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生物质发电燃烧方式与炉型选择
发布时间：2013-09-29 17:41 来源：未知
0、引言
目前国内经过政府部门核准，已建成和在建的生物质发电项目有60～70个，装机容量多在12～30 MW之间，主要分布在山东、江苏、河北等地区。广西柳城生物质发电工程作为广西的第一个生物质发电项目，于2007年3月开始项目的前期准备工作，项目的《可行性研究报告》和《项目申请报告》分别于2007年11月和2008年1月通过相关咨询机构的评估，2008年2月项目获得自治区发改委的核准，2008年3月12日正式开工建设。
1、生物质发电技术概况
按生物质利用方式的不同，生物质发电技术可分为生物质气化发电技术、生物质一煤混烧发电技术和生物质直接燃烧发电技术。
目前国内外大部分的生物质电厂都采用直接燃烧发电技术。
2、生物质燃料特点及须考虑的问题
生物质电厂与常规燃煤电厂最大的不同之处就是其使用的燃料是生物质，主要特点为：
①资源分布范围广而分散，且带有明显的季节性。常见的生物质燃料是农作物的秸秆和林木砍伐加工过程中被抛弃的枝、杆、根、叶、皮和木屑等。虽然我国很多地方的生物质资源非常丰富，但分布分散，因此，资源收集工作比较复杂，难度大，成本较高。另外，由于这类资源属于种植农作物或林木的附属产物，大规模收集一般只能集中在农作物收割或林木集中砍伐的较短时间内，需要占用很大的场地来存储燃料，须注意燃料存储时的发酵及防火等问题。
②燃料种类多，性质差异大。国外的生物质电厂一般只燃用单一品种的燃料，而目前国内的生物质电厂普遍考虑使用多种燃料，经常出现同时使用以农作物秸秆为代表的黄色秸秆和林木枝杆为代表的灰色秸秆的情况，还可能混入稻壳、甘蔗渣等，各种燃料的性质（包括形状、密度、水分、发热量、成分和灰熔点等）差别非常大。由于燃料种类的多样性和品质的差异性，燃料的运输、储存、上料、燃烧组织等难度很大。
③燃料具有低灰分、低含硫量、高挥发份、高水分、低热值的特点。与煤比较，生物质燃料的灰分和硫含量非常低，一般收到基的灰分在3—5%，硫含量0.1%左右，远远低于煤炭，因此，生物质电厂的优势之一在于烟尘和S02排放量小。不过，一般生物质燃料的水分含量和挥发份都很高，热值低，因此，燃料在人炉后，需要较长的干燥时间，而燃烧的过程比较迅速，炉内温度低，稳定性差，给锅炉设计带来一定的难度。
④燃料质地松软，密度小。生物质燃料的自然堆积密度一般在50—200 kg/m3，比燃煤的800 kg/m3小很多。生物质燃料的发热量低，与相同规模的燃煤电厂比较，生物质电厂需要的燃料质量耗量约大50%，体积耗量约大10倍左右，因此，生物质电厂需要设计更大的上料系统，场内燃料堆场和仓库占地面积也较大。另外，由于生物质燃料在输送时还容易产生扬起、搭桥和缠绕设备等现象，因此在燃料的运输、储存、上料系统和设备选择的设计上需要充分考虑。
⑤燃料灰中碱金属含量高，部分燃料可能还有一定量的氯离子。由于生物质燃料灰中碱金属特别是钾的含量较高，灰熔点较低，高温状态下易出现熔融状态，灰中的碱金属以气相的形式析出，在水冷壁和受热面产生结焦、腐蚀等；另外，由于灰中可能存在一定量的氯离子，锅炉结焦、腐蚀的趋势更加明显。如何组织和控制合理的燃烧和炉内温度场，选用合适的抗腐蚀材料，是生物质锅炉设计时需认真研究的课题。
3、生物质燃料燃烧方式和炉型选用分析
对于固体燃料，通常可供选择的燃烧方式主要有3种，即以煤粉炉为代表的悬浮燃烧、炉排炉为代表的层燃燃烧和循环流化床锅炉为代表的流态化燃烧。针对目前国内稻、麦秸秆和林木枝条为主的生物质燃料，采用何种燃烧方式以及哪种炉型，必须结合燃料的特性和具体的燃烧方案进行细致分析，富通新能源专业生产销售颗�；�、木屑颗�；壬镏嗜剂铣尚突瞪璞�，同时我们还有大量的杨木木屑和玉米秸秆颗粒燃料。
