1、引言
隨著人口和經(jīng)濟的增長，我國的能源消費量也在不斷增加。作為主要能源來源的石油、天然氣和煤炭等資源正在迅速減少，按目前剩余可采儲量和能源消費量來看，煤炭還可以開采50年左右，石油還可以開采40年，天然氣還可以開采40年。大力發(fā)展可再生能源利用技術，是解決我國能源問題、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項重要途徑，對節(jié)能減排和改善生態(tài)環(huán)境都具有重要作用和實際意義。
生物質能是一種可再生能源。廣義上講，生物質是各種生命體產生或構成生命體的有機質的總稱，生物質所蘊含的能量稱為生物質能。
自1989年第一家生物質燃燒發(fā)電廠Haslev電廠在丹麥投入運行以來，全球生物質發(fā)電技術發(fā)展迅速，尤其是在歐美發(fā)達國家，已經(jīng)建設了很多以生物質為燃料的電廠，社會和經(jīng)濟效益良好。
我國的生物質發(fā)電起步較晚，但得益于生物質燃料資源豐富、國家大力發(fā)展可再生能源的一系列優(yōu)惠政策及國內大量的技術研究和開發(fā)工作，目前發(fā)展勢頭良好，已建成一批示范性的生物質電廠。國內用于生物質發(fā)電的鍋爐型式主要有爐排鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐，目前都已有工程的應用，如國能威縣生物質電廠、中節(jié)能（宿遷）生物質能電廠、柳城生物質電廠等，規(guī)�；径荚�75 t/h和130 t/h等級，目前國內外尚無220 t/h及以上的單機規(guī)模投運業(yè)績。
國內外都在致力于生物質機組容量大型化的研究，其中最主要的課題之一就是燃燒方式及爐型的選擇。本文結合某電廠使用的燃料情況，對其鍋爐燃燒方式和爐型選擇進行分析。
2、燃料分析
鍋爐燃用生物質燃料及灰品質分析資料見表1。
從表1中可以看出，生物質燃料具有以下特性：
(1)燃料種類多，性質差異大。燃料中有桉樹砍伐、加工過程中產生的枝、葉、根、邊角料等廢棄物及甘蔗收割后遺留的甘蔗葉，種類繁多，不同燃料成分有一定差異，尤其是燃料的水分含量差別很大，桉樹皮收到基水分甚至高達70.76%；此外，燃料的物理性質有明顯差異主要是比重和人爐粒徑差別較大。燃料性質的差異對鍋爐的穩(wěn)定運行影響很大。
(2)含碳量少，發(fā)熱量低。按入爐時水分含量20%考慮，各種燃料的收到基含碳量一般在30%～40%之間，相對于煤炭等燃料比較低，也是其發(fā)熱量低的主要原因，一般在13000—15 000kj/kg之間（按燃料水分含量20%折算）。以生物質為燃料的鍋爐爐內溫度偏低，燃燒穩(wěn)定性較差。
(3)揮發(fā)份高。按入爐時水分含量20%折算，燃料的揮發(fā)份大都在60%左右，燃料入爐后揮發(fā)份迅速析出并燃燒，因此燃料著火溫度低，易著火、燃燒迅速且易燃燼。
(4)灰分、硫分含量低，污染物排放濃度低。燃料的收到基灰分含量一般不超過3%，收到基硫分含量不超過0,13%，燃燒生成的煙塵和SOx排放量少，污染物排放濃度低，不需設專門的脫硫裝置，對除塵裝置的要求也不高。另外，燃料燃燒時，生成的CO2與其生長時通過光合作用吸收的相當，可以認為是零排放，有助于緩解溫室效應，對當?shù)丨h(huán)境保護都非常有利。
(5)灰中堿金屬含量高，還存在微量的氯元素。燃料燃燒后灰中的堿金屬尤其是K、Na的含量較高，燃料的灰熔點較低。從各種文獻資料和工程經(jīng)驗來看，生物質燃料的灰熔點大都在800℃左右，鍋爐容易出現(xiàn)腐蝕和結焦，影響正常運行；另外，生物質燃料中還可能含有少量的氯元素，與堿金屬結合生成堿金屬鹽，使鍋爐的腐蝕和結焦問題更加嚴重。
