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別如山，李炳熙，陸慧林，楊勵丹
(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：介紹了國內外生物質燃料開發與利用現狀，燃生物廢料鍋爐爐型的選擇以及生物廢料在流化床中燃燒存在的燒結問題及解決措施。還介紹哈爾濱工業大學研制的一系列燃生物廢料流化床鍋爐及其運行結果。
1前言
生物質能在世界能源結構中占有十分重要的地位。據統計，每年經過光合作用固定下來的生物質能約是全世界能源消耗的10倍。但目前被人們利用的僅占1.0%。估計世界大陸上生物質的年產量為1011～1012噸干物質。我國幾種主要的生物質的產量也相當可觀，據統計，僅農作物的秸桿每年約為5～6億噸，折合標準煤約2～2.4億噸，其中60%用于生活需要燒掉。森林每年可提供9000萬噸薪柴，但年實際開發量約為1.8億噸。據1989年統計，用于生活需要燒掉2.78億噸薪柴。林業加工過程生產的邊角廢料每年約為2400萬立方米，折合標準煤150萬噸。稻谷年產量約200兆噸，可獲得稻殼約40兆噸，折合標準煤約20兆噸。我國居民僅維持日常生活用能，每年就需要6億噸標準煤，占全國能耗的30%，而這些能源的80%左右是由生物質能提供的。此外，生物質能可年復一年的不斷再生，因此其能量是十分可觀的。開發利用生物質能具有廣闊的前景。
生物質能的利用之所以受到世界各國的高度重視，還因為生物質是一種清潔燃料。生物質含硫量低，含氮量不高，所以燃燒后硫氧化物和氮氧化物的含量很低；生物質中灰分一般也很小，所以充分燃燒后煙塵含量極低。現在世界每年二氧化碳排放量為55億噸，導致明顯的溫室效應。生物質燃燒過程具有二氧化碳零排放的特點，因為生物質燃燒生成的二氧化碳又可被植物吸收，合成本身的生物質，所以沒有增加大氣中二氧化碳的含量。這對于緩解日益嚴重的溫室效應有著特殊的意義。
從我國目前利用生物質能的狀況看，由于直接燃燒生物質能占相當的比重，但燃燒設備落后，熱效率很低。如農用柴灶爐熱效率一般為10%～20%，先進的省柴爐灶熱效率也僅在30%左右；現在以層燃方式燃生物質的鍋爐數量很少，熱效率也很低；生物質氣化爐的氣化率低，所得的燃氣熱值不高。因此提高這些鍋爐、爐具的燃燒效率、熱效率以及提高氣化爐的氣化率及燃氣熱值是急待解決的關鍵技術問題。對于節約能源有著極為重要的意義。
流態化燃燒具有燃燒效率高、有害氣體排放少、熱容量大等一系列的優點，很適合燃水分大、熱值低的生物質燃料。因此，西方發達國家已采用流化床燃燒技術利用生物質能。美國、瑞典、德國、丹麥等工業化國家生物質能利用技術已居世界領先地位。
國內也開始重視開發利用生物質能，國家經貿委節約和綜合利用司于1993年3月組團赴瑞典、德國就生物質能利用技術及設備進行技術考察；我國農業部環能司、農業部國際合作司、山東省科學院能源所和福建省農村能源辦公室組成考察組于1994年5～6月赴美考察美國的生物質能等可再生能源發電情況。表明國內對生物質能的開發利用非常重視。
2國內外現狀
