摘要：介紹了生物質(zhì)成型、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)液化及熱解多聯(lián)產(chǎn)等幾種常見的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)。分析了生物質(zhì)燃料在鍋爐行業(yè)中的利用現(xiàn)狀及存在的主要問題，并指出鍋爐行業(yè)未來應(yīng)立足生物質(zhì)燃料的發(fā)展，并朝著原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化的方向發(fā)展。  

0、引言

   工業(yè)鍋爐是重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活中起著不可或缺的作用。當(dāng)前我國工業(yè)鍋爐以燃煤為主，年耗煤量約占全國煤炭消耗總量的1/5，污染物排放總量?jī)H次于電站鍋爐[1]。

   隨著國家對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，污染物排放嚴(yán)重的中小型燃煤鍋爐在我國將逐漸淘汰，被天然氣、電力或生物質(zhì)等新能源為燃料的高效節(jié)能環(huán)保型鍋爐所替代。

   作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，我國生物質(zhì)資源豐富，能源化利用潛力巨大。全國可作為能源利用的農(nóng)作物秸稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和能源作物、生活垃圾與有機(jī)廢棄物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)作為一種含碳、固體形態(tài)的可再生能源，其熱轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、設(shè)備與煤炭具有相似性，且生物質(zhì)氮、硫含量低，污染物排放要遠(yuǎn)低于燃煤。因此，大力發(fā)展生物質(zhì)燃料鍋爐將有助于緩解燃煤帶來的環(huán)境污染問題。

   我國政府歷來重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用，并將其作為能源領(lǐng)域的一個(gè)重要方面，納入了國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)生物質(zhì)能供熱發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出：到2035年，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量超過2500萬千瓦，生物質(zhì)成型燃料年利用量約5000萬噸，生物質(zhì)燃?xì)饽昀�用量約250億立方米，生物質(zhì)能供熱合計(jì)折合供暖面積約20億平方米，年直接替代燃煤約6000萬噸[2]。鍋爐是生物質(zhì)燃料利用的主要設(shè)備，也是我國節(jié)能減排的主戰(zhàn)場(chǎng)，鍋爐行業(yè)必須緊跟新時(shí)代要求，加快實(shí)現(xiàn)原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化。

1、生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)現(xiàn)狀

   生物質(zhì)資源來源廣泛，理化特性各具特色，轉(zhuǎn)化技術(shù)也多種多樣，包括物理方法、熱化學(xué)方法和生物化學(xué)方法等，可得到的產(chǎn)品包括：成型燃料、生物燃?xì)�、生物油、生物炭、沼氣、燃料乙醇、生物柴油等。下面主要介紹幾種與鍋爐相關(guān)的生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)。

1.1生物質(zhì)成型技術(shù)

   與傳統(tǒng)化石能源相比，生物質(zhì)具有資源分散、能量密度低、容重小、儲(chǔ)運(yùn)不方便等缺點(diǎn)，造成運(yùn)輸成本較高，嚴(yán)重制約了生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用。生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是生物質(zhì)能的一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效的利用形式，可以大大提高生物質(zhì)能量密度，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，為高效利用農(nóng)林廢棄物提供了一條新的途徑。生物質(zhì)在擠壓成型后，密度可達(dá)0.8～1.3kg/m3，能量密度與中熱值煤相當(dāng)，非常適合作為鍋爐的燃料[3]。

   生物質(zhì)固化成型技術(shù)主要分為輥模擠壓式成型(包括環(huán)模式和平模式)、活塞沖壓式成型(包括機(jī)械式、液壓式)和螺旋擠壓式成型等幾種主要型式，工作原理分別如圖1、圖2和圖3所示。其中的輥模擠壓式成型可以實(shí)現(xiàn)自然含水率生物質(zhì)不用任何添加劑、粘結(jié)劑的常溫壓縮成型，生產(chǎn)率較高，是規(guī)�；�、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)。國外輥模擠壓式成型機(jī)設(shè)備制造比較規(guī)范，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟，關(guān)鍵部件壽命達(dá)到1000h以上，生產(chǎn)率達(dá)到2t/h以上，已實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�商品生產(chǎn)。但是，這些成型設(shè)備是以木屑等林業(yè)剩余物為主要原料，且設(shè)備價(jià)格高，并不適合我國以秸稈為原料的國情。

