我國生物質(zhì)鍋爐替代燃煤鍋爐技術(shù)分析及政策建議

文 // 武斌 四川省節(jié)能監(jiān)察中心

我國生物質(zhì)鍋爐替代燃煤鍋爐技術(shù)分析及政策建議

文 // 武斌 四川省節(jié)能監(jiān)察中心

1 背景和意義

隨著人口的大幅增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國已成為世界第一大能源消費(fèi)國，能源安全及環(huán)境污染問題受到國內(nèi)外的高度關(guān)注，并已成為影響我國全面建設(shè)小康社會(huì)的重要因素。因此，關(guān)注能源問題，探索非化石能源的開發(fā)利用具有重要意義。

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國對(duì)煤、石油、天然氣資源需求量不斷增加，能源消費(fèi)總量從2009年的306647萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤增加到2013年的375000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤；其中2013年煤炭占消費(fèi)總量的66.00%，石油占18.40%，天然氣占5.8%，水電、核電和風(fēng)電等非化石能源僅占9.8%。可見，能源消耗日益增長，能源需求的不斷增加將導(dǎo)致常規(guī)能源供需矛盾日益突出。

2 國內(nèi)外生物質(zhì)燃燒替代燃煤技術(shù)的情況

2.1 爐排層燃技術(shù)

由于大多數(shù)工業(yè)企業(yè)采用的都是層燃鍋爐，所以開發(fā)適用于生物質(zhì)的層燃鍋爐受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

丹麥開發(fā)出一種專門燃燒成捆秸稈的燃燒爐，起重機(jī)將秸稈捆放入防火通道中，用傳送裝置將其運(yùn)至料箱中，隨后預(yù)熱室的爐門打開，秸稈進(jìn)入預(yù)熱室，在預(yù)熱室內(nèi)被已燃燒的燃料點(diǎn)燃，根據(jù)煙氣溫度和濃度來控制空氣量。安裝在預(yù)熱室底部的傳輸設(shè)備將正在燃燒的秸稈捆向前運(yùn)送直至灰室。

我國針過對(duì)秸稈本身特性的進(jìn)行分析研究，在秸稈直燃熱水鍋爐燃燒室的設(shè)計(jì)中，采用雙燃燒室結(jié)構(gòu)。第一燃燒室為主燃區(qū)，設(shè)置于爐膛前部；第二燃燒室為輔助燃燒區(qū)，設(shè)置于爐膛后部，兩者間由擋火拱分隔。該布置方式加強(qiáng)了秸稈與高溫?zé)煔?、空氣的相互混合，同時(shí)延長了燃料在爐內(nèi)燃燒的停留時(shí)間，確保了秸稈燃燒的充分完全，取得了良好的運(yùn)行效果。

福建某鍋爐有限公司研制的臥式三回程水火管自然循環(huán)鏈條鍋爐，燃料以廢木料為主，煙煤為輔。木屑、碎木從前面進(jìn)入爐膛，木條、樹皮從兩側(cè)爐門進(jìn)入爐膛，木粉通過噴射系統(tǒng)從爐前木粉噴管送入爐膛，需助燃時(shí)煙煤從煤斗進(jìn)入爐膛。運(yùn)行實(shí)踐表明該鍋爐符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，具有出力足、調(diào)節(jié)方便、水循環(huán)運(yùn)行良好等特點(diǎn)。

2.2 浮懸燃燒技術(shù)

浮懸燃燒方式主要適用于稻殼、鋸屑、砂光木粉等細(xì)小生物質(zhì)燃料的燃燒。

南京林業(yè)大學(xué)研究開發(fā)的燃燒木粉等散碎木廢料的旋風(fēng)燃燒爐，由主燃燒室和相鄰的二次燃燒室組成，木粉由羅茨鼓風(fēng)機(jī)的壓氣管向下噴入燃燒爐的主燃燒室，在爐體圓周切向有3對(duì)噴氣管，左右相對(duì)地向爐膛噴射空氣，以鼓動(dòng)木粉螺旋式旋轉(zhuǎn)并充分燃燒。二次燃燒室圓周切向也設(shè)有噴氣管，以推動(dòng)氣流繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。出口處設(shè)有第二道扼流圈，進(jìn)一步阻擋未燒完的火星。高溫?zé)煔饨?jīng)調(diào)溫調(diào)濕處理后，可直接作為干燥纖維、刨花的干燥介質(zhì)，也可作為間接加熱的載熱體。

