生物质发电锅炉存在问题及处理措施分析

喻兵YU Bing

（光大城乡再生能源（钟祥）有限公司，钟祥 431900）

0 引言

随着国家和社会的发展，我国对新能源和可再生能源的关注越来越高，发展目标也同过去相比有了较大变化，尤其是生物质能技术发展逐渐引起重视，中央和地方政府均制定了一系列的优惠措施发展生物质能技术。有资料显示，我国多个省份都发布了相关政策，要求必须关闭全部的小型燃煤机组。提倡发展生物质，通过使用生物质，不仅可以发电和供暖，而且还是绿电，国家会对每度电有一定的可再生能源补贴或发放绿证进行绿电交易，市场背景广阔。无论是从解决中国能源短缺还是实现“碳中和、碳达峰”角度来看，利用生物质发电对实施可持续发展战略、促进社会经济发展都具有重要意义。生物质能属于可再生能源，且是唯一可以储存的可再生能源。再加上利用生物质能的过程较为环保，与传统的燃料相比可大大减少CO2排放。因此，生物质能的应用前景十分乐观，未来可实现工业化和规模化利用，于我国能源结构优化而言十分有益。发展生物质发电不仅能够促进经济发展，还十分环保，其作为一种新的能源供应体系，具有安全、清洁、经济和稳定的特点。发展生物质发电替代传统燃料可以显著减少CO2和NOX等气体排放，对环境保护而言意义重大。

1 国内生物质发电厂锅炉的现状

目前，我国的生物质发电厂锅炉相关技术已经比较成熟和先进。北京德普新源引进丹麦BWE 公司振动炉排燃烧技术。江西江联锅炉公司基于自身技术积累，以生物质燃料为燃料，高低差流化床技术为基础，开发出具有自主知识产权的锅炉技术。杭州锅炉和南通万达锅炉在自身技术积累的基础上，开发出循环流化床锅炉。

1.1单台锅炉容量

查阅国内外大量资料可知，截至目前单台锅炉的容量一般为35t/h、75t/h 和130t/h。国外仅有少数几个生物质发电厂的单台锅炉容量为220t/h，但由于现有的技术还不成熟，并未真正利用其生产实际产品。

1.2生物质锅炉的参数

锅炉参数少数采用中温次高压，多数为高温高压。

1.3通过统计分析国内外生物质发电厂锅炉的实际运行情况，目前光大绿色环保投运的生物质发电项目锅炉主要类型包括水冷振动炉排、循环流化床以及高低差速流化床等。具体见表1。

表1 主要炉型介绍

2 生物质电站锅炉特点

2.1炉排层燃生物质锅炉技术

概念：炉排层燃是指将生物质燃料铺设在炉排上进行分层燃烧。

优点：该技术的优点包括燃烧稳定、烟尘排放浓度低、操作便捷、劳动强度低、对燃料粒度要求较低等。

应用：①炉排层燃烧炉膛更加适用于大块状生物质或燃料颗粒，较小的生物质颗粒不适宜该技术，可能面临悬浮燃烧的不利局面。②若用于燃烧的生物质含水量较高，那么为了缩短干燥时间，提升燃烧质量，必须严格控制干燥环境，科学合理确定干燥时间和干燥温度。③生物质燃料灰分较低，燃烧后期只有较少残余灰留在炉排上，对炉排片极易造成损伤，基于这种情况，制作炉排时应选用耐高温、耐腐蚀、耐热的合金钢，并同时采取必要的冷却炉排措施。④生物质燃料具有高挥发性，因此与燃煤锅炉相比，需要更大的炉膛空间。因此在实际利用锅炉进行生物质发电时，出于安全的角度考虑，必须要科学合理选用炉膛结构，否则极易引发安全事故。

2.2悬浮炉（旋风炉）生物质燃烧技术

概念：小型、干燥的生物质燃料在炉内进行悬浮燃烧。

优点：该技术的燃烧优点是由于燃烧面积大，能够使生物质燃料更充分燃烧，燃烧效率更高。

应用：①对生物质燃料的含水量存在一定要求，若燃料的含水量过高，选用该技术不仅无法充分发挥燃料的价值，燃料的稳定性也较差，且在燃烧过程中还会产生大量烟雾，客观上增加了排烟工作，因此，该技术仅适用于含水量低的生物质燃料。②该技术燃烧期间对护理工作要求较高，只有加强相关参数的监测，同时做好相应的保护措施，才能避免意外事故发生。③一次风量必须充足，唯有如此才能确保其充分燃烧。④科学控制生物质热风量的输送，过大或者过小都不利于燃烧的充分燃烧。⑤在混合燃烧中若采用的是树皮等难以燃烧的生物质燃烧，可能会增加飞灰中碳的含量，对此应加强重视，及时采取应对之法。⑥在实践中一般会将悬浮燃烧技术和炉排炉燃烧技术结合起来使用，如此既使得生物质优良的燃烧特性的价值得以充分发挥，还能够减少NOX排放。

