工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒應(yīng)用現(xiàn)狀

1、工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒應(yīng)用現(xiàn)狀摘要: 介紹了工業(yè)鍋爐中生物質(zhì)燃料各種燃燒技術(shù)的技術(shù)特點和發(fā)展現(xiàn)狀,重點分析了各種燃燒技術(shù)對不同生物質(zhì)的適應(yīng)性,展望了生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展趨勢,提出了生物質(zhì)燃燒技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的建議。我國目前有工業(yè)鍋爐約50多萬臺,每年耗煤量約為全國煤耗總量的1/3,由燃煤工業(yè)鍋爐造成的環(huán)境污染非常嚴重,許多地區(qū)(尤其是大中城市都開始限制燃煤工業(yè)鍋爐的使用,大量的工業(yè)鍋爐必須采用潔凈能源。盡管油氣燃料、電力等均為潔凈能源,但我國油氣資源不豐、電力供需矛盾更為突出,因此,如發(fā)展燃油、燃氣鍋爐和電加熱鍋爐,其能源供應(yīng)難以得到長期穩(wěn)定的保證。我國擁有豐富的生物質(zhì)資源,其中,農(nóng)林剩余物占有很大

2、的比重,而這些農(nóng)林剩余物作為鍋爐燃料使用則具有環(huán)境友好、可以再生的特點,因此,研究工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒技術(shù),開發(fā)生物質(zhì)燃料鍋爐,對節(jié)約常規(guī)能源、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu),減輕環(huán)境污染將有積極意義。1鍋爐生物質(zhì)燃燒必須解決的主要問題大量的實驗研究結(jié)果表明,生物質(zhì)燃料的發(fā)熱量略低于工業(yè)鍋爐中常用的二類煙煤,和煤炭相比,生物質(zhì)燃料揮發(fā)份很高,易于點燃,容易燃燒;灰分含量很低,容易燃盡;基本不含硫,燃燒后排放的SOx等有害氣體很少;生物質(zhì)生長和利用的整個周期中排放的CO:接近為零,鍋爐改燒生物質(zhì)燃料有助于緩解地球的溫室效應(yīng)。因此,與煤相比,生物質(zhì)是易于實現(xiàn)高效利用的潔凈燃料,用生物質(zhì)燃料替代煤炭作為鍋爐燃料是可

3、行的。但生物質(zhì)燃料也有一些不利于燃燒利用的特性,如:1生物質(zhì)燃料中大量的揮發(fā)分析出后,如果空氣不足或溫度較低,揮發(fā)分易裂解析出碳黑,使爐子冒黑煙;2固體燃料燃燒后期主要是固定碳的燃燒,而生物質(zhì)固定碳含量少,因此,其燃燒過程持續(xù)時間較短,不耐燒;3生物質(zhì)水分含量較多,且水分隨生物質(zhì)加工過程和儲存條件顯著變化,潮濕生物質(zhì)人爐后需要較高的干燥溫度和較長的干燥時間,而且生物質(zhì)低位發(fā)熱量隨水分增大而急劇下降舊J,所以,燃燒潮濕生物質(zhì)燃料時,爐內(nèi)溫度場偏低,組織穩(wěn)定的燃燒比較困難;同時,較多的水分也增加了煙氣體積,使排煙熱損失增加;4生物質(zhì)(尤其是農(nóng)作物秸稈中含有較多的堿性物質(zhì),在高溫燃燒環(huán)境下,堿性物質(zhì)

4、及其相關(guān)無機元素可能在爐膛內(nèi)形成熔渣或以蒸氣和飛灰顆粒的形式沉積于受熱面,影響鍋爐的熱效率,同時對換熱面造成嚴重腐蝕;5生物質(zhì)燃料堆積密度小。對顆粒形態(tài)燃料而言,煤的堆積密度Ho約為8001000kg/m3,生物質(zhì)燃料中木材、木炭、棉秸等所謂“硬柴”的堆積密度在200-350 kg/m3之間,農(nóng)作物秸稈等“軟柴”的堆積密度比木材等硬材更低,例如玉米秸的堆積密度僅相當于木材的1/4,麥秸的堆積密度只有木材的1/10以下"1。由于生物質(zhì)堆積密度小,因而在原料的收集、儲存和燃燒設(shè)備穩(wěn)定運行方面都比煤困難;6生物質(zhì)(尤其是農(nóng)作物秸稈原料來源呈現(xiàn)很強的季節(jié)性,而且來源地分散,這給生物質(zhì)的規(guī)模化