美國目前開發利用生物質能主要通過直接燃燒生物質產生蒸汽、電力。生物質原料主要為采伐業的枝椏等廢棄物、不成材的樹木、造紙和木材加工的廢棄物以及稻殼、甘蔗渣等。燃燒設備以引進德國的鏈條爐為主。在美國，采用流化床燃燒技術利用生物質能也具有相當規模，如美國愛達荷能源產品公司已生產出燃生物質媒體流化床鍋爐，蒸汽鍋爐出力為4.5～50t/h，供熱鍋爐出力為1.06×107～1.32×108kJ/h。80年代末至90年代初期，美國利用流化床燃燒技術開發大型燃廢木循環流化床發電鍋爐。例如，由美國CE公司利用魯奇技術設計生產的兩臺循環流化床鍋爐，分別安裝于Fresno和Rocklin，出力為100t/h，蒸汽壓力為8.7MPa，過熱蒸汽溫度515℃，熱功率78MW分別于1988、1989年投運；另外兩臺熱功率為71MW的循環流化床燃廢木料鍋爐裝在Mecca于1992年投運。B&W公司也有燃木柴流化床鍋爐在運行。目前美國已有近1000家燃木材電廠在運行，裝機容量達6500MW。
預計到2000年以前生物質能(廢木、木屑、稻谷殼和甘蔗渣等可燃生物燃料)發電總裝機容量達12000MW。
瑞典是高度發達的工業化國家，由于煤、石油資源貧乏，能源主要依賴進口石油。但瑞典森林資源豐富，森林覆蓋率達58%，為了利用本國資源，減少石油進口，瑞典非常重視生物質能的開發利用。生物質能的利用量已占全國總能耗的16.1%，達到55億kW·h，其中的相當部分就是將樹枝、樹葉、樹皮、森林廢棄物、鋸屑和泥炭等削片、切碎，然后運送到熱電廠，在大型流化床鍋爐中燃燒而得以利用的。
盡管這些燃料的含水量有時高達50%～60%，但鍋爐的熱效率仍可達到80%。瑞典另一個利用生物質能的方式就是將生物質送入循環流化床氣化爐進行氣化，產生的燃氣通過燃氣輪機發電，采用聯合循環。這樣的系統熱效率高，目前此種方式單機容量已達80MW。
丹麥為了減少二氧化碳的排放，計劃每年燃燒700萬噸干草，8萬噸木屑，采用芬蘭奧斯龍公司生產的高倍率循環流化床鍋爐，將干草與煤以6：4的比例送入爐內燃燒。鍋爐參數：出力為100t/h，蒸汽壓力為90MPa，過熱蒸汽溫度490℃，熱功率為80MW。
從我國目前利用生物質能的狀況看，由于直接燃燒生物質能占相當的比重，但燃燒設備落后，熱效率很低，造成生物質能源的極大浪費。國內部分鍋爐制造廠家設計采用鏈條爐燃燒生物質廢料，發現熱效率低，出力不足，鍋爐爐體大，爐排易燒壞。為此，哈爾濱工業大學從80年代末期開始研究采用流化床燃燒技術開發利用生物質能。已完成生物質媒體流化床流化特性的研究；提高燃燒效率的研究；燃生物質媒體流化床鍋爐結構的研究；生物質氣化燃氣的熱值、產率和生物質在流化床中氣化產生燒結現象的研究以及生物廢料燃氣熱力聯產關鍵技術的研究。已和國內四個鍋爐廠家合作，研制開發了4、10、12.5、14t/h燃稻谷殼、廢木與木屑、甘蔗渣及棕櫚空果穗等生物廢料流化床鍋爐11臺[1]。其中4臺4t/h燃稻谷殼流化床鍋爐、兩臺12.5t/h燃甘蔗渣流化床鍋爐出口泰國；一臺14t/h燃棕櫚空果穗流化床鍋爐于1997年出口馬來西亞，一臺4t/h燃木屑流化床鍋爐于1998年出口非洲加納，進入國際市場，深受用戶好評。三臺10t/h燃廢木與木屑流化床鍋爐在外資企業運行六年多來，一直滿發、穩定、高效率，節約了大量能源，創造了很高的經濟效益，用戶十分滿意，該爐于1995年獲得國家專利，于1998年獲得中國航天工業總公司部級科技進步二等獎。
3爐型的選擇
生物質燃料的一般特點是水分很高、灰分很小、揮發份很高、發熱值偏低。用粉狀燃燒時，首先應將其制成粉末。由于生物廢料是非脆性材料，磨制時易生成纖維團而不是粉狀，而且需要預先干燥，而干燥高水分的生物質燃料要消耗大量的熱。一般可切成碎片在煤粉、油或氣體燃燒室內燃燒。這樣使鍋爐結構、燃料制備系統和鍋爐運行復雜化，且不經濟。
