別如山，李炳熙，陸慧林，楊勵(lì)丹

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)

　　摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)燃料開發(fā)與利用現(xiàn)狀，燃生物廢料鍋爐爐型的選擇以及生物廢料在流化床中燃燒存在的燒結(jié)問題及解決措施。還介紹哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的一系列燃生物廢料流化床鍋爐及其運(yùn)行結(jié)果。

　　1前言

　　生物質(zhì)能在世界能源結(jié)構(gòu)中占有十分重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年經(jīng)過光合作用固定下來的生物質(zhì)能約是全世界能源消耗的10倍。但目前被人們利用的僅占1.0%。估計(jì)世界大陸上生物質(zhì)的年產(chǎn)量為10¹¹～10¹²噸干物質(zhì)。我國(guó)幾種主要的生物質(zhì)的產(chǎn)量也相當(dāng)可觀，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅農(nóng)作物的秸桿每年約為5～6億噸，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約2～2.4億噸，其中60%用于生活需要燒掉。森林每年可提供9000萬(wàn)噸薪柴，但年實(shí)際開發(fā)量約為1.8億噸。據(jù)1989年統(tǒng)計(jì)，用于生活需要燒掉2.78億噸薪柴。林業(yè)加工過程生產(chǎn)的邊角廢料每年約為2400萬(wàn)立方米，折合標(biāo)準(zhǔn)煤150萬(wàn)噸。稻谷年產(chǎn)量約200兆噸，可獲得稻殼約40兆噸，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約20兆噸。我國(guó)居民僅維持日常生活用能，每年就需要6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能耗的30%，而這些能源的80%左右是由生物質(zhì)能提供的。此外，生物質(zhì)能可年復(fù)一年的不斷再生，因此其能量是十分可觀的。開發(fā)利用生物質(zhì)能具有廣闊的前景。

　　生物質(zhì)能的利用之所以受到世界各國(guó)的高度重視，還因?yàn)樯镔|(zhì)是一種清潔燃料。生物質(zhì)含硫量低，含氮量不高，所以燃燒后硫氧化物和氮氧化物的含量很低；生物質(zhì)中灰分一般也很小，所以充分燃燒后煙塵含量極低。現(xiàn)在世界每年二氧化碳排放量為55億噸，導(dǎo)致明顯的溫室效應(yīng)。生物質(zhì)燃燒過程具有二氧化碳零排放的特點(diǎn)，因?yàn)樯镔|(zhì)燃燒生成的二氧化碳又可被植物吸收，合成本身的生物質(zhì)，所以沒有增加大氣中二氧化碳的含量。這對(duì)于緩解日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)有著特殊的意義。

　　從我國(guó)目前利用生物質(zhì)能的狀況看，由于直接燃燒生物質(zhì)能占相當(dāng)?shù)谋戎兀紵O(shè)備落后，熱效率很低。如農(nóng)用柴灶爐熱效率一般為10%～20%，先進(jìn)的省柴爐灶熱效率也僅在30%左右；現(xiàn)在以層燃方式燃生物質(zhì)的鍋爐數(shù)量很少，熱效率也很低；生物質(zhì)氣化爐的氣化率低，所得的燃?xì)鉄嶂挡桓摺Ｒ虼颂岣哌@些鍋爐、爐具的燃燒效率、熱效率以及提高氣化爐的氣化率及燃?xì)鉄嶂凳羌贝鉀Q的關(guān)鍵技術(shù)問題。對(duì)于節(jié)約能源有著極為重要的意義。

　　流態(tài)化燃燒具有燃燒效率高、有害氣體排放少、熱容量大等一系列的優(yōu)點(diǎn)，很適合燃水分大、熱值低的生物質(zhì)燃料。因此，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已采用流化床燃燒技術(shù)利用生物質(zhì)能。美國(guó)、瑞典、德國(guó)、丹麥等工業(yè)化國(guó)家生物質(zhì)能利用技術(shù)已居世界領(lǐng)先地位。

