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0、引言
    目前國內(nèi)經(jīng)過政府部門核準，已建成和在建的生物質(zhì)發(fā)電項目有60～70個，裝機容量多在12～30 MW之間，主要分布在山東、江蘇、河北等地區(qū)。廣西柳城生物質(zhì)發(fā)電工程作為廣西的第一個生物質(zhì)發(fā)電項目，于2007年3月開始項目的前期準備工作，項目的《可行性研究報告》和《項目申請報告》分別于2007年11月和2008年1月通過相關咨詢機構的評估，2008年2月項目獲得自治區(qū)發(fā)改委的核準，2008年3月12日正式開工建設。
1、生物質(zhì)發(fā)電技術概況
    按生物質(zhì)利用方式的不同，生物質(zhì)發(fā)電技術可分為生物質(zhì)氣化發(fā)電技術、生物質(zhì)一煤混燒發(fā)電技術和生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術。
    目前國內(nèi)外大部分的生物質(zhì)電廠都采用直接燃燒發(fā)電技術。
2、生物質(zhì)燃料特點及須考慮的問題
    生物質(zhì)電廠與常規(guī)燃煤電廠最大的不同之處就是其使用的燃料是生物質(zhì)，主要特點為：
    ①資源分布范圍廣而分散，且?guī)в忻黠@的季節(jié)性。常見的生物質(zhì)燃料是農(nóng)作物的秸稈和林木砍伐加工過程中被拋棄的枝、桿、根、葉、皮和木屑等。雖然我國很多地方的生物質(zhì)資源非常豐富，但分布分散，因此，資源收集工作比較復雜，難度大，成本較高。另外，由于這類資源屬于種植農(nóng)作物或林木的附屬產(chǎn)物，大規(guī)模收集一般只能集中在農(nóng)作物收割或林木集中砍伐的較短時間內(nèi)，需要占用很大的場地來存儲燃料，須注意燃料存儲時的發(fā)酵及防火等問題。
    ②燃料種類多，性質(zhì)差異大。國外的生物質(zhì)電廠一般只燃用單一品種的燃料，而目前國內(nèi)的生物質(zhì)電廠普遍考慮使用多種燃料，經(jīng)常出現(xiàn)同時使用以農(nóng)作物秸稈為代表的黃色秸稈和林木枝桿為代表的灰色秸稈的情況，還可能混入稻殼、甘蔗渣等，各種燃料的性質(zhì)（包括形狀、密度、水分、發(fā)熱量、成分和灰熔點等）差別非常大。由于燃料種類的多樣性和品質(zhì)的差異性，燃料的運輸、儲存、上料、燃燒組織等難度很大。
    ③燃料具有低灰分、低含硫量、高揮發(fā)份、高水分、低熱值的特點。與煤比較，生物質(zhì)燃料的灰分和硫含量非常低，一般收到基的灰分在3—5%，硫含量0.1%左右，遠遠低于煤炭，因此，生物質(zhì)電廠的優(yōu)勢之一在于煙塵和S02排放量小。不過，一般生物質(zhì)燃料的水分含量和揮發(fā)份都很高，熱值低，因此，燃料在人爐后，需要較長的干燥時間，而燃燒的過程比較迅速，爐內(nèi)溫度低，穩(wěn)定性差，給鍋爐設計帶來一定的難度。
    ④燃料質(zhì)地松軟，密度小。生物質(zhì)燃料的自然堆積密度一般在50—200 kg/m3，比燃煤的800 kg/m3小很多。生物質(zhì)燃料的發(fā)熱量低，與相同規(guī)模的燃煤電廠比較，生物質(zhì)電廠需要的燃料質(zhì)量耗量約大50%，體積耗量約大10倍左右，因此，生物質(zhì)電廠需要設計更大的上料系統(tǒng)，場內(nèi)燃料堆場和倉庫占地面積也較大。另外，由于生物質(zhì)燃料在輸送時還容易產(chǎn)生揚起、搭橋和纏繞設備等現(xiàn)象，因此在燃料的運輸、儲存、上料系統(tǒng)和設備選擇的設計上需要充分考慮。
