生物质直接燃烧发电技术的探索

金山

(上海浦东环保发展有限公司，上海200127)

生物质直接燃烧发电技术的探索

金山

(上海浦东环保发展有限公司，上海200127)

介绍了生物质直接燃烧发电技术原理及其设备的工作过程，着重讨论了生物质锅炉燃烧过程中的燃料收集和存储、送料堵塞以及受热面结焦等问题，并提出了优化运行和提高锅炉效率的改进措施。

生物质;直燃发电;燃料特性;改进措施

1 概述

我国生物质能资源丰富，特别是在我国许多偏远农村地区，生物质能仍是主要的生活能源，但均是传统的低效利用方式，利用技术水平低，资源浪费严重。生物质能源由于具有资源丰富、可再生且分布地域广、可实现CO2零排放、大气污染物排放少等优点，被认为是21世纪最有前途的绿色可再生能源之一［1－2］。我国《可再生能源中长期发展规划纲要》(2006年－2020年)指出，到2020年我国生物质发电机组装机容量达到30000MW，生物质成型燃料5000万t，将生物质秸秆发电和秸秆成型燃料确定为秸秆能源利用重点技术［3］。利用生物质直接燃烧发电技术建设大型直燃发电厂，单机容量达10～25MW，可将热效率提高到90%以上，规模大、效率高，同时环保效益突出［4－5］。但是生物质直接燃烧发电技术还不成熟，运行优化还有待提高。

本文介绍了生物质直接燃烧发电技术的原理及设备，主要分析了燃烧过程中出现的问题并提出了改进优化运行和提高锅炉效率的措施。

2 国内外的生物质直接燃烧发电项目

2.1 国外的生物质直接燃烧发电项目

目前，丹麦生物质燃烧发电技术先进，且得到了广泛应用。丹麦BWE公司是世界领先者，第一家生物质燃烧发电厂于1998年投运。此后，BWE公司在西欧建造了大量的生物发电厂，其中最大的发电厂是英国的Elyan发电厂，装机容量38MW。目前丹麦已建立了13个生物质燃烧发电厂，生物质燃烧发电等可再生能源占到全国能源消费量的24%以上。许多国家都将生物质燃烧发电技术作为21世纪发展可再生能源战略的重点工程，还制定了相应的计划，如日本的“阳光计划”，美国的“能源农场”，印度的“绿色能源工厂”等。

德国在20世纪80年代提出的控制NOx排放的燃料分级燃烧技术，也可用于生物质－煤粉混烧。试验证明，对于固体和液体燃料，再燃燃料的挥发分越高，则再燃效果越好。在固体燃料中，生物质的挥发分为75%，为最佳再燃燃料。

2.2 国内的生物质直接燃烧发电项目

我国政府对生物质能利用极为重视，已连续四个“五年计划”将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用新技术的研究与开发，并取得了多项科研成果。

2005年12月在山东枣庄的十里泉发电厂建成投产的我国首台“煤粉－秸秆混燃”发电机组，丹麦BWE公司生物质燃烧发电技术，每年将燃用10.50万t秸秆，相当于减少7.56万t原煤消耗，与改造前单纯燃煤发电相比，利用秸秆－煤粉混烧发电技术改造后，每年可减少SO2排放量1.50t，有效减少了有害气体及悬浮颗粒对大气的污染。

2004年我国首个秸秆燃烧发电厂在河北省晋州市开工建设。该发电厂引进丹麦的生物质燃烧发电设备，建成后年发电量为1.20亿(kW·h)，每年可节约煤炭16万t，减少SO2排放量60多t，减少烟尘排放量400 t。

3 生物质直接燃烧发电原理及设备组成

生物质直接燃烧发电技术是将生物质直接送往锅炉中燃烧，产生的高温、高压蒸汽推动蒸汽轮机做功，最后带动发电机产生清洁高效的电能。

目前国内的生物质发电项目，炉型基本上以水冷振动炉排炉为主。生物质锅炉燃烧设备与常规燃煤锅炉有较大的区别，它是由给料机、炉膛、水冷振动炉排、一二次风管、抛料机等设备组成。为了防止炉膛正压时出现回火现象，一般在给料机出口处安装有防火快速门，而且在全部给料系统内设有多处密封门、消防安全挡板和消防水喷淋设施。炉排多为振动炉排，振动炉排动作较小，活动时间短，设备的可靠性和自动化水平高，维护量远远小于往复式炉排及链条式炉排。空气预热器与燃煤电厂不同，它是一个独立的系统。给水在送往省煤器之前，设置一条旁路流经空气预热器和烟气冷却器进行热交换。流经空气预热器时冷空气被给水加热，给水被冷却;流经烟气冷却器时给水被加热，烟气被冷却。其他系统和设备与同规模的燃煤电厂相似。另外，由于生物质中N和S元素含量较少，无需配备脱硫装置。

