生物質發電技術研究應用綜述

張曉楠

(哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

引 言

生物質發電是利用生物質所具有的生物質能進行發電的技術。用于發電的生物質通常為農業和林業的廢物，如秸稈、稻草、木屑、甘蔗渣、棕櫚殼等。生物質發電技術可以分為生物質直接燃燒發電、燃煤耦合生物質發電以及生物質氣化發電技術。

1 生物質直燃發電技術

在生物質直接燃燒發電技術中，生物質燃料被直接送入鍋爐燃燒，將化學能轉換成熱能，產生高溫高壓蒸汽，進入汽輪發電機進行發電。除了將生物質直接投入鍋爐爐膛燃燒的散燒、捆燒形式外，還可以將生物質制成成型燃料后再燃燒。在生物質成型技術中，采用物理方法將蓬松狀態的生物質壓制成結構致密的顆粒狀、圓柱狀或方塊狀[1]，克服了生物質原料能量密度低、存儲空間高、燃燒速率難以控制的缺點，更利于生物質在燃燒設備中燃燒。目前，基于生物質的直燃發電機組，工程實踐中使用比較多的有層燃爐和循環流化床鍋爐[2]。

1.1 層燃鍋爐

1.1.1 固定爐排鍋爐

針對燃用棕櫚殼、棕櫚纖維等生物質燃料的固定爐排鍋爐，由于棕櫚殼質量輕、揮發分高、灰分低、燃燒溫度較高，爐排片很容易因為過熱得不到很好的冷卻而受到損壞。基于此問題，目前研發出一種水冷傾斜式固定爐排。爐排整體呈前低后高傾斜式配置，爐排材料選用耐熱鑄鐵，耐熱溫度高達1 150 ℃。爐排片由水冷管支撐，在保證燃料充分燃燒的基礎上，冷卻爐排片，防止爐排片因高溫過熱損壞。同時，優化爐膛配風系統設計：一次風從爐膛底部風道通過爐排上的通風孔進入爐膛，既調節爐膛配風，又可以冷卻高溫爐排，延長其使用壽命；二次風系統配置在爐膛前墻進料口下部、爐膛后墻的中部以及爐排后頂部，以確保燃料穩定及充分的燃燒。布置在爐膛后墻的二次風還可以將燃盡的生物質燃料吹落至出渣口，避免結焦問題。

1.1.2 鏈條爐排鍋爐

針對以木屑生物質成型顆粒作為燃料的鏈條爐排鍋爐，對爐膛結構進行設計優化：爐膛前墻摒棄了傳統人字形設計理念，采用垂直型布置，以增強蓄熱與熱輻射。后拱由傳統的傾斜式改為水平階梯式，簡化結構，節省材料，便于安裝，同時可增加爐膛的輻射受熱面積。在前墻上以一定的距離布置若干二次風風管，長度沿水平方向延伸至爐排中心上部。在二次風管上按固定的間距布置一定數量的二次風噴口，方向垂直向下，如同笛子型。鍋爐運行時，二次風從笛型二次風管口垂直向下吹入爐膛，與從后拱以一定角度過來的高溫煙氣相遇，在爐排主燃區燃料層形成“α”型氣流擾動區，加強爐膛中的輻射換熱；同時延長生物質燃料在爐膛內的停留時間，有利于燃料的充分燃燒，增加燃燒效率，兩者都有助于提升整體鍋爐熱效率。

1.1.3 往復爐排鍋爐

針對以打捆的秸稈為燃料的往復爐排生物質鍋爐，改進爐膛為三拱結構：后拱從爐膛后墻延伸至爐膛拱墻并豎直向上設置擋火墻。沿著煙氣流動方向，在后拱擋火墻之后設置豎直向下的擋火墻作為中拱，從而將爐膛分為三個燃燒室：前拱與后拱之間的區域為第一燃燒室；后拱與中拱之間的區域為第二燃燒室；中拱與爐膛后墻的區域為第三燃燒室。此爐膛結構使得煙氣進行S型流動，延長了煙氣在爐膛內的行程，增加了滯留時間，使得燃燒更加充分，燃燒效率更高。同時將進料口上墻向外延伸足夠的長度，在進料口設置與進料口鉸鏈連接的爐門來防止回火。

1.2 循環流化床鍋爐

由于循環流化床鍋爐爐膛中布置循環床料，溫度高達800 ℃，具有蓄熱量大，循環倍率高的優點。即使生物質燃料水分較高，也能正常著火燃燒。而且燃料隨著床料在爐膛內不斷循環，確保了燃料能夠充分進行燃燒。因此循環流化床鍋爐是公認較適用于燃燒生物質的鍋爐。但由于生物質燃料揮發分較高、灰分偏低，使得循環流化床鍋爐自身循環床料量低于正常水平。此外，由于生物質中含有較多的堿金屬和氯元素，容易出現積灰堵灰問題，進而造成受熱面的高溫和低溫腐蝕。