生物质燃料因其具有低着火温度和高燃烧反应活性的特点及在燃料停留时间仅为数秒量级的悬浮燃烧过程的优点，在实际应用中发现常规煤粉锅炉炉膛中如果采用单独的燃烧器混烧生物质秸秆，则喷入的秸秆火焰甚至类似于稳燃油枪喷人的火焰，如果和煤粉掺混共用燃烧器进入炉膛则可以大大改善煤粉气流的着火特性，增强其低负荷调节能力。但是悬浮燃烧方式必需的炉膛高温却和生物质燃料的高碱特性存在不可调和的矛盾：为了保证固体燃料颗粒在通过炉膛的几秒钟内一次燃烬，悬浮燃烧的炉膛往往维持在l 300℃以上，基本上燃料中所有的碱金属物质在这种条件下都倾向于进入气相，部分碱直接形成碱盐蒸汽的形式，部分通过气相、气固相的复杂过程形成低熔点的复杂化合物，并在高温下呈熔融或部分熔融的形式进入下游，炉膛以及位于下游的各受热面势必存在严重的受热面结渣、沉积、腐蚀问题。由于这个原因，生物质作为唯一燃料在悬浮燃烧的炉型中实际上不能实现正常燃烧。
以炉排炉为代表的层燃燃烧中，燃料在固定或者移动的炉排上实现燃烧，燃烧所需空气从下方透过炉排供应上部的燃料，燃料处于相对静止的状态，燃料入炉后的燃烧时间可由炉排的移动或者振动来控制，直到灰渣落入炉排下或者炉排后端的灰坑时结束。
丹麦基于本国的资源特点和燃料特性，以层燃炉为基本形式开发了以麦秸秆为燃料的振动炉排燃烧技术，燃烧炉见图1。该技术中秸秆捆或者切碎的秸秆在炉排的一端通过机械推送或者风力播撒送入炉膛后部，炉排向炉前倾斜，秸秆随着炉排的振动向炉前移动。由于秸秆着火温度低、挥发份份额高且析出快速，在燃料的给入段必须迅速给人大量的燃烧风，在该处形成强烈的火焰燃烧区，燃烧区后烧散的秸秆或者未燃烬的秸秆残枝、半焦等落在振动炉排上继续燃烧并通过炉排运动速度保证该部分燃料的燃烬。同时，为了保证大量的挥发份燃烬，炉排上部空间还需要有合理的二次风系统。燃烧区产生的高温烟气通过布置有大量蒸发受热面的炉膛后被降到较低的温度水平，然后进入尾部烟道进行换热。从燃烧组织的角度看，该技术根据秸秆的燃烧特性对常规的炉排炉燃烧进行了改进，占主要燃烧份额的挥发份燃烧发生在燃料给人段和整个炉排上部空间。由于大量的气相可燃物和轻质稻草的悬浮，该区域的燃烧类似于前面所述的悬浮燃烧，部分未燃烬的燃料和半焦落在炉排上进一步燃烧则维持了层燃的特性。
该技术基本切合了生物质燃烧的性质，通过合理的燃料给入口设计，入口区燃烧空气和二次风的合理供应以及炉排移动，供风的良好配合可以实现对生物质的高效燃烧。针对生物质燃料的碱金属问题，通过在炉膛上部、后部增加低温的蒸发受热面，使进入第一级对流受热面的烟气温度降低到相对安全的程度是缓解尾部受热面碱金属问题的主要手段，其他的辅助措施包括降低高温烟气换热区域内管内工质的温度水平、采用耐腐蚀管材以及强化吹灰和检修制度等。对于落在炉排上的残余燃料和半焦，由于上部辐射加热和自身的燃烧放热，即使是在炉排采用水冷的情况下，灰烬依然会因含碱金属而出现软化、黏粘的现象，该问题的解决主要依赖精心设计的炉排移动和振动方式。良好的设计必须考虑在炉排上不同部位燃烧灰烬的堆积、软化、黏粘或者脱落特性，以保证在较高燃烬率的前提下的正常排灰，设计不良的炉排可能在短短几天内就会因为排灰不畅造成停炉。
根据对丹麦的振动炉排燃烧麦秸秆技术的跟踪和文献研究，由于在燃烧方式上没有摆脱类似悬浮燃烧的高温火焰区，因而对流受热面沉积、高温受热面金属腐蚀以及炉膛区的熔渣问题并没有得到根本的解决。另一方面，炉膛内高温区域的控制、炉排的移动和正常排灰等方面的设计和组织需要细致考察燃料的特性，切合设定的燃料条件。由于炉排炉对燃料变动的适应性较差，一旦燃料的物理、化学特性发生改变，很容易造成燃烧效率降低和碱金属问题恶化。
