呂游1，蔣大龍2，趙文杰3，劉吉臻1

（1.華北電力大學，2.國能生物發(fā)電集團有限公司，3.華北電力大學(保定)）

摘要：介紹了生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)的原理及其設(shè)備的工作過程，著重討論了生物質(zhì)鍋爐燃燒過程中的燃料收集和存儲、送料堵塞以及受熱面結(jié)焦等問題，分析了燃料性質(zhì)、一次風、二次風、爐排振動等因素對鍋爐燃燒的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化運行和提高鍋爐效率的改進措施，最后對國內(nèi)外生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)狀況進行了介紹，并對其發(fā)展做出展望。

能源問題已經(jīng)成為21世紀制約我國經(jīng)濟增長和社會可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，由于常規(guī)能源資源短缺和利用中嚴重的環(huán)境污染，我國必須轉(zhuǎn)向大力開發(fā)風能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生清潔能源。在可再生能源中生物質(zhì)能源由于具有資源豐富、可再生且分布地域廣、可實現(xiàn)CO2零排放、大氣污染物排放少等優(yōu)點，被認為是21世紀最有前途的綠色可再生能源之一[1,2]。我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006～2020)指出，到2020年我國生物質(zhì)發(fā)電機組裝機容量達到30000MW，生物質(zhì)成型燃料5000萬噸，將生物質(zhì)秸稈發(fā)電和秸稈成型燃料確定為秸稈能源利用重點技術(shù)[3]。

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要有直接燃燒發(fā)電、混合燃燒發(fā)電、熱解氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電四類。利用生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)建設(shè)大型直燃并網(wǎng)發(fā)電廠，單機容量達10～25MW，可以將熱效率提高到90%以上，規(guī)模大、效率高，同時環(huán)保效益突出[4,5]。但是生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)還不成熟，鍋爐效率偏低，運行優(yōu)化還有待提高。本文介紹了生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的原理和設(shè)備，著重分析了燃燒中出現(xiàn)的問題以及影響燃燒的因素，提出了改進優(yōu)化運行和提高鍋爐效率的措施，并對其發(fā)展趨勢做出展望。

1生物質(zhì)直燃發(fā)電原理及設(shè)備

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)直接送往鍋爐中燃燒，產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽推動蒸汽輪機做功，最后帶動發(fā)電機產(chǎn)生清潔高效的電能。

生物質(zhì)直燃發(fā)電廠一般常見的單機裝機容量為12MW或者25MW，對應(yīng)的鍋爐蒸發(fā)量在75t/h和130t/h等級，其中爐排層燃技術(shù)較為成熟。國內(nèi)目前確定的生物質(zhì)發(fā)電項目，爐型基本上以丹麥水冷振動爐排、國內(nèi)鍋爐廠家開發(fā)的水冷振動爐排爐為主。生物質(zhì)鍋爐燃燒設(shè)備與常規(guī)燃煤鍋爐有較大的區(qū)別，它是由給料機、爐膛、水冷振動爐排、一二次風管、拋料機等設(shè)備組成。為了防止爐膛正壓時出現(xiàn)回火現(xiàn)象，一般在給料機出口處安裝有防火快速門，而且在全部給料系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有多處密封門、消防安全擋板和消防水噴淋設(shè)施。爐排多為振動爐排，振動爐排動作較小，活動時間短，設(shè)備的可靠性和自動化水平高，維護量遠遠小于往復(fù)式爐排及鏈條式爐排。空氣預(yù)熱器與燃煤電廠不同，它是一個獨立的系統(tǒng)。給水在送往省煤器之前，設(shè)置一條旁路流經(jīng)空氣預(yù)熱器和煙氣冷卻器進行熱交換。流經(jīng)空氣預(yù)熱器時冷空氣被給水加熱，給水被冷卻；流經(jīng)煙氣冷卻器時給水被加熱，煙氣被冷卻。其他系統(tǒng)和設(shè)備與同規(guī)模的常規(guī)燃煤電廠相似。另外，由于生物質(zhì)中N和S元素含量較少，無需配備昂貴的脫硫裝置。生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)工作過程如圖1所示[6]。