華中科技大學(xué)研制出一種生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù)，將農(nóng)業(yè)廢棄物用破碎機(jī)破碎成粉體后，由進(jìn)料裝置噴入立式雙回旋燃燒爐中燃燒。一次風(fēng)為輸料進(jìn)風(fēng)，與粉體均勻混合形成風(fēng)粉氣流；二次風(fēng)切向進(jìn)入，主要用于改善爐內(nèi)氣流狀態(tài)。此裝置能最大限度地提高燃燒溫度和燃燒效率，并能減輕結(jié)渣腐蝕對(duì)燃燒產(chǎn)生的不利影響。

2.3 流化床燃燒技術(shù)

流化床燃燒方式最適合含高水分生物質(zhì)燃料的燃燒。西方發(fā)達(dá)國家研究生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐(CFB)已經(jīng)很多年了。20世紀(jì)80年代末，美國就開發(fā)出大型燃燒廢木料的CFB鍋爐。同一時(shí)期，我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)與長沙鍋爐廠等鍋爐制造企業(yè)合作，研制了多臺(tái)生物質(zhì)流化床鍋爐，可燃燒甘蔗渣、稻殼、碎木屑等多種生物質(zhì)燃料，鍋爐出力充分，低負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定，熱效率高達(dá)80%以上。

3 生物質(zhì)能源替代工業(yè)燃煤鍋爐的技術(shù)現(xiàn)狀

目前生物質(zhì)替代工業(yè)燃煤鍋爐主要有兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：一是生物質(zhì)成型燃料技術(shù)；二是生物質(zhì)替代燃煤供熱或發(fā)電。

3.1 生物質(zhì)成型燃料技術(shù)現(xiàn)狀

由于生物質(zhì)密度較低、不耐燒，堆放體積較大，因此需要將生物質(zhì)預(yù)制成成型燃料以降低其堆放體積并提升其耐燃性和熱值，這是生物質(zhì)替代燃煤鍋爐的重要前置條件。

在生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的制備中，生物質(zhì)（秸稈）成型燃料在不添加任何粘結(jié)劑條件下成型，并保證較高強(qiáng)度是國內(nèi)一大技術(shù)難題。國內(nèi)有多家公司對(duì)此進(jìn)行了技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，其中四川生物環(huán)保工程有限公司通過多年技術(shù)攻關(guān)，從工藝和裝備技術(shù)上創(chuàng)新，研發(fā)出一套新型工藝裝備并獲得多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該工藝技術(shù)成套設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：能一次性將高濕秸稈生物質(zhì)加工成符合標(biāo)準(zhǔn)的生物質(zhì)鍋爐的燃料，該成套設(shè)備對(duì)生物質(zhì)物料的適應(yīng)范圍廣，前處理粉碎采用無篩結(jié)構(gòu)和生物質(zhì)物理調(diào)質(zhì)后再采用該公司專利造粒機(jī)成型，提高了成形效果，節(jié)約了能量消耗，噸（秸稈）成型燃料綜合生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)加工技術(shù)裝備下降了30﹪，為生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的低成本加工提供了技術(shù)裝備。該公司研發(fā)的單機(jī)生產(chǎn)線年產(chǎn)可達(dá)2萬噸生物質(zhì)（秸稈）成型燃料。

3.1.1 生物質(zhì)成型燃料技術(shù)類別

生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)按成型加壓的方法不同來區(qū)分,目前國內(nèi)外技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較多的生物質(zhì)成型燃料加工機(jī)有螺旋擠壓式、活塞沖壓式(包括機(jī)械式、液壓式)、有輥模碾壓式(包括環(huán)模式和平模式)等。按照其成型過程是否對(duì)原料輔助加熱，上述三種加工方式又分為冷成型和熱成型兩類工藝；螺旋擠壓式、活塞沖壓式都屬于熱壓成型工藝，輥模碾壓式采用的是冷壓成型工藝。