2.3生物质流化床锅炉技术

概念：在流化床中，空气和燃料混合燃烧。该技术是目前生物质发展中最有前景的，同时也是最高效的。

优点：该技术的优点主要体现在三个方面，一是燃烧稳定；二是燃烧效率高；三是燃烧期间污染物排放较少。

应用：①该技术较为适用于含水量低的生物质燃料，反之，若选用的生物质燃料含水量过高，则不适宜选用该技术。②该技术对燃料的密度和尺寸有一定要求，只有燃料的密度和尺寸在规定标准的范围内，才能真正形成流化状态，将生物质流化床锅炉技术的价值充分发挥出来。反之，若密度和尺寸不符合规范标准，不仅无法发挥该技术优势，还可能对燃烧质量造成负面影响。③与其他技术相比，生物质流化床锅炉技术的一大优势是燃料适应范围更广。④若选用的生物质燃料容易结渣和结焦，则禁止使用含硅量高的床料。⑤生物质在高温旋风分离器中容易发生二次燃烧，导致旋风分离器结焦，影响分离和燃烧效率。因此，不建议使用高温分离器。建议采用低温分离，中温燃烧，既可保证燃烧效率又可以保证环保参数可控。

3 以光大绿色环保某生物质项目为例简介

光大绿色环保某生物质锅炉采用德普新源DHZ-130/9.2-T 水冷振动炉排炉，生物质汽轮机发电机采用青岛捷能N30-8.83/535-2 纯凝汽轮发电机组。其生物质机组于2017 年12 月25 日完成72+24 小时试运行，2018 年12 月生物质汽轮机进行为期12 天B 级检修，进行锅炉给料机改造、水冷套更换、锅炉管排熔敷、输灰系统技改工作。2019 年01 月01 日至12 月15 日，生物质机组完成发电量24571.32 万kWh，上网电量22897.67 万kWh，厂用电率6.81%，原杆单耗1181.68g/kWh，补水率1.05%，年机组利用小时数8190 小时（预计全年8300 小时）。

其生物质锅炉在项目运行期间，常常面临各类生物质发电锅炉问题，影响其正常运行，主要表现在生物质发电锅炉的锅炉热效率低、沉积腐蚀、锅炉高温腐蚀和NOX的排放等方面，下文将重点分析生物质发电锅炉存在问题及相应的处理措施，以便合理开发和利用生物质能，优化能源结构，并响应国家节能减排政策，助力经济发展。

4 以上生物质项目存在问题及解决方法

4.1锅炉热效率低问题及解决措施

为了提高生物质燃料锅炉的燃烧效率和热效率，有必要根据生物质燃料的特性设计合理的炉膛结构，确定合适的空气分配方法和参数，从而使燃料得以充分燃烧，并不对环境造成负面影响。通过干燥将燃料水分含量为50wt%降至30wt%、将烟气中的O2含量降低1.0%、燃烧中降低灰分中的含碳量从10.0wt%至5.0wt%等措施均可以不同程度上影响直燃锅炉热效率，具体影响如表2 所示。

表2 各种措施对生物质直燃锅炉热效率的影响

分析表2 各种措施对生物质直燃锅炉热效率的影响可以发现，与传统燃烧装置相比，尾部烟气冷凝最能够实现潜在的热效率提高。同时，在多数情况下，如果可以低成本或免费获得预热空气，生物质干燥是经济的（如太阳能空气收集器、利用烟气余热和给水加热预热空气）。通过自然对流干燥生物是不经济的，大多数情况因为生物降解造成的干物质损失（每月1%-2%）高于考虑室外晾晒时获得的效率增加。