1.1生物質(zhì)的燃燒流程

運到發(fā)電廠的生物質(zhì)原料經(jīng)過破碎、分選等預(yù)處理后放到原料儲存?zhèn)}1，然后由原料輸送裝置送到給料機22，然后送進爐排6在爐膛2內(nèi)開始燃燒，燃料的化學能轉(zhuǎn)變成煙氣的熱能。煙氣經(jīng)爐膛進入水平煙道和尾部煙道，在流動中完成換熱過程。

1.2鍋爐的煙風流程

送風機21將冷空氣送入空氣預(yù)熱器10中，加熱后的空氣分為兩路，一路（二次風）直接送入爐膛，主要用來混合、擾動和強化燃燒，另一路（一次風）進入爐底一次風斗，經(jīng)水冷振動爐排上方布風板上的小孔進入爐膛與燃料混合，提供燃燒需要的氧氣。高溫煙氣在爐膛內(nèi)主要以輻射換熱的方式將熱量傳遞給爐膛四周的水冷壁，在爐膛上部和水平煙道處將熱量傳遞給過熱器7、省煤器8和煙氣冷卻器9，然后流經(jīng)除塵器11將攜帶的飛灰除去，比較潔凈的煙氣由引風機12送往煙囪13排入大氣中。

1.3鍋爐的汽水流程

給水由給水泵19升壓后，送到高壓加熱器20加熱，經(jīng)過空氣預(yù)熱器和煙氣冷卻器然后送到省煤器8中預(yù)熱，受熱后進入汽包5。分離后的水沿著下降管送到水冷壁管，吸收輻射熱量，部分變?yōu)樗羝Ｆ旌衔锷仙M入汽包進行汽水分離，分離的水留在汽包中又一次下降，蒸汽則經(jīng)過過熱器等加熱后變成飽和蒸汽送到汽輪機3進行做功。做功后的蒸汽經(jīng)凝汽器14、凝結(jié)水泵16、低壓加熱器17和除氧器18，然后又經(jīng)過給水泵和高加送進汽包。

1.4汽輪機和發(fā)電機系統(tǒng)

生物質(zhì)發(fā)電廠的汽輪機和發(fā)電機設(shè)備與同規(guī)模的常規(guī)燃煤電廠的設(shè)備相同，目前較為常用的是高溫高壓單缸抽凝式汽輪機。

2生物質(zhì)鍋爐燃燒的問題分析及改進措施

生物質(zhì)發(fā)電廠發(fā)電設(shè)備與同規(guī)模的燃煤電廠基本相同，但由于生物質(zhì)燃料和燃燒設(shè)備的特殊性，使得燃燒過程復(fù)雜，受熱面更容易結(jié)焦，鍋爐效率較低，運行水平有待提高。

2.1生物質(zhì)鍋爐燃燒的主要問題

(1)生物質(zhì)燃料的收集和存儲問題

我國生物質(zhì)資源以農(nóng)林廢棄物為主，其特點是資源分散、搜集運輸較困難、季節(jié)性強、原料供應(yīng)穩(wěn)定性差。并且品種多樣，不同的生物質(zhì)燃料的各種成分含量不同，這要求鍋爐的上料系統(tǒng)具有對燃料種類、粒度有較廣泛的適應(yīng)性。

生物質(zhì)燃料的密度較小，存儲堆放場地要求較大，而且還要進行防雨、防潮和防火設(shè)施建設(shè)，維護費用較大[7]。

(2)進料和上料系統(tǒng)問題

生物質(zhì)質(zhì)地松軟，密度小，發(fā)熱量低，因此生物質(zhì)燃料的體積消耗量要比同規(guī)模燃煤電廠大很多，生物質(zhì)電廠需要更大的上料系統(tǒng)[8]。另外由于生物質(zhì)燃料種類很多，混和上料的時候，容易出現(xiàn)堵料，不均勻，從而導(dǎo)致鍋爐的燃燒不穩(wěn)定。

