生物质发电技术历程

生物质发电技术历程

1、生物质锅炉发展现状

生物质直燃发电和常规燃煤的热电机组相比，生物质直燃电厂在汽轮发电机组和绝大多数辅机系统上并无区别，设备的选型和运行管理方面可以直接套用燃煤电厂经验，唯一存在区别的是锅炉部分和燃料储运处理系统。从能源利用角度看，生物质直燃电厂采用成熟高效的水蒸气动力循环，流程简单，能源转化效率高且可以很方便地扩大规模。

生物质燃料具有高氯、高碱、挥发分高、灰熔点低等特点，燃烧时易腐蚀锅炉，并产生结渣、结焦等，因此，对锅炉设计有特殊的技术要求。直接燃烧发电的锅炉主要根据燃烧方式分成固定床或流化床：固定床燃烧方式多采用往复式炉排、振动式炉排、链条式炉排、马丁炉（多见于垃圾炉）等炉型；流化床燃烧方式多采用流化床、循环流化床、二级流化床等炉型。在秸秆直燃锅炉的大型化方面，振动式炉排使用比较合适，往复式炉排及链条式炉排使用较少。因为振动式炉排活动件较少，动作时间短，设备可靠性及自动化水平高，维护量远远小于往复式炉排及链条式炉排。

目前国际上针对秸秆类生物质比较成熟的燃烧技术提供国是丹麦，其燃烧设备采用水冷振动炉排锅炉，该技术已经由国家电网公司旗下的国能生物发电有限公司引入国内，并在山东单县、河北威县、河北成安、山东垦利、山东高唐、江苏射阳、河南羧县、河南鹿邑等几十个生物质发电项目中采用。作为国际上目前唯一经过实证的秸秆直接燃烧技术，其特殊的炉排设计可以克服秸秆燃烧过程中低灰熔点造成的排渣困难；炉膛和受热商的设计排布也能较好地缓解炉壁结渣、管束沉积以及高温受热面金属高温腐蚀问题。从单县等已投产项目的运行情况可以证实该燃烧技术的可行性。

从秸秆发电产业发展的角度来说，拥有具有自主知识产权的秸秆直接燃烧技术具有重要的意义。基于此，浙江大学、武汉凯迪等企业对秸秆燃烧过程中的碱金属问题进行了较深入的研究，开展了循环流化床秸秆燃烧技术的研发。该技术路线的提出主要基于两点考虑：首先流态化燃烧可以有效地控制燃烧温度，从而抑制秸秆灰发生熔融的程度并有效减少活泼的含钾物质进入气相形成受热面沉积，同时也可降低高温腐蚀发生的危险。其次我国的生物质燃烧储运制备条件和国外差距极大，人炉生物质燃料的品种品质难以得到保证；流态化

图1 BWE锅炉岛的系统图

锅炉采用单锅筒自然循环锅炉，包括振动炉排及4个烟气回程。锅炉安装在锅炉基座上。前3个回程的水冷壁及炉排水冷壁共同组成了锅炉的蒸发系统。这些水冷壁包围并形成了布置过热器的封闭空间。

锅筒内设置档板，档板位于水－蒸汽连接管的上方；下降管位于底部，用于水循环的供水；汽水分离器位于顶部，用以保证干燥的饱和蒸汽被输送至过热器。

锅筒通过左右两根下降管向左右两侧水冷壁下集箱和烟井2后墙水冷壁下集箱供水，并分配到炉排水冷壁下集箱和烟井3后墙水冷壁下集箱内，通过两侧水冷壁以及炉排水冷壁、前水冷壁和烟井2、3后墙水冷壁的吸热上升到上集箱最后进入锅筒。

在锅炉第3回程中，过热器是管束卧式布置；在第1回程及第2回程中，是屏式垂直布置；第一级过热器及第二级过热器在第3回程中，第三级过热器在第1回程即炉膛的上部；第四级过热器位于第2回程中。

