0、前言
我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，僅農(nóng)作物秸桿年產(chǎn)量就達(dá)6億噸以上，是一種巨大的可再生能源。利用生物質(zhì)發(fā)電的技術(shù)有幾種，適合于大規(guī)模利用的一般有直接燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電等。但由于生物質(zhì)能量密度低等特性，單燒生物質(zhì)在處理大量燃料等方面存在著困難，影響其大型化，發(fā)電效率一般也不高。另一種是生物質(zhì)與其它固體燃料混合一起燃燒，即所謂的共燃技術(shù)。利用已建循環(huán)流化床高效燃燒和低污染排放的優(yōu)點(diǎn)摻燒生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)近年來得到了較好的應(yīng)用，某公司于2005年底新上一套生物質(zhì)摻燒系統(tǒng)，并于2006年年初調(diào)試成功并投用。現(xiàn)就生物質(zhì)摻燒有關(guān)技術(shù)問題與大家探討。
1、生物質(zhì)燃料的特性
北京國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心近期對(duì)寶應(yīng)周邊送檢的生物質(zhì)樣品的化驗(yàn)結(jié)果，見表1、表2所示：
表1 生物質(zhì)工業(yè)分析及元素分析
|
收到基 |
麥秸 |
稻草 |
稻殼 |
樹枝 |
樹皮 |
花生殼 |
玉米秸稈 |
棉花桿 |
|
全水% |
7.8 |
11.6 |
9.4 |
12.3 |
19.8 |
10.5 |
9.5 |
13.4 |
|
灰分% |
5.7 |
14.10 |
13.32 |
1.98 |
5.16 |
3.15 |
4.01 |
3.20 |
|
揮發(fā)分% |
69.11 |
59.50 |
61.27 |
69.78 |
58.44 |
67.17 |
70.31 |
65.17 |
|
固定碳% |
17.38 |
14.80 |
16.01 |
15.94 |
16.76 |
19.18 |
16.18 |
18.23 |
|
地位發(fā)熱量% |
15.41 |
13.12 |
14.58 |
16.16 |
13.31 |
16.74 |
15.94 |
15.01 |
|
全硫% |
0.21 |
0.14 |
0.07 |
0.05 |
0.08 |
0.06 |
0.11 |
0.09 |
|
碳% |
41.09 |
35.78 |
38.18 |
43.35 |
37.92 |
44.47 |
42.86 |
41.08 |
|
氫% |
5.13 |
4.66 |
4.69 |
5.19 |
4.39 |
5.11 |
5.27 |
5.01 |
|
氮% |
0.44 |
0.94 |
0.447 |
0.61 |
0.78 |
0.71 |
0.76 |
0.62 |
|
氧% |
39.63 |
32.78 |
33.86 |
36.52 |
31.81 |
36.01 |
37.49 |
36.59 |
|
氯% |
1.043 |
0.581 |
0.189 |
0.046 |
0.026 |
0.091 |
0.187 |
0.253 |
從上表可以看出，生物質(zhì)在組成和特性因種類、產(chǎn)地、氣候及生產(chǎn)過程等變化很大，但仍具有許多共性，主要體現(xiàn)在以下方面：
a)工業(yè)分析：送檢樣水分均較低，但實(shí)際堆放過程中受天氣及處理過程的影響較大，實(shí)際水分會(huì)較大。從我公司實(shí)際運(yùn)行情況看，水分有時(shí)會(huì)在30%左右。生物質(zhì)的灰分一般很低，除稻草及稻殼略高外，其余均在6%以下；生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較高，應(yīng)用基揮發(fā)分一般在60～80%之間；固定碳一般在10～20%之間。
b)元素分析：生物質(zhì)應(yīng)用基含碳量一般在40%左右，氧量含量比較高，一般在35%左右，氫含量在5%左右，硫含量在0.05 -0.2之間。相對(duì)煤炭而言，生物質(zhì)古硫量較低，因此生物質(zhì)是低硫燃料，是一種低污染能源。