針對床料不足問題，可以額外添加循環床料，宜選擇惰性床料從而抑制灰分燒結現象。從經濟性和易獲性考慮，優先選用鍋爐煤渣作為循環床料。針對受熱面腐蝕問題，一方面可以采用合理的過熱器受熱面布置，在所有對流受熱面布置吹灰器避免積灰腐蝕，選用耐腐蝕的過熱器管材等方式解決高溫腐蝕問題；另一方面，通過降低爐膛內燃燒溫度，保證排煙溫度高于酸露點溫度，選擇耐腐蝕的空預器管材等措施解決低溫腐蝕問題。

2 燃煤耦合生物質混燒發電技術

在燃煤耦合生物質發電技術中，生物質燃料和燃煤按比例混合后送入鍋爐進行燃燒，節省煤炭燃料。目前根據燃煤與生物質混合預處理方式不同，主要有以下技術方案路線：1) 將生物質和煤粉按照一定的比例進行預混，直接利用電廠原有的磨煤機研磨后送入原有煤粉管道噴入原有燃燒器在鍋爐內燃燒；2) 新建生物質磨機設備，單獨將生物質研磨后送入原有煤粉管道系統中，在燃煤管道系統中與經磨煤機研磨后的煤粉混合后噴入原有燃燒器在鍋爐內燃燒；3) 新建生物質磨機設備，單獨將生物質研磨后送入新建的生物質噴粉管道噴入原有燃燒器中與煤粉在鍋爐內燃燒；4) 新建獨立的生物研磨機、生物質噴粉系統以及生物質燃燒器，生物質原料經上述獨立系統后進入鍋爐內燃燒。當前的燃煤鍋爐耦合生物質混燒技術已十分成熟，應用也十分廣泛，燃煤與生物質耦合燃燒的比例不斷提高。目前，600 MW以上燃煤機組普便可以實現10%～15%的生物質耦合燃燒；600 MW以下的燃煤機組普遍可以實現15%～35%的生物質耦合燃燒。

3 生物質氣化發電技術

生物質氣化屬于熱化學反應，一般在氧氣、水蒸氣或二氧化碳等氣化劑的作用下在高溫條件中分解為氫氣、一氧化碳、甲烷等可燃氣體[3]。生物質氣化氣在燃燒過程中不會產生污染或有毒有害氣體，與生物質直接燃燒類似，氣化氣也可以通過直燃或混燃完成生物質能的清潔利用[4]。據此，可以將生物質氣化發電技術分為氣化直接燃燒發電技術和生物質氣化耦合煤粉混燒發電技術。

3.1 生物質氣化直接燃燒發電技術

生物質燃料在合適熱力學條件下，在氣化床中可以分解為生物質氣化氣，通過旋風分離器去除固體雜質，再進一步通過除塵、水洗、吸附等方式進一步凈化氣化氣中的焦炭、焦油等有害物質，最終被送入鍋爐或壓縮后噴入內燃機及燃氣輪機中進行燃燒。發電方式可以根據生物質氣化的規模進行調整：規模較小時可以采用內燃機；規模較大時可以采用燃氣輪機甚至聯合循環方式。目前，1 MW～3 MW 的氣化爐—內燃機系統的發電效率為17%～20%，4 MW～6 MW的內燃機-蒸汽輪機聯合循環系統發電效率達到28%[5]。燃用生物質氣化氣的內燃機和燃氣輪機大多是從燃用天然氣的機型改造而來，生物質氣化氣具有熱值低，氫含量較高的特點，同時還含有灰、焦油、硫等雜質。在燃燒過程中雜質容易造成內燃機和燃氣輪機磨損、點火裝置故障等問題。而且相比于燃用天然氣，燃用氣化氣的發電效率明顯下降。此外，經過普通工序凈化的生物質氣化氣中的堿金屬及硫含量一般很難滿足燃氣輪機要求[6]。專用的內燃機和燃氣輪機的研發將是未來實現大型生物質氣化發電系統應用的主要課題之一。

3.2 生物質氣化耦合煤混燒發電技術

此項技術充分利用生物質氣化氣可燃性遠強于燃煤的特點，將氣化氣噴入鍋爐中起到穩燃及加強燃盡的作用。該技術也可應用于原有煤粉鍋爐的改造中。雖然需要架設生物質氣化及燃燒裝置，但不會對原有的整體熱力系統造成明顯影響，僅僅對煙氣側配風及燃料輸送設計有所影響，對于汽水側基本沒有影響。同時，新增了生物質氣化裝置還免除了廠內的生物質處理及輸送裝置，對于灰渣的影響也明顯弱于生物質摻燒，且不會影響煤灰的經濟利用。我國荊門熱電廠作為典型的生物質氣化示范項目，每年轉化利用秸稈4 萬噸，可節省標煤2 萬噸，生物質灰渣還可以制成有機肥料，進一步加強了項目的經濟效益。歐洲的芬蘭瓦薩熱電廠項目采用CFB生物質氣化爐技術，將產生的生物質氣化氣送入鍋爐與煤粉混燃，大福減少了40%的燃煤消耗。

4 結語

面對傳統化石能源消耗過大,短缺日益嚴重,終將枯竭的現實以及傳統化石能源大量利用造成的環境污染問題，生物質能利用受到越來越多的關注。其中生物質發電技術作為清潔、高效的生物質能利用形式之一，將在優化能源結構、改善自然環境和利用農林廢棄物等領域起到更加重要的作用。