張曉楠

(哈爾濱電氣國際工程有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

引 言

生物質(zhì)發(fā)電是利用生物質(zhì)所具有的生物質(zhì)能進行發(fā)電的技術(shù)。用于發(fā)電的生物質(zhì)通常為農(nóng)業(yè)和林業(yè)的廢物，如秸稈、稻草、木屑、甘蔗渣、棕櫚殼等。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)可以分為生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電、燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電以及生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)。

1 生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)

在生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)中，生物質(zhì)燃料被直接送入鍋爐燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，進入汽輪發(fā)電機進行發(fā)電。除了將生物質(zhì)直接投入鍋爐爐膛燃燒的散燒、捆燒形式外，還可以將生物質(zhì)制成成型燃料后再燃燒。在生物質(zhì)成型技術(shù)中，采用物理方法將蓬松狀態(tài)的生物質(zhì)壓制成結(jié)構(gòu)致密的顆粒狀、圓柱狀或方塊狀[1]，克服了生物質(zhì)原料能量密度低、存儲空間高、燃燒速率難以控制的缺點，更利于生物質(zhì)在燃燒設(shè)備中燃燒。目前，基于生物質(zhì)的直燃發(fā)電機組，工程實踐中使用比較多的有層燃爐和循環(huán)流化床鍋爐[2]。

1.1 層燃鍋爐

1.1.1 固定爐排鍋爐

針對燃用棕櫚殼、棕櫚纖維等生物質(zhì)燃料的固定爐排鍋爐，由于棕櫚殼質(zhì)量輕、揮發(fā)分高、灰分低、燃燒溫度較高，爐排片很容易因為過熱得不到很好的冷卻而受到損壞?；诖藛栴}，目前研發(fā)出一種水冷傾斜式固定爐排。爐排整體呈前低后高傾斜式配置，爐排材料選用耐熱鑄鐵，耐熱溫度高達1 150 ℃。爐排片由水冷管支撐，在保證燃料充分燃燒的基礎(chǔ)上，冷卻爐排片，防止?fàn)t排片因高溫過熱損壞。同時，優(yōu)化爐膛配風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計：一次風(fēng)從爐膛底部風(fēng)道通過爐排上的通風(fēng)孔進入爐膛，既調(diào)節(jié)爐膛配風(fēng)，又可以冷卻高溫爐排，延長其使用壽命；二次風(fēng)系統(tǒng)配置在爐膛前墻進料口下部、爐膛后墻的中部以及爐排后頂部，以確保燃料穩(wěn)定及充分的燃燒。布置在爐膛后墻的二次風(fēng)還可以將燃盡的生物質(zhì)燃料吹落至出渣口，避免結(jié)焦問題。

1.1.2 鏈條爐排鍋爐

針對以木屑生物質(zhì)成型顆粒作為燃料的鏈條爐排鍋爐，對爐膛結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化：爐膛前墻摒棄了傳統(tǒng)人字形設(shè)計理念，采用垂直型布置，以增強蓄熱與熱輻射。后拱由傳統(tǒng)的傾斜式改為水平階梯式，簡化結(jié)構(gòu)，節(jié)省材料，便于安裝，同時可增加爐膛的輻射受熱面積。在前墻上以一定的距離布置若干二次風(fēng)風(fēng)管，長度沿水平方向延伸至爐排中心上部。在二次風(fēng)管上按固定的間距布置一定數(shù)量的二次風(fēng)噴口，方向垂直向下，如同笛子型。鍋爐運行時，二次風(fēng)從笛型二次風(fēng)管口垂直向下吹入爐膛，與從后拱以一定角度過來的高溫?zé)煔庀嘤?，在爐排主燃區(qū)燃料層形成“α”型氣流擾動區(qū)，加強爐膛中的輻射換熱；同時延長生物質(zhì)燃料在爐膛內(nèi)的停留時間，有利于燃料的充分燃燒，增加燃燒效率，兩者都有助于提升整體鍋爐熱效率。

