生物质焚烧技术现状与展望

　　摘要：生物质焚烧技能是大计划高效洁净运用生物质能的一种首要办法，也是现在生物质能的各种运用转化路径中最老练、最简洁可行的办法之一，从物质的焚烧特性动身，剖析了现在生物质各种惯例特性测验办法的缺少，介绍了国内外各种生物质焚烧技能的特征及其运用状况，并对生物质焚烧存在的疑问及相应处理办法进行了讨论，最终对中国生物质焚烧技能的开展进行了展望。




　　生物质能是一种清洗可再生动力，简直不含硫、含氮很少，且具有CO2近零排放的长处。据估量，湖北炉具地球上每年生物能总量约1400亿~1800亿千吨，恰当于现在国际总能耗的10倍。中国具有丰富的生物质资本，据2006年的计算，可供开发的生物质资本最少能到达5.4亿吨规范煤。其间，每年农作物秸秆量有7.2亿多吨，林业剩余物资本1.25亿多吨，而将来可运用边沿土地栽培的速生林等动力作物量更大。在生物质的各种运用转化路径中，生物质焚烧技能无疑是现在适宜中国国情的、生物质大计划高效洁净运用路径中最老练、最简洁可行的办法之一，在不需对现有焚烧设备作较大改动的状况下即可获得极好的焚烧效果，其推行运用关于推进中国生物质能运用技能的开展、维护环境与改善生态、前进农民日子水平等具有首要的效果。


　　1生物质焚烧特性与剖析测验规范


　　图1所示为某玉米秆与黄陵烟煤在空气氛围下的TG-DTG曲线。由图1可知，生物质与煤的焚烧进程十分类似，可大致分为预热枯燥、蒸发分的分出、焚烧与焦炭构成和剩余焦炭的焚烧、燃尽三个期间。可是，生物质的蒸发剖分出温度和最大失重速率峰值均远低于煤，更易着火焚烧，表现出与煤不一样的焚烧特性，这首要与生物质和煤的构成不一样有关。已有经历表明，直接将燃煤锅炉改烧生物质往往会呈现很大的疑问。因而，生物质焚烧设备的计划和运转办法的挑选有必要从生物质本身焚烧特性动身，才干确保运转的经济性和可靠性。


　　表1所示为几种常见生物质燃料和煤的惯例剖析成果。与煤比较，生物质中的蒸发分含量高、固定碳和灰分含量低，元素构成中碳含量低、氧含量高而热值低，这正是两者焚烧特性有很大不一样的因素。可是，现在国内有关生物质惯例特性的剖析测验大多数仍选用原有的煤的剖析测验规范，与生物质的实习特性并不相符，美国材料与实验协会(ASTM)现已出台了专门的生物质剖析规范。


　　生物质灰中的很多碱金属(K、Na)在焚烧进程中的蒸发迁徙很容易构成聚团、结渣和腐蚀等，其含量的准确测定显得尤为首要。表2所示为在国标和ASTM规范下生物质灰成分的测定成果。


　　由表2可知，在两个不一样规范下，生物质的灰成分不一样很大，而ASTM规范则更加符合实习运用进程。焚烧设备及受热面等的高温氯腐蚀是生物质焚烧运用中需要面临的另一个首要疑问，在生物质的惯例测验剖析中弥补测量生物质中的氯含量十分必要。为了非常好的研讨和运用生物质能，中国应赶快研讨拟定出相应的生物质剖析测验的规范办法。


　　2生物质直接焚烧技能


　　生物质直接焚烧是指纯烧生物质，首要分为炉灶焚烧和锅炉焚烧。传统的炉灶焚烧办法焚烧功率极低，热功率只要10%~18%，即使是现在大力推行的节柴灶，其热功率也只要20%~25%。生物质锅炉焚烧选用领先的焚烧技能，把生物质作为锅炉的燃料，以前进生物质的运用功率，适应于相对会集、大计划运用生物质资本。锅炉依照焚烧办法的不一样可分为层燃炉和流化床锅炉等，以下就生物质层燃和流化床焚烧作要点介绍。


