生物质材料的电厂能源化利用及存在的问题

田海彦

生物质材料的电厂能源化利用及存在的问题

田海彦1,2

（1. 中国能源建设集团东北电力第三工程有限公司，辽宁 锦州 121001； 2. 沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110142）

电能生产如果严重依赖火力发电是不可持续的，对经济的可持续发展也极为不利，合理地开发可再生能源势在必行。尽管可再生能源具有优势，但其具有季节性和相当大的不稳定性，对锅炉受热面的腐蚀问题也值得关注和研究。介绍生物质秸秆在电厂能源化利用的前景及存在的问题。

生物质；电厂；可再生能源

能源对一个国家的经济发展起着举足轻重的作用。今天, 工业进步在世界经济中起着至关重要的作用任何国家的发展, 我们的日常生活也都依赖于可靠的电力供应。然而, 大多数国家正在经历一场严重影响人民生活的能源危机,造成能源危机的主要原因是石化资源价格的迅速上涨和对能源需求缺乏预见性措施。据估计, 以目前的消耗速度, 地球上现有的化石能源将在100～200年内消耗完毕, 天然气也将在50年左右消耗完毕[1,2]。我国是资源大国,也是人口大国, 因此能源需求也十分紧张, 据保守估计, 我国煤炭只可继续开采不到100年, 天然气为30年, 而石油仅为10几年[3]。因此，可再生能源(RE)可以在最大限度地减少这场危机方面发挥着重要作用。

1 生物质能源

生物质原料指的是大自然中通过光合作用生长的各类植物，这些植物通过光合作用将太阳能转化成化学能，经过燃烧可以产生可观的热量。生物质的挥发成分比煤高、污染空气的氮和硫元素的比例低，燃烧过程具有CO2排放低的优点，因此是一种优质的燃料。生物质燃料在燃烧过程中产生的气体对大气的污染程度比较低，人们普遍认为它是一种替代不可再生资源的最佳选择。目前，许多研究者已经对生物质燃料进行大规模的研究和开发，该领域已成为新能源发展的重要方向[4-6]。

2000年11月Technology Insights出版的选集《生物质市场与技术:21世纪的机遇》预测:到2050年,世界上约有38%的能源来自生物质材料。为了面对即将到来的能源困境,各国的决策者们都把可再生能源看成是解决这一困境的重要手段。美国和欧洲各国政府相继出台了投资计划和各种政策,增加了可再生能源的开发和利用的投入，其中部分资金用于可再生能源前沿技术的研究和成果转化。

作为农业大国的中国，每年会产生大量的生物质燃料，如每年产生的水稻、玉米和小麦秸秆是生物质能源的主要的来源，这些秸秆的年产量约为6亿吨，其中20%被直接丢弃或燃烧掉了，这造成了极大的浪费。因此,对秸秆进行高效的能源转化和利用已成为事关农业、能源和环境保护的重要课题。合理有效地使用这些生物质能源对于改善我国的能源消耗比例、提升我国经济均衡发展程度、保护环境都有着重要的意义[7]。

2 生物质秸秆能源化应用前景

2008年10月,中国财政部公布了《秸秆利用能源补助资金管理暂行办法》,利用各类补贴的方法鼓励和促进秸秆的资源化利用。目前对秸秆的主要利用方式包括生化法和直接燃烧法。生化法就是通过微生物发酵等生化法生产燃料，该方法技术难度大，投入成本高，难以大规模推广。直接燃烧法就是通过燃烧的方法直接将化学能转变成热能，该方法工艺简单,投资小见效快, 非常适合规模化开发利用,与我国当前推动的以燃煤工业锅炉用生物质秸秆替代的环保政策。在生物质燃料资源化利用中，将热能转化成电能工艺比较成熟，因为秸秆燃烧发电技术可以参考煤粉燃烧发电技术的成熟经验和相关设备。因此, 将生物质燃料燃烧发电是非常具有产业化前景的一种方法。

为鼓励新能源的发展,促进国民经济良性发展,我国颁布了《可再生能源发电价格和成本分摊试点管理办法》, 规定“生物质发电的上网价格由政府制定,各地基准价格由国务院价格主管部门制定”,“目前燃煤发电的补贴政策将取消，生物质发电将享受15年的补贴优惠”“生物质发电价格统一上调至0.75元/kWh”等政策, 因此该文件进一步促进了生物质秸秆等在发电领域的应用。

