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呂游1，蔣大龍2，趙文杰3，劉吉臻1
（1.華北電力大學，2.國能生物發電集團有限公司，3.華北電力大學(保定)）
摘要：介紹了生物質直燃發電技術的原理及其設備的工作過程，著重討論了生物質鍋爐燃燒過程中的燃料收集和存儲、送料堵塞以及受熱面結焦等問題，分析了燃料性質、一次風、二次風、爐排振動等因素對鍋爐燃燒的影響，并在此基礎上提出了優化運行和提高鍋爐效率的改進措施，最后對國內外生物質發電技術狀況進行了介紹，并對其發展做出展望。
能源問題已經成為21世紀制約我國經濟增長和社會可持續發展的主要因素之一，由于常規能源資源短缺和利用中嚴重的環境污染，我國必須轉向大力開發風能、太陽能、生物質能等可再生清潔能源。在可再生能源中生物質能源由于具有資源豐富、可再生且分布地域廣、可實現CO2零排放、大氣污染物排放少等優點，被認為是21世紀最有前途的綠色可再生能源之一[1,2]。我國《可再生能源中長期發展規劃綱要》(2006～2020)指出，到2020年我國生物質發電機組裝機容量達到30000MW，生物質成型燃料5000萬噸，將生物質秸稈發電和秸稈成型燃料確定為秸稈能源利用重點技術[3]。
生物質發電技術主要有直接燃燒發電、混合燃燒發電、熱解氣化發電和沼氣發電四類。利用生物質直接燃燒發電技術建設大型直燃并網發電廠，單機容量達10～25MW，可以將熱效率提高到90%以上，規模大、效率高，同時環保效益突出[4,5]。但是生物質發電技術還不成熟，鍋爐效率偏低，運行優化還有待提高。本文介紹了生物質發電技術的原理和設備，著重分析了燃燒中出現的問題以及影響燃燒的因素，提出了改進優化運行和提高鍋爐效率的措施，并對其發展趨勢做出展望。
1生物質直燃發電原理及設備
生物質直接燃燒發電技術是將生物質直接送往鍋爐中燃燒，產生的高溫、高壓蒸汽推動蒸汽輪機做功，最后帶動發電機產生清潔高效的電能。
生物質直燃發電廠一般常見的單機裝機容量為12MW或者25MW，對應的鍋爐蒸發量在75t/h和130t/h等級，其中爐排層燃技術較為成熟。國內目前確定的生物質發電項目，爐型基本上以丹麥水冷振動爐排、國內鍋爐廠家開發的水冷振動爐排爐為主。生物質鍋爐燃燒設備與常規燃煤鍋爐有較大的區別，它是由給料機、爐膛、水冷振動爐排、一二次風管、拋料機等設備組成。為了防止爐膛正壓時出現回火現象，一般在給料機出口處安裝有防火快速門，而且在全部給料系統內設有多處密封門、消防安全擋板和消防水噴淋設施。爐排多為振動爐排，振動爐排動作較小，活動時間短，設備的可靠性和自動化水平高，維護量遠遠小于往復式爐排及鏈條式爐排。空氣預熱器與燃煤電廠不同，它是一個獨立的系統。給水在送往省煤器之前，設置一條旁路流經空氣預熱器和煙氣冷卻器進行熱交換。流經空氣預熱器時冷空氣被給水加熱，給水被冷卻；流經煙氣冷卻器時給水被加熱，煙氣被冷卻。其他系統和設備與同規模的常規燃煤電廠相似。另外，由于生物質中N和S元素含量較少，無需配備昂貴的脫硫裝置。生物質發電系統工作過程如圖1所示[6]。
1.1生物質的燃燒流程
運到發電廠的生物質原料經過破碎、分選等預處理后放到原料儲存倉1，然后由原料輸送裝置送到給料機22，然后送進爐排6在爐膛2內開始燃燒，燃料的化學能轉變成煙氣的熱能。煙氣經爐膛進入水平煙道和尾部煙道，在流動中完成換熱過程。