3.1.2 生物質(zhì)成型燃料制備存在的問題

在生物質(zhì)成型燃料的制備過程中也暴露了一些問題。總體來說，目前我國的生物質(zhì)固化成型裝備在設(shè)備的實(shí)用性、系列化、規(guī)模化上還很不足,距國際先進(jìn)水平還有不小的差距。表現(xiàn)在生產(chǎn)率低、成型能耗高、主要工作部件壽命短、機(jī)器故障率多、費(fèi)用高等方面。

3.2 生物質(zhì)替代燃煤供熱和發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

3.2.1 生物質(zhì)秸稈發(fā)電及供熱概況

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2010年底，由國家發(fā)展和改革委和各省發(fā)展和改革委核準(zhǔn)的生物質(zhì)規(guī)?；l(fā)電項(xiàng)目超過50個(gè)，總裝機(jī)容量超過150萬千瓦；其中，僅2006年就核準(zhǔn)39個(gè)，總投資100億元以上。全國已經(jīng)建成投產(chǎn)的生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目已經(jīng)超過10個(gè)，在建項(xiàng)目30個(gè)左右（其中，國能占10個(gè)）?？梢灶A(yù)見，在今后一段時(shí)期，我國的生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)將保持快速發(fā)展的勢頭。

3.2.2 生物質(zhì)發(fā)電及供熱應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢

由于生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目到目前推廣較為緩慢，鍋爐制造廠商對(duì)大型生物質(zhì)鍋爐資源投放較少，在國際上沒有較為明顯的技術(shù)及實(shí)力優(yōu)勢。

而在小型供熱用生物質(zhì)鍋爐的制造上，目前有多家制造商具有較好的技術(shù)優(yōu)勢和實(shí)力，例如長生能源科技有限公司的小型生物供熱鍋爐具有較好的代表性，其研發(fā)的“生物質(zhì)常壓鍋爐”，有較為完善的技術(shù)，耗能小、電耗低、通過二次燃燒達(dá)到自然除塵，采用半氣化燃燒、煙氣縱向橫向沖刷對(duì)流管束，提高的熱轉(zhuǎn)化率。其生產(chǎn)的“生物質(zhì)燃料立式蒸汽鍋爐”，給料系統(tǒng)變頻調(diào)節(jié)、熱效率高、蒸汽輸出穩(wěn)定。同時(shí)設(shè)計(jì)較為科學(xué)，全方位燃燒室，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，基建投資省，對(duì)燃料的選擇性廣，既可以燃燒生物質(zhì)燃料，也可以燃燒煤、木材等燃料。打破了同行業(yè)中的設(shè)備磨損大、技術(shù)要求高、生產(chǎn)成本高、費(fèi)用昂貴的局限性。

4 生物質(zhì)能源替代工業(yè)燃煤鍋爐的技術(shù)壁壘

4.1 生物質(zhì)的特性壁壘

生物質(zhì)燃料中大量的揮發(fā)分析出后，如果空氣不足或溫度較低，揮發(fā)分易裂解析出碳黑，使?fàn)t子冒黑煙；

固體燃料燃燒后期主要是固定碳的燃燒，而生物質(zhì)固定碳含量少，因此，其燃燒過程持續(xù)時(shí)間較短，不耐燒；

生物質(zhì)水分含量較多，且水分隨生物質(zhì)加工過程和儲(chǔ)存條件顯著變化，燃燒潮濕生物質(zhì)燃料時(shí)，爐內(nèi)溫度場偏低，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難，排煙熱損失增加。

生物質(zhì)(尤其是農(nóng)作物秸稈)中含有較多的堿性物質(zhì)，在高溫燃燒環(huán)境下，堿性物質(zhì)及其相關(guān)無機(jī)元素可能在爐膛內(nèi)形成熔渣或以蒸氣和飛灰顆粒的形式沉積于受熱面，影響鍋爐的熱效率，同時(shí)對(duì)換熱面造成嚴(yán)重腐蝕；

生物質(zhì)(尤其是農(nóng)作物秸稈)原料來源呈現(xiàn)很強(qiáng)的季節(jié)性，而且來源地分散，這給生物質(zhì)的規(guī)?；?、工業(yè)化利用造成了很大的困難。