(3)受熱面積灰、結(jié)焦，腐蝕嚴重

生物質(zhì)燃料具有高氯、高堿、揮發(fā)分高、灰熔點低等特點，燃燒時易腐蝕鍋爐，并產(chǎn)生結(jié)渣、結(jié)焦等。生物質(zhì)燃料灰中堿金屬特別是鉀的含量較高，灰熔點較低，高溫狀態(tài)下易出現(xiàn)水冷壁和受熱面產(chǎn)生結(jié)焦、腐蝕等[9]；另外，灰中可能存在一定量的氯離子，氯和鉀會以氯化鉀的形式直接沉積在傳熱表面，也可能與灰中的硅酸鹽反應(yīng)生成低熔點灰，使鍋爐結(jié)焦、腐蝕的趨勢更加嚴重[10]。

(4)燃燒不穩(wěn)定，優(yōu)化運行水平有待提高

生物質(zhì)燃料的水分和氧量含量較多，熱值較低，在相同鍋爐出力的情況下，煙氣量較大，燃燒穩(wěn)定性差，灰渣含碳量高，進而導(dǎo)致主要輔機故障率和能耗較高、燃燒效率低。

2.2生物質(zhì)鍋爐燃燒分析

由于生物質(zhì)的含氧量和水分比較多，所以所需的風量以及一、二次風比和常規(guī)燃煤鍋爐不同。而且由于生物質(zhì)黃桿和灰桿的各成分的含量不同，所以在生物質(zhì)燃料改變時，對應(yīng)的運行參數(shù)也隨之改變[11]。鍋爐效率主要是在安全運行的基礎(chǔ)之上通過采用最佳的燃燒器運行方式、最佳的送風量（最佳過量空氣系數(shù)）以及最佳的一次風、二次風的配比來得到優(yōu)化的。

(1)燃料的影響

不同的生物質(zhì)燃料的組成成分以及性質(zhì)是不同的。生物質(zhì)鍋爐較為常用的燃料是黃桿和灰桿。黃桿著火快，燃燒時間短，在爐膛內(nèi)一般不會形成堆積；而灰桿著火慢，燃燒時間長，容易形成堆積，也不易燃燒完全。因此不同的燃料對應(yīng)風量配比及爐排振動參數(shù)也是不同的[12]。

(2)一次風的影響

生物質(zhì)燃料密度較低，結(jié)構(gòu)較松散，揮發(fā)分含量較高，著火熱較低，揮發(fā)分析出的時間較短，若一次風供應(yīng)不足，揮發(fā)分容易不被燃盡而排出，會產(chǎn)生大量的青煙，使排煙含碳量過高。若一次風量過大，會使未燃盡的小木炭隨煙氣排入大氣，不但使飛灰含碳量增加，影響燃燒的經(jīng)濟性，而且可能會引起煙道尾部積灰以及尾部煙道的再燃燒，影響鍋爐和除塵器的安全運行。

(3)二次風的影響

二次風一方面為爐內(nèi)未燃盡的燃料提供氧氣，另一方面壓低火焰位置，防止火焰過分上飄，延長煙氣在爐膛內(nèi)的行程，減少機械不完全損失，從而提高鍋爐的效率。必須使一、二次風合理地配比，才能保證燃燒能順利地進行，使鍋爐效率達到最優(yōu)。

(4)送料風壓力的影響

燃料投入的長度與送料風的壓力有關(guān)。當送料風壓力過高時，燃料投入時分布會很長，甚至分布在爐排上超過75%的地方，燃燒就不會均勻。燃料投入的長度依靠送料風的壓力來調(diào)節(jié)，其分布依靠空氣閥門來調(diào)節(jié)。

