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0、前言
    生物質(zhì)能在世界能源結(jié)構(gòu)中占有十分重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，每年經(jīng)過光合作用固定F來的生物質(zhì)能約是全世界能源消耗的10倍。但目前被人們利用的僅占1.0%。估計世界大陸上生物質(zhì)的年產(chǎn)量為10¹¹～10¹²噸干物質(zhì)。我國兒種主要的生物質(zhì)的產(chǎn)量也相當(dāng)可觀，據(jù)統(tǒng)計，僅農(nóng)作物的秸桿每年約為5～6億噸，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約2～2.4億噸，其中60%用于生活需要燒掉。森林每年可提供9000萬噸薪柴，但年實際開發(fā)量約為I.8億噸。據(jù)1989年統(tǒng)計，用于生活需要燒掉2.78億噸薪柴。林業(yè)加工過程生產(chǎn)的邊角廢料每年約為2400萬立方米，折合標(biāo)準(zhǔn)燥150萬噸。稻谷年產(chǎn)量約200兆噸，可獲得稻殼約40兆噸，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約20兆噸。我國居民僅維持日常生活用能，每年就需要3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能耗的30%，而這些能源的80%左右是由生物質(zhì)能提供的。此外-生物質(zhì)能可年復(fù)一年的不斷再生，因此其能量是十分可觀的。開發(fā)利用生物質(zhì)能具有廣闊的前景。
    生物質(zhì)能的利用之所以受到世界各國的高度重視，還因為生物質(zhì)是一種清潔燃料。生物質(zhì)含硫量低，含氮量不高，所以燃燒后硫氧化物和氯氧化物的含量很低；生物質(zhì)中灰分一般也很小，所以充舒燃燒后煙塵含量極低。現(xiàn)在世界每年二氧化碳排放量為55億噸，導(dǎo)致明顯的溫室效應(yīng)。生物質(zhì)燃燒過程具有二氧化碳零排放的特點，因為生物質(zhì)燃燒生成的二氧化碳又可被植物吸收，合成本身的生物質(zhì)，所以沒有增加大氣中二氧化碳的含量。這對于緩解日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)有著特殊的意義。
    從我國目前利用生物質(zhì)能的狀況看，由于直接燃燒生物質(zhì)能占相當(dāng)?shù)谋戎�，但燃燒設(shè)備落后，熱效率很低。如農(nóng)用柴灶爐熱效率一般為10～20%，先進(jìn)的省柴爐灶熱效率也僅在30%左右：現(xiàn)在以層燃方式燃生物質(zhì)的鍋爐數(shù)量很少，熱效率也很低：生物質(zhì)氣化爐氣化率低，所得的燃?xì)鉄嶂挡桓�。因此提高這些鍋爐、爐具的燃燒效率、熱效率以及提高氣化爐的氣化率及燃?xì)鉄嶂凳羌贝�解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。對于節(jié)約能源有著極為重要的意義。
    流態(tài)化燃燒具有燃燒效率高、有害氣體排放少、熱容量大等一系列的優(yōu)點，很適合燃水分大熱值低的生物質(zhì)燃料。因此，西方發(fā)達(dá)國家己采用流化床燃燒技術(shù)利用生物質(zhì)能．，美國、瑞典、德國、丹麥等工業(yè)化國家生物質(zhì)能利用技術(shù)已居世界領(lǐng)先地位。
    國內(nèi)也開始重視開發(fā)利用生物質(zhì)能，國家經(jīng)貿(mào)委節(jié)約和綜合利用司于1993年3月組團(tuán)赴瑞典、德國就生物質(zhì)能利用技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行技術(shù)考察；我國農(nóng)業(yè)部環(huán)能司、農(nóng)業(yè)部國際合作司、山東省科學(xué)院能源所和福建省農(nóng)村能源辦公室組成考察組于1994年5～6月赴美考察美國的生物質(zhì)能等可再生能源發(fā)電情況。表明國內(nèi)對生物質(zhì)能的開發(fā)利用非常重視。
1、國內(nèi)外現(xiàn)狀