　　國(guó)內(nèi)也開始重視開發(fā)利用生物質(zhì)能，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委節(jié)約和綜合利用司于1993年3月組團(tuán)赴瑞典、德國(guó)就生物質(zhì)能利用技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行技術(shù)考察；我國(guó)農(nóng)業(yè)部環(huán)能司、農(nóng)業(yè)部國(guó)際合作司、山東省科學(xué)院能源所和福建省農(nóng)村能源辦公室組成考察組于1994年5～6月赴美考察美國(guó)的生物質(zhì)能等可再生能源發(fā)電情況。表明國(guó)內(nèi)對(duì)生物質(zhì)能的開發(fā)利用非常重視。

　　2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

　　美國(guó)目前開發(fā)利用生物質(zhì)能主要通過直接燃燒生物質(zhì)產(chǎn)生蒸汽、電力。生物質(zhì)原料主要為采伐業(yè)的枝椏等廢棄物、不成材的樹木、造紙和木材加工的廢棄物以及稻殼、甘蔗渣等。燃燒設(shè)備以引進(jìn)德國(guó)的鏈條爐為主。在美國(guó)，采用流化床燃燒技術(shù)利用生物質(zhì)能也具有相當(dāng)規(guī)模，如美國(guó)愛達(dá)荷能源產(chǎn)品公司已生產(chǎn)出燃生物質(zhì)媒體流化床鍋爐，蒸汽鍋爐出力為4.5～50t/h，供熱鍋爐出力為1.06×10⁷～1.32×10⁸kJ/h。80年代末至90年代初期，美國(guó)利用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐。例如，由美國(guó)CE公司利用魯奇技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的兩臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐，分別安裝于Fresno和Rocklin，出力為100t/h，蒸汽壓力為8.7MPa，過熱蒸汽溫度515℃，熱功率78MW分別于1988、1989年投運(yùn)；另外兩臺(tái)熱功率為71MW的循環(huán)流化床燃廢木料鍋爐裝在Mecca于1992年投運(yùn)。B&W公司也有燃木柴流化床鍋爐在運(yùn)行。目前美國(guó)已有近1000家燃木材電廠在運(yùn)行，裝機(jī)容量達(dá)6500MW。

　　預(yù)計(jì)到2000年以前生物質(zhì)能(廢木、木屑、稻谷殼和甘蔗渣等可燃生物燃料)發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)12000MW。

　　瑞典是高度發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家，由于煤、石油資源貧乏，能源主要依賴進(jìn)口石油。但瑞典森林資源豐富，森林覆蓋率達(dá)58%，為了利用本國(guó)資源，減少石油進(jìn)口，瑞典非常重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用。生物質(zhì)能的利用量已占全國(guó)總能耗的16.1%，達(dá)到55億kW·h，其中的相當(dāng)部分就是將樹枝、樹葉、樹皮、森林廢棄物、鋸屑和泥炭等削片、切碎，然后運(yùn)送到熱電廠，在大型流化床鍋爐中燃燒而得以利用的。

　　盡管這些燃料的含水量有時(shí)高達(dá)50%～60%，但鍋爐的熱效率仍可達(dá)到80%。瑞典另一個(gè)利用生物質(zhì)能的方式就是將生物質(zhì)送入循環(huán)流化床氣化爐進(jìn)行氣化，產(chǎn)生的燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，采用聯(lián)合循環(huán)。這樣的系統(tǒng)熱效率高，目前此種方式單機(jī)容量已達(dá)80MW。

　　丹麥為了減少二氧化碳的排放，計(jì)劃每年燃燒700萬(wàn)噸干草，8萬(wàn)噸木屑，采用芬蘭奧斯龍公司生產(chǎn)的高倍率循環(huán)流化床鍋爐，將干草與煤以6：4的比例送入爐內(nèi)燃燒。鍋爐參數(shù)：出力為100t/h，蒸汽壓力為90MPa，過熱蒸汽溫度490℃，熱功率為80MW。