3 生物质秸秆能源化利用存在的问题

我国玉米，麦秆等生物质材料的特点是干基挥发分含量高(60%～80%),灰分小,低热值,高氧低硫,质轻且松散、单位能量密度小。秸秆中的碱金属含量超过1%,氯元素含量在0.2%～0.3%之间。秸秆中含有的钾、钠等元素因为具有活性,所以在高温环境下很容易生成KCl、NaCl等对燃烧有害物质,导致锅炉出现结渣、积灰和腐蚀现象。

3.1 生物质秸秆燃烧过程中沉积腐蚀研究现状

秸秆在燃烧的过程中,由于生物质中含有大量的的氯元素和碱性元素(特别是那些稻草类秸秆),燃烧时非常容易在锅炉的受热面发生沉积引起锅炉的腐蚀现象,也就是说这些生物质燃料燃烧时产生的那些含有碱金属等矿物质飞灰颗粒物质会粘结在锅炉设备的受热面上造成沾污,从而导致受热面会发生腐蚀现象[8]。

如何解决生物质燃料在燃烧过程中对锅炉设备的沉积腐蚀问题,如荷兰、法国等国家由于使用秸秆燃料发电比较早,很快就遇到这类问题,因此研究得也比较早,而在发展中国家,对生物质材料燃烧腐蚀方面研究的比较晚,成果偏少。

Baxter[9]等发现秸秆飞灰在燃烧早期沉积率最大且表面光滑密实，随后沉积率会出现单调递减的现象,但这类积灰清除难度大。

丹麦Sφren Knudsen K. R[10]借助于CDF模型对秸秆燃烧生成的积灰进行研究发现:秸秆燃烧产生的积灰、沉积和燃烧设备以及燃烧中产生的气体种类和飞灰形貌相关联。

M.Jenkins[11]等在实验中发现:如果将煤炭和秸秆混合共燃,能够显著降低秸秆在燃烧过程中产生的熔渣和飞灰,然而如何调整煤炭和秸秆比例比较困难。

N.Nielsen等[12]研究了稻草秸秆在燃烧过程中无机物的变化特点,特别是钾元素析出以及氯化钾形成的过程进行了探讨,研究发现在低温燃烧过程中,钾元素以氯化钾和硫酸钾的形式存在,而在高温燃烧时,则会以气态的氯化钾和氢氧化钾的形式稳定存在。

N.Blander等[13]发现麦秆在燃烧过程中会使含有的硅元素和钾元素生成低熔点的硅酸盐飞灰，这种飞灰极易附着在锅炉上，引起腐蚀。

Michelsen H P等[14]研究发现:如果燃烧器的受热面温度达到450 ℃时,秸秆的腐蚀能力很小,当温度升高到500 ℃左右时,秸秆会有更高的腐蚀能力;如果燃烧温度达到530 ℃以上时,秸秆对锅炉的腐蚀能力提升更为明显。

宋鸿伟[15]等发现硫元素和钙元素在秸秆燃烧时会发生反应生成硫酸钙,这种物质会使过热器管表面的飞灰粒子粘合在一起,导致管路表面积灰结渣程度加深。

魏小林等[16]利用模拟软件发现生物质在燃烧过程中温度和压力对氯元素和碱元素化学反应的影响,结果表明:气态氯化氢中的氯元素主要是在固体氯化钾在中温分解过程产生的。

由以上的研究结果可以发现:飞灰、粘结剂和高温腐蚀等因素是影响生物质燃烧锅炉运行的主要因素,同时也与生物质在热转化过程中钾元素和氯元素的形态分布密切相关[17]。

3.2 生物质秸秆燃烧中沉积腐蚀问题预防措施研究现状

为减少生物质沉积腐蚀对锅炉腐蚀的影响,一般可采用如下方法:

1)提前对生物质燃料进行处理

碱金属和氯元素是生物质在高温燃烧时高温腐蚀的主要因素,因此可以在生物质燃烧前进行预处理,主要目的是提前除掉生物质中的碱金属和氯元素。通常可以采用水洗法对生物质进行预处理,该方法能够去除生物质燃料中大部分的有害元素[18]。研究结果表明:如果把秸秆在60～80 ℃的水中进行处理,能够除掉生物质燃料中95%左右的的钾元素和氯元素。