    美國目前開發(fā)利用生物質(zhì)能主要通過直接燃燒生物質(zhì)產(chǎn)生蒸汽、電力。生物質(zhì)原料主要為采伐業(yè)的枝椏等廢棄物、不成材的樹木、造紙和木材加工的廢棄物以及稻殼、甘蔗渣等。燃燒設(shè)備以引進(jìn)德國的鏈條爐為主。在美國，采用流化床燃燒技術(shù)利用生物質(zhì)能也具有相當(dāng)規(guī)模，如美國愛達(dá)荷能源產(chǎn)品公司已生產(chǎn)出燃生物質(zhì)媒體流化床鍋爐，蒸汽鍋爐出力為4.5—50t/h，供熱鍋爐出力為1.06×l07—1.32×l08kj/h。八十年代末期，九十年代初，美國利用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐。例如，由美國CE公司利用魯奇技術(shù)設(shè)計生產(chǎn)的兩臺循環(huán)流化床鍋爐，分別安裝于Fresna和Rocklin，出力為100t/h，蒸汽壓力為8.7MPa，過熱蒸汽溫度515℃，熱功率78MW分別于1988、1989年投運(yùn)，另外兩臺熱功率為71MW的循環(huán)流化床燃廢木料鍋爐裝在Mecca于1992年投運(yùn)。公司也有燃木柴流化床鍋爐在運(yùn)行。目前美國已有近1000家燃術(shù)材電廠在運(yùn)行，裝機(jī)容量達(dá)6500MW。預(yù)計到2000年以前生物質(zhì)能（廢木、術(shù)屑、稻谷殼和甘蔗渣等可燃生物燃料）發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)12000MW。
    瑞典是高度發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家，由于煤、石油資源貧乏，能源主要依賴進(jìn)口石油。但瑞典森林資源豐富森林覆蓋率達(dá)58%，為了利用本國資源，減少石油進(jìn)口，瑞典非常重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用。生物質(zhì)能的利用量已占全國總能耗的16.1%，達(dá)到55億KWh，其中的相當(dāng)部分就是將樹枝、樹葉、樹皮、森林廢棄物、鋸屑和泥炭等削片、切碎，然后運(yùn)送到熱電廠，在大型流化床鍋爐中燃燒而得以利用的，盡管這些燃料的含水量有時高達(dá)50～60%,但鍋爐的熱效率仍可達(dá)到80%。瑞典另一個利用生物質(zhì)能方式就是將生物質(zhì)送入循環(huán)流化床氣化爐進(jìn)行氣化，產(chǎn)生的燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，采用聯(lián)合循環(huán)，這樣系統(tǒng)熱效率高，目前此種方式單機(jī)容量己達(dá)80MW。
    丹麥為了減少二氧化碳的排放，計劃每年燃燒700萬噸干草，八萬噸木屑，采用芬蘭奧斯龍公司生產(chǎn)的高倍率循環(huán)流化床鍋爐，將干草與煤以60%：40%的比例送入爐內(nèi)燃燒。鍋爐參數(shù)為：出力為100t/h，蒸汽壓力為90MPa，過熱蒸汽溫度490℃，熱功率80MW
    從我國目前利用生物質(zhì)能韻狀況看，由于直接燃燒生物質(zhì)能占相當(dāng)?shù)谋戎�，但燃燒設(shè)備落后，熱效率很低，造成生物質(zhì)能源的極大浪費(fèi)。國內(nèi)部分鍋爐制造廠家設(shè)計采用鏈條爐燃燒生物質(zhì)廢料，發(fā)現(xiàn)熱效率低，出力不足，鍋爐爐體大，爐排易燒壞。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)從八十年代末期開始研究采用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能。已完成生物質(zhì)媒體流化床流化特性的研究：提高燃燒效率的研究；燃生物質(zhì)媒體流化床鍋爐結(jié)構(gòu)的研究：生物質(zhì)氣化燃?xì)獾臒嶂�、產(chǎn)率和生物質(zhì)在流化床中氣化產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象的研究：以及生物廢料燃?xì)鉄崃β?lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的研究。已和國內(nèi)四個鍋爐廠家合作，研制開發(fā)了4、10、12.5、14t/h燃稻谷殼、廢木與木屑、甘蔗渣及棕櫚空果穗等生物廢料流化床鍋爐10余臺。其中一臺4t/h燃稻谷殼流化床鍋爐、兩臺12+5t/h燃甘蔗渣流化床鍋爐出口泰國；一臺14t/h燃棕櫚空果穗流化床鍋爐于1997年出口馬來西亞，一臺4t/h燃木屑流化床鍋爐于1998年出口非州加納，進(jìn)入國際市場．深受用戶好評，三臺1t/h燃廢木與木屑流化床鍋爐在外資企業(yè)運(yùn)行六年多來，一直滿發(fā)、穩(wěn)定、高效率，節(jié)約了大量能源，創(chuàng)造了很高的經(jīng)濟(jì)效益，用戶十分滿意。該爐于1995：葦獲得國家專利，于1998年獲得中國航天工業(yè)總公司部級科技進(jìn)步二等獎。
