我国生物质直燃发电工程设计的若干问题

第32卷增刊2 电网技术V ol. 32 Supplement 2 2008年12月Power System Technology Dec. 2008 文章编号：1000-3673（2008）S2-0268-04 中图分类号：TK6 文献标志码：A 学科代码：470·4051我国生物质直燃发电工程设计的若干问题李宗瑞(国能生物发电集团有限公司，北京市西城区100032)Analysis of Direct-Fired Biomass Power Plant Design Issues in ChinaLI Zong-rui（National Bio Energy Technical Consulting Co.,Ltd，Xicheng District，Beijing 100032，China）摘要：首先对生物质燃料与煤电燃料的差别进行了全面的定性和定量分析，详细说明了两种燃料在流动性、能源密度、化学成分等方面存在着巨大的差别，并因此导致了生物质直燃发电工程在上料给料、锅炉燃烧等系统的工艺设计上与煤电工程完全不同。

介绍了国内外生物质直燃发电项目的背景差别和我国生物质发电产业的特点，进而讨论了我国生物质直燃发电项目设计存在的主要问题，指出了上料系统的设计尚不成熟是面临的最大问题；最后结合工程实践，提出了我国生物质发电工程设计的可参考基本原则，并认为中国生物质直燃发电项目在工程设计上的成熟尚需2~3年的时间，但前景广阔。

关键词：生物质发电；设计；问题；基本原则0 引言近年来，生物质能作为一种可再生能源，其开发和利用日益得到全球的关注。

在我国，生物质能也已经从积极推动向加快发展阶段迈进，2007年9月发布的可再生能源中长期发展规划中明确提出了到2020年我国生物质能装机容量达到30GW的发展目标[1-2]。

生物质直燃发电是生物质能利用的主要方式。

国外的生物质直燃发电技术已经成熟并已于20世纪90年代投入商业运营。

近年来，一些大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参与我国生物质发电产业的建设运营，已在全国建成投产了近20个生物质直燃发电项目，在建项目也有几十个。

我国生物质发电产业的发展正在艰难探索中渐入佳境，前景广阔。

由于国情的不同，我国的生物质直燃发电与国外有着很大的差别。

研究设计符合中国国情的生物质直燃发电项目，是我们无法回避的基本问题。

本文总结了几年来的生物质直燃发电工程的实践，主要从技术层面对国内生物质发电项目的设计进行了一些基本研究和介绍，以期对有关单位和人士对于生物质发电的特殊性的理解和认识有所帮助，为促进国内生物质直燃发电的健康发展起到积极、良好的作用。

1 生物质直燃发电系统生物质直燃发电系统是指采用生物质原料(农作物秸秆、林业加工剩余物、果树枝等)直接燃烧进行热力发电的系统。

它主要由上料系统、给料系统、生物质锅炉、汽轮发电机组和烟气除尘系统及其他辅助设备组成。

图1是国外生物质直燃发电系统结构示意图。

生物质锅炉除尘系统上料系统汽轮发电机组图1生物质直燃电厂结构示意图其中上料系统是指燃料从进电厂卸料至进入炉前料仓为止的整个系统，是生物质直燃电厂区别于常规燃煤电厂的最重要部分，它主要由卸料系统、储料系统、送料系统、事故上料、计量及辅助设施等部分组成。

根据燃料的不同，需要设置不同形式的上料系统，可以粗略地分为黄色秸秆上料系统和灰色秸秆及木质燃料上料系统2种。

给料系统是指燃料自炉前料仓到进入炉膛为止的炉前给料系统。

生物质锅炉是生物质直燃发电厂除上给料系统外的又一关键设备。

与常规煤电锅炉不同，其结构和材质上要适合农林生物质燃料的特第32卷增刊2 电网技术 269性，应具有抗腐蚀、受热面大等特点。

烟气除尘装置是去除并回收燃烧烟气中的飞灰，是生物质直燃发电厂重要的环境保护装置。

由于生物质直燃发电的燃料与常规燃煤电厂不同，草木灰与常规电厂的粉煤灰的性质不同，通常采用布袋除尘方式。

汽轮发电机组与常规燃煤电厂所采用的机组相同。

2 国内外生物质直燃发电产业的主要差别2.1 概述自20世纪80年代以来，包括直燃发电在内的生物质发电产业在欧美备受推崇，1990年丹麦建设了第一座秸秆生物质发电厂。

