鍋爐利用生物質(zhì)能源的技術(shù)應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了我國生物質(zhì)資源的主要類型及處理方式，鍋爐利用生物質(zhì)能源的主要技術(shù)。探討了鍋爐利用生物質(zhì)能源的熱解氣化技術(shù)，對鍋爐利用生物質(zhì)能源的技術(shù)經(jīng)濟要求進行了分析。關(guān)
摘要：介紹了我國生物質(zhì)資源的主要類型及處理方式，鍋爐利用生物質(zhì)能源的主要技術(shù)。探討了鍋爐利用生物質(zhì)能源的熱解氣化技術(shù)，對鍋爐利用生物質(zhì)能源的技術(shù)經(jīng)濟要求進行了分析。
關(guān)鍵詞：鍋爐；生物質(zhì)；熱解氣化
Technology Application of Biomass Energy to Boiler
SU Haipeng
Abstract：The main types and treatment modes of biomass resources in China as well as the main technology application of biomass energy to boiler are introduced.The pyrolysis and gasification technologies of biomass energy boiler are discussed.The technical and economic requirements of biomass energy boiler are analyzed.
Key words：boiler；biomass；pyrolysis and gasification
   采用現(xiàn)代鍋爐技術(shù)利用生物質(zhì)能源，近年來得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，國內(nèi)許多研究機構(gòu)對這項技術(shù)進行了研究[1～10]。生物質(zhì)能源具有可再生、低污染、分布廣、儲量大等優(yōu)勢，我國生物質(zhì)資源豐富，這為鍋爐利用生物質(zhì)能源提供了燃料保障[11]。本文對鍋爐利用生物質(zhì)能源的技術(shù)應(yīng)用進行探討。
1 生物質(zhì)資源的主要類型及處理方式
1.1 生物質(zhì)資源的主要類型
   ① 農(nóng)林生物質(zhì)
   農(nóng)林生物質(zhì)主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)作物的殘余物，如稻草、稻殼、麥秸、玉米稈等，以及樹木剪枝、林業(yè)采伐及林產(chǎn)品殘余物、薪炭林、木屑、樹皮、針葉、木塊等。我國秸稈資源量已超過7.2×108t，折合標準煤約3.6×108t，其中約1.2×108t用于飼料、造紙、紡織和建材等外，其余6×108t均可作為能源，我國年均薪柴產(chǎn)量約1.27×108t，折合標準煤0.74×108t[11]。近年來，國外發(fā)展了以能源為目的的植樹造林活動和種植能源型作物，其中包括輪伐期短的速生林木，這些做法對我國在生物質(zhì)能源利用方面提供了很好的借鑒。
   ② 城鎮(zhèn)生活和工業(yè)垃圾
   我國城鎮(zhèn)人口眾多，產(chǎn)生的生活及工業(yè)垃圾量巨大。截至2010年，我國城鎮(zhèn)生活垃圾資源總量達到2.3×108t。采用鍋爐技術(shù)，以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)垃圾及其有機廢棄物作為燃料的發(fā)電技術(shù)[10]，對降低環(huán)境污染、提高垃圾資源利用率具有重要意義。
1.2 處理方式
    目前，生物質(zhì)資源的處理方式主要有生物質(zhì)氣化技術(shù)[12～14]、固化成型技術(shù)[15～18]。國內(nèi)提出的生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)的流程見圖1。該技術(shù)采用氣化的方法將農(nóng)林生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為可燃氣體，氣化效率達到了72%～75%，燃氣低熱值達到5MJ/m3。生物質(zhì)固化成型技術(shù)是將農(nóng)林生物質(zhì)粉碎后，通過成型設(shè)備加工成顆粒、塊、棒、片等形狀直接燃燒。固化成型技術(shù)的工藝、設(shè)備簡單，燃料便于儲存和長途運輸，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。這種技術(shù)不需特殊的燃燒設(shè)備，對現(xiàn)有鍋爐設(shè)備進行簡單改造即可，技術(shù)經(jīng)濟性能相對較高。
 

2 鍋爐利用生物質(zhì)能源的主要技術(shù)
    現(xiàn)代化鍋爐技術(shù)利用生物質(zhì)能源，主要應(yīng)用于供熱、發(fā)電項目，不宜直接提供燃料。其中應(yīng)用較為廣泛的是直接燃燒技術(shù)、農(nóng)林生物質(zhì)的熱解氣化技術(shù)。
   ① 直接燃燒技術(shù)