2、爐型的選擇
  生物質(zhì)燃料的一般特點是水分很高：灰分很小、揮發(fā)份很高、發(fā)熱值偏低。用粉狀燃燒時，首先應(yīng)將其制成粉末，由于生物廢料是非脆性材料，磨制時易生成纖維團(tuán)而不是粉狀．而且需要預(yù)先干燥，而干燥高水分的生物質(zhì)燃料要消耗大量的熱。一般可切成碎片在煤粉、油或氣體燃燒室內(nèi)燃燒。這樣使鍋爐結(jié)構(gòu)、燃料制各系統(tǒng)和鍋爐運(yùn)行復(fù)雜化，且不經(jīng)濟(jì)。
    層燃鍋爐屬層狀燃燒，生物質(zhì)燃料通過給料斗送到爐排上時，不可能象煤那樣均勻分布，容易在爐排上形成料層疏密不均，從而形成布風(fēng)不勻。薄層處空氣短路，不能用來充分燃燒；而厚層處，需要大量空氣用于燃燒，由于這里阻力較大，因而空氣量較燃燒所需的空氣量為少，這種布風(fēng)不均將不利于燃燒和燃燼。生物質(zhì)的特點是揮發(fā)份很高，在燃燒的開始階段，揮發(fā)份大量析出，需要大量空氣用于燃燒，如這時空氣不足，可燃?xì)怏w與空氣混合不好將會造成氣體不完全燃燒損失急劇增加。同時，由于生物質(zhì)比較輕，容易被空氣吹離床層而帶出爐膛，這樣造成固體不完全燃燒損失很大，因而燃燒效率很低。另一方面當(dāng)生物質(zhì)燃料含水率很高時，水份蒸發(fā)需要大量熱量，干燥及預(yù)熱過程需時較長，所以，生物質(zhì)燃料在床層表面很難著火，或著火推遲，不能及時燃燼，造成固體不完全燃燒損失很高，導(dǎo)致鍋爐燃燒效率、熱效率很低，實際運(yùn)行的層燃爐熱效率有的低達(dá)40%。另一方面，一旦它燃燼后，由于灰分很少，不能在爐排上形成一層灰，以保護(hù)后部的爐排不被過熱，從而導(dǎo)致爐捧燒壞。采用流化床燃燒方式，密相區(qū)主要由媒體（河沙或石英沙）組成，生物燃料通過給料器送入密相區(qū)后，首先在密相區(qū)與大量媒體充分混合，密相區(qū)的惰性床料溫度一般在850～950℃之間，具有很高的熱容量，即使生物質(zhì)含水率高達(dá)50～60%，水份也能夠被迅速蒸發(fā)掉，使燃料迅速著火燃燒。加上密相區(qū)內(nèi)燃料與空氣接觸良好，擾動強(qiáng)烈，因此燃燒效率有顯著提高。因此．流化床燃燒方式最適合含高水分生物廢料的燃燒。
3、燒結(jié)現(xiàn)象
    目前生物廢料在燃燒過程中，可能發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象。燒結(jié)與溫度、流化風(fēng)速和氣氛有關(guān)，但溫度是影響燒結(jié)的最主要因素。稻草的燒結(jié)溫度在680℃左右，玉米稈的燒結(jié)溫度在740℃左右，高粱稈的燒結(jié)溫度在680℃。隨著溫度的升高，燒結(jié)塊尺寸增大，數(shù)量增多，硬度增強(qiáng)。對于稻草，溫度在700℃以上，便出現(xiàn)燒結(jié)塊阻塞的現(xiàn)象，高粱稈在760℃以上出現(xiàn)阻塞，而玉米稈則在800℃以上仍可保持較好的燃燒。
    單純的灰是不能起粘結(jié)劑作用的。砂的熔點及灰熔點都高于1000℃，而實驗及實際運(yùn)行表明在700℃就會發(fā)生燒結(jié)。一般認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是生物質(zhì)灰中富含鉀和鈉，這些元素的化合物與砂中的S102反應(yīng)，生成低熔點的共晶體，熔化的晶體沿砂的縫隙流動，將砂粒粘結(jié)，形成結(jié)塊，破壞流化。反應(yīng)方程式如下；
    另外，參考煤燒結(jié)產(chǎn)生的化學(xué)機(jī)理，認(rèn)為灰的酸、堿氧化物含量比是決定燒結(jié)溫度的一個主要原因。其中A1203有抑制燒結(jié)產(chǎn)生的作用，A1203比Si02更易與堿金屬化合物反應(yīng)，其產(chǎn)物熔點高。因此，灰中鋁元素含量高，則可減少S102與堿金屬發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會，避免燒結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。