(5)振動爐排的影響

如果爐排振動較小，就會使爐排上的燃料堆積過多，燃料燃燒不完全，使飛灰含碳量增加；如果爐排振動幅度過大，一些燃料來不及燃燒就會排入落渣口，增加了鍋爐機械不完全燃燒，降低了鍋爐的整體熱效率。

(6)最佳過量空氣系數(shù)

若空氣供給量不足，會產(chǎn)生大量的還原性氣體，從而影響燃料的完全燃燒，使燃料堆積、爐排結(jié)焦等。若空氣供給過多，煙氣含氧量過高，一方面增加了風機的功耗以及磨損，另一方面會使未燃盡的燃料排入大氣，增加排煙損失，降低鍋爐效率。

2.3運行優(yōu)化調(diào)整和改進措施

(1)燃料檢測

我國生物質(zhì)發(fā)電廠燃料根據(jù)含氧量、水分、揮發(fā)分等含量主要可以分為兩類：灰桿和黃桿。在生物質(zhì)送料設(shè)備處增設(shè)燃料在線檢測分類裝置，根據(jù)物理性質(zhì)把其大致分為兩類，以供運行人員參考和設(shè)定合適的一二次風量。

(2)改進送料設(shè)備

燃料輸送系統(tǒng)和鍋爐給料系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，工藝復(fù)雜，另外由于生物質(zhì)燃料種類很多，混和上料的時候，容易出現(xiàn)堵料螺旋和斗式提升機經(jīng)常堵塞的現(xiàn)象。可以考慮改進現(xiàn)有的給料工藝減少給料環(huán)節(jié)，不采用斗式提升機，改用棧橋、皮帶，直接將料倉的料輸送到爐前料倉。同時嚴格控制燃料濕度和粒度，防止燃料結(jié)團、纏繞，并改進自動化控制手段，保證輸料系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行[13]。

(3)改進受熱面和吹灰的控制策略

生物質(zhì)燃料具有高氯、高堿、灰熔點低等特點，燃燒時比燃煤電廠更易發(fā)生結(jié)焦、腐蝕，從而影響過熱蒸汽的產(chǎn)量以及鍋爐性能。一方面可以改進低壓煙氣冷卻器鰭片式緊湊結(jié)構(gòu)，采用光管煙氣冷卻器可以減輕積灰；另一方面在過熱器、再熱器等換熱面的吹灰設(shè)備控制策略應(yīng)當改進，通過人工智能方法，利用爐膛監(jiān)測的信號建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊專家系統(tǒng)來選擇最優(yōu)的吹灰時刻，以減少換熱面結(jié)焦和提高鍋爐效率[14]。

(4)燃燒調(diào)整試驗優(yōu)化

針對生物質(zhì)電廠鍋爐，設(shè)計燃燒調(diào)整試驗，分析一次風、二次風和燃料性質(zhì)等因素對燃燒的影響，得到典型工況點下最佳的一二次風量比以及配風方式，從而降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率[15]。

(5)燃燒過程的建模與優(yōu)化

應(yīng)用智能理論對生物質(zhì)鍋爐的燃燒過程進行建模。把一、二次風量、風壓等數(shù)據(jù)作為燃燒過程的輸入量，把飛灰含碳、鍋爐效率等量作為輸出量，利用支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能理論建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型，然后再根據(jù)模型對鍋爐效率尋優(yōu)，得到在最優(yōu)效率下的一、二次風量、風壓等設(shè)定值，從而使燃燒過程處于最優(yōu)狀態(tài)[16]。

(6)采用新型燃燒方式

生物質(zhì)燃料水分比較高，采用流化床技術(shù)，有利于生物質(zhì)的完全燃燒，提高鍋爐效率。相比爐排燃燒技術(shù)，流化床燃燒技術(shù)具有布風均勻、燃料與空氣接觸混合良好等優(yōu)點。同時，爐內(nèi)溫度控制和機組負荷控制上也具有一定的優(yōu)勢。