　　2.1层燃技能


　　传统的层燃技能是指生物质燃料铺在炉排上构成层状，与一次配风相混合，逐步地进行枯燥、热解、焚烧及复原进程，可燃气体与二次配风在炉排上方的空间充沛混合焚烧。锅炉办法首要选用链条炉和往复推饲炉排炉。生物质层燃技能被广泛运用在农林业废弃物的开发运用和城市日子废物焚烧等方面，可适于焚烧含水率较高、颗粒尺度改变较大的生物质燃料，具有较低的出资和操作本钱，通常额定功率小于20MW。


　　在丹麦，开发了一种专门焚烧现已打捆秸秆的焚烧炉，选用液压式活塞将一大捆的秸秆经过运送通道接连地运送至水冷的移动炉排。因为秸秆的灰熔点较低，经过水冷炉墙或烟气循环的办法来操控焚烧室的温度，使其不超越900e。丹麦ELSAM公司出资改造的Benson型锅炉选用两段式加热，由4个并行的供料器供给物料，秸秆、木屑能够在炉栅上充沛焚烧，而且在炉膛和管道内还设置有纤维过滤器以减轻烟气中有害物质对设备的磨损和腐蚀。经实习运转证实，改造后的生物质锅炉运转安稳，并取得了杰出的社会和经济效益。


　　在中国，已有很多研讨单位依据所运用的生物质燃料的特性，开发出了各种类型生物质层燃炉，实习运转效果杰出。他们针对所运用质料的焚烧特性不一样，对层燃炉的构造都进行了富有成效的优化，炉型构造包含双焚烧室构造、闭式炉膛构造及别的构造，这些均为中国生物质层燃炉的开发计划供给了名贵的经历。应当看到的是，中国生物质层燃技能与国外比较，仍存在较大的距离，应当进一步加大研制力度，开发出具有中国特征的领先的生物质层燃技能，以增强中国在生物质焚烧技能范畴的竞争力。


　　2.2流化床技能


　　流态化焚烧具有传热传质功能好、焚烧功率高、有害气体排放少、热容量大等一系列的长处，很适宜焚烧水分大、热值低的生物质燃料。流化床焚烧技能是一种恰当老练的技能，在矿藏燃料的清洗焚烧范畴早已进入商业化运用。将现有的老练技能运用于生物质的开发运用，在国内外早已进行了广泛深化的研讨，并已进入商业运转。


　　现在，国外选用流化床焚烧技能开发运用生物质能已具有恰当的计划。美国爱达荷动力产品公司现已开发作产出燃生物质的流化床锅炉，蒸汽锅炉出力为4.5~50t/h，供热锅炉出力为36.67MW；美国CE公司运用鲁奇技能研制的大型燃废木循环流化床发电锅炉出力为100t/h，蒸汽压力为8.7MPa；美国B&W公司制作的燃木柴流化床锅炉也于20世纪80年代末至90年代初投入运转。此外，瑞典以树枝、树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以运用，锅炉热功率可到达80%；丹麦选用高倍率循环流化床锅炉，将干草与煤依照6：4的份额送入炉内进行焚烧，锅炉出力为100t/h，热功率达80MW。


　　中国自20世纪80年代末开端，对生物质流化床焚烧技能也进行了深化的研讨，国内各研讨单位与锅炉厂协作，联合开发了各种类型燃生物质的流化床锅炉，投入生产后运转效果杰出，并进行了推行，还有很多出口到了国外，这对中国生物质能的运用起到了很大的推进效果。例如华中科技大学依据稻壳的物理、化学性质和焚烧特性，计划了以流化床焚烧办法为主，辅之以悬浮焚烧和固定床焚烧的组合焚烧式流化床锅炉，实验研讨证实，该锅炉具有流化功能杰出、焚烧安稳、不易结焦等长处，现现已获得国家专利。


　　3生物质成型燃料焚烧技能

　　生物质成型燃料体积小，密度大，储运便利，而且燃料细密，无碎屑飞扬，运用便利、清洗，焚烧继续安稳、周期长，焚烧功率高，焚烧后的灰渣及烟气中污染物含量小，是一种清洗动力。可是现在中国生物质成型燃料的计划依然不大，成型燃料的约束设备仍不老练，本钱较高，现在还仅仅作为采暖、伙食及别的特定用处的燃料，运用范围还有待拓宽。