　　從我國(guó)目前利用生物質(zhì)能的狀況看，由于直接燃燒生物質(zhì)能占相當(dāng)?shù)谋戎兀紵O(shè)備落后，熱效率很低，造成生物質(zhì)能源的極大浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)部分鍋爐制造廠家設(shè)計(jì)采用鏈條爐燃燒生物質(zhì)廢料，發(fā)現(xiàn)熱效率低，出力不足，鍋爐爐體大，爐排易燒壞。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)從80年代末期開始研究采用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能。已完成生物質(zhì)媒體流化床流化特性的研究；提高燃燒效率的研究；燃生物質(zhì)媒體流化床鍋爐結(jié)構(gòu)的研究；生物質(zhì)氣化燃?xì)獾臒嶂怠a(chǎn)率和生物質(zhì)在流化床中氣化產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象的研究以及生物廢料燃?xì)鉄崃β?lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的研究。已和國(guó)內(nèi)四個(gè)鍋爐廠家合作，研制開發(fā)了4、10、12.5、14t/h燃稻谷殼、廢木與木屑、甘蔗渣及棕櫚空果穗等生物廢料流化床鍋爐11臺(tái)^[1]。其中4臺(tái)4t/h燃稻谷殼流化床鍋爐、兩臺(tái)12.5t/h燃甘蔗渣流化床鍋爐出口泰國(guó)；一臺(tái)14t/h燃棕櫚空果穗流化床鍋爐于1997年出口馬來西亞，一臺(tái)4t/h燃木屑流化床鍋爐于1998年出口非洲加納，進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，深受用戶好評(píng)。三臺(tái)10t/h燃廢木與木屑流化床鍋爐在外資企業(yè)運(yùn)行六年多來，一直滿發(fā)、穩(wěn)定、高效率，節(jié)約了大量能源，創(chuàng)造了很高的經(jīng)濟(jì)效益，用戶十分滿意，該爐于1995年獲得國(guó)家專利，于1998年獲得中國(guó)航天工業(yè)總公司部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

　　3爐型的選擇

　　生物質(zhì)燃料的一般特點(diǎn)是水分很高、灰分很小、揮發(fā)份很高、發(fā)熱值偏低。用粉狀燃燒時(shí)，首先應(yīng)將其制成粉末。由于生物廢料是非脆性材料，磨制時(shí)易生成纖維團(tuán)而不是粉狀，而且需要預(yù)先干燥，而干燥高水分的生物質(zhì)燃料要消耗大量的熱。一般可切成碎片在煤粉、油或氣體燃燒室內(nèi)燃燒。這樣使鍋爐結(jié)構(gòu)、燃料制備系統(tǒng)和鍋爐運(yùn)行復(fù)雜化，且不經(jīng)濟(jì)。

　　層燃鍋爐屬層狀燃燒，生物質(zhì)燃料通過給料斗送到爐排上時(shí)，不可能象煤那樣均勻分布，容易在爐排上形成料層疏密不均，從而形成布風(fēng)不勻。薄層處空氣短路，不能用來充分燃燒；而厚層處，需要大量空氣用于燃燒，由于這里阻力較大，因而空氣量較燃燒所需的空氣量為少，這種布風(fēng)不均將不利于燃燒和燃盡。由于生物質(zhì)的揮發(fā)份很高，在燃燒的開始階段，揮發(fā)份大量析出，需要大量空氣用于燃燒，如這時(shí)空氣不足，可燃?xì)怏w與空氣混合不好將會(huì)造成氣體不完全燃燒損失急劇增加。同時(shí)，由于生物質(zhì)比較輕，容易被空氣吹離床層而帶出爐膛，這樣造成固體不完全燃燒損失很大，因而燃燒效率很低。