1.2鍋爐的煙風流程
送風機21將冷空氣送入空氣預熱器10中，加熱后的空氣分為兩路，一路（二次風）直接送入爐膛，主要用來混合、擾動和強化燃燒，另一路（一次風）進入爐底一次風斗，經水冷振動爐排上方布風板上的小孔進入爐膛與燃料混合，提供燃燒需要的氧氣。高溫煙氣在爐膛內主要以輻射換熱的方式將熱量傳遞給爐膛四周的水冷壁，在爐膛上部和水平煙道處將熱量傳遞給過熱器7、省煤器8和煙氣冷卻器9，然后流經除塵器11將攜帶的飛灰除去，比較潔凈的煙氣由引風機12送往煙囪13排入大氣中。
1.3鍋爐的汽水流程
給水由給水泵19升壓后，送到高壓加熱器20加熱，經過空氣預熱器和煙氣冷卻器然后送到省煤器8中預熱，受熱后進入汽包5。分離后的水沿著下降管送到水冷壁管，吸收輻射熱量，部分變為水蒸汽。汽水混合物上升進入汽包進行汽水分離，分離的水留在汽包中又一次下降，蒸汽則經過過熱器等加熱后變成飽和蒸汽送到汽輪機3進行做功。做功后的蒸汽經凝汽器14、凝結水泵16、低壓加熱器17和除氧器18，然后又經過給水泵和高加送進汽包。
1.4汽輪機和發電機系統
生物質發電廠的汽輪機和發電機設備與同規模的常規燃煤電廠的設備相同，目前較為常用的是高溫高壓單缸抽凝式汽輪機。
2生物質鍋爐燃燒的問題分析及改進措施
生物質發電廠發電設備與同規模的燃煤電廠基本相同，但由于生物質燃料和燃燒設備的特殊性，使得燃燒過程復雜，受熱面更容易結焦，鍋爐效率較低，運行水平有待提高。
2.1生物質鍋爐燃燒的主要問題
(1)生物質燃料的收集和存儲問題
我國生物質資源以農林廢棄物為主，其特點是資源分散、搜集運輸較困難、季節性強、原料供應穩定性差。并且品種多樣，不同的生物質燃料的各種成分含量不同，這要求鍋爐的上料系統具有對燃料種類、粒度有較廣泛的適應性。
生物質燃料的密度較小，存儲堆放場地要求較大，而且還要進行防雨、防潮和防火設施建設，維護費用較大[7]。
(2)進料和上料系統問題
生物質質地松軟，密度小，發熱量低，因此生物質燃料的體積消耗量要比同規模燃煤電廠大很多，生物質電廠需要更大的上料系統[8]。另外由于生物質燃料種類很多，混和上料的時候，容易出現堵料，不均勻，從而導致鍋爐的燃燒不穩定。
(3)受熱面積灰、結焦，腐蝕嚴重
生物質燃料具有高氯、高堿、揮發分高、灰熔點低等特點，燃燒時易腐蝕鍋爐，并產生結渣、結焦等。生物質燃料灰中堿金屬特別是鉀的含量較高，灰熔點較低，高溫狀態下易出現水冷壁和受熱面產生結焦、腐蝕等[9]；另外，灰中可能存在一定量的氯離子，氯和鉀會以氯化鉀的形式直接沉積在傳熱表面，也可能與灰中的硅酸鹽反應生成低熔點灰，使鍋爐結焦、腐蝕的趨勢更加嚴重[10]。
(4)燃燒不穩定，優化運行水平有待提高
生物質燃料的水分和氧量含量較多，熱值較低，在相同鍋爐出力的情況下，煙氣量較大，燃燒穩定性差，灰渣含碳量高，進而導致主要輔機故障率和能耗較高、燃燒效率低。
2.2生物質鍋爐燃燒分析
由于生物質的含氧量和水分比較多，所以所需的風量以及一、二次風比和常規燃煤鍋爐不同。而且由于生物質黃桿和灰桿的各成分的含量不同，所以在生物質燃料改變時，對應的運行參數也隨之改變[11]。鍋爐效率主要是在安全運行的基礎之上通過采用最佳的燃燒器運行方式、最佳的送風量（最佳過量空氣系數）以及最佳的一次風、二次風的配比來得到優化的。
(1)燃料的影響
