摘要：本文介紹了
生物質(zhì)燃料顆粒特性及生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀。對生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了其對鍋爐運(yùn)行的影響，同時展望了我國生物質(zhì)利用發(fā)展趨勢。
利用生物質(zhì)能發(fā)電，不僅可以開發(fā)新能源，節(jié)約煤炭，改善我國能源結(jié)構(gòu)，減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護(hù)環(huán)境，而且可以充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，增加農(nóng)民收入，增強(qiáng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和生存能力，具有重要意義。本文介紹了生物質(zhì)燃料特性及生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀。對生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了其對鍋爐運(yùn)行的影響，同時展望了我國生物質(zhì)利用發(fā)展趨勢。生物質(zhì)顆粒燃料是經(jīng)過
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等
生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)壓制而成的，如下圖所示：
1、生物質(zhì)燃料特性
生物質(zhì)包括一切直接或間接利用植物光合作用而形成的有機(jī)物質(zhì)。本文所說的生物質(zhì)均指農(nóng)作物秸桿和農(nóng)業(yè)加工殘余物以及林木和林業(yè)加工剩余物等生物質(zhì)，不包括有機(jī)污水、生活垃圾及禽畜糞便。從物理本質(zhì)上來說，生物質(zhì)是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、無機(jī)物和水組成的[1]。從化學(xué)元素來說，其包含C、H、O、N、S，水和灰分。
與燃煤相比，生物質(zhì)燃料具有自身的特點：
1)木本燃料的生物活性較高，可能引起料堆發(fā)熱并損失干物質(zhì)，且貯藏點的含塵量和孢子含量很高，在燃料儲運(yùn)過程中會引起健康和安全問題。
2)生物質(zhì)燃料可燃基揮發(fā)分含量在70%以上，干燥后具有很好的著火特性，燃點大概400℃左右。
3)生物質(zhì)S和N含量較低，代替部分燃煤可減少SO2和NOx的排放。
4)灰中的K、Na含量相對較高，灰熔點大概在800－1000℃，高溫下堿金屬析出容易導(dǎo)致飛灰團(tuán)聚和受熱面結(jié)渣。
5)部分生物質(zhì)Cl含量相對較高，燃燒釋放出高濃度HCl進(jìn)入鍋爐尾氣會引起受熱面高溫腐蝕。
2、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀
現(xiàn)有的生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)主要有兩種類型，一種是生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)，即將生物質(zhì)作為唯一燃料，采用水冷振動爐排或循環(huán)流化床燃燒生物質(zhì)發(fā)電[2]。生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)存在制造成本高、發(fā)電效率低、燃料適應(yīng)性差、受熱面結(jié)焦、腐蝕等問題。
另一種利用生物質(zhì)發(fā)電的技術(shù)為生物質(zhì)氣化與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)[3]，即將生物質(zhì)氣化后帶有可燃?xì)怏w的煙氣送入燃煤鍋爐進(jìn)行耦合發(fā)電。生物質(zhì)氣化燃煤耦合發(fā)電技術(shù)存在氣化裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行控制難度大、投入成本高、焦油析出導(dǎo)致閥門堵塞等安全問題。
3、生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)
將生物質(zhì)燃料破碎后送入燃煤鍋爐進(jìn)行混合發(fā)電是一種新的高效利用生物質(zhì)能的方法。本文介紹了一種生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個部分組成，即生物質(zhì)顆粒制備系統(tǒng)，生物質(zhì)顆粒輸送系統(tǒng)，生物質(zhì)顆粒燃燒及煙氣凈化系統(tǒng)，如圖1所示。
3.1生物質(zhì)顆粒制備系統(tǒng)
生物質(zhì)原料由特殊的生物質(zhì)破碎機(jī)完成初步加工后，燃料粒徑變?yōu)?－6cm，大約失掉5%的水分，密度約400kg/m3。破碎后的燃料經(jīng)過一級螺旋輸料機(jī)進(jìn)入蒸汽干燥器內(nèi)，將燃料水分干燥至12%以下，以便于進(jìn)一步粉碎。干燥后的燃料經(jīng)過二級螺旋輸料機(jī)進(jìn)入粉碎機(jī)內(nèi)，通過錘刀切割和高速氣流沖擊作用將生物質(zhì)制成粒徑約5mm的顆粒，送至粉料倉儲存，中儲倉的設(shè)置能夠保證生物質(zhì)制粉設(shè)備長期在額定工況下運(yùn)行，同時滿足機(jī)組升降負(fù)荷控制燃料量的要求。
3.2生物質(zhì)顆粒輸送系統(tǒng)