4.2沉积腐蚀问题及解决措施

生物质含有较高的碱金属和氯，在燃烧过程中容易导致沉积物腐蚀。除此之外，硅和硫等元素也会一定程度上影响沉积。查阅大量资料发现，很多学者都对沉积腐蚀相关问题及解决措施进行过研究，总结下来可知，燃烧温度、碱金属和氯含量、燃料颗粒密度等对沉积腐蚀均存在不同程度的影响，为避免和解决沉积腐蚀问题，应对这些因素加强重视。具体来说：在原料预处理上就加强重视，做好沉积腐蚀的防止工作，将燃料中的氯和碱金属去除。此外，还可以采取必要的防腐措施，比如涂抹防腐材料等。

4.3锅炉高温腐蚀原因分析及控制要点

4.3.1腐蚀原因

①燃料中钾、钠、氯等无机物含量较高，燃烧过程中，形成气相碱金属氯化物，沉积在高温受热面管壁上，与金属表层的氧化膜发生氧化还原反应。②生物质灰灰熔点较低，黏度较高，沉积增长得很快。③腐蚀速度随着温度的升高而加剧，氯元素影响很大。

4.3.2控制要点

锅炉高温腐蚀控制要点措施主要分为两方面，即主动防护措施和被动防护措施，见图1、图2。

图1 主动防护措施

图2 被动防护措施

堆焊合金Inconel625 是有效的防止锅炉高温腐蚀的材料，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，良好的加工性和焊接性，无焊后开裂敏感性，可有效地提升锅炉设备的抗腐蚀能力。因此，堆焊合金Inconel625 常用来解决锅炉高温腐蚀问题，并且经实践验证，堆焊合金Inconel625 确实具备出色的抗腐蚀能力，在解决锅炉高温腐蚀问题方面确实可行。

4.4NOX的排放问题及解决措施

在生物质燃料燃烧过程中，影响NOX排放的因素主要有燃烧温度、NOX排放规律、空气系统等，通过改变上述因素的参数可以不同程度上影响NOX的排放。为了减少生物质燃料燃烧过程中产生的NOX排放，应优化锅炉设计，增加炉膛容积，合理控制燃烧温度，降低过剩空气系数，用低温烟气代替二次风等方法，有效降低NOX排放（生物质直燃项目排放标准如表3 所示）。

表3 生物质直燃项目排放标准

根据氮氧化物形成机理，说明氧量对氮氧化物形成影响较大，而燃料型氮氧化物占总生成量80%以上，目前调整氮氧化物手段单一，我们目前只能通过以下几种手段来调节氮氧化物：①增加氨水和次氯酸钠来进行调节，对氮氧化物进行控制；②改变燃料品种，减少含氮、硫元素种类燃料入炉；③降低机组负荷，减少氮氧化物合成总量；④降低氧量来进行控制氮氧化物。前面3 种为在实践项目中较为常见的调整手段和方法，可调节手段较为被动，并且严重影响机组负荷和机组运行周期，使公司效益受到严重损失。第4 种方法通过控制氧量来控制氮氧化物合成，只能减少通过风量来控制。目前大部分采用德普新源水冷振动炉排的项目没有单独二次风机，一、二次风共用一个母管，二次风门开度稍大，影响一次风量，抢风较为严重，二次风开度减小，烟气在炉膛内的停留时间短，Q2、Q3、Q4 热损失增加，降低了机组出力，目前二次风在调整中发现，只是提供了较大的风量，而相应的压头反而较小，造成必须开大二次风才能控制Q2、Q3、Q4 热损失减少，同时为了保证锅炉正常燃烧，必须增加风机开度，增加风量，保证一次风有足够的风量，同时造成烟气体积的增加，引风机出力增加，电耗增加。在运行调整中发现，目前烟气含氧量控制在2%以下，干基含氧量低于2%，烟气湿度可以维持在25%以上，氮氧化物可以稳定维持在100mg/m3以下，不用通过降低机组负荷和增加环保耗材来降低氮氧化物排放。目前只要能够通过调整二次风开度，减少二次风量，控制住较多的风量入炉，维持低氧量燃烧，氮氧化物基本在可控范围之内。

5 结语

随着社会和经济的不断发展，传统已煤电为主的电力结构弊端逐渐显露出来，不仅资源越来越少，对环境的不利影响也越来越受到关注。大力发展可再生能源是未来行业的大势所趋，不仅能够解决当前的能源短缺问题，还能够降低对环境的负面影响。而生物质能作为最重要的可再生能源类型，凭借可再生、分布广、污染低的特点逐渐受到行业的青睐。合理发展生物质能，不仅能够为经济发展提供稳定的电力供应，还能够响应国家节能减排政策，改善能源结构，具有良好的经济效益和社会效益。