生物質(zhì)成型燃料循環(huán)流化床燃燒技術(shù)探討

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(長春工程學(xué)院， 長春 130000)

0 引 言

生物質(zhì)包括各種農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物、生活垃圾、有機(jī)廢水等，它是直接或者間接由光合作用而產(chǎn)生的富含化學(xué)能的有機(jī)質(zhì)。現(xiàn)在每年全球靠光合作用就能產(chǎn)生1 200億t生物質(zhì)，但是人類僅利用了每年生物質(zhì)產(chǎn)量的7%左右。我國生物質(zhì)資源主要以農(nóng)作物秸稈為主，每年可產(chǎn)生7.05億t秸稈，占我國生物質(zhì)資源的一半以上。目前，我國的秸稈資源除了一部分用作還田肥料和動(dòng)物飼料外，大部分都廢棄或就地焚燒[1-2]，不但浪費(fèi)了寶貴的能源，也帶來了嚴(yán)重的空氣污染，如果能高效利用，既能減輕環(huán)境污染，又能增加農(nóng)民收入，取得良好環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 生物質(zhì)成型燃料

生物質(zhì)因其產(chǎn)量穩(wěn)定且大、含硫、氮、灰量低，CO2零排放等優(yōu)點(diǎn)而成為一種新型可再生清潔能源，是未來替代常規(guī)化石能源的重要能源來源之一。但天然生物質(zhì)質(zhì)地松散，能量密度低，直接燃燒發(fā)電或供熱難度大。而生物質(zhì)成型燃料就是將生物質(zhì)經(jīng)機(jī)械加工，壓制成結(jié)構(gòu)緊密的顆粒狀、棒狀和塊狀固體燃料，熱值密度高，相當(dāng)于中值煤，是一種優(yōu)質(zhì)清潔可再生能源。成型燃料除了具備生物質(zhì)燃料優(yōu)點(diǎn)外，因經(jīng)加工成型，其燃燒和利用起來比生物質(zhì)更優(yōu)越，主要是①由于機(jī)械壓制，結(jié)構(gòu)變得致密，使得揮發(fā)分的析出速度和燃燒速度適中；②揮發(fā)分含量一般在70%～80%，著火點(diǎn)低，很容易著火和燃燒完全；③生物質(zhì)本身含N、S量比煤少得多，同時(shí)生物質(zhì)生長和利用過程中實(shí)現(xiàn)碳的零排放，屬于清潔燃燒；④堿金屬(比如Na、K等)含量高于煤，灰渣熔點(diǎn)低，比煤更易結(jié)渣；⑤氯元素含量較高，高溫下氣化與堿金屬復(fù)合形成低熔點(diǎn)氣態(tài)物質(zhì)，造成受熱面結(jié)渣，同時(shí)煙氣中的HCl容易對(duì)金屬受熱面造成高溫腐蝕；⑥生物質(zhì)基本不含重金屬，在燃燒利用過程中重金屬零排放；⑦飛灰含量極低，少于3%，燃燒形成的灰量少；⑧成型燃料中可添加脫氯劑，減少氣相氯化物的生產(chǎn)。

2 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)

流化床燃燒是介于層燃和懸浮燃燒之間的一種燃燒方式，燃料顆粒靠氣流的托舉力和浮力作用，在爐內(nèi)一定高度空間范圍上下翻滾，沿橫向和縱向強(qiáng)烈擾動(dòng)，燃料在爐內(nèi)分布隨著顆粒和氣流流速變化，質(zhì)量密度大的顆粒在爐膛下部形成密相區(qū)燃燒，質(zhì)量密度小的顆粒在爐膛上部形成稀相區(qū)燃燒，被氣流帶走細(xì)燃料通過設(shè)置在爐膛出口的分離器時(shí)，被捕集送回到爐內(nèi)繼續(xù)燃燒。

從燃燒角度來看，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)主要特點(diǎn)是低溫燃燒，良好的氣-固、固-固混合，燃料適應(yīng)性強(qiáng)，燃燒可控性好。正是由于這些流態(tài)化燃燒的固有特點(diǎn)，使得流化床燃燒技術(shù)飛速發(fā)展，不斷朝向容量大型化，高參數(shù)方向發(fā)展，已進(jìn)入電站領(lǐng)域。從燃燒方式分析，循環(huán)流化床針對(duì)生物質(zhì)成型燃料具有以下特點(diǎn)：

(1)燃料的適應(yīng)性極強(qiáng)。

流態(tài)化燃燒對(duì)燃料的強(qiáng)適應(yīng)性在燃燒各種煤和廢棄物的應(yīng)用場合已經(jīng)得到很好的體現(xiàn)，對(duì)于生物質(zhì)成型燃料，流態(tài)化燃燒能適應(yīng)成型燃料水分、雜質(zhì)、顆粒條件等方面的變動(dòng)，更重要的是在燃料種類變動(dòng)時(shí)，依然能穩(wěn)定的燃燒，達(dá)到預(yù)期燃燒效率。

