我国生物质锅炉替代燃煤锅炉技术分析及政策建议

文 // 武斌 四川省节能监察中心

我国生物质锅炉替代燃煤锅炉技术分析及政策建议

文 // 武斌 四川省节能监察中心

1 背景和意义

随着人口的大幅增长和社会经济的快速发展，中国已成为世界第一大能源消费国，能源安全及环境污染问题受到国内外的高度关注，并已成为影响我国全面建设小康社会的重要因素。因此，关注能源问题，探索非化石能源的开发利用具有重要意义。

随着经济快速发展，我国对煤、石油、天然气资源需求量不断增加，能源消费总量从2009年的306647万吨标准煤增加到2013年的375000万吨标准煤；其中2013年煤炭占消费总量的66.00%，石油占18.40%，天然气占5.8%，水电、核电和风电等非化石能源仅占9.8%。可见，能源消耗日益增长，能源需求的不断增加将导致常规能源供需矛盾日益突出。

2 国内外生物质燃烧替代燃煤技术的情况

2.1 炉排层燃技术

由于大多数工业企业采用的都是层燃锅炉，所以开发适用于生物质的层燃锅炉受到国内外广泛关注。

丹麦开发出一种专门燃烧成捆秸秆的燃烧炉，起重机将秸秆捆放入防火通道中，用传送装置将其运至料箱中，随后预热室的炉门打开，秸秆进入预热室，在预热室内被已燃烧的燃料点燃，根据烟气温度和浓度来控制空气量。安装在预热室底部的传输设备将正在燃烧的秸秆捆向前运送直至灰室。

我国针过对秸秆本身特性的进行分析研究，在秸秆直燃热水锅炉燃烧室的设计中，采用双燃烧室结构。第一燃烧室为主燃区，设置于炉膛前部；第二燃烧室为辅助燃烧区，设置于炉膛后部，两者间由挡火拱分隔。该布置方式加强了秸秆与高温烟气、空气的相互混合，同时延长了燃料在炉内燃烧的停留时间，确保了秸秆燃烧的充分完全，取得了良好的运行效果。

福建某锅炉有限公司研制的卧式三回程水火管自然循环链条锅炉，燃料以废木料为主，烟煤为辅。木屑、碎木从前面进入炉膛，木条、树皮从两侧炉门进入炉膛，木粉通过喷射系统从炉前木粉喷管送入炉膛，需助燃时烟煤从煤斗进入炉膛。运行实践表明该锅炉符合设计规范的要求，具有出力足、调节方便、水循环运行良好等特点。

2.2 浮悬燃烧技术

浮悬燃烧方式主要适用于稻壳、锯屑、砂光木粉等细小生物质燃料的燃烧。

南京林业大学研究开发的燃烧木粉等散碎木废料的旋风燃烧炉，由主燃烧室和相邻的二次燃烧室组成，木粉由罗茨鼓风机的压气管向下喷入燃烧炉的主燃烧室，在炉体圆周切向有3对喷气管，左右相对地向炉膛喷射空气，以鼓动木粉螺旋式旋转并充分燃烧。二次燃烧室圆周切向也设有喷气管，以推动气流继续旋转。出口处设有第二道扼流圈，进一步阻挡未烧完的火星。高温烟气经调温调湿处理后，可直接作为干燥纤维、刨花的干燥介质，也可作为间接加热的载热体。

华中科技大学研制出一种生物质粉体燃烧技术，将农业废弃物用破碎机破碎成粉体后，由进料装置喷入立式双回旋燃烧炉中燃烧。一次风为输料进风，与粉体均匀混合形成风粉气流；二次风切向进入，主要用于改善炉内气流状态。此装置能最大限度地提高燃烧温度和燃烧效率，并能减轻结渣腐蚀对燃烧产生的不利影响。

2.3 流化床燃烧技术

流化床燃烧方式最适合含高水分生物质燃料的燃烧。西方发达国家研究生物质循环流化床锅炉(CFB)已经很多年了。20世纪80年代末，美国就开发出大型燃烧废木料的CFB锅炉。同一时期，我国哈尔滨工业大学与长沙锅炉厂等锅炉制造企业合作，研制了多台生物质流化床锅炉，可燃烧甘蔗渣、稻壳、碎木屑等多种生物质燃料，锅炉出力充分，低负荷运行稳定，热效率高达80%以上。

3 生物质能源替代工业燃煤锅炉的技术现状

目前生物质替代工业燃煤锅炉主要有两个关键节点：一是生物质成型燃料技术；二是生物质替代燃煤供热或发电。

3.1 生物质成型燃料技术现状

由于生物质密度较低、不耐烧，堆放体积较大，因此需要将生物质预制成成型燃料以降低其堆放体积并提升其耐燃性和热值，这是生物质替代燃煤锅炉的重要前置条件。

在生物质（秸秆）成型燃料的制备中，生物质（秸秆）成型燃料在不添加任何粘结剂条件下成型，并保证较高强度是国内一大技术难题。国内有多家公司对此进行了技术研发和创新，其中四川生物环保工程有限公司通过多年技术攻关，从工艺和装备技术上创新，研发出一套新型工艺装备并获得多项知识产权。该工艺技术成套设备的优点是：能一次性将高湿秸秆生物质加工成符合标准的生物质锅炉的燃料，该成套设备对生物质物料的适应范围广，前处理粉碎采用无筛结构和生物质物理调质后再采用该公司专利造粒机成型，提高了成形效果，节约了能量消耗，吨（秸秆）成型燃料综合生产成本比传统加工技术装备下降了30﹪，为生物质（秸秆）成型燃料的低成本加工提供了技术装备。该公司研发的单机生产线年产可达2万吨生物质（秸秆）成型燃料。