1.1.3 往復(fù)爐排鍋爐

針對以打捆的秸稈為燃料的往復(fù)爐排生物質(zhì)鍋爐，改進爐膛為三拱結(jié)構(gòu)：后拱從爐膛后墻延伸至爐膛拱墻并豎直向上設(shè)置擋火墻。沿著煙氣流動方向，在后拱擋火墻之后設(shè)置豎直向下的擋火墻作為中拱，從而將爐膛分為三個燃燒室：前拱與后拱之間的區(qū)域為第一燃燒室；后拱與中拱之間的區(qū)域為第二燃燒室；中拱與爐膛后墻的區(qū)域為第三燃燒室。此爐膛結(jié)構(gòu)使得煙氣進行S型流動，延長了煙氣在爐膛內(nèi)的行程，增加了滯留時間，使得燃燒更加充分，燃燒效率更高。同時將進料口上墻向外延伸足夠的長度，在進料口設(shè)置與進料口鉸鏈連接的爐門來防止回火。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐

由于循環(huán)流化床鍋爐爐膛中布置循環(huán)床料，溫度高達800 ℃，具有蓄熱量大，循環(huán)倍率高的優(yōu)點。即使生物質(zhì)燃料水分較高，也能正常著火燃燒。而且燃料隨著床料在爐膛內(nèi)不斷循環(huán)，確保了燃料能夠充分進行燃燒。因此循環(huán)流化床鍋爐是公認(rèn)較適用于燃燒生物質(zhì)的鍋爐。但由于生物質(zhì)燃料揮發(fā)分較高、灰分偏低，使得循環(huán)流化床鍋爐自身循環(huán)床料量低于正常水平。此外，由于生物質(zhì)中含有較多的堿金屬和氯元素，容易出現(xiàn)積灰堵灰問題，進而造成受熱面的高溫和低溫腐蝕。

針對床料不足問題，可以額外添加循環(huán)床料，宜選擇惰性床料從而抑制灰分燒結(jié)現(xiàn)象。從經(jīng)濟性和易獲性考慮，優(yōu)先選用鍋爐煤渣作為循環(huán)床料。針對受熱面腐蝕問題，一方面可以采用合理的過熱器受熱面布置，在所有對流受熱面布置吹灰器避免積灰腐蝕，選用耐腐蝕的過熱器管材等方式解決高溫腐蝕問題；另一方面，通過降低爐膛內(nèi)燃燒溫度，保證排煙溫度高于酸露點溫度，選擇耐腐蝕的空預(yù)器管材等措施解決低溫腐蝕問題。

2 燃煤耦合生物質(zhì)混燒發(fā)電技術(shù)

在燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)中，生物質(zhì)燃料和燃煤按比例混合后送入鍋爐進行燃燒，節(jié)省煤炭燃料。目前根據(jù)燃煤與生物質(zhì)混合預(yù)處理方式不同，主要有以下技術(shù)方案路線：1) 將生物質(zhì)和煤粉按照一定的比例進行預(yù)混，直接利用電廠原有的磨煤機研磨后送入原有煤粉管道噴入原有燃燒器在鍋爐內(nèi)燃燒；2) 新建生物質(zhì)磨機設(shè)備，單獨將生物質(zhì)研磨后送入原有煤粉管道系統(tǒng)中，在燃煤管道系統(tǒng)中與經(jīng)磨煤機研磨后的煤粉混合后噴入原有燃燒器在鍋爐內(nèi)燃燒；3) 新建生物質(zhì)磨機設(shè)備，單獨將生物質(zhì)研磨后送入新建的生物質(zhì)噴粉管道噴入原有燃燒器中與煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒；4) 新建獨立的生物研磨機、生物質(zhì)噴粉系統(tǒng)以及生物質(zhì)燃燒器，生物質(zhì)原料經(jīng)上述獨立系統(tǒng)后進入鍋爐內(nèi)燃燒。當(dāng)前的燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)混燒技術(shù)已十分成熟，應(yīng)用也十分廣泛，燃煤與生物質(zhì)耦合燃燒的比例不斷提高。目前，600 MW以上燃煤機組普便可以實現(xiàn)10%～15%的生物質(zhì)耦合燃燒；600 MW以下的燃煤機組普遍可以實現(xiàn)15%～35%的生物質(zhì)耦合燃燒。