不同的生物質燃料的組成成分以及性質是不同的。生物質鍋爐較為常用的燃料是黃桿和灰桿。黃桿著火快，燃燒時間短，在爐膛內一般不會形成堆積；而灰桿著火慢，燃燒時間長，容易形成堆積，也不易燃燒完全。因此不同的燃料對應風量配比及爐排振動參數也是不同的[12]。
(2)一次風的影響
生物質燃料密度較低，結構較松散，揮發分含量較高，著火熱較低，揮發分析出的時間較短，若一次風供應不足，揮發分容易不被燃盡而排出，會產生大量的青煙，使排煙含碳量過高。若一次風量過大，會使未燃盡的小木炭隨煙氣排入大氣，不但使飛灰含碳量增加，影響燃燒的經濟性，而且可能會引起煙道尾部積灰以及尾部煙道的再燃燒，影響鍋爐和除塵器的安全運行。
(3)二次風的影響
二次風一方面為爐內未燃盡的燃料提供氧氣，另一方面壓低火焰位置，防止火焰過分上飄，延長煙氣在爐膛內的行程，減少機械不完全損失，從而提高鍋爐的效率。必須使一、二次風合理地配比，才能保證燃燒能順利地進行，使鍋爐效率達到最優。
(4)送料風壓力的影響
燃料投入的長度與送料風的壓力有關。當送料風壓力過高時，燃料投入時分布會很長，甚至分布在爐排上超過75%的地方，燃燒就不會均勻。燃料投入的長度依靠送料風的壓力來調節，其分布依靠空氣閥門來調節。
(5)振動爐排的影響
如果爐排振動較小，就會使爐排上的燃料堆積過多，燃料燃燒不完全，使飛灰含碳量增加；如果爐排振動幅度過大，一些燃料來不及燃燒就會排入落渣口，增加了鍋爐機械不完全燃燒，降低了鍋爐的整體熱效率。
(6)最佳過量空氣系數
若空氣供給量不足，會產生大量的還原性氣體，從而影響燃料的完全燃燒，使燃料堆積、爐排結焦等。若空氣供給過多，煙氣含氧量過高，一方面增加了風機的功耗以及磨損，另一方面會使未燃盡的燃料排入大氣，增加排煙損失，降低鍋爐效率。
2.3運行優化調整和改進措施
(1)燃料檢測
我國生物質發電廠燃料根據含氧量、水分、揮發分等含量主要可以分為兩類：灰桿和黃桿。在生物質送料設備處增設燃料在線檢測分類裝置，根據物理性質把其大致分為兩類，以供運行人員參考和設定合適的一二次風量。
(2)改進送料設備
燃料輸送系統和鍋爐給料系統環節較多，工藝復雜，另外由于生物質燃料種類很多，混和上料的時候，容易出現堵料螺旋和斗式提升機經常堵塞的現象。可以考慮改進現有的給料工藝減少給料環節，不采用斗式提升機，改用棧橋、皮帶，直接將料倉的料輸送到爐前料倉。同時嚴格控制燃料濕度和粒度，防止燃料結團、纏繞，并改進自動化控制手段，保證輸料系統連續穩定運行[13]。
(3)改進受熱面和吹灰的控制策略
生物質燃料具有高氯、高堿、灰熔點低等特點，燃燒時比燃煤電廠更易發生結焦、腐蝕，從而影響過熱蒸汽的產量以及鍋爐性能。一方面可以改進低壓煙氣冷卻器鰭片式緊湊結構，采用光管煙氣冷卻器可以減輕積灰；另一方面在過熱器、再熱器等換熱面的吹灰設備控制策略應當改進，通過人工智能方法，利用爐膛監測的信號建立神經網絡模糊專家系統來選擇最優的吹灰時刻，以減少換熱面結焦和提高鍋爐效率[14]。
(4)燃燒調整試驗優化
針對生物質電廠鍋爐，設計燃燒調整試驗，分析一次風、二次風和燃料性質等因素對燃燒的影響，得到典型工況點下最佳的一二次風量比以及配風方式，從而降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率[15]。
(5)燃燒過程的建模與優化