    稻草灰中的鉀、鈉元素含量偏低，與上述原理不符。其燒結(jié)塊結(jié)構(gòu)也與上面兩者不同，說明其形成的化學(xué)機(jī)理是不同的。稻草中碳轉(zhuǎn)化率低的原因，認(rèn)為與其高的S102含量有關(guān)腳。在700-800℃時，Si02體積構(gòu)向面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，在此過程中，碳原子成為填充原子，形成牢周的碳硅結(jié)合，即使在1200℃，也無法將其中的碳氧化問。這種碳硅結(jié)合，使稻草灰連接在一起，形成蓬松的燒結(jié)塊，破壞正常流化。
4、防止燒結(jié)的對策
    分析燒結(jié)形成原因是為了找出解決辦法。一方面，從鍋爐結(jié)構(gòu)因素入手，合理布置燃燒系統(tǒng)及爐膛受熱面，保證運(yùn)行溫度不過高，尤其注意控制稀相區(qū)的溫度。另一方面，尋找適宜的惰性床料或添加劑以抑制低熔點共晶體的形成。
    不同的元素對燒結(jié)的影響是不同的。因此可以選擇富含抑制燒結(jié)元素的床料，提高了燒結(jié)發(fā)生的溫度，以保證正常流化。
    目前，以_其價格低、易獲得、且不易燒結(jié)而成為主要供選擇的替代床料有A1203、Fe203，尤其是Fe203比Si02、A1203更易與堿金屬氧化物、鹽反應(yīng)，反應(yīng)式如下：其中，X為堿金屬元素鉀或鈉。
    X2Fe204的熔點為1135℃，遠(yuǎn)高于運(yùn)行溫度，因此可防止燒結(jié)的產(chǎn)生。南斯拉夫的Borislav D. Grubor等學(xué)者比較了Si02、A1203. Fe203三種物質(zhì)做床料的效果。發(fā)現(xiàn)以S102為床料燃燒生物質(zhì)時，在700℃就出現(xiàn)燒結(jié)，800℃時相當(dāng)嚴(yán)重。而用Fe203做床料時，當(dāng)灰中鉀、鈉總含量超過20%且床溫在900℃以上時，只有很小的結(jié)塊。A1203的效果則介于二者之間，在800℃時出現(xiàn)燒結(jié)，900℃時與以Si02作床料床溫800℃時的燒結(jié)一樣嚴(yán)重。在我們設(shè)計的燃生物廢料流化床鍋爐中，采取了適宜的措施，還沒有用戶反映床料燒結(jié)閱題。
5、運(yùn)行結(jié)果
    從八十年代末期開始研究采用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)，先后與長春鍋爐廠、長沙鍋爐廠、營口鍋爐總廠、天山鍋爐廠研制開發(fā)燃甘蔗渣、稻殼、板廠廢料和棕櫚空果穗等生物廢料流化床鍋爐。與長春鍋爐廠合作研制的兩臺12.5t/h燃甘蔗渣鍋爐經(jīng)德國BAY公司銷往泰國；與長沙鍋爐廠合作研制的4t/h燃稻殼鍋爐也已出口泰國，與營口鍋爐總廠合作開發(fā)的4t/h燃板廠廢料鍋爐出口西非加納；14t/h燃棕櫚空果穗鍋爐出口馬來西亞，深受國外用戶的好評。另外與營口鍋爐總廠合作研制的三臺lOt/h燃廢木與木屑流化床鍋爐(設(shè)計參數(shù)為：鍋爐蒸發(fā)量D=1Ot/h:工作壓力P=1.25MPa:過熱蒸汽溫度t=350℃：設(shè)計效率n=80.86%)，裝在大連金州外資企業(yè)常榮、常盛合板有限公司。經(jīng)測試，燃燒效率達(dá)99%，鍋爐熱效率達(dá)83%．這兩個主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。該鍋爐是遼寧省科委火炬計劃和遼寧省機(jī)械委新產(chǎn)品計劃項目，于一九九五年十二月榮獲遼寧省優(yōu)秀新產(chǎn)品銀獎，添補(bǔ)了國內(nèi)空白。1996年被國家經(jīng)貿(mào)委列為國家級重點新產(chǎn)品試產(chǎn)計劃。1998年獲得中國航天工業(yè)總公司部級科技進(jìn)步二等獎。
    三門峽富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，同時我們也銷售生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等機(jī)械設(shè)備。