生物質發電鍋爐存在問題及處理措施分析

喻兵YU Bing

（光大城鄉再生能源（鐘祥）有限公司，鐘祥 431900）

0 引言

隨著國家和社會的發展，我國對新能源和可再生能源的關注越來越高，發展目標也同過去相比有了較大變化，尤其是生物質能技術發展逐漸引起重視，中央和地方政府均制定了一系列的優惠措施發展生物質能技術。有資料顯示，我國多個省份都發布了相關政策，要求必須關閉全部的小型燃煤機組。提倡發展生物質，通過使用生物質，不僅可以發電和供暖，而且還是綠電，國家會對每度電有一定的可再生能源補貼或發放綠證進行綠電交易，市場背景廣闊。無論是從解決中國能源短缺還是實現“碳中和、碳達峰”角度來看，利用生物質發電對實施可持續發展戰略、促進社會經濟發展都具有重要意義。生物質能屬于可再生能源，且是唯一可以儲存的可再生能源。再加上利用生物質能的過程較為環保，與傳統的燃料相比可大大減少CO2排放。因此，生物質能的應用前景十分樂觀，未來可實現工業化和規模化利用，于我國能源結構優化而言十分有益。發展生物質發電不僅能夠促進經濟發展，還十分環保，其作為一種新的能源供應體系，具有安全、清潔、經濟和穩定的特點。發展生物質發電替代傳統燃料可以顯著減少CO2和NOX等氣體排放，對環境保護而言意義重大。

1 國內生物質發電廠鍋爐的現狀

目前，我國的生物質發電廠鍋爐相關技術已經比較成熟和先進。北京德普新源引進丹麥BWE 公司振動爐排燃燒技術。江西江聯鍋爐公司基于自身技術積累，以生物質燃料為燃料，高低差流化床技術為基礎，開發出具有自主知識產權的鍋爐技術。杭州鍋爐和南通萬達鍋爐在自身技術積累的基礎上，開發出循環流化床鍋爐。

1.1單臺鍋爐容量

查閱國內外大量資料可知，截至目前單臺鍋爐的容量一般為35t/h、75t/h 和130t/h。國外僅有少數幾個生物質發電廠的單臺鍋爐容量為220t/h，但由于現有的技術還不成熟，并未真正利用其生產實際產品。

1.2生物質鍋爐的參數

鍋爐參數少數采用中溫次高壓，多數為高溫高壓。

1.3通過統計分析國內外生物質發電廠鍋爐的實際運行情況，目前光大綠色環保投運的生物質發電項目鍋爐主要類型包括水冷振動爐排、循環流化床以及高低差速流化床等。具體見表1。

表1 主要爐型介紹

2 生物質電站鍋爐特點

2.1爐排層燃生物質鍋爐技術

概念：爐排層燃是指將生物質燃料鋪設在爐排上進行分層燃燒。

優點：該技術的優點包括燃燒穩定、煙塵排放濃度低、操作便捷、勞動強度低、對燃料粒度要求較低等。

應用：①爐排層燃燒爐膛更加適用于大塊狀生物質或燃料顆粒，較小的生物質顆粒不適宜該技術，可能面臨懸浮燃燒的不利局面。②若用于燃燒的生物質含水量較高，那么為了縮短干燥時間，提升燃燒質量，必須嚴格控制干燥環境，科學合理確定干燥時間和干燥溫度。③生物質燃料灰分較低，燃燒后期只有較少殘余灰留在爐排上，對爐排片極易造成損傷，基于這種情況，制作爐排時應選用耐高溫、耐腐蝕、耐熱的合金鋼，并同時采取必要的冷卻爐排措施。④生物質燃料具有高揮發性，因此與燃煤鍋爐相比，需要更大的爐膛空間。因此在實際利用鍋爐進行生物質發電時，出于安全的角度考慮，必須要科學合理選用爐膛結構，否則極易引發安全事故。

2.2懸浮爐（旋風爐）生物質燃燒技術

概念：小型、干燥的生物質燃料在爐內進行懸浮燃燒。

優點：該技術的燃燒優點是由于燃燒面積大，能夠使生物質燃料更充分燃燒，燃燒效率更高。

應用：①對生物質燃料的含水量存在一定要求，若燃料的含水量過高，選用該技術不僅無法充分發揮燃料的價值，燃料的穩定性也較差，且在燃燒過程中還會產生大量煙霧，客觀上增加了排煙工作，因此，該技術僅適用于含水量低的生物質燃料。②該技術燃燒期間對護理工作要求較高，只有加強相關參數的監測，同時做好相應的保護措施，才能避免意外事故發生。③一次風量必須充足，唯有如此才能確保其充分燃燒。④科學控制生物質熱風量的輸送，過大或者過小都不利于燃燒的充分燃燒。⑤在混合燃燒中若采用的是樹皮等難以燃燒的生物質燃燒，可能會增加飛灰中碳的含量，對此應加強重視，及時采取應對之法。⑥在實踐中一般會將懸浮燃燒技術和爐排爐燃燒技術結合起來使用，如此既使得生物質優良的燃燒特性的價值得以充分發揮，還能夠減少NOX排放。