層燃鍋爐屬層狀燃燒，生物質燃料通過給料斗送到爐排上時，不可能象煤那樣均勻分布，容易在爐排上形成料層疏密不均，從而形成布風不勻。薄層處空氣短路，不能用來充分燃燒；而厚層處，需要大量空氣用于燃燒，由于這里阻力較大，因而空氣量較燃燒所需的空氣量為少，這種布風不均將不利于燃燒和燃盡。由于生物質的揮發份很高，在燃燒的開始階段，揮發份大量析出，需要大量空氣用于燃燒，如這時空氣不足，可燃氣體與空氣混合不好將會造成氣體不完全燃燒損失急劇增加。同時，由于生物質比較輕，容易被空氣吹離床層而帶出爐膛，這樣造成固體不完全燃燒損失很大，因而燃燒效率很低。
另一方面當生物質燃料含水率很高時，水份蒸發需要大量熱量，干燥及預熱過程需時較長，所以，生物質燃料在床層表面很難著火，或著火推遲，不能及時燃盡，造成固體不完全燃燒損失很高，導致鍋爐燃燒效率、熱效率很低，實際運行的層燃爐熱效率有的低達40%。另一方面，一旦它燃盡后，由于灰分很少，不能在爐排上形成一層灰，以保護后部的爐排不被過熱，從而導致爐排被燒壞。采用流化床燃燒方式，密相區主要由媒體(河沙或石英沙)組成，生物燃料通過給料器送入密相區后，首先在密相區與大量媒體充分混合，密相區的惰性床料溫度一般在850℃～950℃之間，具有很高的熱容量，即使生物質含水率高達50%～60%，水份也能夠被迅速蒸發掉，使燃料迅速著火燃燒。加上密相區內燃料與空氣接觸良好，擾動強烈，因而燃燒效率有顯著提高。因此，流化床燃燒方式最適合含高水分生物廢料的燃燒。
4燒結現象
目前生物廢料在燃燒過程中，可能發生燒結現象。燒結與溫度、流化風速和氣氛有關，但溫度是影響燒結的最主要因素。稻草的燒結溫度在680℃左右，玉米稈的燒結溫度在740℃左右，高粱稈的燒結溫度在680℃[2]。隨著溫度的升高，燒結塊尺寸增大，數量增多，硬度增強。對于稻草，溫度在700℃以上，便出現燒結塊阻塞的現象，高粱稈在760℃以上出現阻塞，而玉米稈則在800℃以上仍可保持較好的燃燒。
單純的灰是不能起粘結劑作用的。砂的熔點及灰熔點都高于1000℃，而實驗及實際運行表明在700℃就會發生燒結。一般認為，出現這種現象的原因是生物質灰中富含鉀和鈉，這些元素的化合物與砂中的SiO2反應，生成低熔點的共晶體，熔化的晶體沿砂的縫隙流動，將砂粒粘結，形成結塊，破壞流化。反應方程式如下：
另外，參考煤燒結產生的化學機理，認為灰的酸、堿氧化物含量比是決定燒結溫度的一個主要原因。其中Al2O3對燒結的產生有抑制作用，Al2O3比SiO2更易與堿金屬化合物反應，其產物熔點高。因此，灰中鋁元素含量高，則可減少SiO2與堿金屬發生反應的機會，避免燒結現象發生。
稻草灰中的鉀、鈉元素含量偏低，與上述原理不符。其燒結塊結構也與上面兩者不同，說明其形成的化學機理是不同的。稻草中碳轉化率低的原因，認為與其高的SiO2含量有關[3]。在700℃～800℃時，SiO2體積構向面結構轉化，在此過程中，碳原子成為填充原子，形成牢固的碳硅結合，即使在1200℃，也無法將其中的碳氧化[4]。這種碳硅結合，使稻草灰連接在一起，形成蓬松的燒結塊，破壞正常流化。
5防止燒結的對策
分析燒結形成原因是為了找出解決辦法。一方面，從鍋爐結構因素入手，合理布置燃燒系統及爐膛受熱面，保證運行溫度不過高，尤其注意控制稀相區的溫度。另一方面，尋找適宜的惰性床料或添加劑以抑制低熔點共晶體的形成。