　　生物质成型燃料与惯例生物质和煤比较，其焚烧特性都有很大不一样。生物质成型燃料焚烧进程中炉内空气活动场散布、炉膛温度场和浓度场散布、过量空气系数巨细、受热面布置等都需要从头计划考虑。国外如日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料焚烧设备现已定型，并构成了工业化，在加热、供暖、枯燥、发电等范畴已普遍推行运用。这些国家的生物质成型燃料焚烧设备具有加工技能合理、专业化程度高、操作自动化程度好、热功率高、排烟污染小等长处。中国自20世纪80年代开端进行生物质成型燃料焚烧技能的研讨和开发，现在现已取得了一系列的成果和开展，可是有关技能与国外仍存在较大的距离。当前直接引入国外领先技能并不适宜中国国情，国外大多数都是选用林业剩余物(如木材等)约束成型燃料，这与中国生物质资本首要以农作物秸秆为主的状况并不相符，开发具有中国自主知识产权的高效经济的生物质成型燃料焚烧技能将是中国将来开展的一个首要方向。


　　4生物质与煤混烧技能


　　生物质因为其能量密度低，形状不规则，空地率高，热值低，不利于长距离运送，且易致使锅炉炉前热值改变大，焚烧不安稳；一起，因为生物质燃料供给遭到季节性和区域性影响，难以确保接连、安稳的供给，因而，通常的生物质纯烧锅炉很难确保其功率和经济性。选用生物质与煤混烧技能能够战胜生物质质料供给动摇的影响，在质料供给满意时进行混燃，在质料供给缺少时单烧煤。运用大型电厂混燃发电，无需或只需对设备进行很小的改造，就能够运用大型电厂的计划经济，热功率高，在现期间是一种低本钱、低风险的可再生动力运用办法，不光有用弥补了化石燃料的短缺，削减了传统污染物(SO2，NOx等)和温室气体(CO2，CH4等)的排放，维护了生态环境，而且推进了生物质燃料商场的构成，战胜了纯烧生物质锅炉的缺点，开展了区域经济，供给了工作机会。在很多国家，混合焚烧是完结CO2减排使命最经济的技能挑选。


　　国外的生物质与煤混合焚烧技能已进入到商业演示期间，在美国和欧盟等发达国家已建成必定数量生物质与煤混合焚烧发电演示工程，电站装机容量通常在50~700MW之间，少量体系在5~50MW之间，燃料包含农作物秸秆、废木材、城市固体废物以及淤泥等。混合焚烧的首要设备是煤粉炉，亦有发电厂运用层燃炉和选用流化床技能；另外，将固体废物(如日子废物或废旧木材等)放入水泥窑中焚烧也是一种生物质混合焚烧技能，并已得到运用。以荷兰Gelderland电厂为例，它是欧洲在大容量锅炉中进行混合焚烧最首要的演示项目之一，以废木材为燃料，锅炉机组选用635MW煤粉炉，木材焚烧体系独立于燃煤体系，对锅炉运转状况没有影响。该体系于1995年投入运转，现已商业化运转，每年均匀耗费约6万t木材(干重)，恰当于锅炉热量输入的3%~4%，代替燃煤约4.5万，t输出电力20MW，为将来混合焚烧项目供给了直接经历。


　　中国生物质混合焚烧技能的研讨起步较晚，现在还缺少领先的技能和设备。一起，因为生物质与煤混烧难以计量和管理，使得国家在有关方针方面支撑不行，国家鼓舞对惯例火电项目进行掺烧生物质的技能改造，可是当生物质掺烧量依照热值换算低于80%时，应依照惯例火电项目进行管理，并不享用方针优惠，这在很大程度上约束了中国生物质混烧技能的开展，有关方面的研讨和运用也不多。


　　华中科技大学对生物质与煤的混烧特性及污染物排放特性进行了广泛深化的研讨，开展了生物质与煤的流化床焚烧技能，开发了各种木屑、蔗渣与煤的混烧锅炉，其间在广西露塘糖厂进行的35t/h蔗渣与煤混烧的循环流化床锅炉改造现已获得了成功的工业运用，取得了杰出的运转效果。2005年12月，山东枣庄十里泉秸秆与煤粉混烧发电厂竣工投产，引入了丹麦BWE公司的技能与设备，对发电厂1台14kW机组的锅炉焚烧器进行了秸秆混烧技能改造，预计年耗费秸秆10.5万，t可代替原煤约7156万t。