c)灰成分分析：據(jù)專家介紹，生物質(zhì)灰成分中堿金屬及氯在燃燒過程中有引起受熱面結(jié)渣、積灰及腐蝕的傾向。
d)發(fā)熱量及堆積密度：生物質(zhì)收到基低位發(fā)熱量一般在13 - 16MJ/kg之間，與設(shè)計(jì)煤種20. 31Mj/kg相比，發(fā)熱量低得多。此外生物質(zhì)堆積密度較小，一般為125kg/m3左右，平均僅為煤的1/8。因此生物質(zhì)的能量密度（即單位體積的發(fā)熱量）比煤低得多，約為煤的1/10。
e)燃燒特性：生物質(zhì)本身揮發(fā)分很高，而循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)蓄熱量很大，溫度較高，因此生物質(zhì)在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒相當(dāng)快。
2．循環(huán)流化床鍋爐共燃生物質(zhì)的技術(shù)特點(diǎn)
2.1共燃生物質(zhì)的實(shí)施技術(shù)
現(xiàn)役循環(huán)流化床鍋爐摻燒生物質(zhì)方式有多種，技術(shù)難易程度不一，我公司已實(shí)踐的方式主要如下：
a)在干煤棚直接與煤混合，再一起利用上煤系統(tǒng)送人原煤倉，與燃煤一起送人爐膛燃燒。
b)利用氣力輸送將粉碎后的生物質(zhì)噴人爐膛進(jìn)行燃燒。
c)利用壓縮成型技術(shù)將生物質(zhì)原料壓縮成塊狀或顆粒狀，然后與燃煤混合，送人原煤倉，與燃煤一起送入爐膛燃燒。
d)采用專門的破碎設(shè)備將生物質(zhì)進(jìn)行切割或粉碎，然后利用專門的輸送設(shè)備將生物質(zhì)輸送到爐前某落煤管，并利用輸送風(fēng)送入爐膛進(jìn)行燃燒。
第一種方式相對(duì)簡(jiǎn)單，無需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行改造，但由于生物質(zhì)能量密度很低，鍋爐原煤倉一次性補(bǔ)完倉后，很快煤倉內(nèi)燃煤會(huì)耗盡，又必須進(jìn)行補(bǔ)倉。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)按10%重量比進(jìn)行摻燒，上煤人員原一天只需補(bǔ)倉三次，摻燒生物質(zhì)后一天需補(bǔ)倉六次，且補(bǔ)倉時(shí)間加長(zhǎng)。此運(yùn)行方式缺點(diǎn)主要有二，一是上煤時(shí)間加長(zhǎng)，上煤設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于我公司單皮帶運(yùn)行方式極不利，設(shè)備易出故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響全廠出力，二是此摻燒方式摻配不均，造成鍋爐運(yùn)行工況極不穩(wěn)定，運(yùn)行參數(shù)不易控制。
第二種方式我公司做過嘗試，未能成功，主要原因出在：風(fēng)機(jī)加料口設(shè)計(jì)不合理，所選風(fēng)機(jī)出力不夠，風(fēng)機(jī)壓頭偏小，管道偏細(xì)，風(fēng)壓衰減很快，無法克服爐內(nèi)壓力將料送入爐內(nèi)。
第三種方式我公司進(jìn)行多次考察及進(jìn)行相關(guān)經(jīng)濟(jì)性比較，結(jié)論如下：采用壓縮成型技術(shù)可以加大生物質(zhì)摻燒量，可采用與煤一起摻配人爐，摻燒方式可簡(jiǎn)單化，但壓縮技術(shù)設(shè)備投資較大，一套5t/h加工線投資將近150方元，且設(shè)備能耗較大，總?cè)萘窟_(dá)200KW，生產(chǎn)成本較高，經(jīng)測(cè)算加工一噸生物質(zhì)成本達(dá)30～40元。此方案投資成本及運(yùn)行成本均較大，在目前無明顯優(yōu)惠政策的前提下不易采用。
第四種方式需要安裝單獨(dú)的生物質(zhì)制料及輸送系統(tǒng)，設(shè)備投資等費(fèi)用顯著提高，但其可以提高生物質(zhì)的摻燒量，上料比較穩(wěn)定，對(duì)鍋爐運(yùn)行工況影響不大，且運(yùn)行成本不高，在當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)價(jià)格相對(duì)煤炭較低的情況下可使用。目前我公司所上系統(tǒng)即為此方式，并取得了空前的成功。
