高溫環境下存在氯腐蝕和堿金屬硫酸鹽腐蝕。在低溫煙道內，由于煙氣中硫酸酸霧、鹽酸酸霧的存在，易造成低溫受熱面腐蝕。
2.4給料堵料問題
農林生物質密度小，熱值低，纖維含量高，易纏繞，容易造成給料系統堵塞或給料不足，影響鍋爐安全連續運行。
2.5排渣堵渣問題
入爐生物質原料中可能含有石塊、鐵絲等雜質，以及燃燒產生的堿金屬化合物結團作用形成較大物塊，容易造成床體排渣管堵塞。
2.6爐膛內壁結垢問題
燃燒生物質時，爐膛內表面容易形成一層很薄的白色CaO，其反射性強，降低了爐膛吸熱，影響鍋爐效率。
2.7實現超低排放問題
目前列入國家能源局生物質示范項目目錄的項目，均要求實現超低排放。農林生物質原料灰份、硫份含量低，可以實現塵、硫的超低排放；最難達標的環節在氮氧化物的處理上。脫硝環節最主流的兩種技術是選擇性催化還原（SCR）和非選擇性催化還原（SNCR），一般而言選擇性催化還原（SCR）效率更高。但在生物質項目上，采用選擇性催化還原脫硝，易造成催化劑中毒甚至失效，還原劑會造成尾部受熱面腐蝕以及堵塞，對溫度窗口要求嚴格，爐溫波動會造成脫硝效率低，無法達到超凈排放要求。對于循環流化床鍋爐，爐內SNCR脫硝可以實現NOx達標排放（＜100mg/Nm3），但要達到超低排放（＜50mg/Nm3），缺少工程實踐經驗。
3主要解決方案
針對生物質直燃發電項目目前存在的主要技術問題，從業的設計單位、項目單位、設備制造廠進行了大量的研究工作，并在某些項目上取得了成功經驗，對存在的問題提出了有效的解決方案。
3.1參數效率問題解決方案
從目前情況看，循環流化床鍋爐較爐排爐更易進一步實現高參數、大容量發展。目前部分國內鍋爐制造廠正在同發電集團一起，研究實現更高參數（如超高溫亞臨界）的可能性。如某鍋爐廠提出了外置式高溫換熱器設計方案，利用灰渣換熱而不與煙氣接觸，可以達到超高溫參數，也避免了煙氣腐蝕。
根據某汽機廠的研究分析，若原料有保證或考慮生物質成型燃料應用，亞臨界汽輪機在50MW等級及以上容量，性價比較高。與此同時，部分項目采用高轉速汽輪機。根據某汽機廠提供的數據，相同條件下，高轉速汽輪機效率較常規轉速汽輪機提高約2%。
3.2積灰沾污問題解決方案
針對生物質鍋爐積灰沾污問題，可采用如下技術方案進行優化：設置汽冷旋風分離器，降低循環灰溫度；利用中溫燃燒低溫分離技術，采用大爐膛設計，控制水冷壁煙氣流速3~3.6m/s，同時將分離器進口、回料處煙溫控制在550℃左右；爐膛水冷管束采用大節距，高溫受熱面選用抗腐蝕好的鋼材，采用高效旋風分離器、非機械回料閥、光管省煤器；選取較低的燃燒溫度（860℃）、適當加大尾部受熱面節距及煙速、采用多回程對流煙道。
3.3高低溫腐蝕問題解決方案
針對生物質鍋爐高、低溫腐蝕問題，各設備廠家結合自身工藝，提出下述優化方案：空氣預熱器低溫段采用陶瓷或考登鋼等耐腐蝕性材質，以減輕低溫腐蝕；采用中溫燃燒，降低爐膛燃燒溫度（特別是密相區爐膛），減少堿金屬鹽進入氣相的量；高溫受熱面布置在顆粒濃度較高的區域，利用煙氣的自沖刷作用，減輕堿金屬化合物在高溫受熱面上的沉積；采用順流、順列受熱面布置，降低高溫蒸汽出口段的金屬壁溫，選擇耐腐蝕特殊金屬材料或噴涂；在低溫煙道內，采用煙冷器和給水加熱式空預器方案解決低溫煙道腐蝕；在爐內添加石灰石，固化部分氯及氯化氫，降低腐蝕氣體量；添加煤灰、高嶺土等添加劑固化堿金屬氯化物，提高高溫受熱面金屬材料等級；低溫受熱面采用搪瓷管，優化煙氣換熱流程；采用較低的床溫，減少堿金屬析出量。在尾部煙道入口布置水冷管束，降低煙溫。