经过十几年的研究改进，国外以高效直燃发电为代表的生物质发电在技术上已经成熟[3]。

在我国，生物质直燃发电(本文所指主要为各种秸秆及林业剩余物，不含甘蔗渣、糠醛渣等渣类生物质)已经开始兴起，但与国外相比，有诸多不同之处。

2.2 产业链条上的巨大反差以小麦秸秆为例，北欧国家是在其发达的农业机械和环境保护意识下，产生了将农作物秸秆在田间收获的同时打成捆的生产模式，而后为了利用它才进行直燃发电和供热，见图2。

也就是说，国外的生物质发电是“先有(秸秆)捆、后有(秸秆)发电”。

而在我国，为了利用农林剩余物，反过来考虑如何加工收集它，这在尚不发达的农业机械条件下是较困难的。

例如，国外小麦捆的常见规格为800×1000×1500~ 2250mm，重量达500 kg/捆，而我国能够推广采用的进地捡拾打捆机只能打出360×460×900~1100 mm、重量15~18kg/捆的秸秆捆，效率较低，这些情况无疑给燃料的收(集)加(工)储(存)运(输)以及上料入炉等环节都带来很多成本和工艺方面的问题。

图2 国外小麦秸秆田间打捆2.3 种植模式及市场化等方面的差别国外生物质发电在生物质的种植模式(大面积集中种植农场化、一季作物收获期长等)、装载运输机械水平、市场化程度、人员素质等其他方面与我国国情也有很大差别。

2.4 燃料品种的不同国外多以麦秆、木片、木屑为原料，而我国多以棉秆、玉米秆、树皮为主。

燃料不同直接造成收加储运以及上料入炉各环节均不同。

2.5 容量选择方法不一致国外是“以热定电”，在生物质资源量能够满足的前提下，机组容量的选择完全按照供热量的准备需求倒算过来进行确定，不受制于容量标准系列，也不须过多考虑效益问题。

我国目前条件下，情况显然与之不同。

3 生物质直燃发电厂与常规煤电机组的主要不同生物质直燃电厂与常规火电厂的设计是有很大不同的。

这是因为其设计燃料不同，常规火电厂的燃料是煤，生物质直燃电厂的燃料是生物质(如棉秆、玉米秆、麦秆、林业剩余物等)。

首先，常规煤电厂(含流化床)和生物质电厂的入炉燃料—煤和生物质物料在物理特性上的不同，见表1有关典型数据的比较(注：由于各种煤的特性也有差别，这里主要以烟煤的特性为主)。

其次，它们在化学特性上的主要不同，见表2的有关典型数据比较。

表1生物质物料与煤的物理特性比较燃料品种堆密度/(kg/m3)破碎后颗粒度/mm颗粒形状流动性水分/%低位发热量/(kJ/kg)煤电厂用煤800~9500~13近圆球形良好 812 500~23000生物质物料50~1500~300，且不均匀长杆形或片形基本没有或没有10~50 8 400~14 000表2生物质物料与煤的化学特性比较燃料品种固定碳/%含硫量/%含氯量/%挥发分/%燃点/℃灰分/%灰熔点–变形温度/℃煤电厂用煤40~50 1 0 18280~40030约1 200生物质物料10~150.05~0.50.05~150~65 250~300 5~12约1 100[4]从以上的比较中可以看出，2种燃料在物理特性和化学特性上有着巨大的差异。