3.1 生物质直接燃烧过程

生物质直接燃烧发电厂的原料经过破碎、分选等预处理后放到原料储存仓，然后由输送装置送到给料机，然后送进炉排，在炉膛内开始燃烧，燃料的化学能转变成烟气的热能。烟气经炉膛进入水平烟道和尾部烟道，在流动过程中完成换热过程。

3.2 余热锅炉的烟风道系统

送风机将冷空气送入空气预热器中，加热后的空气分为两路，一路(二次风)直接送入炉膛，主要用来混合、扰动和强化燃烧，另一路(一次风)进入炉底一次风斗，经水冷振动炉排上方布风板上的小孔进入炉膛与燃料混合，提供燃烧需要的氧气。高温烟气在炉膛内主要以辐射换热的方式将热量传递给炉膛四周的水冷壁，在炉膛上部和水平烟道处将热量传递给过热器、省煤器和烟气冷却器，然后流经除尘器将携带的飞灰除去，比较洁净的烟气由引风机送往烟囱排入大气中。

3.3 余热锅炉的汽水系统

锅炉给水由给水泵升压后，送到高压加热器加热，经过空气预热器和烟气冷却器然后送到省煤器中预热，受热后进入汽包。分离后的水沿着下降管送到水冷壁管，吸收辐射热量，部分变为水蒸汽。汽水混合物上升进入汽包进行汽水分离，分离的水留在汽包中又一次下降，蒸汽则经过过热器等加热后变成饱和蒸汽送到汽轮机进行做功。做功后的蒸汽经凝汽器、凝结水泵、低压加热器和除氧器，然后又经过给水泵和高压加热器送进汽包，如此往复循环。

3.4 汽轮发电机系统

生物质直接燃烧发电厂的汽轮机和发电机系统与同规模的常规燃煤电厂的相同，目前较为常用的是高温高压单缸抽凝式汽轮发电机组。

4 存在的问题及改进措施

4.1 生物质直接燃烧过程中存在的问题

(1)燃料的收集及储存问题。我国生物质资源以农林废弃物为主，其特点是资源分散、搜集运输较困难、季节性强、原料供应稳定性差。并且品种多样，不同的生物质燃料的各种成分含量不同，这要求锅炉的上料系统具有对燃料种类、粒度有较广泛的适应性。生物质燃料的密度较小，存储堆放场地要求较大，而且还要进行防雨、防潮和防火设施建设，维护费用较大［6］。

(2)进料及上料问题。生物质质地松软，密度小，发热量低，因此生物质燃料的体积消耗量要比同规模燃煤电厂大很多，生物质直接燃烧发电厂需要更大的上料系统［7］。另外由于生物质燃料种类很多，而且长时间堆放后容易吸水受潮，导致混和上料的时候，容易出现缠结堵料，不均匀，从而导致锅炉的燃烧不稳定。

(3)受热面的结焦腐蚀问题。由于生物质灰中的碱金属及氯的含量高，燃烧过程中会产生大量的碱性物质，具有较高的腐蚀性。由于飞灰的熔点低，因此受热面又很易结焦。

(4)燃烧不稳定问题。生物质燃料的水分和氧量含量较多，热值较低，在相同锅炉出力的情况下，烟气量较大，燃烧稳定性差，灰渣含碳量高，进而导致主要辅机故障率和能耗较高、燃烧效率低。

4.2 针对生物质燃烧过程中产生问题的改进措施

(1)燃料输送系统的优化。燃料输送系统和锅炉给料系统环节较多，工艺复杂，另外由于生物质燃料种类很多，混和上料的时候，容易出现输料螺旋和斗式提升机经常堵塞的现象。可改进现有的给料工艺减少给料环节，不采用斗式提升机，改用栈桥、皮带，直接将料仓的料输送到炉前料仓。同时严格控制燃料湿度和粒度，防止燃料结团，并改进自动化控制手段，保证输料系统稳定运行［8］。