3、生物質燃燒方式及爐型選擇
鍋爐按燃燒方式可分為層燃爐（爐排爐）、室燃爐（煤粉爐）、旋風爐、沸騰爐（流化床鍋爐）。目前生物質燃料應用較多的燃燒方式有兩種，即層燃燃燒和流態(tài)化燃燒兩種。
3.1層燃燃燒方式
以爐排爐為代表的層燃燃燒中，燃料在固定或者移動的爐排上實現(xiàn)燃燒，燃燒所需空氣從下方透過爐排供應給上部的燃料，燃料處于相對靜止的狀態(tài)，燃料人爐后的燃燒時間可由爐排的移動或者振動來控制，灰渣從爐排下端或后端落下。
作為生物質鍋爐運行較多的國家之一，丹麥基于本國的生物質燃料資源特點，以層燃爐為基本形式開發(fā)了以麥秸稈為燃料的振動爐排鍋爐，麥秸稈在爐排的一端通過機械推送或者風力播撒送人爐膛后部，爐排向爐前傾斜，秸稈隨著爐排的振動向爐前移動。其結構型式見圖1。
生物質燃料著火溫度低、揮發(fā)份份額高且析出快速，在燃料的給入段需迅速給人大量的燃燒風，在該處形成強烈的火焰燃燒區(qū)，燃燒區(qū)后燒散的燃料或者未燃燼的殘枝、半焦等落在爐排上繼續(xù)燃燒并通過爐排運動保證其燃燼；同時，為了保證大量的揮發(fā)份燃燼，爐排上部空間還需要有合理的二次風系統(tǒng)。從燃燒組織角度看，該技術根據(jù)生物質的燃燒特性對常規(guī)的爐排爐燃燒進行了改進，占主要燃燒份額的揮發(fā)份燃燒發(fā)生在燃料給入段和整個爐排上部空間。爐膛上部大量氣相可燃物進行懸浮燃燒，部分未燃燼的燃料和半焦落在爐排上進一步燃燒則具有層燃的特性。該技術基本切合了生物質燃燒的特性，通過合理的燃料給入方式、一二次風配比以及控制爐排振動頻率實現(xiàn)生物質的高效燃燒。
針對生物質燃料的堿金屬問題，主要通過在爐膛上部、后部增加低溫蒸發(fā)受熱面，使進入第一級對流受熱面的煙氣溫度降低到相對安全的程度，緩解尾部受熱面堿金屬問題，其它的輔助措施包括降低高溫煙氣換熱區(qū)域內管內工質的溫度、采用耐腐蝕管材以及強化吹灰和檢修制度等。對于落在爐排上的殘余燃料和半焦，由于土部輻射加熱和自身的燃燒放熱，即使是在爐排采用水冷的情況下，依然存在高溫下灰燼出現(xiàn)軟化、黏粘的現(xiàn)象，針對該問題的解決主要依賴精心設計的爐排移動和振動方式。良好的設計必須考慮在爐排上不同部位燃燒灰燼的堆積、軟化、黏粘或者脫落特性，以保證在較高燃燼率的前提下的正常排灰，設計不良的爐排可能在短短幾天內就會因為排灰不暢造成停爐。
根據(jù)對丹麥的振動爐排燃燒麥秸稈技術的跟蹤和文獻研究，在長期工程經(jīng)驗的積累基礎上，爐膛對流受熱面沉積、高溫受熱面金屬腐蝕以及爐膛區(qū)的熔渣現(xiàn)象得到了一定程度的緩解，但沒有根本解決；另外，爐膛內高溫區(qū)域的控制、爐排的移動和正常排灰等設計和組織需要細致考察燃料的特性，一旦實際運行時燃料的特性發(fā)生改變，爐排爐對燃料變動的適應性較差的缺點容易凸顯，燃燒效率降低和堿金屬問題惡化。
國內生物質燃料具有多樣性、復雜性和季節(jié)性的特點，丹麥的這種拋料式的爐型不太適用。國內通過技術引進后創(chuàng)新或自行開發(fā)等途徑實現(xiàn)振動爐床燃燒設備的國產化，設計出適合中國國情的振動爐排。與丹麥技術最大的不同處在于其爐排是由爐前向爐后傾斜，燃料在爐前落到爐排上后，隨著爐排的振動向爐后方向移動，結構型式見圖20這種型式的爐排在同時燃用多種類型燃料時有很大的優(yōu)勢，目前國內生產的爐排基本上都是這種型式，已有大量的運行業(yè)績。
3.2流態(tài)化燃燒方式
