生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)研究應(yīng)用綜述

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(jìn)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(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)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(chǔ)空間高、燃燒速率難以控制的缺點(diǎn)，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(jī)組，工程實(shí)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(duì)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?yàn)檫^熱得不到很好的冷卻而受到損壞。基于此問題，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(dá)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(shí)，優(yōu)化爐膛配風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：一次風(fēng)從爐膛底部風(fēng)道通過爐排上的通風(fēng)孔進(jìn)入爐膛，既調(diào)節(jié)爐膛配風(fēng)，又可以冷卻高溫爐排，延長(zhǎng)其使用壽命；二次風(fēng)系統(tǒng)配置在爐膛前墻進(jìn)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(duì)以木屑生物質(zhì)成型顆粒作為燃料的鏈條爐排鍋爐，對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化：爐膛前墻摒棄了傳統(tǒng)人字形設(shè)計(jì)理念，采用垂直型布置，以增強(qiáng)蓄熱與熱輻射。后拱由傳統(tǒng)的傾斜式改為水平階梯式，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，節(jié)省材料，便于安裝，同時(shí)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(zhǎng)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(yùn)行時(shí)，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)煔庀嘤觯跔t排主燃區(qū)燃料層形成“α”型氣流擾動(dòng)區(qū)，加強(qiáng)爐膛中的輻射換熱；同時(shí)延長(zhǎng)生物質(zhì)燃料在爐膛內(nèi)的停留時(shí)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(duì)以打捆的秸稈為燃料的往復(fù)爐排生物質(zhì)鍋爐，改進(jìn)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(dòng)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(gè)燃燒室：前拱與后拱之間的區(qū)域?yàn)榈谝蝗紵?；后拱與中拱之間的區(qū)域?yàn)榈诙紵?；中拱與爐膛后墻的區(qū)域?yàn)榈谌紵?。此爐膛結(jié)構(gòu)使得煙氣進(jìn)行S型流動(dòng)，延長(zhǎng)了煙氣在爐膛內(nèi)的行程，增加了滯留時(shí)間，使得燃燒更加充分，燃燒效率更高。同時(shí)將進(jìn)料口上墻向外延伸足夠的長(zhǎng)度，在進(jìn)料口設(shè)置與進(jìn)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(dá)800 ℃，具有蓄熱量大，循環(huán)倍率高的優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)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(jìn)而造成受熱面的高溫和低溫腐蝕。

針對(duì)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(jì)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(duì)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(duì)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)行預(yù)混，直接利用電廠原有的磨煤機(jī)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(jī)設(shè)備，單獨(dú)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(jī)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(jī)設(shè)備，單獨(dú)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(dú)立的生物研磨機(jī)、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(dú)立系統(tǒng)后進(jìn)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(jī)組普便可以實(shí)現(xiàn)10%～15%的生物質(zhì)耦合燃燒；600 MW以下的燃煤機(jī)組普遍可以實(shí)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(huì)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(jìn)一步通過除塵、水洗、吸附等方式進(jìn)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(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)中進(jìn)行燃燒。發(fā)電方式可以根據(jù)生物質(zhì)氣化的規(guī)模進(jìn)行調(diào)整：規(guī)模較小時(shí)可以采用內(nèi)燃機(jī)；規(guī)模較大時(shí)可以采用燃?xì)廨啓C(jī)甚至聯(lián)合循環(huán)方式。目前，1 MW～3 MW 的氣化爐—內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的發(fā)電效率為17%～20%，4 MW～6 MW的內(nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到28%[5]。燃用生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)大多是從燃用天然氣的機(jī)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(diǎn)，同時(shí)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(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)磨損、點(diǎn)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(jī)要求[6]。專用的內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)將是未來實(shí)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(xiàng)技術(shù)充分利用生物質(zhì)氣化氣可燃性遠(yuǎn)強(qiáng)于燃煤的特點(diǎn)，將氣化氣噴入鍋爐中起到穩(wěn)燃及加強(qiáng)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(huì)對(duì)原有的整體熱力系統(tǒng)造成明顯影響，僅僅對(duì)煙氣側(cè)配風(fēng)及燃料輸送設(shè)計(jì)有所影響，對(duì)于汽水側(cè)基本沒有影響。同時(shí)，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(duì)于灰渣的影響也明顯弱于生物質(zhì)摻燒，且不會(huì)影響煤灰的經(jīng)濟(jì)利用。我國荊門熱電廠作為典型的生物質(zhì)氣化示范項(xiàng)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(jī)肥料，進(jìn)一步加強(qiáng)了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。歐洲的芬蘭瓦薩熱電廠項(xiàng)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(duì)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(shí)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。