    ⑤燃料灰中堿金屬含量高，部分燃料可能還有一定量的氯離子。由于生物質(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)熔融狀態(tài)，灰中的堿金屬以氣相的形式析出，在水冷壁和受熱面產(chǎn)生結焦、腐蝕等；另外，由于灰中可能存在一定量的氯離子，鍋爐結焦、腐蝕的趨勢更加明顯。如何組織和控制合理的燃燒和爐內(nèi)溫度場，選用合適的抗腐蝕材料，是生物質(zhì)鍋爐設計時需認真研究的課題。
3、生物質(zhì)燃料燃燒方式和爐型選用分析
    對于固體燃料，通�？晒┻x擇的燃燒方式主要有3種，即以煤粉爐為代表的懸浮燃燒、爐排爐為代表的層燃燃燒和循環(huán)流化床鍋爐為代表的流態(tài)化燃燒。針對目前國內(nèi)稻、麥秸稈和林木枝條為主的生物質(zhì)燃料，采用何種燃燒方式以及哪種爐型，必須結合燃料的特性和具體的燃燒方案進行細致分析，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售顆粒機、木屑顆粒機等生物質(zhì)燃料成型機械設備，同時我們還有大量的楊木木屑和玉米秸稈顆粒燃料。
    生物質(zhì)燃料因其具有低著火溫度和高燃燒反應活性的特點及在燃料停留時間僅為數(shù)秒量級的懸浮燃燒過程的優(yōu)點，在實際應用中發(fā)現(xiàn)常規(guī)煤粉鍋爐爐膛中如果采用單獨的燃燒器混燒生物質(zhì)秸稈，則噴入的秸稈火焰甚至類似于穩(wěn)燃油槍噴人的火焰，如果和煤粉摻混共用燃燒器進入爐膛則可以大大改善煤粉氣流的著火特性，增強其低負荷調(diào)節(jié)能力。但是懸浮燃燒方式必需的爐膛高溫卻和生物質(zhì)燃料的高堿特性存在不可調(diào)和的矛盾：為了保證固體燃料顆粒在通過爐膛的幾秒鐘內(nèi)一次燃燼，懸浮燃燒的爐膛往往維持在l 300℃以上，基本上燃料中所有的堿金屬物質(zhì)在這種條件下都傾向于進入氣相，部分堿直接形成堿鹽蒸汽的形式，部分通過氣相、氣固相的復雜過程形成低熔點的復雜化合物，并在高溫下呈熔融或部分熔融的形式進入下游，爐膛以及位于下游的各受熱面勢必存在嚴重的受熱面結渣、沉積、腐蝕問題。由于這個原因，生物質(zhì)作為唯一燃料在懸浮燃燒的爐型中實際上不能實現(xiàn)正常燃燒。
    以爐排爐為代表的層燃燃燒中，燃料在固定或者移動的爐排上實現(xiàn)燃燒，燃燒所需空氣從下方透過爐排供應上部的燃料，燃料處于相對靜止的狀態(tài)，燃料入爐后的燃燒時間可由爐排的移動或者振動來控制，直到灰渣落入爐排下或者爐排后端的灰坑時結束。
    丹麥基于本國的資源特點和燃料特性，以層燃爐為基本形式開發(fā)了以麥秸稈為燃料的振動爐排燃燒技術，燃燒爐見圖1。該技術中秸稈捆或者切碎的秸稈在爐排的一端通過機械推送或者風力播撒送入爐膛后部，爐排向爐前傾斜，秸稈隨著爐排的振動向爐前移動。由于秸稈著火溫度低、揮發(fā)份份額高且析出快速，在燃料的給入段必須迅速給人大量的燃燒風，在該處形成強烈的火焰燃燒區(qū)，燃燒區(qū)后燒散的秸稈或者未燃燼的秸稈殘枝、半焦等落在振動爐排上繼續(xù)燃燒并通過爐排運動速度保證該部分燃料的燃燼。同時，為了保證大量的揮發(fā)份燃燼，爐排上部空間還需要有合理的二次風系統(tǒng)。燃燒區(qū)產(chǎn)生的高溫煙氣通過布置有大量蒸發(fā)受熱面的爐膛后被降到較低的溫度水平，然后進入尾部煙道進行換熱。從燃燒組織的角度看，該技術根據(jù)秸稈的燃燒特性對常規(guī)的爐排爐燃燒進行了改進，占主要燃燒份額的揮發(fā)份燃燒發(fā)生在燃料給人段和整個爐排上部空間。由于大量的氣相可燃物和輕質(zhì)稻草的懸浮，該區(qū)域的燃燒類似于前面所述的懸浮燃燒，部分未燃燼的燃料和半焦落在爐排上進一步燃燒則維持了層燃的特性。