成型的生物質(zhì)顆粒經(jīng)過輸粉機(jī)進(jìn)入錐形粉斗內(nèi)，通過螺旋卸料閥將所需的燃料顆粒送入管道內(nèi)，利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣力輸送。送粉管道上設(shè)置有快關(guān)閥，當(dāng)鍋爐緊急停爐時可迅速切斷生物質(zhì)燃料，保證鍋爐安全運(yùn)行;管道上還設(shè)置有風(fēng)速測量裝置，實時監(jiān)控調(diào)整風(fēng)粉混合物的速度，防止堵粉;管道上還設(shè)置有溫度傳感器，將物料溫度控制在70℃以下，防止發(fā)生燃料自燃;送粉管道的末端設(shè)置有氣動球閥，可對燃料入爐量進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)管道發(fā)生堵粉時，可通過管道上設(shè)置的清堵壓縮空氣及時吹掃，保證給粉的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
3.3生物質(zhì)顆粒燃燒及煙氣凈化系統(tǒng)
生物質(zhì)顆粒最終通過布置于送粉管道末端的燃燒器進(jìn)入爐膛內(nèi)燃燒，在此過程中，由送風(fēng)機(jī)提供的二次風(fēng)經(jīng)空預(yù)器加熱后送入燃燒器，由此進(jìn)入爐膛內(nèi)，以補(bǔ)充燃料燃燒需要的氧量。煤粉鍋爐爐膛內(nèi)平均溫度比水冷振動爐排鍋爐和流化床鍋爐要高，有利于生物質(zhì)燃料的著火和燃盡，提高了其燃燒效率。運(yùn)行時嚴(yán)格控制生物質(zhì)燃料摻燒量，其輸入熱不超過爐膛總輸入熱的5%，煤粉燃燒產(chǎn)生的大量煙氣能夠稀釋生物質(zhì)中K2O、Na2O等堿金屬氧化物及HCl的濃度，有效解決生物質(zhì)灰結(jié)焦和受熱面腐蝕問題。燃料燃燒生成的煙氣在爐膛內(nèi)流動至脫硝裝置，大量NOx被還原，可將出口NOx控制在50mg/Nm3以下。之后煙氣經(jīng)過空預(yù)器將熱量傳遞給一次風(fēng)和二次風(fēng)，隨后進(jìn)入除塵器將大部分粉塵除去，再通過引風(fēng)機(jī)后進(jìn)入脫硫裝置，凈化后的煙氣最后通過煙囪排入大氣。
4、生物質(zhì)顆粒與燃煤耦合發(fā)電對鍋爐運(yùn)行的影響
4.1對鍋爐污染物排放的影響
植物利用光合作用將環(huán)境中的CO2吸收后釋放出O2，在生物質(zhì)燃燒過程中，C轉(zhuǎn)化為CO2釋放出來，對于環(huán)境來說，并沒有增加CO2排放量。因此，可認(rèn)為生物質(zhì)燃燒時CO2為零排放。通常生物質(zhì)中S含量小于0.13%，相比燃煤要低，以生物質(zhì)代替部分燃煤可減少SO2的排放量。
燃料燃燒過程中會產(chǎn)生NOx，根據(jù)NOx的生成機(jī)理及含量主要分為兩種類型：燃料型NOx和熱力型NOx。燃料中的N與O結(jié)合形成燃料型NOx，通常生物質(zhì)中N含量相比燃煤要低，以生物質(zhì)代替部分燃煤可減少燃料型NOx的生成。在高溫火焰中，空氣中氮在高溫下氧化產(chǎn)生NOx，研究表明影響熱力型NOx生成量的主要因素是爐內(nèi)溫度，當(dāng)溫度低于1800K時，熱力型NOx生成量比較低，溫度高于1800K以后，熱力型NOx增加很快，溫度每增加100K，熱力型NOx生成反應(yīng)速度將增加6～7倍。由于生物質(zhì)燃料熱值較低，燃燒時火焰中心溫度較低，可減少熱力型NOx的生成。
4.2對鍋爐q2的影響
排煙熱損失(q2)指煙氣離開鍋爐末級受熱面時帶走的部分熱量，是鍋爐最主要的熱損失，q2主要取決于排煙溫度和煙氣量的大小。煤粉燃燒為發(fā)光火焰，輻射特性主要依靠炭黑粒子及三原子氣體，其中炭黑粒子輻射熱量占大部分。鍋爐摻燒生物質(zhì)后，C含量相對減少，同時燃燒溫度低于煤粉燃燒溫度，所以生物質(zhì)顆粒燃燒火焰輻射能力弱，摻燒生物質(zhì)代替一部分燃煤后將降低爐膛吸熱量。同時由于生物質(zhì)熱值較低，摻燒時會導(dǎo)致單位輸入熱量對應(yīng)的煙氣量增加，火焰高溫區(qū)上移，爐膛出口及對流受熱面煙溫升高，排煙溫度及煙氣量增加，從而導(dǎo)致q2增加。
4.3對鍋爐q4的影響
機(jī)械不完全燃燒熱損失(q4)指固體炭顆粒在爐內(nèi)未完全燃燒即隨飛灰和爐渣一同排出爐外而造成的熱損失，由飛灰不完全燃燒熱損失和爐渣不完全燃燒熱損失兩部分組成。q4反映了煤炭燃燒的完全程度，是影響鍋爐熱效率的重要指標(biāo)。鍋爐降低飛灰燃盡損失的主要手段是給予煤粉顆粒充分的燃盡時間和燃燒所需的氧量，簡單來說就是增加煤粉顆粒在高溫區(qū)的停留時間和煤粉燃燒配風(fēng)充分。
由于生物質(zhì)燃料水分大、熱值低，當(dāng)摻燒生物質(zhì)顆粒后鍋爐煙氣量增加，爐內(nèi)溫度水平降低，將會導(dǎo)致幾個趨勢：煤粉在爐內(nèi)的停留時間縮短、煤粉的化學(xué)反應(yīng)速度降低、生物質(zhì)燃燒搶占煤粉顆粒燃燒所需的氧量。因此，總體來說對于煤粉顆粒的燃盡是不利的，q4將有增加的趨勢。
5、結(jié)論
生物質(zhì)顆粒與燃煤直接混合發(fā)電是一種高效、清潔的利用生物質(zhì)能發(fā)電的技術(shù)。相比于生物質(zhì)直燃發(fā)電及生物質(zhì)氣化與燃煤耦合發(fā)電，其具有更強(qiáng)的燃料議價能力和更低的建造、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用。用生物質(zhì)顆粒代替部分燃煤會對原鍋爐燃燒效率產(chǎn)生一定影響，但可降低CO2、SO2、NOx的排放。生物質(zhì)與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)符合國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的大方向，順應(yīng)市場需求，在未來很長一段時間內(nèi)將成為生物質(zhì)利用的重要方式。
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