2)生物质燃料与其他燃料共混燃烧

低氯和高氯生物质燃料混烧是降低单用高氯生物质燃料最有效的方法。Robinson等[19]将煤和生物质进行中试级别的混燃实验,结果表明混合物中的硫元素和钾元素会发生反应生成硫酸钾,硫酸钾将有效降低沉积层的厚度,积灰中的氯元素含量也会明显降低,从而降低了积灰对锅炉腐蚀性。Martti Aho等[20]研究了不同类型的生物质单烧和混烧的实验,研究发现:不同生物质燃料之间有协同效应,某些生物质燃料进行混烧能够显著降低氯元素的沉积和锅炉的结渣量。

3)添加助剂

生物质在燃烧过程中生成氯化钾或氯化钠等这些碱性金属的氯化物会在锅炉的受热面上发生沉积从而导致受热面发生腐蚀,所以,如何降低氯化钾或氯化钠等这些碱性金属的氯化物在气相中的含量是降低受热面腐蚀程度的有效方法,另外,通过减少积灰并提高积灰的熔点也是一种好的方法。实验结果表明,通过使用添加剂和秸秆进行混烧,能够降低氯化钾或氯化钠等碱金属氯化物在锅炉上的沉积程度。目前常使用的添加剂包括煤灰、碳酸钙、氧化铝、陶土等;马孝琴等研究了将煤灰、粘土、陶土与秸秆混烧对碱金属含量的影响。汉春利等人研究了活性矾土和煤对烟气中碱金属的影响,研究发现:添加上述吸附剂能够在较高的温度下脱除部分的碱金属。

4)喷涂

喷涂钢材表面法是提高钢材的耐腐蚀能力的常规方法,在加热条件下在钢材表面涂耐腐蚀层或耐高温层。形成的金属涂层能够使腐蚀物质和金属材料的界面形成有效的隔离层,进而可以对金属材料起到保护效果,涂层不但可以保护金属材料,而且自身也会逐渐被腐蚀。防腐涂层的作用效果和热喷涂方法很类似,该方法效果在很多的高温耐腐蚀性条件下已受到了检验。比如, Gustafsson等采用热喷射的方法使锅炉的钢质表面形成含有NiCrMoSiB合金成分的特殊涂层材料,应用效果优异。也有人采用Ni-Al合金涂层,在实际应用中，人们观察到Ni-Al合金涂层对于降低秸秆，麦秆等产生的飞灰腐蚀的能力偏低。所以,采用热喷涂形成金属仿佛涂层工艺来提升锅炉受热面耐腐蚀能力的研究前景广阔，研究者主攻的研究方向是如何选择合适的涂层材料。

5)采用机械法清灰

机械法清灰是指对生物质燃料锅炉的受热面进行吹灰或者采用机械法刮出飞灰。其中，机械法清灰常用的方法是刮板法，它是采用刮板使锅炉受热面的飞灰沉积物被机械刮涂下来,进而达到提高受热面导热能力,因此刮板法是一种清除沉积物的有效手段,该方法能够依据受热面上沉积物的实际情况调节刮板的使用频率。

4 结 论

通过以上分析可知,虽然国外对秸秆等生物质燃烧技术的开发和应用比较早,但由于自然资源条件的差异,国外对玉米秆,麦秆等秸秆类材料对锅炉受热面的腐蚀影响较少,而对木质燃料对锅炉的影响研究的偏多。国内外研究者一致认为燃烧秸秆对锅炉腐蚀与碱金属有关,但由于不同地区的秸秆成分以及秸秆在燃烧过程中的沉积腐蚀机理仍未研究清楚,因此需要继续研究秸秆燃烧的沉积物对锅炉受热面的腐蚀影响。

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Energy Utilization and Existing Problems of Biomass Materials in Power Plants

1,2

（1. China Energy Engineering Group Northeast No.3 Electric Power Construction Co., Ltd., Jinzhou Liaoning 121001, China; 2. Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China)

It is not sustainable for electric energy production to rely heavily on thermal power generation, and it is also extremely unfavorable for the sustainable development of the economy. It is imperative to develop renewable energy reasonably. Although renewable energy has advantages, it has seasonality and considerable instability, the corrosion of boiler heating surface is also worthy of attention and research. In this paper, the prospect of biomass straw in power plant energy utilization was introduced as well as existing problems.

Biomass; Power plant; Renewable energy

TQ013.1

A

1004-0935（2023）09-1385-04

2022-12-30

田海彦（1969-），男，工程师，辽宁省锦州市人，1991年毕业于沈阳电力高等专科学校热能动力专业，研究方向：废弃物再生利用。