   直接燃燒技術(shù)路線見圖2。直接燃燒技術(shù)的應(yīng)用主要集中在鍋爐垃圾焚燒、固化燃料燃燒。垃圾焚燒是將生活和工業(yè)垃圾經(jīng)過分類處理后，應(yīng)用鍋爐設(shè)備或其他特殊的垃圾焚燒設(shè)備進行處理，燃燒產(chǎn)生的能量可用于集中供熱和發(fā)電。燃燒方法主要有爐床燃燒、爐排燃燒、回轉(zhuǎn)窯爐燃燒、多級爐燃燒、流化床燃燒。無論采用何種燃燒方式，煙氣中都含有硫氧化物、氯化氫、粉塵及焦油等，從而產(chǎn)生受熱面腐蝕及粉塵、焦油附著問題，因此受熱面的選材和溫度控制就顯得尤為重要。

    固化燃料燃燒是把生物質(zhì)固化成型后，采用鍋爐設(shè)備進行直接燃燒。直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10%～30%，而將生物質(zhì)制成顆粒后經(jīng)燃燒器燃燒，熱效率可達到87%～89%。這種方法主要優(yōu)點是采用的燃燒設(shè)備是傳統(tǒng)的定型產(chǎn)品，比較適合對原有燃燒設(shè)備進行節(jié)能改造時，在不重復(fù)投資前提下，以生物質(zhì)燃料代替煤，實現(xiàn)節(jié)能和提高環(huán)保性。
   ② 熱解氣化技術(shù)
   熱解氣化技術(shù)是將農(nóng)林生物質(zhì)在缺氧或微氧狀態(tài)下通過高溫化學(xué)反應(yīng)，將其分解成可燃氣體，作為鍋爐設(shè)備的燃料，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。目前熱解氣化技術(shù)主要用于發(fā)電。某秸稈發(fā)電廠鍋爐與熱解氣化裝置結(jié)構(gòu)見圖3[19～20]。這種熱解氣化裝置在結(jié)構(gòu)上類似往復(fù)爐排，秸稈在熱解氣化裝置內(nèi)轉(zhuǎn)化為可燃氣體，燃氣從鍋爐底部進入燃燒室進行燃燒。作為熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的一種工藝方法，熱解氣化技術(shù)利用熱解氣化裝置將農(nóng)林生物質(zhì)經(jīng)過轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的燃氣直接供給鍋爐設(shè)備燃燒。以熱化學(xué)為基礎(chǔ)的熱解氣化技術(shù)，強化了生物質(zhì)的能量密度和能量強度，提高了其利用品位。
 

3 熱解氣化反應(yīng)及農(nóng)林生物質(zhì)特性
3.1 熱解氣化反應(yīng)
    農(nóng)林生物質(zhì)由碳、氫、氧等元素組成，并含有一定量的水分，其熱解氣化是在熱解裝置內(nèi)完成的。在熱解裝置內(nèi)，隨著溫度的升高，產(chǎn)生的氣體通過還原區(qū)，反應(yīng)生成含C0、H2、CH4等組分的可燃氣體。整個反應(yīng)過程比較復(fù)雜，而且隨著熱解裝置的類型、工藝流程、反應(yīng)條件、催化劑的種類、生物質(zhì)原料的性質(zhì)和粉碎等級的不同，反應(yīng)過程也不相同。
3.2 農(nóng)林生物質(zhì)特性
    ① 農(nóng)林生物質(zhì)熱解氣化反應(yīng)過程中，近75%的纖維素和半纖維素分解形成揮發(fā)分。纖維素分解后的熱解氣化物含量豐富，主要成分有焦油、木酸、烷類等重分子及其他可燃氣體，重分子物質(zhì)在熱態(tài)下以氣態(tài)形式存在。在一定條件下，重分子裂解燃燒可釋放出能量，在高于600℃時，則發(fā)生再裂解反應(yīng)，產(chǎn)生部分可燃氣體。在這部分可燃氣體中焦油、木酸含量下降。熱解氣化物燃燒釋放的熱量使燃燒溫度高達1500℃，在特殊燃燒條件下可達1700℃，而農(nóng)林生物質(zhì)直接燃燒溫度僅為600～700℃。
    ② 農(nóng)林生物質(zhì)中的灰分隨生物質(zhì)的種類、產(chǎn)地的不同而不同，并受種植條件的影響。熱解氣化物中，都含有硫氧化物、氯化氫、焦油及碳等，因此在燃燒前需要進行凈化處理。燃燒過程中產(chǎn)生的粉塵雖然較少，但在煙氣排入大氣之前還是要進行除塵處理。由于燃燒過程中還存在鍋爐受熱面的腐蝕及粉塵、焦油附著問題，因此受熱面的選材、溫度控制及有效地除灰就尤為重要。
4 技術(shù)經(jīng)濟要求
   ① 鍋爐利用生物質(zhì)能源的技術(shù)要求和造價較高。從能量利用的角度出發(fā)，適合大規(guī)模應(yīng)用，且適用于供熱、發(fā)電，不宜直接提供燃料。在生物質(zhì)資源的選擇上需要進行技術(shù)經(jīng)濟比較，選擇那些發(fā)熱量較高的生物質(zhì)作為能量轉(zhuǎn)化對象。
   ② 生物質(zhì)資源供應(yīng)的組織和儲備工作是應(yīng)用中最為重要的環(huán)節(jié)之一，是保證鍋爐設(shè)備持續(xù)經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)。由于生物質(zhì)資源的季節(jié)性比較強，因此生物質(zhì)能源應(yīng)用工程應(yīng)保證較為充足的原料供應(yīng)。
   ③ 生物質(zhì)資源應(yīng)就地利用，以減少原料的能量衰減和運輸費用。生物質(zhì)原料的發(fā)熱量較低，密度相對較小，在運輸同樣熱量燃料的情況下，生物質(zhì)原料需要花費的運輸費用要比其他燃料高出許多。