采用特定的流化介質(zhì)，形成蓄熱量大、溫度高的密相床層，為高水分、低熱值的生物質(zhì)提供優(yōu)越的著火條件，依靠床層內(nèi)劇烈的傳熱過程和燃料在床內(nèi)較長的停留時間，使生物質(zhì)燃料得以充分燃盡[17,18]。

(7)生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電

生物質(zhì)共燃技術(shù)簡單，投資和運行費用低，此外，生物質(zhì)相對較便宜，對燃煤電廠而言還可增加燃料的選擇范圍和燃料適應(yīng)性，降低燃料成本。煤粉燃燒發(fā)電效率高，可達35%以上，生物質(zhì)燃燒低硫低氮，在與煤粉共燃時可以降低電廠的SOx和NOx排放[19]。煤與生物質(zhì)共燃，為現(xiàn)役電廠提供一種快速而低成本的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，是一種廉價而低風險的可利用再生能源的發(fā)電技術(shù)。

3生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢及展望

在生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域，丹麥BWE公司率先研發(fā)秸稈生物燃燒發(fā)電技術(shù)，并于1988建成了世界上第一座秸稈生物燃燒發(fā)電（Haslev，5MW）。此后，BWE公司在西歐設(shè)計并建造了大量的生物發(fā)電廠，其中最大的發(fā)電廠是英國的Elyan發(fā)電廠，裝機容量為38MW。自1992年世界環(huán)境與發(fā)展大會后，歐美國家開始大力發(fā)展生物質(zhì)能，將其作為21世紀發(fā)展可再生能源的戰(zhàn)略重點和具備發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。如今已有130多家秸稈發(fā)電廠遍及丹麥，總裝機容量達7000MW[20]。北歐的芬蘭和瑞典也是生物質(zhì)能發(fā)電發(fā)展和應(yīng)用都最為廣泛的國家之一，利用生物質(zhì)所發(fā)的電量占芬蘭總電量的25%。美國有350多座生物質(zhì)發(fā)電站，總裝機容量已超過10GW，單機容量達10～25MW。

生物質(zhì)發(fā)電在我國起步相對較晚，過去建設(shè)的生物質(zhì)電廠的設(shè)計和設(shè)備主要來自國外。我國第一個生物質(zhì)直燃發(fā)電示范項目——國能單縣25MW生物質(zhì)發(fā)電廠，于2006年11月建成并網(wǎng)運行。該電廠生物質(zhì)燃料年消耗15萬噸，年發(fā)電0.18TWh，與同等規(guī)模燃煤火電廠相比，每年減少SO2排放量達600多噸，年可節(jié)省標準煤近40萬噸。根據(jù)國家發(fā)改委的要求，五大電力公司到2020年清潔燃料發(fā)電要占到總發(fā)電的5%以上。國能生物發(fā)電有限公司正全力推進生物質(zhì)發(fā)電項目開工投產(chǎn)步伐，現(xiàn)已投產(chǎn)項目12個，發(fā)電裝機容量324MW；在建項目7個，在建裝機容量84MW[21,22]。

我國在生物質(zhì)能燃燒利用方面取得了長足的進步。但與發(fā)達國家相比，無論技術(shù)層面還是應(yīng)用層面仍有很大差距。這一方面是由于我國的生物質(zhì)發(fā)電燃料不像歐美等國家的那樣單一；另一方面是由于生物質(zhì)鍋爐燃燒運行技術(shù)的復(fù)雜性，無法使鍋爐在最優(yōu)狀態(tài)下運行。因此研究經(jīng)濟高效的燃燒和優(yōu)化技術(shù)以及促進建立生物質(zhì)燃料收集、預(yù)處理和配送體系是亟待解決的問題。生物質(zhì)具有可再生性、環(huán)境友好性，并且可以儲存，所以大力發(fā)展生物質(zhì)能利用及燃燒發(fā)電技術(shù)前景良好且意義重大[23,24]。

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