    該技術基本切合了生物質(zhì)燃燒的性質(zhì)，通過合理的燃料給入口設計，入口區(qū)燃燒空氣和二次風的合理供應以及爐排移動，供風的良好配合可以實現(xiàn)對生物質(zhì)的高效燃燒。針對生物質(zhì)燃料的堿金屬問題，通過在爐膛上部、后部增加低溫的蒸發(fā)受熱面，使進入第一級對流受熱面的煙氣溫度降低到相對安全的程度是緩解尾部受熱面堿金屬問題的主要手段，其他的輔助措施包括降低高溫煙氣換熱區(qū)域內(nèi)管內(nèi)工質(zhì)的溫度水平、采用耐腐蝕管材以及強化吹灰和檢修制度等。對于落在爐排上的殘余燃料和半焦，由于上部輻射加熱和自身的燃燒放熱，即使是在爐排采用水冷的情況下，灰燼依然會因含堿金屬而出現(xiàn)軟化、黏粘的現(xiàn)象，該問題的解決主要依賴精心設計的爐排移動和振動方式。良好的設計必須考慮在爐排上不同部位燃燒灰燼的堆積、軟化、黏粘或者脫落特性，以保證在較高燃燼率的前提下的正常排灰，設計不良的爐排可能在短短幾天內(nèi)就會因為排灰不暢造成停爐。
    根據(jù)對丹麥的振動爐排燃燒麥秸稈技術的跟蹤和文獻研究，由于在燃燒方式上沒有擺脫類似懸浮燃燒的高溫火焰區(qū)，因而對流受熱面沉積、高溫受熱面金屬腐蝕以及爐膛區(qū)的熔渣問題并沒有得到根本的解決。另一方面，爐膛內(nèi)高溫區(qū)域的控制、爐排的移動和正常排灰等方面的設計和組織需要細致考察燃料的特性，切合設定的燃料條件。由于爐排爐對燃料變動的適應性較差，一旦燃料的物理、化學特性發(fā)生改變，很容易造成燃燒效率降低和堿金屬問題惡化。
    國內(nèi)生物質(zhì)燃料具有多樣性和復雜性，生物質(zhì)電廠的燃料種類在各個季節(jié)差異很大，甚至同時混用多種燃料，各種燃料間的密度、體積、水分等性質(zhì)差別非常大，丹麥這種拋料式的爐型已不再適用�？紤]到國內(nèi)燃料資源的特殊情況，國內(nèi)企業(yè)如無錫華光鍋爐股份有限公司、濟南鍋爐廠、華西能源工業(yè)集團等已通過技術引進后創(chuàng)新和自行開發(fā)等途徑設計出適合我國國情的振動爐排。與丹麥技術最大的不同處在于其爐排是由爐前向爐后傾斜，燃料在爐前落到爐排上后，隨著爐排的振動向爐后方向移動，這種型式的爐排在同時燃用多種類型燃料時有很大的優(yōu)勢，已安裝在河北、江蘇、山東等地區(qū)多個生物質(zhì)電廠。
    流態(tài)化燃燒是近代從化學反應工程技術領域發(fā)展起來的一種新型燃燒技術。其特點是低溫燃燒；良好的氣一固或固一固混合；燃料適應性強；燃燒可控性能好。具體情況如下=：
    ①低溫燃燒特性和爐膛溫度均勻性。爐膛內(nèi)大量惰性的床料和床料與燃料之間充分的混合使燃料燃燒放出的熱量能均勻釋放，不會形成懸浮燃燒和層燃燃燒所難以避免的局部高溫，這一點對于NOx的排放控制有積極意義，同樣對秸稈中堿金屬的遷徙轉移也有重大意義，可以有效避免氣相堿金屬濃度的增加，同時降低低熔體形成的速度和數(shù)量。