　　5生物质焚烧发电概略


　　生物质直燃发电技能因为本钱低，运用量大，一向被国际各国所注重。生物质燃料的运送本钱高，一起季节性和区域性强，为了战胜生物质燃料供给动摇的影响，大型电厂通常都选用混燃发电技能。一起为了前进生物质电厂的经济性和热功率，现在欧美一些国家都根本运用热电联合生产技能(CHP)，锅炉计划根本悉数选用流化床技能。CHP技能中发电功率在30%~40%，可是它有80%的潜力可控。瑞典和丹麦实施运用生物质进行热电联产的方案，使生物质在供给高品位电能的一起，满意供热的需要。丹麦政府已明令电力职业有必要每年焚烧140万吨生物质，通常是在流化床炉上混烧或在炉排炉上全烧稻杆。英国Fibrowatt电站的3台额定负荷为12.7MW、13.5MW和38.5MW的锅炉，每年直接运用750000t的家禽粪，发电量满意100000个家庭运用；而且禽粪经焚烧后重量减轻90%，便于运送，作为一种肥料在全英、中东及远东地区销售。美国的生物质焚烧发电作业比较领先，有关的生物质发电站有350多座，发电装机总容量达700MW，供给了大概6.6万个作业岗位，据有关科学家估量，到2010年生物质发电将到达13000MW装机容量，可组织17多万工作人员。2002年日本提出方案到2010年生物质能发电达330MW。


　　在中国，直燃生物质发电技能首要在有安稳生物质质料来源的制糖厂和林木加工企业运用较多。近来几年来，中国生物质发电工业得到了迅猛开展。到2007年末，国家和各省发改委已核准项目87个，总装机计划220万千瓦。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超越15个，在建项目30多个。依据国家\\\"十一五\\\"计划大纲提出的开展方针，将来将建造生物质发电550万千瓦装机容量，已发布的可再生动力中长期开展计划6也断定了到2020年生物质发电装机3000万千瓦的开展方针。总的说来，中国生物质能发电职业有着宽广的开展远景。


　　6生物质焚烧运用存在的疑问


　　6.1生物质的搜集、储运与预处理


　　生物质的搜集、储运与预处理一向是生物质能运用技能开展的瓶颈。因为秸秆等农业加工剩余物质料较为分散、能量密度低，而且存在显着的区域性和季节性，所以搜集、运送及储存费用是生物质本钱的首要有些。一起，因为生物质质料的纤维构造，其预处理艰难，本钱较高。现在秸秆发电所需的打包机、切碎机以及别的上料设备，产品质量差，生产才能小，亟需依照生物质发电的实习状况进行改善，以满意生物质电厂燃料供给的请求。跟着生物质发电技能在中国的推行运用，这些年，一些地方生物质发电厂的密布程度越来越大，已呈现无序建造的预兆。加之农业、畜牧业、造纸和家私建材等职业对质料的抢夺，生物质焚烧发电厂的质料供给难以确保。一起，新建电厂的锅炉容量盲目求大，并没考虑到生物质质料的特征和经济计划。在建造生物质发电项目时，应充沛发挥本地的优势，合理计划和计划，避免盲目布点，依据本地生物质资本的储量和散布特征，断定经济搜集半径，据此挑选适宜的生物质焚烧电厂的计划，并配套合理的生物质搜集、储运和预处理，确保质料的安稳供给，前进体系的经济性。


　　6.2碱金属致使的积灰、结渣和腐蚀


　　生物质中高的碱金属含量(K，Na)致使生物质的灰熔点较低，给焚烧进程带来很多疑问。在焚烧运用进程中，高的碱金属含量是致使锅炉受热面积灰、结渣和腐蚀的首要因素，会直接构成锅炉寿命和热功率下降一级；一起高的碱金属含量还易致使床料的聚团、结渣损坏床内的流化，使焚烧工况恶化。


　　Baxter以为生物质焚烧时的灰堆积率在焚烧前期最大，然后会单调递减，且生物质焚烧所发作的灰堆积外表润滑、孔隙度小，比煤灰堆积更难去掉。Bapat等在研讨生物质流化床焚烧时发现生物质灰中的碱金属氧化物或盐类与床料颗粒(SiO2)发作以下反响：