5、、工業(yè)化利用造成了很大的困難。由此可見,生物質(zhì)燃燒方法的選擇、燃燒技術(shù)的開發(fā)必須充分考慮生物質(zhì)的燃料特性,才能保證生物質(zhì)燃燒利用的經(jīng)濟性和可靠性,提高生物質(zhì)開發(fā)利用的效率。2鍋爐生物質(zhì)燃燒方式選擇生物質(zhì)燃料在鍋爐中可以采用爐排層燃、浮懸燃燒、流化床燃燒以及層燃與浮懸復合燃燒等燃燒方式。2.1爐排層燃爐排層燃是指生物質(zhì)燃料鋪在爐排上形成層狀進行燃燒。燃燒生物質(zhì)的層燃鍋爐一般采用鏈條爐或往復推飼爐排爐,小型燃燒設(shè)備也可采用固定爐排。燃料在往復推飼爐排上燃燒時,爐排推動燃料向前翻滾,有利于燃料的快速干燥和燃燒,這是固定爐排與鏈條爐排所不具備的優(yōu)點,所以,往復推飼爐排爐可以燃用較難燃燒的高水分的生物質(zhì)

6、燃料(含水率可高達60%70%。生物質(zhì)中的灰分較低,燃燒后期爐排上殘留的灰渣較少,易使爐排片燒損。往復爐排可在燃盡區(qū)采用耐熱鋼材作為爐排材料,固定爐排和往復爐排還可以采用風冷或水冷方式對爐排進行冷卻,這些在鏈條爐排上很難實現(xiàn),所以,鏈條爐排在燃用灰分過低的生物質(zhì)燃料時,容易燒損爐排片。爐排燃燒主要適用于大顆粒及塊狀生物質(zhì)燃料,而細小生物質(zhì)燃料在爐排上燃燒時,由于易從爐排孔隙中漏下或被爐排下的一次風吹起,因而一般不適合單獨在爐排上燃燒。對于稻殼、鋸屑、砂光木粉等細小生物質(zhì)廢棄物,可以先用機械加壓的方法,使原來松散、無定形的原料壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料。生物質(zhì)成型燃料密度可達1.

7、11.4kg/m3,與散碎生物質(zhì)燃料相比具有儲運方便、燃燒穩(wěn)定、燃燒持續(xù)時間長、燃燒效率高、煙氣中污染物含量小等優(yōu)點;其發(fā)熱量與二類煙煤相當,揮發(fā)分是煙煤的20倍,灰分為煙煤的1/41/10,燃燒特性明顯優(yōu)于煤炭,是一種適合在爐排鍋爐(尤其是固定爐排和鏈條爐排中燃用的優(yōu)質(zhì)燃料。生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量很高,需要的爐膛空間比燃煤鍋爐大,所以,企業(yè)現(xiàn)有的層燃燃煤鍋爐,若不進行適當改造,一般不宜直接改燒生物質(zhì)燃料,否則,揮發(fā)分難以在爐膛中完全燃燒,容易導致煙囪冒黑煙、滴焦油,污染環(huán)境。2.2浮懸燃燒對于細小、干燥的生物質(zhì)燃料,可以利用高壓風機,采用氣力輸送的方式,通過管道將細小生物質(zhì)燃料噴入爐膛進行浮懸

8、燃燒,浮懸燃燒的燃燒效率很高,可達98%以上,包括揮發(fā)分和固定碳都可以得到充分燃燒,可以徹底解決燃燒生物質(zhì)燃料冒黑煙的問題,但煙氣中的飛灰濃度大于層燃爐,需注意煙氣除塵問題。生物質(zhì)在進行浮懸燃燒時,一旦爐子熄火,極易發(fā)生爆燃,所以必須安裝火焰探測或爐溫探測裝置,爐子熄火時必須立即中斷供料或立即點火,同時還須設(shè)置可靠的防爆裝置。采用層燃與浮懸燃燒相結(jié)合的復合燃燒方式可以有效地解決浮懸燃燒時的爆燃問題,其具體做法是:將生物質(zhì)燃料進行分選,大塊燃料采用爐排燃燒,細小燃料則噴入爐膛進行浮懸燃燒,爐排上穩(wěn)定燃燒的火焰為浮懸燃燒提供了不熄滅的火源,而浮懸燃燒火焰又使爐膛溫度升高,有利于爐排上大塊燃料的快速