    ②物料循環(huán)和良好的爐內(nèi)反應條件。物料循環(huán)和爐內(nèi)固一固、氣一固間良好的混合體提供的高效反應條件在秸稈燃燒中意義重大，通過合適的添加物，在循環(huán)流化床中完全可以利用這種反應能力固集甚至轉化秸稈原料帶入爐內(nèi)的堿金屬，從而實現(xiàn)主動地控制堿的遷徙轉化，從根本上緩解進入尾部煙道的堿對后部受熱面的危害。
    ③循環(huán)流化床爐膛內(nèi)的顆粒運動。循環(huán)流化床爐膛內(nèi)密相區(qū)存在強烈的顆粒運動，由于物料內(nèi)循環(huán)，稀相區(qū)內(nèi)的水冷壁壁面上也存在大量的顆粒帖壁流動，爐膛內(nèi)的懸掛受熱面處的顆粒濃度也相當大，對于秸稈燃燒來說，輕軟的秸稈灰沒有磨損的危險，精心選擇的床料作為循環(huán)物料的主體反而能夠在防止爐膛內(nèi)水冷壁或耐火材料上出現(xiàn)熔渣以及懸掛受熱面上出現(xiàn)初始沉積或凝結。
   ④較好的燃料適應性。在秸稈燃燒中，流態(tài)化燃燒不但能適應秸稈原料在種類、破碎條件、水分、雜質(zhì)含量等方面的變動，維持良好的燃燒組織，更重要的是可以在燃料變動時，依然能夠根據(jù)順利實現(xiàn)設計目的，對堿金屬引發(fā)的各種問題加以有效控制。
   相比爐排燃燒技術，流化床燃燒技術具有布風均勻、燃料與空氣接觸混合良好、SOx及NOx排放少等優(yōu)點，更適應燃燒水分過高、低熱值的秸稈。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。
    國際上以流態(tài)化燃燒技術燃用生物質(zhì)的公司不少，具代表性的有AE&E，F(xiàn)oster Wheeler，B&W，Kvaemer等，其主要應用在歐洲和美國，燒的多是木片鋸末、果園修剪枝條以及河道污泥等。
    在國內(nèi)，浙江大學針對秸稈燃燒灰熔點低、易結渣等特點進行研究，通過采用特殊風分配及組織方式保證生物質(zhì)的流化燃燒和順暢排渣，并優(yōu)化受熱面布置，降低堿金屬的腐蝕，設計的鍋爐安裝在江蘇宿遷電廠，已投入運行。
    目前國內(nèi)以生物質(zhì)為單一燃料直接燃燒技術路線正逐步趨于統(tǒng)一，燃燒形式以爐排層燃和流態(tài)化燃燒為主，鍋爐蒸發(fā)量在75t/h和130t/h等級，其中爐排層燃技術較為成熟。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，循環(huán)流化床迄今為止投產(chǎn)的為江蘇宿遷項目。
4、結語
    隨著化石燃料的日益短缺和化石燃料的利用所引起的環(huán)境問題日趨嚴重，大力開發(fā)和利用生物質(zhì)能源資源，在我國具有廣闊的市場前景。生物質(zhì)發(fā)電技術可分為生物質(zhì)氣化發(fā)電技術、生物質(zhì)一煤混燒發(fā)電技術和生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術，其中應用最為廣泛的是生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術。根據(jù)生物質(zhì)燃料獨特的燃燒特性和化學成分構成的特點，其燃燒方式主要有懸浮燃燒、層燃燃燒和流態(tài)化燃燒。針對目前國內(nèi)稻、麥秸稈和林木枝條為主的生物質(zhì)燃料，采用何種燃燒方式以及哪種爐型，必須結合燃料的特性和具體的燃燒方案進行細致分析。