4.2 鍋爐生物質(zhì)燃燒方式存在的壁壘

生物質(zhì)燃料在鍋爐中可以采用爐排層燃、浮懸燃燒、流化床燃燒以及層燃與浮懸復(fù)合燃燒等燃燒方式。

4.2.1 爐排層燃

燃燒生物質(zhì)的層燃鍋爐一般采用鏈條爐或往復(fù)推飼爐排爐，小型燃燒設(shè)備也可采用固定爐排。由于生物質(zhì)中的灰分較低，易使?fàn)t排片燒損。往復(fù)爐排可在燃盡區(qū)采用耐熱鋼材作為爐排材料，固定爐排和往復(fù)爐排還可以采用風(fēng)冷或水冷方式對(duì)爐排進(jìn)行冷卻，這些在鏈條爐排上很難實(shí)現(xiàn)，所以，鏈條爐排在燃用灰分過低的生物質(zhì)燃料時(shí)，到燃燒后期爐排上殘留的灰渣較少，容易燒損爐排片。

爐排燃燒主要適用于大顆粒及塊狀生物質(zhì)燃料，而細(xì)小生物質(zhì)燃料在爐排上燃燒時(shí)，由于易從爐排孔隙中漏下或被爐排下的一次風(fēng)吹起，因而一般不適合單獨(dú)在爐排上燃燒。

4.2.2 浮懸燃燒

生物質(zhì)在進(jìn)行浮懸燃燒時(shí)，一旦爐子熄火，極易發(fā)生爆燃，所以必須安裝火焰探測或爐溫探測裝置，爐子熄火時(shí)必須立即中斷供料或立即點(diǎn)火，同時(shí)還須設(shè)置可靠的防爆裝置。

5 生物質(zhì)能源替代工業(yè)燃煤鍋爐存在的問題

5.1 認(rèn)識(shí)問題

生物質(zhì)能源正處在一個(gè)很尷尬的境地?？稍偕茉粗猩镔|(zhì)能源是最重要的，但相比而言，它的產(chǎn)業(yè)化程度，發(fā)展規(guī)模都是最差的。這其中有一些客觀原因，也有一些屬于認(rèn)識(shí)問題。

除了客觀上發(fā)展規(guī)模受限以外，對(duì)生物質(zhì)能的認(rèn)識(shí)各不相同，對(duì)其投資的額度，與地方的GDP增長是不相符的，資源的分散性導(dǎo)致生物質(zhì)能源在一地的投資較低；這在某些政府那來看，生物質(zhì)能源有點(diǎn)像“雞肋”。

5.2 補(bǔ)貼門檻過高

對(duì)生物質(zhì)能源的支持，國家采取了多種補(bǔ)貼手段。但補(bǔ)貼門檻過高，手續(xù)繁瑣、先墊付后補(bǔ)貼也困擾著不少企業(yè)。

由于受到生物質(zhì)資源的自身特性和地理?xiàng)l件的限制，決定許多地區(qū)了無法進(jìn)行大規(guī)模的集中收割和處理資源，也導(dǎo)致了無法建設(shè)大型的規(guī)模以上的生物質(zhì)燃燒企業(yè)和設(shè)備。這也導(dǎo)致了很多企業(yè)無法申請(qǐng)到財(cái)政相關(guān)補(bǔ)助。受制于這些現(xiàn)實(shí)難題，財(cái)政部的萬噸補(bǔ)貼政策遭遇落地難。

5.3 布局不合理

西南地區(qū)由于受地理?xiàng)l件的制約沒法建大廠，但東北墾區(qū)就比較適合建大型電廠，有條件上規(guī)模，成本才越低，效益才越高。一定要因地制宜。密集地區(qū)可以建氣化發(fā)電，做成型燃料，不一定去建發(fā)電廠。

企業(yè)要多方考慮，合理布局，否則很容易陷入發(fā)展困局。建生物質(zhì)能電廠首先要考慮可持續(xù)發(fā)展，原料分散，就需要分散性利用，要考慮水資源、電力、人文環(huán)境是不是可以支撐這個(gè)項(xiàng)目。

5.4 成本價(jià)格難控

受耕作制度和地理?xiàng)l件的限制，許多省農(nóng)村土地高度分散，從資源的收集儲(chǔ)存運(yùn)輸帶來很大不利因素，在后續(xù)的環(huán)節(jié)上會(huì)放大很多倍。