9、干燥和燃燒,兩者相得益彰。2.3流化床燃燒流化床燃燒是介于層燃和浮懸燃燒之間的一種燃燒方式:高速氣流通過流化床底部的空氣分布板(類似于層燃的爐排將流化床顆粒(包括生物質(zhì)顆粒和砂子、燃煤爐渣等流化媒體吹起,氣流速度控制在恰好能使顆粒浮起而不被吹走,質(zhì)量大的顆粒多集中在床底部(形成密相區(qū)干燥、分解、燃燒,質(zhì)量變輕的顆粒就被氣流帶到床上部(形成稀相區(qū)繼續(xù)燃燒,接近燒完的質(zhì)量最輕的顆粒最后被氣流帶出爐膛,為了提高燃燒效率,可以將飛出的顆粒通過旋風分離器收集重新送回密相區(qū)繼續(xù)燃燒,而煙氣則從分離器上部排出,這就是所謂循環(huán)流化床(CFB燃燒。采用流化床燃燒方式,密相區(qū)的流化媒體具有很高的熱容量,密相區(qū)床溫

10、一般在850-950之間,生物質(zhì)燃料顆粒送人密相區(qū)后,與大量床料充分混合、傳熱,即使生物質(zhì)含水率高達50%-60%,水分也能被迅速蒸發(fā),使燃料迅速著火燃燒,加上燃料與空氣接觸良好,擾動強烈,因而燃燒效率顯著提高j,因此,流化床燃燒方式特別適合高水分生物質(zhì)燃料的燃燒。另外,由于燃燒溫度在850棚50之間,產(chǎn)生的有害氣體NOx很少。3工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒技術(shù)現(xiàn)狀3.1爐排層燃技術(shù)由于大多數(shù)工業(yè)企業(yè)采用的都是具有爐排的層燃鍋爐,所以開發(fā)適用于生物質(zhì)的層燃鍋爐受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。歐盟許多成員國具有豐富的可再生能源,生物質(zhì)燃燒技術(shù)也較為成熟。在丹麥,開發(fā)了一種專門燃燒已經(jīng)打捆秸稈的燃燒爐,起重機將秸稈捆放

11、人防火通道中,用傳送裝置將其運至料箱中,隨后預(yù)熱室的爐門打開,秸稈捆進入預(yù)熱室。預(yù)熱室?guī)缀跏且粋€“氣化室”,秸稈捆在預(yù)熱室內(nèi)被已燃燒的燃料點燃。根據(jù)引入空氣位置的不同,秸稈捆的前部或頂部開始部分燃燒。根據(jù)煙氣溫度和濃度來控制空氣量。安裝在預(yù)熱室底部的傳輸設(shè)備將正在燃燒的秸稈捆向前運送直至灰室出VI處"J。丹麥ELSAM公司舊1研制的Benson型鍋爐采用兩段式加熱,由4個并行的供料器供給物料,秸稈、木屑可以在爐柵上充分燃燒,并且爐膛和管道內(nèi)還設(shè)置有纖維過濾器,以減輕煙氣中有害物質(zhì)對設(shè)備的磨損和腐蝕。在我國,翟學民根據(jù)甘蔗渣的燃燒機理,研制出了一種采用閉式爐膛結(jié)構(gòu)的甘蔗渣鍋爐,甘蔗渣在

12、爐內(nèi)進行半層燃半懸浮燃燒;爐膛內(nèi)布置人字型前后拱,通過前后拱的相互配合加強高溫煙氣對甘蔗渣的輻射,有利于甘蔗渣的及時著火和穩(wěn)定燃燒。田宜水、張鑒銘等¨叫通過對秸稈本身特性的分析研究,在秸稈直燃熱水鍋爐燃燒室的設(shè)計中,采用雙燃燒室結(jié)構(gòu)。第一燃燒室為主燃區(qū),設(shè)置于爐膛前部;第二燃燒室為輔助燃燒區(qū),設(shè)置于爐膛后部,兩者間由擋火拱分隔。該布置方式加強了秸稈與高溫煙氣、空氣的相互混合,同時延長了燃料在爐內(nèi)燃燒的停留時間,確保了秸稈燃燒的充分完全,取得了良好的運行效果。福建福鍋鍋爐有限公司¨川研制的DZL41.25一M(A型鍋爐為臥式三回程水火管自然循環(huán)鏈條鍋爐,燃料以廢木料為主,煙煤