3.1.1 生物质成型燃料技术类别

生物质成型燃料加工技术按成型加压的方法不同来区分,目前国内外技术较为成熟、应用较多的生物质成型燃料加工机有螺旋挤压式、活塞冲压式(包括机械式、液压式)、有辊模碾压式(包括环模式和平模式)等。按照其成型过程是否对原料辅助加热，上述三种加工方式又分为冷成型和热成型两类工艺；螺旋挤压式、活塞冲压式都属于热压成型工艺，辊模碾压式采用的是冷压成型工艺。

3.1.2 生物质成型燃料制备存在的问题

在生物质成型燃料的制备过程中也暴露了一些问题。总体来说，目前我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还很不足,距国际先进水平还有不小的差距。表现在生产率低、成型能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。

3.2 生物质替代燃煤供热和发电技术现状

3.2.1 生物质秸秆发电及供热概况

据不完全统计，到2010年底，由国家发展和改革委和各省发展和改革委核准的生物质规模化发电项目超过50个，总装机容量超过150万千瓦；其中，仅2006年就核准39个，总投资100亿元以上。全国已经建成投产的生物质直燃发电项目已经超过10个，在建项目30个左右（其中，国能占10个）。可以预见，在今后一段时期，我国的生物质发电产业将保持快速发展的势头。

3.2.2 生物质发电及供热应用技术优势

由于生物质发电项目到目前推广较为缓慢，锅炉制造厂商对大型生物质锅炉资源投放较少，在国际上没有较为明显的技术及实力优势。

而在小型供热用生物质锅炉的制造上，目前有多家制造商具有较好的技术优势和实力，例如长生能源科技有限公司的小型生物供热锅炉具有较好的代表性，其研发的“生物质常压锅炉”，有较为完善的技术，耗能小、电耗低、通过二次燃烧达到自然除尘，采用半气化燃烧、烟气纵向横向冲刷对流管束，提高的热转化率。其生产的“生物质燃料立式蒸汽锅炉”，给料系统变频调节、热效率高、蒸汽输出稳定。同时设计较为科学，全方位燃烧室，结构紧凑，占地面积小，基建投资省，对燃料的选择性广，既可以燃烧生物质燃料，也可以燃烧煤、木材等燃料。打破了同行业中的设备磨损大、技术要求高、生产成本高、费用昂贵的局限性。

4 生物质能源替代工业燃煤锅炉的技术壁垒

4.1 生物质的特性壁垒

生物质燃料中大量的挥发分析出后，如果空气不足或温度较低，挥发分易裂解析出碳黑，使炉子冒黑烟；

固体燃料燃烧后期主要是固定碳的燃烧，而生物质固定碳含量少，因此，其燃烧过程持续时间较短，不耐烧；

生物质水分含量较多，且水分随生物质加工过程和储存条件显著变化，燃烧潮湿生物质燃料时，炉内温度场偏低，组织稳定的燃烧比较困难，排烟热损失增加。

生物质(尤其是农作物秸秆)中含有较多的碱性物质，在高温燃烧环境下，碱性物质及其相关无机元素可能在炉膛内形成熔渣或以蒸气和飞灰颗粒的形式沉积于受热面，影响锅炉的热效率，同时对换热面造成严重腐蚀；

生物质(尤其是农作物秸秆)原料来源呈现很强的季节性，而且来源地分散，这给生物质的规模化、工业化利用造成了很大的困难。

4.2 锅炉生物质燃烧方式存在的壁垒

生物质燃料在锅炉中可以采用炉排层燃、浮悬燃烧、流化床燃烧以及层燃与浮悬复合燃烧等燃烧方式。

4.2.1 炉排层燃

燃烧生物质的层燃锅炉一般采用链条炉或往复推饲炉排炉，小型燃烧设备也可采用固定炉排。由于生物质中的灰分较低，易使炉排片烧损。往复炉排可在燃尽区采用耐热钢材作为炉排材料，固定炉排和往复炉排还可以采用风冷或水冷方式对炉排进行冷却，这些在链条炉排上很难实现，所以，链条炉排在燃用灰分过低的生物质燃料时，到燃烧后期炉排上残留的灰渣较少，容易烧损炉排片。