　　另一方面當(dāng)生物質(zhì)燃料含水率很高時(shí)，水份蒸發(fā)需要大量熱量，干燥及預(yù)熱過程需時(shí)較長(zhǎng)，所以，生物質(zhì)燃料在床層表面很難著火，或著火推遲，不能及時(shí)燃盡，造成固體不完全燃燒損失很高，導(dǎo)致鍋爐燃燒效率、熱效率很低，實(shí)際運(yùn)行的層燃爐熱效率有的低達(dá)40%。另一方面，一旦它燃盡后，由于灰分很少，不能在爐排上形成一層灰，以保護(hù)后部的爐排不被過熱，從而導(dǎo)致爐排被燒壞。采用流化床燃燒方式，密相區(qū)主要由媒體(河沙或石英沙)組成，生物燃料通過給料器送入密相區(qū)后，首先在密相區(qū)與大量媒體充分混合，密相區(qū)的惰性床料溫度一般在850℃～950℃之間，具有很高的熱容量，即使生物質(zhì)含水率高達(dá)50%～60%，水份也能夠被迅速蒸發(fā)掉，使燃料迅速著火燃燒。加上密相區(qū)內(nèi)燃料與空氣接觸良好，擾動(dòng)強(qiáng)烈，因而燃燒效率有顯著提高。因此，流化床燃燒方式最適合含高水分生物廢料的燃燒。

　　4燒結(jié)現(xiàn)象

　　目前生物廢料在燃燒過程中，可能發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象。燒結(jié)與溫度、流化風(fēng)速和氣氛有關(guān)，但溫度是影響燒結(jié)的最主要因素。稻草的燒結(jié)溫度在680℃左右，玉米稈的燒結(jié)溫度在740℃左右，高粱稈的燒結(jié)溫度在680℃^[2]。隨著溫度的升高，燒結(jié)塊尺寸增大，數(shù)量增多，硬度增強(qiáng)。對(duì)于稻草，溫度在700℃以上，便出現(xiàn)燒結(jié)塊阻塞的現(xiàn)象，高粱稈在760℃以上出現(xiàn)阻塞，而玉米稈則在800℃以上仍可保持較好的燃燒。

　　單純的灰是不能起粘結(jié)劑作用的。砂的熔點(diǎn)及灰熔點(diǎn)都高于1000℃，而實(shí)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行表明在700℃就會(huì)發(fā)生燒結(jié)。一般認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是生物質(zhì)灰中富含鉀和鈉，這些元素的化合物與砂中的SiO₂反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)的共晶體，熔化的晶體沿砂的縫隙流動(dòng)，將砂粒粘結(jié)，形成結(jié)塊，破壞流化。反應(yīng)方程式如下：

　　另外，參考煤燒結(jié)產(chǎn)生的化學(xué)機(jī)理，認(rèn)為灰的酸、堿氧化物含量比是決定燒結(jié)溫度的一個(gè)主要原因。其中Al₂O₃對(duì)燒結(jié)的產(chǎn)生有抑制作用，Al₂O₃比SiO₂更易與堿金屬化合物反應(yīng)，其產(chǎn)物熔點(diǎn)高。因此，灰中鋁元素含量高，則可減少SiO₂與堿金屬發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì)，避免燒結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。

　　稻草灰中的鉀、鈉元素含量偏低，與上述原理不符。其燒結(jié)塊結(jié)構(gòu)也與上面兩者不同，說明其形成的化學(xué)機(jī)理是不同的。稻草中碳轉(zhuǎn)化率低的原因，認(rèn)為與其高的SiO₂含量有關(guān)^[3]。在700℃～800℃時(shí)，SiO₂體積構(gòu)向面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，在此過程中，碳原子成為填充原子，形成牢固的碳硅結(jié)合，即使在1200℃，也無法將其中的碳氧化^[4]。這種碳硅結(jié)合，使稻草灰連接在一起，形成蓬松的燒結(jié)塊，破壞正常流化。