国内生物质燃料具有多样性和复杂性，生物质电厂的燃料种类在各个季节差异很大，甚至同时混用多种燃料，各种燃料间的密度、体积、水分等性质差别非常大，丹麦这种抛料式的炉型已不再适用�？悸堑焦谌剂献试吹奶厥馇榭觯谄笠等缥尬夤煞萦邢薰�、济南锅炉厂、华西能源工业集团等已通过技术引进后创新和自行开发等途径设计出适合我国国情的振动炉排。与丹麦技术最大的不同处在于其炉排是由炉前向炉后倾斜，燃料在炉前落到炉排上后，随着炉排的振动向炉后方向移动，这种型式的炉排在同时燃用多种类型燃料时有很大的优势，已安装在河北、江苏、山东等地区多个生物质电厂。
流态化燃烧是近代从化学反应工程技术领域发展起来的一种新型燃烧技术。其特点是低温燃烧；良好的气一固或固一固混合；燃料适应性强；燃烧可控性能好。具体情况如下=：
①低温燃烧特性和炉膛温度均匀性。炉膛内大量惰性的床料和床料与燃料之间充分的混合使燃料燃烧放出的热量能均匀释放，不会形成悬浮燃烧和层燃燃烧所难以避免的局部高温，这一点对于NOx的排放控制有积极意义，同样对秸秆中碱金属的迁徙转移也有重大意义，可以有效避免气相碱金属浓度的增加，同时降低低熔体形成的速度和数量。
②物料循环和良好的炉内反应条件。物料循环和炉内固一固、气一固间良好的混合体提供的高效反应条件在秸秆燃烧中意义重大，通过合适的添加物，在循环流化床中完全可以利用这种反应能力固集甚至转化秸秆原料带入炉内的碱金属，从而实现主动地控制碱的迁徙转化，从根本上缓解进入尾部烟道的碱对后部受热面的危害。
③循环流化床炉膛内的颗粒运动。循环流化床炉膛内密相区存在强烈的颗粒运动，由于物料内循环，稀相区内的水冷壁壁面上也存在大量的颗粒帖壁流动，炉膛内的悬挂受热面处的颗粒浓度也相当大，对于秸秆燃烧来说，轻软的秸秆灰没有磨损的危险，精心选择的床料作为循环物料的主体反而能够在防止炉膛内水冷壁或耐火材料上出现熔渣以及悬挂受热面上出现初始沉积或凝结。
④较好的燃料适应性。在秸秆燃烧中，流态化燃烧不但能适应秸秆原料在种类、破碎条件、水分、杂质含量等方面的变动，维持良好的燃烧组织，更重要的是可以在燃料变动时，依然能够根据顺利实现设计目的，对碱金属引发的各种问题加以有效控制。
相比炉排燃烧技术，流化床燃烧技术具有布风均匀、燃料与空气接触混合良好、SOx及NOx排放少等优点，更适应燃烧水分过高、低热值的秸秆。同时，炉内温度控制和机组负荷控制上也具有一定的优势。
国际上以流态化燃烧技术燃用生物质的公司不少，具代表性的有AE&E，Foster Wheeler，B&W，Kvaemer等，其主要应用在欧洲和美国，烧的多是木片锯末、果园修剪枝条以及河道污泥等。
在国内，浙江大学针对秸秆燃烧灰熔点低、易结渣等特点进行研究，通过采用特殊风分配及组织方式保证生物质的流化燃烧和顺畅排渣，并优化受热面布置，降低碱金属的腐蚀，设计的锅炉安装在江苏宿迁电厂，已投入运行。
目前国内以生物质为单一燃料直接燃烧技术路线正逐步趋于统一，燃烧形式以炉排层燃和流态化燃烧为主，锅炉蒸发量在75t/h和130t/h等级，其中炉排层燃技术较为成熟。国内目前确定的生物质发电项目，炉型基本上以丹麦水冷振动炉排、国内锅炉厂家开发的水冷振动炉排炉为主，循环流化床迄今为止投产的为江苏宿迁项目。
4、结语
随着化石燃料的日益短缺和化石燃料的利用所引起的环境问题日趋严重，大力开发和利用生物质能源资源，在我国具有广阔的市场前景。生物质发电技术可分为生物质气化发电技术、生物质一煤混烧发电技术和生物质直接燃烧发电技术，其中应用最为广泛的是生物质直接燃烧发电技术。根据生物质燃料独特的燃烧特性和化学成分构成的特点，其燃烧方式主要有悬浮燃烧、层燃燃烧和流态化燃烧。针对目前国内稻、麦秸秆和林木枝条为主的生物质燃料，采用何种燃烧方式以及哪种炉型，必须结合燃料的特性和具体的燃烧方案进行细致分析。