省煤器、烟气冷却器安装在省煤器－烟气冷却器塔内，在锅炉中形成第4

个回程。锅炉这个部分没有受热面。省煤器和烟气冷却器是由方形鳍片蛇形管组成。省煤器位于第四回程的上部，分为两级。烟气冷却器位于省煤器的下方，分为五级。

空气预热器单独立式布置在炉外，空气预热器是由一组圆形鳍片蛇形管组成。

空气预热器是通过给水与冷空气的热交换，来加热空气的。

3.2循环流化床生物质

1)循环流化床锅炉发展历程

西方发达国家早在20世纪80年代就已经开始进行CFB锅炉燃生物质燃料的研究开发工作，并且已有多个实际应用项目。我国的一些科研单位和锅炉厂在早期也进行了比较深入的研究,先后开发出纯烧蔗渣锅炉、蔗渣煤粉混烧锅炉、造纸厂用碱回收锅炉和棕榈锅炉，这些锅炉已经形成系列产品。

近几年国家出于节能减排、提高资源利用率的考虑，号召开发生物质能源的再生利用技术，燃用生物质燃料的CFB锅炉应运而生。中国节能（宿迁）生物质发电有限公司秸秆直燃发电项目锅炉是国内第一个具有自主知识产权的生物质CFB锅炉，此后以武汉凯迪为代表的相关科研机构和各锅炉厂陆续研发了不同参数一系列CFB锅炉产品并有部分项目投入运行。生物质CFB锅炉国产化摆脱了我国在生物质发电依靠引进国外技术的高成本、技术不适应我国生物质燃烧的局面。为我国生物质锅炉向低成本、规模化、产业化发展奠定了良好的基础。据不完全统计，截至目前已投入运行的生物质电厂中用CFB锅炉的项目超过15个，仅武汉凯迪尚在建设的CFB锅炉项目就达到近30个，运行较好的项目设备年利用小时数超过7000小时。

2)循环流化床锅炉流派

生物质燃料由于含有一定量的碱金属无机杂质，燃烧过程中灰颗粒容易在低温下出现熔融现象，因而容易在高温的炉膛内结焦，在流态化燃烧过程中主要体现在床层聚团和水冷壁及炉膛内受热面结焦等方面。

床层聚团发生的主要原因是局部熔融的生物质半焦或者灰颗粒粘附床料颗粒之后降低流化质量，由于局部流化不充分会导致局部高温从而加剧灰颗粒的熔融，从而强化床料颗粒之间的粘结，使流化进一步恶化，最使流化失败。因此，作为燃用生物质的锅炉系统，要解决的主要难题是：燃料在锅炉中燃烧容易引起结团、结焦的问题；对流受热面易形成高温粘结灰，产生高温碱金属腐蚀、锅炉尾部低温氯腐蚀、飞灰搭桥的问题。

众多科研机构(或院校)及锅炉厂在研究过程中,对生物质燃料的燃烧特性理解和认识上基本是一致的, 但具体的技术解决方案各有千秋，主要表现在方案设计、工艺选材、运行调整手段等不同。

纵观各家设计方案，依据受热面的布置形式差异可归结为两大技术流派：第一类技术流派主张炉膛内（包括水平烟道内）尽可能少布置对流受热面。这类布置方式尾部需要比较长的烟气流程，以满足更多的受热面的热交换。

如图2为65t/h高温次高压的生物质CFB锅炉采用了尾部三烟道的设计方案，屏式过热器布置于第一烟道内，低温过热器、高温过热器分别位于第二烟道上下部，省煤器和空气预热器布置在第三烟道内。除了加长尾部烟气流程，另一解决方案是将高温过热器布置在外置式换热器中。采用外置式换热器方案通过调整进入换热器的循环灰量与直接返回炉内循环灰量的比例控制床料温度，使调整床温更具灵活性。根据需要还可以采用水冷或汽冷旋风分离器，以保证锅炉足够的受热面积。一般使用在较大容量的CFB锅炉。

第二类技术流派是主张在炉膛内多布置受热面。部分厂家除了在炉膛内布置翼墙式水冷屏外，还将中高温过热器布置炉膛内（或水平烟道内）。