生物质气化锅炉综述

1、生物质气化锅炉综述0前言人类社会进入21世纪，正面临着发展与环境的双重压力。经济社会的发展 以能源的消耗为重要动力，经济越发展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消费的 增加。这样就有两个突出问题摆在我们前面：一是环境污染日益严重；二是化石 燃料的紧缺。我国作为一个迅速崛起的发展中大国，2008年中国能源的消耗总 量28.5亿吨标准煤，比上年增长4.0%。统计表明，中国煤炭消耗量为27.4亿吨, 增长3.0%；原油消耗量为3.6亿吨，增长5.1%；天然气消耗量为807亿立方米, 增长10.1%；电力消耗量为34502亿千瓦小时，增长5.6%o我国已经成为世界 能源消耗大国，能源形势更加严峻。2006

2、年中国能源发展报告中指出，在全球能源消费构成中，化石能源 占90%,核电、水电仅占10%。目前，中国消耗的主要能源是煤（占75%）和 石油（占17%）o按冃前技术水平和开采量计算，全球的石油可开采40年，煤炭 可开采200年，天然气约为60年3】，同时随着化石能源的过度消耗，释放了大 量的多余能量和碳素，打破了自然界的能量和碳平衡，是造成臭氧层破坏、全球 气候变暖和酸雨等灾难性后果的肓接因素。1997年我国排放co2中85%是燃煤 排放的，排放的so2中的90%是由燃煤排放，烟尘排放1744吨，其中73%是能 源开发利用而排放的。我国颁布的防止大气污染法和签订的“京都议定书” 都对我国城镇直接

3、燃煤问题提岀了量的限制和技术改造要求。现在许多城市己经 开始禁用小型燃煤锅炉，所以研究开发可替代煤的清洁燃料势在必行。生物质在 能源利用过程中可以基木实现co2零排放，给缓解能源紧缺和环境恶化提供了 新的解决途径。生物质在生长过程屮通过光合作用吸收大气中的co2,将碳和能量固定下 来，因此利用生物质能基本上可以达到co?的零排放，缓解全球变暖的问题，同 时可以降低对化石能源的依赖性，达到可持续能源生产的目的。植物每年储存的 能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍，而作为能源的利用量还不到其总量的 1%。现代的生物质能包括：（1）木质废弃物（工业性的），（2）甘蔗渣（工业 性的），（3）城市废物，

4、（4）生物燃料（包括沼气和能源型作物）；传统的生物质 能包括：（1）家庭使用的薪柴和木炭，（2）稻草稻壳，（3）其他的植物性废弃物, （4）动物的粪便。我国每年生产的农作物秸秆总量约占全世界秸秆总量的 20-30%5o我国是一个农业大国，2001年我国主要农作物秸秆产量如表l-l6o 在中国，农作物秸秆传统上是农村生活燃料、牲畜饲料与有机肥料的主要来源。 近年来，随着农村经济水平的提高，高品位的商品能源已逐步进入农村，所以秸 秆在农村生活用能中所占的比例正逐步下降，同时养殖业的规模化使农村的牲畜 散养量下降，用作饲料的秸秆的量也大量减少，所以这造成了秸秆的严重过剩。 又由于人们对农作物秸秆资源

5、的认识不足，缺乏开发利用农作物秸秆的技术手 段、设备等原因，使许多秸秆被堆放在田间地头，占用大量的耕地，尤其是秸秆 的荒烧，不仅浪费了大量的能源资源，还引起严重的烟雾污染，极大地影响空屮 和陆地交通，同时破坏了生态环境，影响了人类的健康，现已引起各级政府的高 度重视。表1-1 2001年我国主要农作物秸秆产量农作物产量/万吨草谷比秸秆量/万吨折标煤系数折标煤量/万吨稻谷17758.00.62311063.20.4294746小麦9387.31.36612823.10.5006412玉米11408.82.00022817.60.52912071豆类2052.81.5003079.20.54316

6、72薯类3563.10.5001781.60.486866棉花532.43.00015970.543867油料2864.92.0005729.80.5293031甘蔗7566.30.100756.60.441382合计55133.659648.130047我国2006年1月1日开始实施的可再生能源法指岀'促进可再生能源 的开发利用，增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经 济社会的可持续发展。”国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，专家认为, 到2015年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。根据中国工程院中国可持 续发展能源战略研究预测，2050年我国生物质能开发

7、利用量将占一次能源供 应量的8%°。合理利用生物质能，不仅可以满足快速发展的国民经济对能源利 用的需要，而且对于改善能源结构，缓解能源生产和使用造成的环境污染，弥补 化石能源的不足，保障能源供应安全，建立可持续的生物质能源系统，保障我国 经济的可持续发展都具有十分重要的意义。1生物质成型燃料燃烧设备的技术现状目前，生物质能以其清洁性和可持续性赢得了世界各国政府和科学家的关 注，生物质能开发技术己成为世界重大热门课题之一，许多国家都开展了相关的 研究。国外许多国家也因此相继制定了各自的能源研究开发计划，如美国的能源 农场、口本的阳光计划、巴西的酒精能源计划以及印度的绿色能源工程等。一般