13、為輔。木屑、碎木從前面進入爐膛,木條、樹皮從兩側(cè)爐門進入爐膛,木粉通過噴播系統(tǒng)從爐前木粉噴管送人爐膛。需助燃時煙煤從煤斗進入爐膛。已生產(chǎn)出2-10t/h不同容量的鍋爐,運行實踐表明該鍋爐符合設(shè)計規(guī)范的要求,具有出力足、調(diào)節(jié)方便、水循環(huán)運行良好等特點。美國在20世紀30年代就開始研究壓縮成型燃料技術(shù)及燃燒技術(shù),并研制了螺旋壓縮機及相應(yīng)的燃燒設(shè)備;日本在20世紀30年代開始研究機械活塞式成型技術(shù)處理木材廢棄物,1954年研制成棒狀燃料成型機及相關(guān)的燃燒設(shè)備;70年代后期,西歐許多國家如芬蘭、比利時、法國、德國、意大利等國家也開始重視壓縮成型技術(shù)及燃燒技術(shù)的研究,各國先后有了各類成型機及配套的燃燒設(shè)

14、備。我國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)在20世紀80年代中期開始,目前生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)已達到了一定的工業(yè)化規(guī)模。成型燃料目前主要用于各種類型的家庭取暖爐(包括壁爐、小型熱水鍋爐、熱風爐,燃燒方式主要為固定爐排層燃爐。河南農(nóng)業(yè)大學副研制出雙層爐排生物質(zhì)成型燃料鍋爐,該燃燒設(shè)備采用雙層爐排結(jié)構(gòu),雙層爐排的上爐門常開,作為燃料與空氣進口;中爐門于調(diào)整下爐排上燃料的燃燒和清除灰渣,僅在點火及清渣時打開;下爐門用于排灰及供給少量空氣。上爐排以上的空間相當于風室,上下爐排之間的空間為爐膛,其后墻上設(shè)有煙氣出口。這種燃燒方式,實現(xiàn)了生物質(zhì)成型燃料的分步燃燒,緩解生物質(zhì)燃燒速度,達到燃燒需氧與供氧的匹配,使生物質(zhì)成型

15、燃料穩(wěn)定、持續(xù)、完全燃燒,起到了消煙除塵作用?？傮w來說,目前歐盟國家生物質(zhì)層燃技術(shù)比較先進,我國尚未研制出技術(shù)比較成熟、可以廣泛應(yīng)用的生物質(zhì)層燃鍋爐定型產(chǎn)品,現(xiàn)有的一些生物質(zhì)層燃鍋爐也以小型手燒爐為主,一些企業(yè)嘗試在已有的燃煤鏈條爐中改燒生物質(zhì)燃料,但這類鍋爐爐膛一般較小,難以適應(yīng)生物質(zhì)高揮發(fā)分的燃燒特性,導致煙囪冒黑煙、滴焦油,一般都不成功,所以,針對生物質(zhì)燃燒特性研制合適的鏈條爐是我國生物質(zhì)層燃鍋爐技術(shù)開發(fā)中必須重視的一個問題。往復推飼爐排爐在燃燒高水分生物質(zhì)燃料方面具有獨特的優(yōu)勢(燃料最高含水率可達60%,所以在纖維板等人造板企業(yè)¨叫以及在城市垃圾焚燒等領(lǐng)域應(yīng)用較多,目前主要要

16、解決爐排片的冷卻問題,并需制訂相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范和行業(yè)標準,以適應(yīng)快速增長的市場需求。3.2浮懸燃燒技術(shù)浮懸燃燒方式主要適用于稻殼、鋸屑、砂光木粉等細小生物質(zhì)燃料的燃燒。南京林業(yè)大學顧煉百等列在上世紀80年代研究開發(fā)了一種燃燒木粉等散碎木廢料的旋風燃燒爐,該爐由主燃燒室和相鄰的二次燃燒室組成,木粉由羅茨鼓風機的壓氣管向下噴人燃燒爐的主燃燒室,在爐體圓周切向有3對噴氣管,左右相對地向爐膛噴射空氣,以鼓動木粉螺旋式旋轉(zhuǎn)并充分燃燒。二次燃燒室圓周切向也設(shè)有噴氣管,以推動氣流繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。出口處設(shè)有第二道扼流圈,進一步阻擋未燒完的火星。高溫煙氣經(jīng)調(diào)溫調(diào)濕處理后,可直接作為干燥纖維、刨花的干燥介質(zhì),也可作為

17、間接加熱的載熱體。華中科技大學引研制出一種生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù),將農(nóng)業(yè)廢棄物用破碎機破碎成粉體后,由進料裝置噴入立式雙回旋燃燒爐中燃燒。一次風為輸料進風,與粉體均勻混合形成風粉氣流;二次風切向進入,主要用于改善爐內(nèi)氣流狀態(tài)。此裝置能最大限度地提高燃燒溫度和燃燒效率,并能減輕結(jié)渣腐蝕對燃燒產(chǎn)生的不利影響。目前,一種稱為熱能中心的綜合供能技術(shù)在人造板企業(yè)得到比較廣泛的應(yīng)用,該技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備是一種復合燃燒爐,塊狀生物質(zhì)燃料在往復推飼爐排爐上層燃,而粉狀燃料則從切向噴入安裝在往復推飼爐排爐上方的圓筒狀燃燒器中進行浮懸燃燒。這種復合燃燒爐既有復合燃燒的優(yōu)點,又兼具往復推飼爐排爐可以燃用潮濕燃料的特點,因此