   近年來，由于國家對(duì)秸稈能源化工作的高度重視及相關(guān)政策的支持，我國生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)取得明顯的進(jìn)展，生物質(zhì)成型技術(shù)及成型壓制設(shè)備也逐漸成熟，成型機(jī)械的能耗、關(guān)鍵部件使用壽命達(dá)到了大規(guī)模生產(chǎn)的要求。2016年建設(shè)農(nóng)作物秸稈固化成型工程合計(jì)1300多處，成型燃料年產(chǎn)量達(dá)653萬噸；林業(yè)三剩物固體成型燃料年產(chǎn)量約250萬噸，總計(jì)900萬噸左右[4]。此外，農(nóng)業(yè)部和地方政府陸續(xù)發(fā)布了《生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件》、《生物質(zhì)固體成型燃料質(zhì)量分級(jí)》、《生物質(zhì)成型燃料鍋爐》、《生物質(zhì)成型燃料鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為生物質(zhì)成型燃料鍋爐專業(yè)化、規(guī)�；�和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打下了較好的基礎(chǔ)。

1.2生物質(zhì)氣化技術(shù)

   生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧或其它含氧物作氣化劑，在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的可燃物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?主要是氫氣、一氧化碳和甲烷)的熱化學(xué)過程。生物質(zhì)原料揮發(fā)分高達(dá)70%以上，受熱后在相對(duì)較低的溫度下就可使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出，因此，氣化技術(shù)非常適用于生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化[6]。生物質(zhì)氣化得到的燃?xì)饧瓤勺鳛榍鍧嵢剂�，又可作為費(fèi)托合成液體燃料的原料，在電力供應(yīng)、熱能生產(chǎn)、化工合成、金屬冶煉等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，因此氣化技術(shù)是目前國內(nèi)外競(jìng)相開發(fā)的重要生物質(zhì)能技術(shù)。

   根據(jù)所使用氣化劑的不同，生物質(zhì)氣化可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、氫氣氣化等。出于成本考慮，一般采用空氣氣化，但所產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂递^低，一般在5～6MJ/m3[7]。氣化爐是生物質(zhì)氣化技術(shù)的核心設(shè)備，按設(shè)備運(yùn)行方式，生物質(zhì)氣化爐可分為固定床、流化床和氣流床。其中固定床和流化床是比較常見的兩種氣化爐型式。固定床氣化爐分為下吸式和上吸式(如圖4)，流化床氣化爐分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床(如圖5)。不同氣化設(shè)備的技術(shù)對(duì)比如表1所示。通常，固定床氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適合較小規(guī)模和對(duì)燃?xì)馄焚|(zhì)要求不高的場(chǎng)合，如戶用或農(nóng)村集中供氣；而流化床特別是循環(huán)流化床氣化爐適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，如發(fā)電或制合成氣。

   我國生物質(zhì)氣化技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代初期，目前已研制出可用于戶用、集中供氣和發(fā)電的各種類型氣化設(shè)備，擁有成熟的燃?xì)忮仩t供熱、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等技術(shù)。其中，氣化集中供氣已在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個(gè)省市推廣，MW級(jí)氣化發(fā)電技術(shù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了出口，生物質(zhì)氣化合成液體燃料技術(shù)也已完成了千噸級(jí)的示范。

1.3生物質(zhì)液化技術(shù)

   20世紀(jì)70年代爆發(fā)石油危機(jī)后，可以直接從生物質(zhì)得到液體燃料的生物質(zhì)熱解液化技術(shù)迅速發(fā)展。生物質(zhì)熱解液化是指在中溫(500℃左右)和缺氧條件下使生物質(zhì)快速受熱分解，熱解氣體再經(jīng)快速冷凝得到以液體產(chǎn)物(生物油)為主的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。在合適的條件下，生物油的最高產(chǎn)率可以達(dá)到70%以上。