8、 来讲，生物质能的转换技术可以分为两类：热化学转化技术和生物转化技术az。 热化学转化技术包括：直接燃烧、热解和气化；生物转化技术主要是通过微生物 发酵方法制取液体燃料或气体燃料。热化学转化技术以其高效性和易大规模化牛 产的优点成为生物质利用技术的主要手段，而生物质直接燃烧技术是最古老的生 物质利用手段，操作简单，取材方便，将生物质原料压制成成型燃料，可以直接 用于锅炉的燃烧，生产热力和电力以及热电联产(combined heat and power production,chp),符合国家改造燃煤小机组的政策，适合中国国情。牛物质直接燃烧主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧操作简便、投资少,

9、 但燃烧效率普遍偏低，从而造成生物质资源的严重浪费。而锅炉燃烧采用先进的 燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相 对集中、大规模地利用生物质资源。生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用 生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉 燃烧方式的不同乂可分为流化床锅炉、层燃炉等血】。近年来，随着牛物质成型 燃料技术的发展，生物质成型燃料锅炉技术也得到了相应的发展。1.1国外生物质燃烧设备的技术现状美国在20世纪30年代就开始研究成型燃料技术及其相应的燃烧设备，开发 研制了螺旋压缩机，并建立较多专业的成型燃料加工厂和燃烧设备厂,344;日木

10、在20世纪30年代开始研究机械活塞式成型技术，并在1983年前后从美国引进 颗粒燃料成型技术及相应的燃烧设备，并发展成了日木压缩成型及燃烧的工业体 系15u6o 20世纪80年代亚洲除日木外，泰国、印度、菲律宾、韩国、马来西亚 已建立了不少固化、碳化专业生产厂，并已研制出相关的燃烧设备。70年代后 期，由于出现石油能源危机，西欧许多国家开始致力于生物质燃烧技术的研究。 丹麦从1970年开始将生物质作为本国的主要能源，到2002年，丹麦国内己有 50台燃用木屑、25台燃用成型生物质燃料和75台燃用秸秆的电站锅炉，这些机 组的热功率都在2.5-35mw之间。丹麦bwe公司率先研发秸秆牛物燃烧发电

11、技术,1988年,丹麦诞生了世界上第1座秸秆生物燃烧发电厂。丹麦现已建立了 13 家秸秆发电厂，以秸秆和木屑为主要原料的生物质能在丹麦可再生能源中的比重 已超过40%o丹麦elsam公司阴出资改造的benson型锅炉采用两段式加热， 由四个并行的供料器供给物料，秸秆、木屑可以在炉栅上充分燃烧，并且炉膛和 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。经实践 运行证明，改造后的生物质锅炉运行稳定，并取得了良好的社会和经济效益。图 1-1是以农作物秸秆为燃料的丹麦rudkobing热电联产系统工艺流程，系统参 数见表12。存储在料仓经打捆的燃料经过自动化上料机构，粉碎后，进入生物

12、 质锅炉，燃烧产生高温热烟气，热烟气经过换热锅炉、过热器、省煤器和空气预 热器释放热量后，进入袋式除尘器净化，经烟囱排放，尾气温度约110°co锅炉 换热后生产的高温高压蒸汽进入汽轮机发电，乏气经过冷凝器释放出热量，循环 使用。冷凝器释放的热量传递给区域供热系统。图l-lrudko)bing热电联产系统工艺流程 表1-2 rudk(dbing热电联产系统参数项目参数装机容量/mw2.3供热量/mw7.0蒸汽压力/mpa6蒸汽温度/oc450燃料消耗量/(血)12500燃料含水率/%10 25这些国家生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理、专业化程度高、操作 自动化程度高、热效率高、排

13、烟污染小等优点。但相对于我国存在着价格高、使 用燃料品种单一、易结渣、电耗高等缺点，不适合于引进我国。东南亚一些国家 生物质成型燃料燃烧设备大多数为碳化炉与焦炭燃烧炉，直接燃用生物质成型燃 料的设备较少，同时这些燃烧设备存在着加工工艺差、专业化程度低、热效率低、 排烟污染严重、劳动强度大等缺点；燃烧设备还未定型，还需进一步的研究、试 验与开发，这些国家生物质成型燃料锅炉也不适合于引进我国。1.2国内生物质燃烧设备的技术现状我国从20世纪80年代，由于能源危机，生物质作为一种可再生能源又得到 人们的重视。翟学民根据甘蔗渣的燃烧机理，研制出了一种采用闭式炉膛结 构的甘蔗渣锅炉。该锅炉将燃烧室与辐射

14、受热面分开布置，甘蔗渣在炉内进行半 层燃半悬浮燃烧，既有助于甘蔗渣的着火和燃尽，又可以布置足够的受热面，满 足了燃烧和传热两方面的要求；炉膛内布置人字型前后拱，通过前后拱的和互配 合加强了高温烟气对甘蔗渣的辐射，有利于甘蔗渣的及时着火和稳定燃烧。甘蔗 渣作为生物质燃料有一定的代表性，因此该炉型对稻壳、树皮等生物质燃料具有 一定的通用性。口宜水、张鉴铭等2°通过对秸秆本身特性的分析研究，在秸秆 直燃热水锅炉燃烧室的设计中，采用双燃烧室结构。第一燃烧室为主燃区，设置 于炉膛前部；第二燃烧室为辅助燃烧区，设置于炉膛后部，两者间由挡火拱分隔。 该布置方式加强了秸秆与高温烟气、空气地相互混合，