(2)受热面及吹灰系统的优化。生物质燃料具有高氯、高碱、灰熔点低等特点，燃烧时比燃煤电厂更易发生结焦、腐蚀，从而影响过热蒸汽的产量以及锅炉性能。措施:一是可以改进低压烟气冷却器鳍片式紧凑结构，采用光管烟气冷却器可以减轻积灰;二是在过热器、再热器等换热面的吹灰设备控制系统应进行优化，选择最优的吹灰时间，以减少换热面结焦和提高锅炉效率。

(3)生物质燃料检测。由于生物质燃料中含有较多的水分，在生物质燃料进厂前，应采用人工或在线检测的方法测定燃料中的水分含量，确保在运行过程中设定合适的一、二次风量。

(4)燃烧过程中的优化调整。针对生物质直接燃烧发电厂的锅炉，设计燃烧调整试验，分析一次风、二次风和燃料性质等因素对燃烧工况的影响，得到典型工况点下最佳的一、二次风量比以及配风方式，从而降低锅炉不完全燃烧损失和排烟损失，提高锅炉效率［9］。

(5)煤与生物质混合燃烧。煤与生物质混合燃烧技术简单，投资和运行费用低，此外，生物质相对较便宜，对燃煤电厂而言还可增加燃料的选择范围和燃料适应性，降低燃料成本。煤粉燃烧发电效率高，可达35%以上，生物质燃烧低硫低氮，在与煤粉混合燃烧时可以降低电厂的SOx和NOx排放［10］。煤与生物质混合燃烧，为现役电厂提供一种快速而低成本的生物质发电技术，是一种廉价而低风险的可利用再生能源的发电技术。

5 建设生物质燃烧发电厂急需解决的问题

目前，生物质燃烧发电项目普遍存在的较大问题就是原料收集难问题，据统计，江苏省已建成投运的13家生物质发电厂，出现了家家亏损的局面。

生物质燃料的收购工作有其特殊性，可以采用以下方式取得当地政府的支持:与政府签定生物质收购合作协议，根据总收购量给予政府一定金额的组织管理费用补贴。政府可以在以下方面对生物质燃料收购工作进行支持:采取相关措施，全面禁止生物质燃料在田间焚烧;采取必要措施，禁止境内生物质资源外流;全力协调周边的交通运输部门，确保生物质燃料的运输工作正常进行;利用当地媒体及行政手段积极大力宣传生物质燃料收购工作，引导当地群众积极参与收购工作;在不影响当地农民收入的情况下，积极引导农民收集生物质燃料，使我们项目有可靠的燃料供应;为能及时有效协调生物质燃料收购工作过程中各种问题，可成立燃料收购联合协调办公室。

综上，探索经济高效的生物质燃烧和优化技术以及促进建立生物质燃料收集、预处理和配送体系是亟待解决的问题。生物质具有可再生性、环境友好性，推广及发展生物质能利用及燃烧发电技术对于我国的能源可持续发展具有重要的意义。

［1］郝卫东，胡志宏，周新刚，等.130t/h生物质直燃锅炉性能试验［J］.华东电力，2009，37(1):176－179.

［2］卫银忠.新能源发电技术简述［J］.江苏电机工程，2009，28(增刊):11－13.

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［4］杨勇平，董长青，张俊姣，等.生物质发电技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［5］吴创之，周肇秋，马隆龙，等.生物质发电技术分析比较［J］.可再生能源，2008，26(3):34－37.

［6］林永明，潘峰，王正峰.生物质发电燃烧方式与炉型选择［J］.广西电力，2009，(1):5－8.

［7］张民，袁洁.国能威县生物发电公司130t/h生物质发电锅炉给料系统改造［J］.科技信息，2009，(5):333－335.

［8］王志凯，王乐，徐征，等.生物质能发电厂综合自动控制技术探讨［J］.自动化信息，2009，(9):32－35.

［9］李永华，胡小翠，仉国民，等.生物质电厂锅炉燃烧调整试验研究［J］.锅炉技术，2008，39(4):5－9.

［10］陆智，李双江，郑威生物质发电技术发展探讨［J］.能源与环境，2009，(6):59－61.

Exploration of biomass direct combustion technology

The biomass direct combustion power generation technology and its equipment working process are discussed and analyxed.It focused on the biomass boiler combustion process fuel collection and storage，feed blockage and heating surface coking and other issues.Some improvements to optimize operations and improve boiler efficiency are put forward.

biomass;direct－fired power generation;fuel characteristic;improvements

TK6

B

1674－8069(2015)01－050－03

2014-09-19;

2014-12-05

金山(1982-)，男，硕士，主要从事能源电力及环保工作。E－mail:nissan_sss@163.com