   國外在生物質(zhì)熱解液化研究方面起步較早，所開發(fā)的鼓泡流化床、循環(huán)流化床、旋轉(zhuǎn)錐和真空反應(yīng)器等技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模的應(yīng)用。其中流化床熱解裝置的最大處理量達(dá)到200噸/天，所生產(chǎn)的生物油用于熱電聯(lián)產(chǎn)。我國從1995年開始發(fā)展該技術(shù)，目前已有多家單位研發(fā)熱解液化技術(shù)，但大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。其中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了年產(chǎn)10000噸生物油的生物質(zhì)熱解制備生物油應(yīng)用示范工程，華中科技大學(xué)開發(fā)了移動(dòng)式生物質(zhì)液化技術(shù)，可有效解決生物質(zhì)資源低成本收集和高值化利用問題。

   表2給出了生物油與重油基本特性對(duì)比。生物油熱值(LHV)為13～18MJ/kg，約為重油的一半，可以作為鍋爐、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，比直接燃燒生物質(zhì)要高效、清潔。但同時(shí)生物油中的氧含量較高，還含有15%～30%的水，所以生物油往往表現(xiàn)出強(qiáng)酸性、高粘度、低熱值和品質(zhì)不穩(wěn)定等特性，使生物油的推廣應(yīng)用受到了很大的限制。除用作燃料外，生物油還可作為大規(guī)模氣化、制氫的原料及用于提煉高附加值的化學(xué)品。此外，生物油中的羧酸含量一般在15%左右，主要是乙酸、甲酸和丙酸，還含有少量的苯甲酸，是制備有機(jī)酸鈣鹽的合適廉價(jià)原料。華中科技大學(xué)利用生物油和鈣基吸附劑制備出富含有機(jī)酸的“富鈣生物油”，可作為有機(jī)酸鈣鹽的替代品，用于爐內(nèi)氮硫污染物的聯(lián)合脫除，圖6為不同溫度下富鈣生物油對(duì)SO2及NOx的聯(lián)合脫除效率，其最大脫硫效率超過90%，脫硝效率約60%[8]。

   催化調(diào)質(zhì)與分組富集、熱解氣凈化與品質(zhì)提升等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的精確調(diào)控和高效提質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)炭、氣、油的高效、高值化多聯(lián)產(chǎn)，以及氣、電、熱多聯(lián)供，該技術(shù)工藝流程如圖7。以秸稈為例，炭產(chǎn)率≥35%，熱值≥20MJ/kg；熱解氣產(chǎn)率約25%，熱值≥12MJ/m3；生物油產(chǎn)率≥30%，富含糠醛、苯酚等物質(zhì)。其中，品質(zhì)優(yōu)良的炭可作為燃料炭、生物炭和活性炭；中高熱值的燃?xì)庥糜诩�中供氣、發(fā)電，余熱用于供熱；富含有機(jī)成分的液體產(chǎn)物可以作為化工原料，從而實(shí)現(xiàn)了低品位的生物質(zhì)資源向高附加值的能源和化工產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化和利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)生產(chǎn)強(qiáng)度提高4倍以上，能耗降低50%。

   目前已在湖北鄂州、天門、孝感、赤壁等地建設(shè)20多處生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)示范點(diǎn)，每個(gè)示范點(diǎn)的供氣規(guī)模1000～6000戶，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益明顯。因其先進(jìn)性和優(yōu)異的環(huán)保性能，該技術(shù)獲得2014年聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織頒發(fā)的“全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價(jià)值的領(lǐng)先技術(shù)藍(lán)天獎(jiǎng)”。同時(shí)“一種連續(xù)式生物質(zhì)熱解炭氣油多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)”獲得第十七屆中國專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。該技術(shù)現(xiàn)作為國家“綠色能源示范縣”以及“新能源示范城市”等建設(shè)的主推技術(shù)之一，將很快在全國多地推廣應(yīng)用。