3.4給料堵料問題解決方案
針對給料堵料問題，可采用如下技術方案進行優化：結合原桿特性設計給料口尺寸，并合理確定給料口播料風和密封風設計；采用特殊給料口配風設計，保證給料均勻，防止堵塞；選擇螺旋給料機機械輸送方式，減少播料風，利于爐膛內床溫床壓的調節及燃料的混合燃燒。
3.5排渣堵渣問題解決方案
針對堵渣問題，可采用如下技術方案進行優化：將排渣口位置前移，較重異物直接落入排渣口，同時采用空氣炮輔助手段消除異物；采取特殊的布風板渣坑設計，可收集隨燃料帶入的雜質并排除；利用傾斜式布風板設計及風帽和定向風管技術，并采用滾筒冷渣器，可方便大渣和鐵絲等雜物的排出；增加一套在線加料系統，補充循環灰量的不足，稀釋堿金屬含量，減小結焦傾斜。
3.6爐膛內壁結垢問題解決方案
某鍋爐廠提出采用水力吹灰，降低爐膛內壁結垢，但應合理設計，避免對爐膛燃燒的影響。
3.7超低排放解決方案
某循環流化床項目采用SCR技術。在催化劑層前，采用大顆粒收集器避免催化劑的堵塞問題；根據數值模擬，設置百葉窗式穩流器有效地防止催化劑的磨蝕問題；適當地增大催化劑表面的流速，減少細顆粒粘附，緩解催化劑失活。通過上述技術手段，實現氮氧化物的超低排放[6]。
對于生物質鍋爐，建議首先采用SNCR技術，降低氮氧化物的排放，再通過SCR、COA、PNCR等技術實現氮氧化物超低排放。
目前生物質氮氧化物實現超低排放技術上還無成熟的工程實踐經驗，同時目前方案的運行成本很高，對項目經濟性影響很大。關于生物質發電項目超低排放，各從業單位應該持續關注，探索最有的技術方案。同時主管部門應有一定的政策傾斜，保證項目的正常運營。
4結語
（1）充分利用廣蘊的可再生生物質資源用于發展生物質發電，對我國創建資源節約型、環境友好型、生態循環型社會和經濟形態大有裨益。生物質直燃發電技術成熟可靠，是我國和各國利用生物質能的主要方式。
（2）針對生物質直燃發電存在的參數效率、積灰沾污、高低溫腐蝕、給料堵料、排渣堵渣、爐膛內壁結垢、實現超低排放等問題，各有關單位提出了技術解決方案。各從業單位應進一步關注相關問題，總結經驗教訓，在工程中論證解決方案的合理性，并持續研究技術可靠、經濟合理的更優解決方案。
（3）對于采用某些技術方案導致建設投資、運行成本的提高，在優化方案的同時，建議有關部門制定具有可操作性的財稅優惠政策，建立各種形式的示范項目，以保證項目的順利實施。
參考文獻
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[2]《非常規飼料資源的開發與利用》研究組.非常規飼料資源的開發與利用[M].北京：中國農業出版社.1996：14-18.
[3]黃錦濤，王新雷，徐彤.我國農林生物質發電相關問題研究[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2008，4（1）：7-13.
[4]黃忠友.試析生物質發電發展現狀及前景[J].水利電力，2019（1）：5.
[5]鄢烈松.如何提高生物質中直燃發電效率的分析[J].科技視界，2015（11）：5-7.
[6]薛軍.130t/h全燒生物質鍋爐脫硝技術研究及應用[J].鍋爐制造，2017，2（3）：24-26. |