虽然同样是发电厂，但由于燃料不同，即工艺系统的设计依据不同，造成了工程设计上必然有较大的差别。

可以说，生物质物料的特殊性决定了生物质直燃电厂与常规火电厂的较大差异性，反映在厂内工艺上，主要表现在上料系统、给料系统、锅炉燃烧这3个系统上。

270 李宗瑞：我国生物质直燃发电工程设计的若干问题V ol. 32 Supplement 2具体来讲，工艺系统主要不同之处有：1）上料及给料系统的不同，是生物质直燃发电厂与常规火电厂在工艺系统上的最大区别，也是生物质发电项目设计中的最大难点。

这是由于生物质燃料的物理特性与煤有很大的区别，如前所述，它流动性差、比重轻、体积大、颗粒大、更易燃而能量密度低等性质是煤不具备的。

因此，在如何破碎、上输送带、设置炉前料仓、从料仓取给料入炉以及在全套环节上实现自动化工业化等问题上，都必须结合生物质物料特性重新研究。

如果照搬煤电的有关设计，后果将是无法运转。

2）锅炉燃烧系统由于燃料化学特性的不同也与煤电炉型有很大的区别。

生物质直燃锅炉多采用振动炉排炉，属于层状燃烧，它与悬浮燃烧的煤粉炉和流化燃烧为主的流化床炉在结构和燃烧机理上有本质的区别，这是符合生物质燃料的。

除燃烧系统外，给水加热、空气预热、蒸汽过热等系统也有独特的设计，以防止氯腐蚀(低温腐蚀)、碱腐蚀(高温腐蚀)等。

3）全厂的总平布置与常规火电厂有区别。

这是因为燃料的储存及物流方面的设计较为特殊。

与常规火电厂不同，大量生物质燃料的储存需相对较大的储场；运输车辆和条件的差异也需要道路和工业广场更为宽阔便利；生物质燃料的失火、扬尘等问题也使生产区与办公区的布置需调整合理。

因此，除常规火电厂总平布置的基本原则外，这些特点必须要重点考虑[5]。

4 国内生物质直燃发电设计现状及存在的主要问题4.1 上料系统的设计还不成熟上料系统是生物质直燃发电设计中最核心的部分，技术含量较高，国外的上料系统有成型的设计，但由于燃料品种、技术路线、成本造价等因素，需要完全结合我国国情自主设计开发上料工艺。

目前国内有关的上料系统方案主要有以下几种，见表3。

目前国内运营或调试项目上，上料系统的问题很多。

突出的技术问题有：1)破碎机堵、蓬(搭桥)、出力不足、颗粒度过大、刀头发热，有的棉秆项目甚至出现破碎机无法顺畅喂料使整个生产线陷入停滞的被动局面；2）设计黄色燃料项目，因黄色燃料上料线不能正常运行，改烧木片或棉秆等灰色燃料而炉型并不能适应；3）上料线避开难上的秸秆燃料，表3国内生物质电厂的主要上料方案序号上料方案燃料类型1行车抓斗+链条(或链板)输送机+炉前破碎黄色小麦(或玉米)秸秆大捆2破碎机+输送胶带+炉前料仓黄色小麦(或玉米)秸秆捆3螺旋取料机+胶带斗提(或输送胶带)+炉前料仓灰色棉秆、林业剩余物为主4活底料仓+胶带斗提(或输送胶带)+炉前料仓灰色棉秆、林业剩余物为主5行车抓斗+链板输送机+破碎机+输送胶带+炉前料仓灰色棉秆或灰黄色燃料均有大量上稻壳燃料，且自动化工业化程度不足；4）黄色大捆燃料在输送线上划包，上料线运行不正常；5）系统复杂，冗余多造价高；6）杂质无法机械筛分，造成系统堵塞；7）扬尘大，环境差。

4.2 炉前给料系统运行不正常炉前给料系统运行不正常主要表现在：炉前料仓内蓬料搭桥，螺旋空转；炉前给料螺旋堵转，燃料堵塞；炉前料仓取料出力不足；料仓至炉前各中间连接筒仓内燃料蓬料或堵塞；炉膛回火；炉前入料口燃料分配不匀；落料管或入料水冷套处回火。