　　构成的低温共熔体的熔融温度分别仅为764e和874e，然后构成了严峻的烧结。Blander等模拟了麦秆焚烧时的无机化学反响，发现麦秆中含量最高的两种元素Si和K在焚烧时构成低熔点的硅酸盐堆积在焚烧设备的金属上会构成焚烧设备的腐蚀，因为金属的氧化维护层会溶解在堆积的熔渣中。一起因为碱金属的高蒸发性可能会发作如下反响构成腐蚀：


　　在生物质焚烧运用进程中，经过下降燃猜中碱金属含量的份额(与煤混烧或恰当预处理手法)，设法前进燃料灰分的熔点(参加添加剂)，按捺碱金属的蒸发性，以及探究选用新式的床料(非SiO2类床料)，是处理生物质流化床积灰、结渣和腐蚀疑问的有用路径。一起，在确保正常的流化床运转工况的前提下，适本地下降焚烧温度、合理地调理焚烧工况也是一种有用减轻结渣的办法。


　　6.3高温氯腐蚀


　　生物质燃料与煤的一个明显不一样还在于生物质中的氯含量高，氯在生物质焚烧进程中的蒸发及其与锅炉受热面的反响会致使锅炉的腐蚀。当生物质燃料含氯高(如稻草)时，将使壁温高于400e的受热面发作高温氯腐蚀。生物质燃料锅炉的高温氯腐蚀比燃煤锅炉严峻得多，应予以满意注重。


　　生物质燃料锅炉发作高温氯腐蚀的因素首要是生物质中的氯在焚烧进程中以HCl办法蒸发出来，与锅炉的金属壁面发作反响，生成的FeCl3熔点很低，仅为282e，较易蒸发，对维护膜的损坏较为严峻；除了对Fe、Fe2O3的侵蚀外，氯与氯化物还可在必定条件下对Cr2O3维护膜构成腐蚀。当氯、硫化合物共存时：


　　可见氯、硫化物的一起存在并凭借H2O和O2，不只可加快硫酸盐的生成，也有利于HCl、Cl2的构成，进而加快高温腐蚀进程。除了以上高温气体腐蚀和熔融盐腐蚀以外，HCl气体还易在烟道出口处构成露点腐蚀。


　　在锅炉受热面计划时选用新的防腐材料，在实习运转进程中应当合理的调整工况，参加适当的脱氯剂或吸收剂脱除或削减HCl的排放，下降炉内HCl的浓度，能够减轻锅炉的高温氯腐蚀。一起考虑到生物质燃猜中的氯大多数是以游离氯离子的形状存在，搜集质料时选用雨水冲刷后太阳晒干的生物质质料，在必定程度上能够减轻锅炉的高温氯腐蚀。


　　7生物质焚烧技能的开展与展望


　　大力开展生物质焚烧技能关于削减温室气体排放、减轻环境污染、优化中国动力构造、维持经济可继续开展含义严重。近20年来，虽然中国在生物质焚烧运用方面取得了长足的前进，可是与发达国家比较，无论是技能层面仍是运用层面仍有很大距离，国内大多数的生物质焚烧发电厂仍靠直接引入国外技能为主。一起，国外生物质焚烧的质料首要选用林业废弃物资本，与中国国情相差甚远，中国的首要生物质资本为农作物秸秆，国外引入技能的适用性并不抱负。因而大力开展具有中国自主知识产权的生物质高效焚烧技能将是将来中国生物质焚烧技能开展的首要方向。


　　现在，生物质焚烧技能与惯例化石燃料运用技能比较依然缺少满意的商场竞争力。为进一步推进中国生物质能工业的开展，主张政府的有关部门拟定优惠方针，研讨经济高效的焚烧技能，推进建立健全生物质燃料的搜集、预处理和配送体系，鼓舞建造和运用生物质发电体系，这将对中国社会经济和环境继续协调开展起到严重深远的影响。


　　一起，在开展中国生物质发电工业的一起，要加强对生物质资本的管理，科学拟定生物质发电计划，优化生物质发电项目的计划，切实加强生物质发电的才能建造和人才培养，活跃推进技能研制和设备国产化，为生物质发电的开展发明杰出的根底。咱们信任因为生物质的可再生性、环境友好性及对全球气候异常的按捺效果，大力开展生物质能运用及焚烧发电技能远景杰出且含义严重。