應用智能理論對生物質鍋爐的燃燒過程進行建模。把一、二次風量、風壓等數據作為燃燒過程的輸入量，把飛灰含碳、鍋爐效率等量作為輸出量，利用支持向量機、神經網絡等智能理論建立基于數據驅動的模型，然后再根據模型對鍋爐效率尋優，得到在最優效率下的一、二次風量、風壓等設定值，從而使燃燒過程處于最優狀態[16]。
(6)采用新型燃燒方式
生物質燃料水分比較高，采用流化床技術，有利于生物質的完全燃燒，提高鍋爐效率。相比爐排燃燒技術，流化床燃燒技術具有布風均勻、燃料與空氣接觸混合良好等優點。同時，爐內溫度控制和機組負荷控制上也具有一定的優勢。
采用特定的流化介質，形成蓄熱量大、溫度高的密相床層，為高水分、低熱值的生物質提供優越的著火條件，依靠床層內劇烈的傳熱過程和燃料在床內較長的停留時間，使生物質燃料得以充分燃盡[17,18]。
(7)生物質與煤混燃發電
生物質共燃技術簡單，投資和運行費用低，此外，生物質相對較便宜，對燃煤電廠而言還可增加燃料的選擇范圍和燃料適應性，降低燃料成本。煤粉燃燒發電效率高，可達35%以上，生物質燃燒低硫低氮，在與煤粉共燃時可以降低電廠的SOx和NOx排放[19]。煤與生物質共燃，為現役電廠提供一種快速而低成本的生物質發電技術，是一種廉價而低風險的可利用再生能源的發電技術。
3生物質直燃發電技術發展趨勢及展望
在生物質發電領域，丹麥BWE公司率先研發秸稈生物燃燒發電技術，并于1988建成了世界上第一座秸稈生物燃燒發電（Haslev，5MW）。此后，BWE公司在西歐設計并建造了大量的生物發電廠，其中最大的發電廠是英國的Elyan發電廠，裝機容量為38MW。自1992年世界環境與發展大會后，歐美國家開始大力發展生物質能，將其作為21世紀發展可再生能源的戰略重點和具備發展潛力的戰略性產業。如今已有130多家秸稈發電廠遍及丹麥，總裝機容量達7000MW[20]。北歐的芬蘭和瑞典也是生物質能發電發展和應用都最為廣泛的國家之一，利用生物質所發的電量占芬蘭總電量的25%。美國有350多座生物質發電站，總裝機容量已超過10GW，單機容量達10～25MW。
生物質發電在我國起步相對較晚，過去建設的生物質電廠的設計和設備主要來自國外。我國第一個生物質直燃發電示范項目——國能單縣25MW生物質發電廠，于2006年11月建成并網運行。該電廠生物質燃料年消耗15萬噸，年發電0.18TWh，與同等規模燃煤火電廠相比，每年減少SO2排放量達600多噸，年可節省標準煤近40萬噸。根據國家發改委的要求，五大電力公司到2020年清潔燃料發電要占到總發電的5%以上。國能生物發電有限公司正全力推進生物質發電項目開工投產步伐，現已投產項目12個，發電裝機容量324MW；在建項目7個，在建裝機容量84MW[21,22]。
我國在生物質能燃燒利用方面取得了長足的進步。但與發達國家相比，無論技術層面還是應用層面仍有很大差距。這一方面是由于我國的生物質發電燃料不像歐美等國家的那樣單一；另一方面是由于生物質鍋爐燃燒運行技術的復雜性，無法使鍋爐在最優狀態下運行。因此研究經濟高效的燃燒和優化技術以及促進建立生物質燃料收集、預處理和配送體系是亟待解決的問題。生物質具有可再生性、環境友好性，并且可以儲存，所以大力發展生物質能利用及燃燒發電技術前景良好且意義重大[23,24]。
參 考 文 獻
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