   ④ 合理確定生物質(zhì)原料的儲存時間，避免原料能量的衰減。農(nóng)林生物質(zhì)越冬長期存放，生物質(zhì)中的低碳聚合物自然揮發(fā)逸出，易導(dǎo)致能量衰減。
   ⑤ 對農(nóng)林生物質(zhì)熱解氣化過程中產(chǎn)生的殘余物進行有效處理，避免造成環(huán)境污染。雖然生物質(zhì)能源屬于潔凈環(huán)保能源，但熱解氣化產(chǎn)生的黑液易溶于水，很難分離，而且熱解氣化物燃燒產(chǎn)物中含有硫氧化物、氯化氫、粉塵、焦油等物質(zhì)。
5 結(jié)語
    鍋爐利用生物質(zhì)能源作為生物質(zhì)利用的主要途徑之一，在能量轉(zhuǎn)化技術(shù)中，生物質(zhì)能量密度和能量強度的提高是需要關(guān)注的重要目標。工程項目應(yīng)該具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，有足夠的生物質(zhì)原料供應(yīng)，能夠保證設(shè)備持續(xù)、可靠地運行。相關(guān)設(shè)備在運行過程中應(yīng)該具有實用性、可操作性、可靠性，環(huán)保性必須要引起足夠的重視。
參考文獻：
[1] 吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：10-11.
[2] 劉榮厚，牛衛(wèi)生，張大雷.生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：109-118.
[3] 劉洪龍，商桂新，牛國蕾.工業(yè)鍋爐生物質(zhì)與燃煤混燃技術(shù)[J].煤氣與熱力，2008，28(6)：A01-A03.
[4] 馬文超，胡艷軍，劉方金，等.生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化的實驗[J].煤氣與熱力，2007，27(7)：31-34.
[5] 陳冠益，高文學(xué)，顏蓓蓓，等.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].煤氣與熱力，2006，26(7)：20-26.
[6] 楊海平，陳漢平，王賢華，等.生物質(zhì)熱解研究的進展[J].煤氣與熱力，2006，26(5)：18-22.
[7] 米鐵，唐汝江，陳漢平，等.生物質(zhì)能利用技術(shù)及研究進展[J].煤氣與熱力，2004，24(12)：701-705.
[8] 楊海平，米鐵，陳漢平，等.生物質(zhì)氣化中焦油的轉(zhuǎn)化方法[J].煤氣與熱力，2004，24(3)：122-126.
[9] 喻霞，魏敦崧.生物質(zhì)固定床氣化過程的研究[J].煤氣與熱力，2000，20(4)：243-246.
[10] 姚向君，田宜水.生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的研究進展[J].上海電氣技術(shù)，2008(1)：56-62.
[11] 梁衛(wèi)平.21世紀生物質(zhì)能研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，17(4)：167-168.
[12] 姚向君，田宜水.生物質(zhì)能資源清潔轉(zhuǎn)化利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：213-214.
[13] 雒廷亮，許慶利，劉國際，等.生物質(zhì)能的應(yīng)用前景分析[J].能源結(jié)構(gòu)與信息，2003，19(4)：194-197.
[14] 王璋保.對我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題的思考[J].工業(yè)加熱，2003，32(2)：1-5.
[15] 劉圣勇.國內(nèi)外生物質(zhì)成型燃料及燃燒設(shè)備研究與開發(fā)現(xiàn)狀[J].可再生能源，2002(4)：14-15.
[16] 劉圣勇，劉小二，王森.不同形態(tài)生物質(zhì)燃燒技術(shù)現(xiàn)狀和展望[J].新能源產(chǎn)業(yè)，2007(4)：23-28.
[17] 孫軍.木質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化利用途徑與方法[J].林產(chǎn)工業(yè)，2004(6)：51-53.
[18] 劉圣勇.生物質(zhì)(秸稈)成型燃料燃燒設(shè)備研制及試驗研究(碩士學(xué)位論文)[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003：16-19.
[19] 蘇海鵬，張懿君.JN50-5.0/470-T生物質(zhì)熱解燃料鍋爐的開發(fā)與設(shè)計[J].工業(yè)鍋爐，2006(6)：25-28.
[20] 蘇海鵬.一臺秸稈熱分解鍋爐煙氣溫焓值的計算[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2008(9)：20-23.
 
(本文作者：蘇海鵬 華油惠博普科技股份有限公司 北京 100120)