流態(tài)化燃燒是近代從化學反應工程技術領域發(fā)展起來的一種新型燃燒技術，其爐型可分為鼓泡床和循環(huán)流化床鍋爐，目前電站鍋爐應用較多的是循環(huán)流化床鍋爐，其主要特點是低溫燃燒、燃料適應性強、燃燒可控性能好等，近年來得到了快速的發(fā)展，不但成功地在中小規(guī)模的熱電機組中得到廣泛應用，更逐步大型化、高參數(shù)化。
由于流態(tài)化燃燒的優(yōu)點，越來越多的電站利用循環(huán)流化床爐型進行生物質燃料的燃燒，從燃燒方式的組織角度結合生物質燃料的燃燒特性進行分析，主要有以下幾個特點：
(1)低溫燃燒特性和爐膛溫度均勻性。循環(huán)流化床鍋爐爐膛內大量惰性的床料與燃料之間充分的混合使燃料燃燒放出的熱量能均勻釋放，不會形成層燃燃燒所難以避免的局部高溫，有效降低爐內氣相堿金屬的濃度和熔體形成的速度，基本解決了生物質鍋爐的堿金屬問題，可以說流態(tài)化燃燒在該點上優(yōu)于層燃。
(2)較好的燃料適應性。循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)的床料溫度在800℃左右，熱容量較高，即使燃料的水分高達50%—60%，進入爐膛后也能穩(wěn)定燃燒，加上密相區(qū)內燃料與空氣接觸良好，擾動劇烈，燃燒效率較高。流態(tài)化燃燒對燃料的強適應性在燃煤甚至生活垃圾的應用已得到充分的體現(xiàn)。流態(tài)化燃燒不但能適應生物質原料在種類、破碎條件、水分、雜質含量等方面的變動，維持良好的燃燒組織，更重要的是燃料變動時，依然能夠根據(jù)改變配風順利實現(xiàn)設計目的，對堿金屬引發(fā)的各種問題加以有效控制。
國際上以流態(tài)化燃燒技術燃用生物質的公司很多，有代表性的有AE&E、Foster Wheeler、B＆W、Kvaerner等，其主要的應用都在歐洲和美國，燒的多是木片鋸末、果園修剪枝條以及河道污泥等，容量都不大。國外生物質流化床鍋爐見圖3。
在國內，針對生物質燃燒灰熔點低、易結渣等特點進行研究，不斷改進循環(huán)流化床燃燒技術，通過采用特殊的配風及組織方式保證生物質的流態(tài)化燃燒和順暢排渣，優(yōu)化受熱面布置，降低堿金屬的腐蝕，解決了一系列的難題，設計的鍋爐（見圖4）安裝在江蘇宿遷、廣西柳城等電廠，目前已投入運行。
3.3生物質燃燒方式的對比
相比層燃方式，流化床燃燒具有低溫燃燒特性、爐膛溫度均勻、燃料適應性好等特點，更能適應生物質燃料品種復雜、水分高、熱值低的特點，爐內溫度控制和機組負荷控制上也具有一定的優(yōu)勢；另外，目前國內外爐排鍋爐的容量大都是75 t/h和130 t/h等級，當鍋爐容量為220 t/h甚至更高時，爐排爐的爐排面積將按鍋爐容量成比例增大，爐排的加工制作、布風的均勻、爐排的密封和受熱面的腐蝕、結焦等方面都存在很大的技術難題，國內外尚無成熟經(jīng)驗可供參考和借鑒。一般認為，生物質爐排爐的最大容量一般以130t/h等級為上限，開發(fā)更大容量鍋爐，技術研發(fā)成本增加，技術和投資風險加大，須要慎重考慮。而目前國內循環(huán)流化床燃煤鍋爐已經(jīng)可以做到容量為1 025t/h等級，并正在進行2 000 t/h等級鍋爐的技術攻關，在以生物質為燃料的循環(huán)流化床向大型化方向發(fā)展上，可以從燃煤鍋爐上借鑒一些成熟的技術和經(jīng)驗。
4、結論
綜合所述，循環(huán)流化床鍋爐特別適合生物質燃料的特性，在生物質鍋爐大型化發(fā)展方向上有著極大的優(yōu)越性和潛力�？梢灶A見，循環(huán)流化床鍋爐將是今后大型純生物質直燃鍋爐中主要選擇。