   因此，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各種生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化利用技術(shù)已比較成熟，已基本滿足工業(yè)鍋爐燃料供給的需要。目前各項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙是技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。根據(jù)生物質(zhì)原料自身特點(diǎn)，有必要改變單一產(chǎn)品為主的轉(zhuǎn)化利用模式，積極尋求利用價(jià)值最大化的轉(zhuǎn)化技術(shù)，綜合化、高熱值、多聯(lián)產(chǎn)的資源化利用應(yīng)是生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展方向。

2、生物質(zhì)燃料鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題

   近年來，我國的生物質(zhì)燃燒技術(shù)有了很大的發(fā)展，研發(fā)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)燃燒技術(shù)及設(shè)備。但從整體來看，我國生物質(zhì)燃料鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念、技術(shù)還不夠先進(jìn)，在運(yùn)行、管理、污染物控制等方面還存在諸多問題。

   生物質(zhì)燃料在鍋爐中應(yīng)用的主要形式包括：生物質(zhì)固體燃料燃燒，生物燃?xì)馊紵�及生物油燃燒。下面分別闡述生物質(zhì)燃料鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題。

2.1生物質(zhì)固體燃料燃燒

   按照燃燒方式的不同，生物質(zhì)固體燃料燃燒技術(shù)可分為層燃技術(shù)、流化床燃燒技術(shù)及懸浮燃燒技術(shù)。層燃技術(shù)主要包括鏈條爐、往復(fù)爐排爐及振動(dòng)爐排爐，適用于燃燒含水率較高、顆粒尺寸變化較大的生物質(zhì)燃料，具有較低的投資和操作成本。國外生物質(zhì)層燃技術(shù)的發(fā)展已比較成熟，其中具有代表性的產(chǎn)品有丹麥的“雪茄型”捆燒爐[9]及比利時(shí)的溫克生物質(zhì)爐。我國也有許多研究單位開發(fā)出了各種類型的生物質(zhì)層燃爐，并針對(duì)所使用原料的燃燒特性對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，包括雙燃燒室結(jié)構(gòu)、閉式爐膛結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)[10]。流化床燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒溫度低、有害氣體排放少、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大等一系列的優(yōu)點(diǎn)，很適合燃燒水分大、熱值低的生物質(zhì)燃料。目前，國外采用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模。美國GE公司及愛達(dá)荷能源公司分別研制出100t/h的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐及50t/h的蒸汽鍋爐[11]。

   我國自20世紀(jì)80年代末開始，對(duì)生物質(zhì)流化床燃燒技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究。國內(nèi)各研究單位與鍋爐廠合作，聯(lián)合開發(fā)了各種類型的生物質(zhì)流化床鍋爐，投入運(yùn)行后效果良好，還有大量產(chǎn)品出口到了國外，這對(duì)我國生物質(zhì)能的利用起到了很大的推動(dòng)作用。例如華中科技大學(xué)根據(jù)稻殼的物理、化學(xué)性質(zhì)和燃燒特性，設(shè)計(jì)了以流化床燃燒方式為主，輔之以懸浮燃燒和固定床燃燒的組合燃燒式流化床鍋爐[12]。試驗(yàn)研究證明，該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩(wěn)定、不易結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn)，已獲得國家專利。此外華中科技大學(xué)還研究開發(fā)了生物質(zhì)與煤流化床混燒技術(shù)，并為廣西某糖廠研發(fā)了一臺(tái)35t/h蔗渣與煤混燒循環(huán)流化床鍋爐，如圖8所示。懸浮燃燒技術(shù)主要適用于燃燒粉體生物質(zhì)燃料，燃燒強(qiáng)度及溫度較高，可達(dá)到較高的燃燒效率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷快速變化和高效控制。但由于燃燒溫度較高，其NOx排放控制需要特別關(guān)注。燃燒器是確保生物質(zhì)粉體高效低NOx燃燒的關(guān)鍵，由于生物質(zhì)與煤燃燒特性存在巨大差異，常規(guī)的煤粉燃燒器并不適用，因此需要從生物質(zhì)本身的燃燒特性出發(fā)，設(shè)計(jì)專用的生物質(zhì)燃燒器，圖9為針對(duì)生物質(zhì)粉體燃料研發(fā)設(shè)計(jì)的低NOx燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖。