2.2共燃生物質(zhì)的相關(guān)技術(shù)問題
2. 2.1生物質(zhì)燃料的制備和儲(chǔ)存
由于生物質(zhì)燃料具有低能量密度、部分生物質(zhì)水分含量高且具有強(qiáng)烈的親水性以及纖維柔軟韌性材料等特性，因此對(duì)其運(yùn)輸、儲(chǔ)存和制備影響較大。生物質(zhì)的能量密度約為煤的1/10．這意味著當(dāng)按熱量計(jì)共燒IO%生物質(zhì)時(shí)，其體積和煤的體積相當(dāng)；生物質(zhì)是韌性纖維材料，不易破碎，但對(duì)循不流化床來講，只要將破碎至50mm以下即可摻燒。我公司選用BX216型鼓式削片機(jī)用來切削枝丫材、樹皮、硬質(zhì)秸桿等，此類型削片機(jī)對(duì)切削枝丫材性能極佳，破碎效果好，出料粒度可控制在50mm之下，對(duì)切削樹皮性能受到樹皮特性影響，雖然能切削，但由于樹皮纖維韌性較大，切削后易成團(tuán)，但根據(jù)實(shí)際摻燒情況，對(duì)輸送、燃燒基本無影響。由于循環(huán)流化床對(duì)燃料顆粒度要求控制在13mm以下，生物質(zhì)破碎至50mm以下，摻燒對(duì)循環(huán)流床燃燒無任何不利影響。由于生物質(zhì)具有強(qiáng)烈的親水性，生物質(zhì)儲(chǔ)存必須建專有的儲(chǔ)存廠房及中轉(zhuǎn)廠房，目前我公司在廠區(qū)內(nèi)新建一座800mz生物質(zhì)專用儲(chǔ)存廠房，用來儲(chǔ)存、加工生物質(zhì)原料，
2. 2.2生物質(zhì)燃料的輸送
由于生物質(zhì)原料體積膨松，堆積密度為125kg/m3左右，且原料含大量的粉塵，經(jīng)討論輸送設(shè)備傾向于使用皮帶輸送或埋刮板輸送，并對(duì)這兩種運(yùn)輸設(shè)備性能、價(jià)格等進(jìn)行了比較，見表4
經(jīng)綜合考慮，輸送設(shè)備以埋刮板輸送機(jī)為主。主要原因：刮板輸送機(jī)全密封輸送，輸送量較大，滿足衛(wèi)生要求，安裝空間要求較小，最主要目的爐內(nèi)煙氣反竄不會(huì)燒損設(shè)備。另為了滿足計(jì)量的需求，輸送系統(tǒng)第一條輸送機(jī)選用皮帶輸送機(jī)。設(shè)備具體選型如下：皮帶輸送機(jī)選用TD - 800mm，輸送量100 m
3／h，可變頻調(diào)速控制輸送量，并在皮帶裝有除鐵器，主刮板輸送機(jī)選用RMS50型，輸送量90 m
3／h，二臺(tái)爐前刮板輸送機(jī)選用RMS40型，輸送量為50 m
3／h。
2.2.3生物質(zhì)人爐問題
人爐部分采用正壓稀相氣力輸送，物料由#1及#2刮板輸送機(jī)落料口落下，經(jīng)過一道閘板門和一個(gè)膨脹節(jié)，由輸送風(fēng)送人# 管管后播散人爐膛。并人爐落料管上裝有壓力傳感器、溫度傳感器，將此處的壓力溫度信號(hào)送入DCS系統(tǒng)，以便于運(yùn)行監(jiān)視控制。
采用氣體送料的目的有兩個(gè)，第一：防止?fàn)t內(nèi)熱煙氣上竄使物料在刮板機(jī)內(nèi)著火，起到密封作用；第二：防止物料在落料口和落煤管交接處棚料，起到協(xié)助輸送作用。
在調(diào)試期間，由于輸送風(fēng)設(shè)計(jì)不合理，無法克服爐內(nèi)正壓，煙氣反竄，生物質(zhì)原料無法落人并反竄卡死刮板主動(dòng)輪并引起跳閘。后參照FW公司循環(huán)流化床給煤點(diǎn)空氣促動(dòng)器結(jié)構(gòu)對(duì)輸送風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，為保證輸送風(fēng)足夠的壓頭，輸送風(fēng)從一次風(fēng)機(jī)出口引接，主管道直徑采用Ø219，在進(jìn)入輸送風(fēng)裝置前變徑為+108，提高了輸送風(fēng)裝置的風(fēng)量及風(fēng)壓，防止了摻燒時(shí)高溫?zé)煔夥锤Z，并有助于將燃料“推”入爐膛，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如右圖。通過不斷摸索調(diào)整，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基本正常，無煙氣反竄，下料順暢，