3 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)氣化屬于熱化學(xué)反應(yīng)，一般在氧氣、水蒸氣或二氧化碳等氣化劑的作用下在高溫條件中分解為氫氣、一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w[3]。生物質(zhì)氣化氣在燃燒過程中不會產(chǎn)生污染或有毒有害氣體，與生物質(zhì)直接燃燒類似，氣化氣也可以通過直燃或混燃完成生物質(zhì)能的清潔利用[4]。據(jù)此，可以將生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)分為氣化直接燃燒發(fā)電技術(shù)和生物質(zhì)氣化耦合煤粉混燒發(fā)電技術(shù)。

3.1 生物質(zhì)氣化直接燃燒發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)燃料在合適熱力學(xué)條件下，在氣化床中可以分解為生物質(zhì)氣化氣，通過旋風(fēng)分離器去除固體雜質(zhì)，再進一步通過除塵、水洗、吸附等方式進一步凈化氣化氣中的焦炭、焦油等有害物質(zhì)，最終被送入鍋爐或壓縮后噴入內(nèi)燃機及燃?xì)廨啓C中進行燃燒。發(fā)電方式可以根據(jù)生物質(zhì)氣化的規(guī)模進行調(diào)整：規(guī)模較小時可以采用內(nèi)燃機；規(guī)模較大時可以采用燃?xì)廨啓C甚至聯(lián)合循環(huán)方式。目前，1 MW～3 MW 的氣化爐—內(nèi)燃機系統(tǒng)的發(fā)電效率為17%～20%，4 MW～6 MW的內(nèi)燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電效率達到28%[5]。燃用生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C大多是從燃用天然氣的機型改造而來，生物質(zhì)氣化氣具有熱值低，氫含量較高的特點，同時還含有灰、焦油、硫等雜質(zhì)。在燃燒過程中雜質(zhì)容易造成內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C磨損、點火裝置故障等問題。而且相比于燃用天然氣，燃用氣化氣的發(fā)電效率明顯下降。此外，經(jīng)過普通工序凈化的生物質(zhì)氣化氣中的堿金屬及硫含量一般很難滿足燃?xì)廨啓C要求[6]。專用的內(nèi)燃機和燃?xì)廨啓C的研發(fā)將是未來實現(xiàn)大型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的主要課題之一。

3.2 生物質(zhì)氣化耦合煤混燒發(fā)電技術(shù)

此項技術(shù)充分利用生物質(zhì)氣化氣可燃性遠強于燃煤的特點，將氣化氣噴入鍋爐中起到穩(wěn)燃及加強燃盡的作用。該技術(shù)也可應(yīng)用于原有煤粉鍋爐的改造中。雖然需要架設(shè)生物質(zhì)氣化及燃燒裝置，但不會對原有的整體熱力系統(tǒng)造成明顯影響，僅僅對煙氣側(cè)配風(fēng)及燃料輸送設(shè)計有所影響，對于汽水側(cè)基本沒有影響。同時，新增了生物質(zhì)氣化裝置還免除了廠內(nèi)的生物質(zhì)處理及輸送裝置，對于灰渣的影響也明顯弱于生物質(zhì)摻燒，且不會影響煤灰的經(jīng)濟利用。我國荊門熱電廠作為典型的生物質(zhì)氣化示范項目，每年轉(zhuǎn)化利用秸稈4 萬噸，可節(jié)省標(biāo)煤2 萬噸，生物質(zhì)灰渣還可以制成有機肥料，進一步加強了項目的經(jīng)濟效益。歐洲的芬蘭瓦薩熱電廠項目采用CFB生物質(zhì)氣化爐技術(shù)，將產(chǎn)生的生物質(zhì)氣化氣送入鍋爐與煤粉混燃，大福減少了40%的燃煤消耗。

4 結(jié)語

面對傳統(tǒng)化石能源消耗過大,短缺日益嚴(yán)重,終將枯竭的現(xiàn)實以及傳統(tǒng)化石能源大量利用造成的環(huán)境污染問題，生物質(zhì)能利用受到越來越多的關(guān)注。其中生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)作為清潔、高效的生物質(zhì)能利用形式之一，將在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善自然環(huán)境和利用農(nóng)林廢棄物等領(lǐng)域起到更加重要的作用。