2.3生物質流化床鍋爐技術

概念：在流化床中，空氣和燃料混合燃燒。該技術是目前生物質發展中最有前景的，同時也是最高效的。

優點：該技術的優點主要體現在三個方面，一是燃燒穩定；二是燃燒效率高；三是燃燒期間污染物排放較少。

應用：①該技術較為適用于含水量低的生物質燃料，反之，若選用的生物質燃料含水量過高，則不適宜選用該技術。②該技術對燃料的密度和尺寸有一定要求，只有燃料的密度和尺寸在規定標準的范圍內，才能真正形成流化狀態，將生物質流化床鍋爐技術的價值充分發揮出來。反之，若密度和尺寸不符合規范標準，不僅無法發揮該技術優勢，還可能對燃燒質量造成負面影響。③與其他技術相比，生物質流化床鍋爐技術的一大優勢是燃料適應范圍更廣。④若選用的生物質燃料容易結渣和結焦，則禁止使用含硅量高的床料。⑤生物質在高溫旋風分離器中容易發生二次燃燒，導致旋風分離器結焦，影響分離和燃燒效率。因此，不建議使用高溫分離器。建議采用低溫分離，中溫燃燒，既可保證燃燒效率又可以保證環保參數可控。

3 以光大綠色環保某生物質項目為例簡介

光大綠色環保某生物質鍋爐采用德普新源DHZ-130/9.2-T 水冷振動爐排爐，生物質汽輪機發電機采用青島捷能N30-8.83/535-2 純凝汽輪發電機組。其生物質機組于2017 年12 月25 日完成72+24 小時試運行，2018 年12 月生物質汽輪機進行為期12 天B 級檢修，進行鍋爐給料機改造、水冷套更換、鍋爐管排熔敷、輸灰系統技改工作。2019 年01 月01 日至12 月15 日，生物質機組完成發電量24571.32 萬kWh，上網電量22897.67 萬kWh，廠用電率6.81%，原桿單耗1181.68g/kWh，補水率1.05%，年機組利用小時數8190 小時（預計全年8300 小時）。

其生物質鍋爐在項目運行期間，常常面臨各類生物質發電鍋爐問題，影響其正常運行，主要表現在生物質發電鍋爐的鍋爐熱效率低、沉積腐蝕、鍋爐高溫腐蝕和NOX的排放等方面，下文將重點分析生物質發電鍋爐存在問題及相應的處理措施，以便合理開發和利用生物質能，優化能源結構，并響應國家節能減排政策，助力經濟發展。

4 以上生物質項目存在問題及解決方法

4.1鍋爐熱效率低問題及解決措施

為了提高生物質燃料鍋爐的燃燒效率和熱效率，有必要根據生物質燃料的特性設計合理的爐膛結構，確定合適的空氣分配方法和參數，從而使燃料得以充分燃燒，并不對環境造成負面影響。通過干燥將燃料水分含量為50wt%降至30wt%、將煙氣中的O2含量降低1.0%、燃燒中降低灰分中的含碳量從10.0wt%至5.0wt%等措施均可以不同程度上影響直燃鍋爐熱效率，具體影響如表2 所示。

表2 各種措施對生物質直燃鍋爐熱效率的影響

分析表2 各種措施對生物質直燃鍋爐熱效率的影響可以發現，與傳統燃燒裝置相比，尾部煙氣冷凝最能夠實現潛在的熱效率提高。同時，在多數情況下，如果可以低成本或免費獲得預熱空氣，生物質干燥是經濟的（如太陽能空氣收集器、利用煙氣余熱和給水加熱預熱空氣）。通過自然對流干燥生物是不經濟的，大多數情況因為生物降解造成的干物質損失（每月1%-2%）高于考慮室外晾曬時獲得的效率增加。