所以準(zhǔn)備入行的企業(yè)首先要考慮的是原料資源的可獲得性，如果不成熟千萬不要貿(mào)然進(jìn)入地方政府可以進(jìn)行協(xié)調(diào)，比如利用示范效應(yīng)，鼓勵(lì)農(nóng)民種植秸稈作物，做好企業(yè)加農(nóng)戶的結(jié)合，平衡好企業(yè)和農(nóng)戶之間的利益。

5.5 技術(shù)投入過小

目前存在的問題是，有些研究成果與生產(chǎn)有些脫節(jié)，并沒有轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。一方面技術(shù)部門因缺少資金，無法進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)；另一方面為了盡可能多地收回技術(shù)成本，企業(yè)有意拉長新技術(shù)向市場投放的周期。

5.6 缺少專業(yè)技術(shù)人才

生物質(zhì)燃料多種多樣，性質(zhì)也有很大差別,所以不同生物質(zhì)燃料的爐型和燃燒技術(shù)也不盡相同，需要專業(yè)人員研究開發(fā)和改造，生產(chǎn)運(yùn)行中不斷完善管理和操作方法，只有這樣才能使這一技術(shù)成熟和發(fā)展，制造出不同爐型和配套設(shè)備，并完善燃燒技術(shù)。

5.7 可研階段所得結(jié)果過于理想化

可研報(bào)告所有取值和結(jié)果太理想化，和實(shí)際有較大出入。例如，收購的分散性、難度及價(jià)格就是很大的變數(shù)，天氣以及干旱、洪澇災(zāi)害糧食及秸稈減收，都將得不到充足的燃料供應(yīng)，還有技術(shù)及設(shè)備原因等都將造成減產(chǎn)、停產(chǎn)損失，影響回收年限，將對(duì)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生不利的影響。

6 建議

6.1 利用技術(shù)方面的建議

應(yīng)根據(jù)不同種類生物質(zhì)燃料的燃燒特性，開發(fā)不同類型的燃燒技術(shù)，并研制相應(yīng)的燃燒設(shè)備。

在繼續(xù)加大對(duì)生物質(zhì)直接燃燒的研究同時(shí)，加強(qiáng)研究干燥、破碎等前期加工處理，以及真正適用的、值得推廣的能源化利用總成本最低，從收集到燃燒前期加工處理過程耗能最少，對(duì)環(huán)境影響最小的技術(shù)。

目前在生物質(zhì)燃燒技術(shù)開發(fā)研究領(lǐng)域?qū)ι镔|(zhì)收集、處理技術(shù)和設(shè)備的研究較少。重視生物質(zhì)燃燒技術(shù)研究的同時(shí)，也應(yīng)重視生物質(zhì)收集、干燥、粉碎等技術(shù)的研究，關(guān)鍵是要研究開發(fā)簡便適用、運(yùn)行乘便低廉的相關(guān)設(shè)備。

6.2 政策支持及其他建議

建議各省根據(jù)自身作物種類和土地特性超前制定出符合本省基本情況的生物質(zhì)分析測試標(biāo)準(zhǔn)方法。

制定更多針對(duì)生物質(zhì)能源開發(fā)利用的相應(yīng)優(yōu)惠及補(bǔ)貼政策，進(jìn)一步加大該技術(shù)的扶持力度。

加快建立健全生物質(zhì)燃料的收集、預(yù)處理及配送體系。

加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)資源的管理，科學(xué)規(guī)劃和優(yōu)化布局。

切實(shí)加強(qiáng)生物質(zhì)能源化利用的能力建設(shè)和人才培養(yǎng)，積極促進(jìn)科技研發(fā)和設(shè)備國產(chǎn)化。

目前生物質(zhì)直燃的生態(tài)環(huán)境效益由于沒有內(nèi)部化造成了收益外泄；而化石能源產(chǎn)生的環(huán)境成本也沒有內(nèi)部化，結(jié)果影響了生物質(zhì)能的發(fā)展。國家需要加大環(huán)境立法，使生物質(zhì)能利用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)轉(zhuǎn)化為貨幣，體現(xiàn)到產(chǎn)品價(jià)格中去。

生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)作為新興綠色產(chǎn)業(yè)，需要大量資金投入，國家和地方政府在信貸、融資等方面都應(yīng)該給生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造便利條件，甚至于政策傾斜，在這方面，歐盟、美國、巴西等國家都有成功的經(jīng)驗(yàn)可資借鑒。