(2)低溫燃燒和爐膛溫度均勻。

爐膛大量惰性床料溫度高，蓄熱量大，同時(shí)與高水分的生物質(zhì)充分均勻混合，使?fàn)t內(nèi)生物質(zhì)分布均勻，燃燒放熱均勻，避免爐內(nèi)出現(xiàn)局部高溫，再加上爐內(nèi)燃燒溫度控制在850～900 ℃左右，這有效的抑制了NOX的生產(chǎn)。同樣低溫燃燒環(huán)境，有效避免了生物質(zhì)中堿金屬的遷移，降低氣相堿金屬濃度，有效減輕氣溶膠的產(chǎn)生。

(3)循環(huán)流化床內(nèi)顆粒上下翻滾，顆粒四面八 方強(qiáng)烈擾動(dòng)。

物料在爐內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，使得爐內(nèi)水冷壁和爐膛上部懸掛的受熱面處的燃料顆粒濃度比較大，這對(duì)于燃煤鍋爐來說會(huì)引起嚴(yán)重的磨損問題，而生物質(zhì)燃燒后的形成灰量少，且質(zhì)地軟，這就極大的減輕了磨損的危險(xiǎn)。選擇適合的床料可有效的防止水冷壁和爐膛出口處受熱面熔渣。

目前，歐美流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，已經(jīng)研制生產(chǎn)出生物質(zhì)流化床供熱鍋爐，鍋爐蒸發(fā)量為4.5～50 t/h，大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐，鍋爐容量為100 t/h,蒸汽壓力為8.7 MPa，鍋爐熱效率可達(dá)到80%。我國，從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，多家高校和企業(yè)合作，研制出了不同生物質(zhì)燃料的流化床鍋爐，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。劉皓、黃琳等研制開發(fā)以流化床燃燒方式為主，以懸浮燃燒和固定床燃燒為輔的組合燃燒方式流化床鍋爐燃料流化性能好，燃燒穩(wěn)定充分，不易結(jié)焦，已取得國家專利[3-4]。

3 關(guān)鍵問題及解決措施

(1)流化床燃燒對(duì)燃料顆粒尺寸有嚴(yán)格的要 求。需要對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行預(yù)處理。

(2)堿金屬帶來的問題。

堿金屬含量高，降低了灰熔點(diǎn)，給燃燒和運(yùn)行帶來的嚴(yán)重的結(jié)焦、結(jié)渣問題。

燃燒過程中，生物質(zhì)中堿金屬與床料結(jié)合生產(chǎn)低熔點(diǎn)的物質(zhì)，容易造成床料粘結(jié)，影響流化床正常運(yùn)行。解決的方法主要是控制好爐溫和合理選擇床料和添加劑。

運(yùn)行中,堿金屬與灰復(fù)合形成低熔點(diǎn)灰渣，低熔點(diǎn)灰容易團(tuán)聚，在造成返料系統(tǒng)發(fā)生堵塞。運(yùn)行中要控制好爐膛出口煙氣溫度，增設(shè)返料系統(tǒng)擾動(dòng)風(fēng)，減輕灰渣團(tuán)聚。

低熔點(diǎn)灰渣粘附在受熱面，增加傳熱阻力，

降低鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。解決措施主要是在容易積灰點(diǎn)增設(shè)吹灰系統(tǒng)，加大吹灰；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)積灰及時(shí)清除，合理控制煙氣流速和布置管子排列方式，均可減輕積灰。

(3)高溫氯腐蝕問題。

生物質(zhì)燃料氯含量高，燃燒過程中易產(chǎn)生氣相氯化物和熔融氯化物，對(duì)管壁形成高溫腐蝕，鍋爐選材上選用防腐材料，運(yùn)行中，加入適量的脫氯劑或吸收劑以減輕鍋爐的高溫氯腐蝕。

(4)有害氣體排放問題

生物質(zhì)燃燒過程中HCl的排放量是很高的，同時(shí)燃燒過程還會(huì)產(chǎn)生少了的SO2，這些有害氣體與生物質(zhì)中的堿金屬反應(yīng)，生成氣溶膠，這些氣溶膠會(huì)粘附在受熱面，使結(jié)渣更嚴(yán)重，排放到大氣中，嚴(yán)重污染環(huán)境。主要解決措施有加入吸收劑，減少HCl的生成。

4 結(jié)束語

大力發(fā)展生物質(zhì)燃料燃燒技術(shù)是響應(yīng)國家“節(jié)能減排”戰(zhàn)略的重要舉措，目前生物質(zhì)成型燃料制作加工技術(shù)已可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，循環(huán)流化床燃用生物質(zhì)燃料成型燃料，兩者結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，既有利于生物質(zhì)的高效開發(fā)利用，也減輕環(huán)境污染，有利的推動(dòng)生物質(zhì)燃料的大規(guī)模應(yīng)用，同時(shí)加快推動(dòng)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，減輕污染，增加農(nóng)民收入。