2. 2.4結(jié)渣和積灰
與煤相比，生物質(zhì)灰中堿性成分(特別是堿金屬K)含量很高，且主要以活性成分的方式存在，在火焰中易揮發(fā)出來而后凝結(jié)在受熱面上形成結(jié)渣和積灰。國(guó)外的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，草本生物質(zhì)灰分中K和CL含量較高，當(dāng)摻燒比例較大時(shí)，有引起鍋爐積灰及相應(yīng)腐蝕的趨勢(shì)；燃燒木本生物質(zhì)時(shí)一般不會(huì)引起積灰，這是因?yàn)檫@類生物質(zhì)一般Ca含量較高而K和CL含量相對(duì)較低。
2. 2.5污染物排放
由于生物質(zhì)的含硫量和含氮量較低，且循環(huán)流化床采用低溫燃燒技術(shù)，因此SO2和NO，的排放量亦較低。另由于我公司采用四電場(chǎng)靜電除塵，煙氣粉塵排放量也可控制在合格范圍之內(nèi)。
2. 2.6腐蝕問題
生物質(zhì)中氯和堿金屬含量比煤灰中高得多，它們?cè)谌紵^程中揮發(fā)出來，在煙氣中生成氯化物而凝結(jié)在受熱面上，有引起受熱面金屬腐蝕的傾向。因此在摻燒生物質(zhì)時(shí)，金屬腐蝕需加強(qiáng)關(guān)注，特別是停爐檢修時(shí)應(yīng)對(duì)受熱面全面檢查，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)采取相應(yīng)的措施。
2.3摻燒比例
常用的摻燒比例有質(zhì)量配比和熱量配比兩種。通常生物質(zhì)的發(fā)熱量約為煤的一半，因此，熱量配比的數(shù)值約為質(zhì)量配比的一半。摻燒比例是共燃生物質(zhì)時(shí)最重要的技術(shù)參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，該比例的確定需綜合考慮燃料特性、鍋爐特性等。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，熱量配比達(dá)10%時(shí)，共燃技術(shù)可充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可能出現(xiàn)的技術(shù)問題均在運(yùn)行可控制的范圍內(nèi)。因摻燒比例高所引起的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的增加也可由共燃的收益得到補(bǔ)償，對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。目前我公司的摻燒比例可達(dá)30%（熱值比），但由于原料供應(yīng)不上，實(shí)際日摻燒量只能達(dá)100噸左右，隨著生物質(zhì)原料價(jià)格的調(diào)整，生物質(zhì)原料量將不斷上漲。
3、結(jié)束語
生物質(zhì)是低硫、低氮、具有良好的著火燃燒性能的燃料，并且為可再生資源。在與循環(huán)流化床共燃時(shí)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用均較適中。摻燒量可以達(dá)到30%及以上（熱值比），運(yùn)行各參數(shù)均在可控范圍之內(nèi)。由于摻燒比例較大，可能會(huì)引起一些技術(shù)問題，主要表現(xiàn)在金屬堿腐蝕及氯腐蝕，通過加強(qiáng)每次檢修中的檢查并采取相關(guān)預(yù)防措施得以減緩。循環(huán)流化床鍋爐摻燒30%（熱值比）生物質(zhì)是可能的，技術(shù)上是可行的，我公司已從實(shí)踐上予以證明。因此，循環(huán)流化床生物質(zhì)共燃技術(shù)是適合我國(guó)國(guó)情的技術(shù)，值得在我國(guó)大規(guī)模推廣和應(yīng)用。
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