炉排燃烧主要适用于大颗粒及块状生物质燃料，而细小生物质燃料在炉排上燃烧时，由于易从炉排孔隙中漏下或被炉排下的一次风吹起，因而一般不适合单独在炉排上燃烧。

4.2.2 浮悬燃烧

生物质在进行浮悬燃烧时，一旦炉子熄火，极易发生爆燃，所以必须安装火焰探测或炉温探测装置，炉子熄火时必须立即中断供料或立即点火，同时还须设置可靠的防爆装置。

5 生物质能源替代工业燃煤锅炉存在的问题

5.1 认识问题

生物质能源正处在一个很尴尬的境地。可再生能源中生物质能源是最重要的，但相比而言，它的产业化程度，发展规模都是最差的。这其中有一些客观原因，也有一些属于认识问题。

除了客观上发展规模受限以外，对生物质能的认识各不相同，对其投资的额度，与地方的GDP增长是不相符的，资源的分散性导致生物质能源在一地的投资较低；这在某些政府那来看，生物质能源有点像“鸡肋”。

5.2 补贴门槛过高

对生物质能源的支持，国家采取了多种补贴手段。但补贴门槛过高，手续繁琐、先垫付后补贴也困扰着不少企业。

由于受到生物质资源的自身特性和地理条件的限制，决定许多地区了无法进行大规模的集中收割和处理资源，也导致了无法建设大型的规模以上的生物质燃烧企业和设备。这也导致了很多企业无法申请到财政相关补助。受制于这些现实难题，财政部的万吨补贴政策遭遇落地难。

5.3 布局不合理

西南地区由于受地理条件的制约没法建大厂，但东北垦区就比较适合建大型电厂，有条件上规模，成本才越低，效益才越高。一定要因地制宜。密集地区可以建气化发电，做成型燃料，不一定去建发电厂。

企业要多方考虑，合理布局，否则很容易陷入发展困局。建生物质能电厂首先要考虑可持续发展，原料分散，就需要分散性利用，要考虑水资源、电力、人文环境是不是可以支撑这个项目。

5.4 成本价格难控

受耕作制度和地理条件的限制，许多省农村土地高度分散，从资源的收集储存运输带来很大不利因素，在后续的环节上会放大很多倍。

所以准备入行的企业首先要考虑的是原料资源的可获得性，如果不成熟千万不要贸然进入地方政府可以进行协调，比如利用示范效应，鼓励农民种植秸秆作物，做好企业加农户的结合，平衡好企业和农户之间的利益。

5.5 技术投入过小

目前存在的问题是，有些研究成果与生产有些脱节，并没有转化为生产力。一方面技术部门因缺少资金，无法进行规模化生产；另一方面为了尽可能多地收回技术成本，企业有意拉长新技术向市场投放的周期。

5.6 缺少专业技术人才

生物质燃料多种多样，性质也有很大差别,所以不同生物质燃料的炉型和燃烧技术也不尽相同，需要专业人员研究开发和改造，生产运行中不断完善管理和操作方法，只有这样才能使这一技术成熟和发展，制造出不同炉型和配套设备，并完善燃烧技术。

5.7 可研阶段所得结果过于理想化

可研报告所有取值和结果太理想化，和实际有较大出入。例如，收购的分散性、难度及价格就是很大的变数，天气以及干旱、洪涝灾害粮食及秸秆减收，都将得不到充足的燃料供应，还有技术及设备原因等都将造成减产、停产损失，影响回收年限，将对生物质发电产业的发展产生不利的影响。

6 建议

6.1 利用技术方面的建议

应根据不同种类生物质燃料的燃烧特性，开发不同类型的燃烧技术，并研制相应的燃烧设备。

在继续加大对生物质直接燃烧的研究同时，加强研究干燥、破碎等前期加工处理，以及真正适用的、值得推广的能源化利用总成本最低，从收集到燃烧前期加工处理过程耗能最少，对环境影响最小的技术。

目前在生物质燃烧技术开发研究领域对生物质收集、处理技术和设备的研究较少。重视生物质燃烧技术研究的同时，也应重视生物质收集、干燥、粉碎等技术的研究，关键是要研究开发简便适用、运行乘便低廉的相关设备。

6.2 政策支持及其他建议

建议各省根据自身作物种类和土地特性超前制定出符合本省基本情况的生物质分析测试标准方法。

制定更多针对生物质能源开发利用的相应优惠及补贴政策，进一步加大该技术的扶持力度。

加快建立健全生物质燃料的收集、预处理及配送体系。

加强对生物质资源的管理，科学规划和优化布局。

切实加强生物质能源化利用的能力建设和人才培养，积极促进科技研发和设备国产化。

目前生物质直燃的生态环境效益由于没有内部化造成了收益外泄；而化石能源产生的环境成本也没有内部化，结果影响了生物质能的发展。国家需要加大环境立法，使生物质能利用的生态环境效应转化为货币，体现到产品价格中去。

生物质能产业作为新兴绿色产业，需要大量资金投入，国家和地方政府在信贷、融资等方面都应该给生物质能产业创造便利条件，甚至于政策倾斜，在这方面，欧盟、美国、巴西等国家都有成功的经验可资借鉴。