   近30年來，盡管我國在生物質(zhì)固體燃料燃燒利用技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是與發(fā)達(dá)國家相比，仍有很大差距。目前國內(nèi)生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)多為套用燃煤鍋爐，并未根據(jù)生物質(zhì)燃料特性進(jìn)行相應(yīng)的鍋爐結(jié)構(gòu)和配風(fēng)設(shè)計(jì)。因此在鍋爐燃燒效率及污染物排放控制方面與國外先進(jìn)水平有一定差距，無法滿足差異化市場(chǎng)需求。

   就給料系統(tǒng)而言，我國尚未形成完善的生物質(zhì)燃料市場(chǎng)供應(yīng)體系，送入鍋爐的生物質(zhì)燃料種類繁雜，特性各異，因此生物質(zhì)鍋爐給料系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不高。同時(shí)由于生物質(zhì)含水量較高，容易造成給料系統(tǒng)堵塞卡死。利用煙氣余熱對(duì)入爐燃料進(jìn)行干燥將有助于改善生物質(zhì)燃料的輸送特性，同時(shí)還有利于降低排煙損失，提高鍋爐效率。另外，生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高，且易于著火，運(yùn)行過程中極易出現(xiàn)回燃現(xiàn)象，為保證鍋爐設(shè)備安全運(yùn)行，對(duì)于層燃爐需要在進(jìn)料口加裝隔板，同時(shí)調(diào)整配風(fēng)；而對(duì)于流化床宜采用兩級(jí)進(jìn)料的方式，并加大送料風(fēng)。

   對(duì)于煤改生物質(zhì)的工業(yè)鍋爐，往往會(huì)導(dǎo)致鍋爐結(jié)構(gòu)與生物質(zhì)燃料特性不匹配，燃盡困難，燃燒效率低，因此需要對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性改造。具體改造措施為：提高前拱角度，降低后拱高度、縮短后拱長(zhǎng)度，同時(shí)采用分級(jí)配風(fēng)，提高爐膛有效空間，保證揮發(fā)分的充分燃燒，進(jìn)而提高燃燒效率。

   此外，生物質(zhì)中的堿金屬還會(huì)引起鍋爐受熱面的積灰、結(jié)渣和腐蝕，直接造成鍋爐壽命和熱效率的降低；同時(shí)堿金屬還易引起床料的聚團(tuán)、結(jié)渣破壞正常流化，使燃燒工況惡化。在生物質(zhì)燃燒利用過程中，通過降低燃料中堿金屬含量的比例(與煤混燒或適當(dāng)預(yù)處理手段)，設(shè)法提 高燃料灰分的熔點(diǎn)(加入添加劑)，抑制堿金屬的揮發(fā)性，以及在保證鍋爐正常運(yùn)行的情況下，通過調(diào)節(jié)一二次風(fēng)配比或采用煙氣再循環(huán)適當(dāng)降低燃燒溫度，是防止生物質(zhì)鍋爐積灰、結(jié)渣和腐蝕問題的有效途徑。另外對(duì)于流化床鍋爐，選用合適的床料(富含抑制聚團(tuán)燒結(jié)元素，如Fe、Al等)，及時(shí)排出大渣，保證均勻流化也是一種有效減輕結(jié)渣的方法。生物質(zhì)燃料與煤的另一個(gè)顯著不同在于生物質(zhì)中的氯含量較高，氯在生物質(zhì)燃燒過程中的揮發(fā)及其與鍋爐受熱面的反應(yīng)會(huì)引起鍋爐的腐蝕。針對(duì)氯腐蝕問題，主要的防制措施有：合理調(diào)整燃燒工況、選用耐腐蝕的受熱面材料、加入適量的吸收劑脫氯及加強(qiáng)吹灰等。

2.2生物燃?xì)馊紵?/div>

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