不同的元素對燒結的影響是不同的。因此可以選擇富含抑制燒結元素的床料，提高了燒結發生的溫度，以保證正常流化。
目前，以其價格低、易獲得、且不易燒結而成為主要供選擇的替代床料有Al2O3、Fe2O3，尤其是Fe2O3比SiO2、Al2O3更易與堿金屬氧化物、鹽反應，反應式如下：
X2Fe2O4的熔點為1135℃，遠高于運行溫度，因此可防止燒結的產生，南斯拉夫的BorislavD.Grubor等學者比較了SiO2、Al2O3、Fe2O3三種物質做床料的效果。發現以SiO2為床料燃燒生物質時，在700℃就出現燒結，800℃時相當嚴重。而用Fe2O3做床料時，當灰中鉀、鈉總含量超過20%，且床溫在900℃以上時，只有很小的結塊，Al2O3的效果則介于二者之間，在800℃時出現燒結，900℃時與SiO2作床料，床溫800℃時的燒結一樣嚴重[5]。在我們設計的燃生物廢料流化床鍋爐中，采取了適宜的措施，還沒有用戶反映床料燒結問題。
6運行結果
從80年代末期開始研究采用流化床燃燒技術開發利用生物質，先后與長春鍋爐廠、長沙鍋爐廠、營口鍋爐總廠、天山鍋爐廠研制開發燃甘蔗渣、稻殼、板廠廢料和棕櫚空果穗等生物廢料流化床鍋爐。
與長春鍋爐廠合作研制的兩臺12.5t/h燃甘蔗渣鍋爐經德國BAY公司銷往泰國；與長沙鍋爐廠合作研制的4臺4t/h燃稻殼鍋爐也已出口泰國，與營口鍋爐總廠合作開發的4t/h燃板廠廢料鍋爐出口西非加納；14t/h燃棕櫚空果穗鍋爐出口馬來西亞，深受國外用戶的好評。另外與營口鍋爐總廠合作研制的三臺10t/h燃廢木與木屑流化床鍋爐(設計參數為：鍋爐蒸發量D=10t/h；工作壓力P=1.25MPa；過熱蒸汽溫度t″=350℃；設計效率η=80.86%)，裝在大連金州外資企業常榮、常盛合板有限公司。經測試，燃燒效率達99%，鍋爐熱效率達83%，這兩個主要技術指標已達到國際先進水平。該鍋爐是遼寧省科委火炬計劃和遼寧省機械委新產品計劃項目，于1995年12月榮獲遼寧省優秀新產品銀獎，添補了國內空白。1996年被國家經貿委列為國家級重點新產品試產計劃。1998年獲得中國航天工業總公司部級科技進步二等獎。
參考文獻 ：
[1]別如山，鮑亦令，楊勵丹，等.SHF10-1.25/350廢木材流化床鍋爐的研制[J].工業鍋爐，1996，(4)：2-4.
[2]楊勵丹，李海軍，鮑亦令，等.生物質在流化床中燃燒時的燒結現象[J].新能源，1997，19(8) ：13-16.
[3]Salour D，Jenkins B M， Vafaei M. et al.Control of in-bed agglomer-ation byfuelblending in a pilot scale straw and woodfueled AFBC[J].Biomass and Bionenergy，1993，4(2) ：117-133.
[4]Ganesh A，Grover P D. Lyer P V R. Combustion and gasification characteristics of rice husk[J].Fuel，1992，71(8) ：889-894.
[5]Grubor B D，Oka S N.llic MS.et al.Biomass FBC combustion-bed agglomeration problems[C].Fluidized Bed Combustion，ASME 1995，1(1) ：515-522. |