　　5防止燒結(jié)的對(duì)策

　　分析燒結(jié)形成原因是為了找出解決辦法。一方面，從鍋爐結(jié)構(gòu)因素入手，合理布置燃燒系統(tǒng)及爐膛受熱面，保證運(yùn)行溫度不過高，尤其注意控制稀相區(qū)的溫度。另一方面，尋找適宜的惰性床料或添加劑以抑制低熔點(diǎn)共晶體的形成。

　　不同的元素對(duì)燒結(jié)的影響是不同的。因此可以選擇富含抑制燒結(jié)元素的床料，提高了燒結(jié)發(fā)生的溫度，以保證正常流化。

　　目前，以其價(jià)格低、易獲得、且不易燒結(jié)而成為主要供選擇的替代床料有Al₂O₃、Fe₂O₃，尤其是Fe₂O₃比SiO₂、Al₂O₃更易與堿金屬氧化物、鹽反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

　　X₂Fe₂O₄的熔點(diǎn)為1135℃，遠(yuǎn)高于運(yùn)行溫度，因此可防止燒結(jié)的產(chǎn)生，南斯拉夫的BorislavD.Grubor等學(xué)者比較了SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃三種物質(zhì)做床料的效果。發(fā)現(xiàn)以SiO₂為床料燃燒生物質(zhì)時(shí)，在700℃就出現(xiàn)燒結(jié)，800℃時(shí)相當(dāng)嚴(yán)重。而用Fe₂O₃做床料時(shí)，當(dāng)灰中鉀、鈉總含量超過20%，且床溫在900℃以上時(shí)，只有很小的結(jié)塊，Al₂O₃的效果則介于二者之間，在800℃時(shí)出現(xiàn)燒結(jié)，900℃時(shí)與SiO2作床料，床溫800℃時(shí)的燒結(jié)一樣嚴(yán)重[5]。在我們?cè)O(shè)計(jì)的燃生物廢料流化床鍋爐中，采取了適宜的措施，還沒有用戶反映床料燒結(jié)問題。

　　6運(yùn)行結(jié)果

　　從80年代末期開始研究采用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)，先后與長(zhǎng)春鍋爐廠、長(zhǎng)沙鍋爐廠、營(yíng)口鍋爐總廠、天山鍋爐廠研制開發(fā)燃甘蔗渣、稻殼、板廠廢料和棕櫚空果穗等生物廢料流化床鍋爐。

　　與長(zhǎng)春鍋爐廠合作研制的兩臺(tái)12.5t/h燃甘蔗渣鍋爐經(jīng)德國(guó)BAY公司銷往泰國(guó)；與長(zhǎng)沙鍋爐廠合作研制的4臺(tái)4t/h燃稻殼鍋爐也已出口泰國(guó)，與營(yíng)口鍋爐總廠合作開發(fā)的4t/h燃板廠廢料鍋爐出口西非加納；14t/h燃棕櫚空果穗鍋爐出口馬來西亞，深受國(guó)外用戶的好評(píng)。另外與營(yíng)口鍋爐總廠合作研制的三臺(tái)10t/h燃廢木與木屑流化床鍋爐(設(shè)計(jì)參數(shù)為：鍋爐蒸發(fā)量D=10t/h；工作壓力P=1.25MPa；過熱蒸汽溫度t″=350℃；設(shè)計(jì)效率η=80.86%)，裝在大連金州外資企業(yè)常榮、常盛合板有限公司。經(jīng)測(cè)試，燃燒效率達(dá)99%，鍋爐熱效率達(dá)83%，這兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該鍋爐是遼寧省科委火炬計(jì)劃和遼寧省機(jī)械委新產(chǎn)品計(jì)劃項(xiàng)目，于1995年12月榮獲遼寧省優(yōu)秀新產(chǎn)品銀獎(jiǎng)，添補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。1996年被國(guó)家經(jīng)貿(mào)委列為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)新產(chǎn)品試產(chǎn)計(jì)劃。1998年獲得中國(guó)航天工業(yè)總公司部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

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