4.2沉積腐蝕問題及解決措施

生物質含有較高的堿金屬和氯，在燃燒過程中容易導致沉積物腐蝕。除此之外，硅和硫等元素也會一定程度上影響沉積。查閱大量資料發現，很多學者都對沉積腐蝕相關問題及解決措施進行過研究，總結下來可知，燃燒溫度、堿金屬和氯含量、燃料顆粒密度等對沉積腐蝕均存在不同程度的影響，為避免和解決沉積腐蝕問題，應對這些因素加強重視。具體來說：在原料預處理上就加強重視，做好沉積腐蝕的防止工作，將燃料中的氯和堿金屬去除。此外，還可以采取必要的防腐措施，比如涂抹防腐材料等。

4.3鍋爐高溫腐蝕原因分析及控制要點

4.3.1腐蝕原因

①燃料中鉀、鈉、氯等無機物含量較高，燃燒過程中，形成氣相堿金屬氯化物，沉積在高溫受熱面管壁上，與金屬表層的氧化膜發生氧化還原反應。②生物質灰灰熔點較低，黏度較高，沉積增長得很快。③腐蝕速度隨著溫度的升高而加劇，氯元素影響很大。

4.3.2控制要點

鍋爐高溫腐蝕控制要點措施主要分為兩方面，即主動防護措施和被動防護措施，見圖1、圖2。

圖1 主動防護措施

圖2 被動防護措施

堆焊合金Inconel625 是有效的防止鍋爐高溫腐蝕的材料，具有優良的耐腐蝕和抗氧化性能，良好的加工性和焊接性，無焊后開裂敏感性，可有效地提升鍋爐設備的抗腐蝕能力。因此，堆焊合金Inconel625 常用來解決鍋爐高溫腐蝕問題，并且經實踐驗證，堆焊合金Inconel625 確實具備出色的抗腐蝕能力，在解決鍋爐高溫腐蝕問題方面確實可行。

4.4NOX的排放問題及解決措施

在生物質燃料燃燒過程中，影響NOX排放的因素主要有燃燒溫度、NOX排放規律、空氣系統等，通過改變上述因素的參數可以不同程度上影響NOX的排放。為了減少生物質燃料燃燒過程中產生的NOX排放，應優化鍋爐設計，增加爐膛容積，合理控制燃燒溫度，降低過剩空氣系數，用低溫煙氣代替二次風等方法，有效降低NOX排放（生物質直燃項目排放標準如表3 所示）。

表3 生物質直燃項目排放標準

根據氮氧化物形成機理，說明氧量對氮氧化物形成影響較大，而燃料型氮氧化物占總生成量80%以上，目前調整氮氧化物手段單一，我們目前只能通過以下幾種手段來調節氮氧化物：①增加氨水和次氯酸鈉來進行調節，對氮氧化物進行控制；②改變燃料品種，減少含氮、硫元素種類燃料入爐；③降低機組負荷，減少氮氧化物合成總量；④降低氧量來進行控制氮氧化物。前面3 種為在實踐項目中較為常見的調整手段和方法，可調節手段較為被動，并且嚴重影響機組負荷和機組運行周期，使公司效益受到嚴重損失。第4 種方法通過控制氧量來控制氮氧化物合成，只能減少通過風量來控制。目前大部分采用德普新源水冷振動爐排的項目沒有單獨二次風機，一、二次風共用一個母管，二次風門開度稍大，影響一次風量，搶風較為嚴重，二次風開度減小，煙氣在爐膛內的停留時間短，Q2、Q3、Q4 熱損失增加，降低了機組出力，目前二次風在調整中發現，只是提供了較大的風量，而相應的壓頭反而較小，造成必須開大二次風才能控制Q2、Q3、Q4 熱損失減少，同時為了保證鍋爐正常燃燒，必須增加風機開度，增加風量，保證一次風有足夠的風量，同時造成煙氣體積的增加，引風機出力增加，電耗增加。在運行調整中發現，目前煙氣含氧量控制在2%以下，干基含氧量低于2%，煙氣濕度可以維持在25%以上，氮氧化物可以穩定維持在100mg/m3以下，不用通過降低機組負荷和增加環保耗材來降低氮氧化物排放。目前只要能夠通過調整二次風開度，減少二次風量，控制住較多的風量入爐，維持低氧量燃燒，氮氧化物基本在可控范圍之內。

5 結語

隨著社會和經濟的不斷發展，傳統已煤電為主的電力結構弊端逐漸顯露出來，不僅資源越來越少，對環境的不利影響也越來越受到關注。大力發展可再生能源是未來行業的大勢所趨，不僅能夠解決當前的能源短缺問題，還能夠降低對環境的負面影響。而生物質能作為最重要的可再生能源類型，憑借可再生、分布廣、污染低的特點逐漸受到行業的青睞。合理發展生物質能，不僅能夠為經濟發展提供穩定的電力供應，還能夠響應國家節能減排政策，改善能源結構，具有良好的經濟效益和社會效益。