15、同时延长了物料在炉内燃 烧的停留时间，确保了秸秆燃烧的充分完全，取得了良好的运行效果。何育恒0 开发设计了燃木屑、木粉、树皮等废料的层燃锅炉。该锅炉结构设计新颖，前墙 及炉膛布置少量水冷壁管，保证炉膛具有较高的温度，以便木屑、木粉的燃烬； 炉膛内布置有防爆门，防止木粉爆燃；锅炉为负压燃烧，保证木粉在燃烧时不向 炉外喷火。锅炉投入运行后，经测试达到了预期的设计要求，为燃木屑、木粉等 林业废弃物锅炉的开发设计提供了宝贵的经验。梧锅锅炉制造有限公司的梁福任 阳研制了 10t/h燃稻谷壳锅炉，该锅炉简图如图12锅炉设计参数见表13。锅 炉采用“室燃+层燃”双重燃烧方式，燃烧设备有：谷壳喷射设备和链条炉

16、排。 锅炉双重燃烧方式的原理为：锅炉炉膛下部前墙沿宽度方向布置有2个谷壳喷射 设备，燃烧室呈长方形断面，设置有前拱和后拱，该区域有较高的热负荷，有利 于稻谷壳的着火和燃烧。谷壳喷射设备的喷料口距链条炉排面高度约3150mm, 稻谷壳由气力喷播方式送入炉膛中，利用高度差使稻谷壳在炉内飞行的一段路程 中受到热烟气的加热，稻谷壳中的水分基本被烤干，稻谷壳在烟气及空气的托浮 下，在炉内悬浮燃烧，构成室燃区；未燃尽的稻谷壳落在炉排面上继续充分燃尽, 构成层燃区。炉排面至炉膛出口的距离约10 m,有足够的高度保证稻谷壳在燃 烧区内完全燃尽。燃烧室后墙布置有三次风，其目的是增强炉内气流扰动和补充 空气，使燃

17、烧更为完全。图1-2 10t/h稻谷壳锅炉简图 表1-3 10t/h稻谷壳锅炉参数主要参数设计值测量值锅炉蒸发量（t/h）1010.3蒸汽压力（mpa）2.52.48蒸汽温度（°c）400397给水温度（°c）105104.3燃料低位发热值（kj/kg）1305513105燃料消耗量（kg/h）25652632热效率（）83.884.1排烟温度（。0158156灰渣和飞灰含碳量（）5<=4.8此外，黑龙江省能源研究所刘惠宁23设计开发了秸秆生物质燃料锅炉，锅 炉出力d=50t/h,燃料为生物质秸秆，排烟温度设计为180°c,锅炉热效率 q=86.24%；河南

18、农业大学刘圣勇等开发设计了燃生物质成型燃料的双层炉排热 水锅炉。38hi2三次风喷料风日38006730-133931doo,93生物质燃料锅炉存在的问题由于生物质燃料本身的原因，尤其是农业废弃物，含有比化石燃料高的氯含 量和碱金属含量，使得燃烧过程中岀现一些技术难点，需耍认真对待，其中主耍 为：沾污、腐蚀、结块，so2、nox、hcl以及气溶胶的排放等叫1生物质燃料锅炉结渣在燃用生物质的流化床中，发现存在严重的结块现象。其形成的主要原因是 生物质本身含有的钾钠元素与床料（通常是石英砂）发生反应，形成k2o-4s1o2和 na2o-2 sio2的低温共熔混合物，其熔点分别为870°c

19、和760。（3。这种粘性的共 晶体附着在砂子表面相互粘结，形成结块现象。在层燃锅炉中燃烧温度高于生物 质燃料灰融点（灰融点低于1 000。0,形成较易碎裂的渣块。2沾污与腐蚀生物质锅炉过热器存在着腐蚀的问题，并且随着蒸汽温度的升高，腐蚀率也 增加。牛物质锅炉中的腐蚀机理与气相氯化物有关，沉积物中氯化物的固相反应 以及熔化的氯化物与硫酸盐的反应有关。沾污和腐蚀现象通常是同吋存在的。腐 蚀多发生在过热器受热面上，以氯腐蚀为主。此外，生物质锅炉基本上都存在严 重的各级受热面的积灰、过热器结渣与沾污的问题，严重的沾污会降低传热效率, 在恶劣的情况下，局部传热表面会被沾污覆盖而丧失传热性能。积灰中存在大量 的kcl(40%- 80% )o积灰的形成主要是由于牛物质木身高的钾和氯含量引起 的。钾和氯会以kcl的形式直接沉积在传热表面，也可能钾与灰中的硅酸盐反 应生成低熔点灰，增加了粘着在传