鍋爐利用生物質能源的技術應用

摘 要

摘要：介紹了我國生物質資源的主要類型及處理方式，鍋爐利用生物質能源的主要技術。探討了鍋爐利用生物質能源的熱解氣化技術，對鍋爐利用生物質能源的技術經濟要求進行了分析。關
摘要：介紹了我國生物質資源的主要類型及處理方式，鍋爐利用生物質能源的主要技術。探討了鍋爐利用生物質能源的熱解氣化技術，對鍋爐利用生物質能源的技術經濟要求進行了分析。
關鍵詞：鍋爐；生物質；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
   采用現代鍋爐技術利用生物質能源，近年來得到國內外的廣泛關注，國內許多研究機構對這項技術進行了研究[1～10]。生物質能源具有可再生、低污染、分布廣、儲量大等優(yōu)勢，我國生物質資源豐富，這為鍋爐利用生物質能源提供了燃料保障[11]。本文對鍋爐利用生物質能源的技術應用進行探討。
1 生物質資源的主要類型及處理方式
1.1 生物質資源的主要類型
   ① 農林生物質
   農林生物質主要包括農業(yè)生產中農作物的殘余物，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，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[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，生物質資源的處理方式主要有生物質氣化技術[12～14]、固化成型技術[15～18]。國內提出的生物質氣化集中供氣系統的流程見圖1。該技術采用氣化的方法將農林生物質轉換為可燃氣體，氣化效率達到了72%～75%，燃氣低熱值達到5MJ/m3。生物質固化成型技術是將農林生物質粉碎后，通過成型設備加工成顆粒、塊、棒、片等形狀直接燃燒。固化成型技術的工藝、設備簡單，燃料便于儲存和長途運輸，易于實現產業(yè)化大規(guī)模生產和應用。這種技術不需特殊的燃燒設備，對現有鍋爐設備進行簡單改造即可，技術經濟性能相對較高。
 

2 鍋爐利用生物質能源的主要技術
    現代化鍋爐技術利用生物質能源，主要應用于供熱、發(fā)電項目，不宜直接提供燃料。其中應用較為廣泛的是直接燃燒技術、農林生物質的熱解氣化技術。
   ① 直接燃燒技術
   直接燃燒技術路線見圖2。直接燃燒技術的應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)垃圾經過分類處理后，應用鍋爐設備或其他特殊的垃圾焚燒設備進行處理，燃燒產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固化成型后，采用鍋爐設備進行直接燃燒。直接燃燒生物質的熱效率僅為10%～30%，而將生物質制成顆粒后經燃燒器燃燒，熱效率可達到87%～89%。這種方法主要優(yōu)點是采用的燃燒設備是傳統的定型產品，比較適合對原有燃燒設備進行節(jié)能改造時，在不重復投資前提下，以生物質燃料代替煤，實現節(jié)能和提高環(huán)保性。
   ② 熱解氣化技術
   熱解氣化技術是將農林生物質在缺氧或微氧狀態(tài)下通過高溫化學反應，將其分解成可燃氣體，作為鍋爐設備的燃料，實現能量的轉換。目前熱解氣化技術主要用于發(fā)電。某秸稈發(fā)電廠鍋爐與熱解氣化裝置結構見圖3[19～20]。這種熱解氣化裝置在結構上類似往復爐排，秸稈在熱解氣化裝置內轉化為可燃氣體，燃氣從鍋爐底部進入燃燒室進行燃燒。作為熱化學轉化的一種工藝方法，熱解氣化技術利用熱解氣化裝置將農林生物質經過轉化產生的燃氣直接供給鍋爐設備燃燒。以熱化學為基礎的熱解氣化技術，強化了生物質的能量密度和能量強度，提高了其利用品位。
 

3 熱解氣化反應及農林生物質特性
3.1 熱解氣化反應
    農林生物質由碳、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完成的。在熱解裝置內，隨著溫度的升高，產生的氣體通過還原區(qū)，反應生成含C0、H2、CH4等組分的可燃氣體。整個反應過程比較復雜，而且隨著熱解裝置的類型、工藝流程、反應條件、催化劑的種類、生物質原料的性質和粉碎等級的不同，反應過程也不相同。
3.2 農林生物質特性
    ① 農林生物質熱解氣化反應過程中，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，產生部分可燃氣體。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℃，而農林生物質直接燃燒溫度僅為600～700℃。
    ② 農林生物質中的灰分隨生物質的種類、產地的不同而不同，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 技術經濟要求
   ① 鍋爐利用生物質能源的技術要求和造價較高。從能量利用的角度出發(fā)，適合大規(guī)模應用，且適用于供熱、發(fā)電，不宜直接提供燃料。在生物質資源的選擇上需要進行技術經濟比較，選擇那些發(fā)熱量較高的生物質作為能量轉化對象。
   ② 生物質資源供應的組織和儲備工作是應用中最為重要的環(huán)節(jié)之一，是保證鍋爐設備持續(xù)經濟運行的基礎。由于生物質資源的季節(jié)性比較強，因此生物質能源應用工程應保證較為充足的原料供應。
   ③ 生物質資源應就地利用，以減少原料的能量衰減和運輸費用。生物質原料的發(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 合理確定生物質原料的儲存時間，避免原料能量的衰減。農林生物質越冬長期存放，生物質中的低碳聚合物自然揮發(fā)逸出，易導致能量衰減。
   ⑤ 對農林生物質熱解氣化過程中產生的殘余物進行有效處理，避免造成環(huán)境污染。雖然生物質能源屬于潔凈環(huán)保能源，但熱解氣化產生的黑液易溶于水，很難分離，而且熱解氣化物燃燒產物中含有硫氧化物、氯化氫、粉塵、焦油等物質。
5 結語
    鍋爐利用生物質能源作為生物質利用的主要途徑之一，在能量轉化技術中，生物質能量密度和能量強度的提高是需要關注的重要目標。工程項目應該具有相當的規(guī)模，有足夠的生物質原料供應，能夠保證設備持續(xù)、可靠地運行。相關設備在運行過程中應該具有實用性、可操作性、可靠性，環(huán)保性必須要引起足夠的重視。
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(本文作者：蘇海鵬 華油惠博普科技股份有限公司 北京 100120)