18、可以燃燒人造板生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種廢木料。3.3流化床燃燒技術(shù)流化床燃燒方式最適合含高水分生物質(zhì)燃料的燃燒。西方發(fā)達國家研究生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐(CFB已經(jīng)很多年了。20世紀80年代末,美國就開發(fā)出大型燃燒廢木料的CFB鍋爐。同一時期,我國哈爾濱工業(yè)大學與長沙鍋爐廠等鍋爐制造企業(yè)合作,研制了多臺生物質(zhì)流化床鍋爐,可燃燒甘蔗渣、稻殼、碎木屑等多種生物質(zhì)燃料,鍋爐出力充分,低負荷運行穩(wěn)定,熱效率高達80%以上。浙江大學等也開展了相關(guān)研究工作。生物質(zhì)CFB鍋爐有一個需要研究解決的問題是流化媒體的結(jié)渣問題。生物質(zhì)燃燒后,堿性的灰中含有低熔點的NaCI、KCl、K,Na(sO。2,在高溫條件下熔化并粘附

19、在石英砂床料顆粒的表面,和SiO,生成硅酸鹽,形成粘附層。當粘附到一定的厚度后,就會產(chǎn)生足夠大的粘力,使石英砂床料顆粒粘連在一起形成結(jié)渣。研究表明,堿性指數(shù)小于0 .17的木材、甘蔗渣等結(jié)渣的可能性較小,而堿性指數(shù)大于0.34的麥秸、棉稈、稻草、稻殼等比較容易結(jié)渣。東南大學劉仁平等口21研究棉稈流化床結(jié)渣特性后發(fā)現(xiàn),高鋁礬土由于只含有少量的SiO:,當用作循環(huán)流化床床料燃燒棉稈生物質(zhì)時,長時間運行只會產(chǎn)生少量的結(jié)渣,對循環(huán)流化床的穩(wěn)定運行影響不大。4發(fā)展與應(yīng)用生物質(zhì)燃燒技術(shù)的建議(1生物質(zhì)種類繁雜,不同種類生物質(zhì)之間形態(tài)、組分、物性和燃燒性能千差萬別,不可能找到一種統(tǒng)一的燃燒方式。應(yīng)根據(jù)不同種

20、類生物質(zhì)燃料的燃燒特性,開發(fā)不同類型的燃燒技術(shù),并研制相應(yīng)的燃燒設(shè)備。對于干燥的、呈顆粒狀(或粉狀的燃料,宜采用浮懸燃燒方法,最好是與層燃爐結(jié)合進行復合燃燒,塊狀、潮濕生物質(zhì)宜采用往復推飼爐排爐燃燒,這兩種燃燒方法目前技術(shù)上已比較成熟,燃用成本也相對較低。對于顆粒狀潮濕生物質(zhì)的燃燒,則宜優(yōu)先考慮采用循環(huán)流化床鍋爐。(2目前對生物質(zhì)直接燃燒的研究,比較多地集中在生物質(zhì)燃燒特性、燃燒方法和燃燒技術(shù)等方面,而對各種燃燒技術(shù)的經(jīng)濟性研究較少,更缺乏對不同燃燒方法、燃燒技術(shù)經(jīng)濟性的比較分析。實際上,由于生物質(zhì)(尤其是農(nóng)作物秸稈原料來源地分散,收集、運輸、貯存都需要一定的成本,有些燃燒技術(shù)需先對生物質(zhì)燃料進行干燥、破碎等前期加工處理,真正適用的、值得推廣的是能源化利用總成本最低、從收集到燃燒前期加工處理過程耗能最少、對環(huán)境影響最小的技術(shù)。例如,對于秸稈類生物質(zhì),捆燒將會是最有市場競爭力的燃燒方法,所以,應(yīng)針對我國農(nóng)村耕種集約化程度較低的現(xiàn)狀,開發(fā)各種秸稈的小型打捆機械,并重點開發(fā)適用于秸稈捆燒的燃燒設(shè)備。由于秸稈類生物質(zhì)來源地分散、季節(jié)性強,所以,也可以采用小型秸稈燃料成型機將其