生物质发电技术研究应用综述

张晓楠

(哈尔滨电气国际工程有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150028)

引 言

生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行发电的技术。用于发电的生物质通常为农业和林业的废物，如秸秆、稻草、木屑、甘蔗渣、棕榈壳等。生物质发电技术可以分为生物质直接燃烧发电、燃煤耦合生物质发电以及生物质气化发电技术。

1 生物质直燃发电技术

在生物质直接燃烧发电技术中，生物质燃料被直接送入锅炉燃烧，将化学能转换成热能，产生高温高压蒸汽，进入汽轮发电机进行发电。除了将生物质直接投入锅炉炉膛燃烧的散烧、捆烧形式外，还可以将生物质制成成型燃料后再燃烧。在生物质成型技术中，采用物理方法将蓬松状态的生物质压制成结构致密的颗粒状、圆柱状或方块状[1]，克服了生物质原料能量密度低、存储空间高、燃烧速率难以控制的缺点，更利于生物质在燃烧设备中燃烧。目前，基于生物质的直燃发电机组，工程实践中使用比较多的有层燃炉和循环流化床锅炉[2]。

1.1 层燃锅炉

1.1.1 固定炉排锅炉

针对燃用棕榈壳、棕榈纤维等生物质燃料的固定炉排锅炉，由于棕榈壳质量轻、挥发分高、灰分低、燃烧温度较高，炉排片很容易因为过热得不到很好的冷却而受到损坏。基于此问题，目前研发出一种水冷倾斜式固定炉排。炉排整体呈前低后高倾斜式配置，炉排材料选用耐热铸铁，耐热温度高达1 150 ℃。炉排片由水冷管支撑，在保证燃料充分燃烧的基础上，冷却炉排片，防止炉排片因高温过热损坏。同时，优化炉膛配风系统设计：一次风从炉膛底部风道通过炉排上的通风孔进入炉膛，既调节炉膛配风，又可以冷却高温炉排，延长其使用寿命；二次风系统配置在炉膛前墙进料口下部、炉膛后墙的中部以及炉排后顶部，以确保燃料稳定及充分的燃烧。布置在炉膛后墙的二次风还可以将燃尽的生物质燃料吹落至出渣口，避免结焦问题。

1.1.2 链条炉排锅炉

针对以木屑生物质成型颗粒作为燃料的链条炉排锅炉，对炉膛结构进行设计优化：炉膛前墙摒弃了传统人字形设计理念，采用垂直型布置，以增强蓄热与热辐射。后拱由传统的倾斜式改为水平阶梯式，简化结构，节省材料，便于安装，同时可增加炉膛的辐射受热面积。在前墙上以一定的距离布置若干二次风风管，长度沿水平方向延伸至炉排中心上部。在二次风管上按固定的间距布置一定数量的二次风喷口，方向垂直向下，如同笛子型。锅炉运行时，二次风从笛型二次风管口垂直向下吹入炉膛，与从后拱以一定角度过来的高温烟气相遇，在炉排主燃区燃料层形成“α”型气流扰动区，加强炉膛中的辐射换热；同时延长生物质燃料在炉膛内的停留时间，有利于燃料的充分燃烧，增加燃烧效率，两者都有助于提升整体锅炉热效率。

1.1.3 往复炉排锅炉

针对以打捆的秸秆为燃料的往复炉排生物质锅炉，改进炉膛为三拱结构：后拱从炉膛后墙延伸至炉膛拱墙并竖直向上设置挡火墙。沿着烟气流动方向，在后拱挡火墙之后设置竖直向下的挡火墙作为中拱，从而将炉膛分为三个燃烧室：前拱与后拱之间的区域为第一燃烧室；后拱与中拱之间的区域为第二燃烧室；中拱与炉膛后墙的区域为第三燃烧室。此炉膛结构使得烟气进行S型流动，延长了烟气在炉膛内的行程，增加了滞留时间，使得燃烧更加充分，燃烧效率更高。同时将进料口上墙向外延伸足够的长度，在进料口设置与进料口铰链连接的炉门来防止回火。

1.2 循环流化床锅炉

由于循环流化床锅炉炉膛中布置循环床料，温度高达800 ℃，具有蓄热量大，循环倍率高的优点。即使生物质燃料水分较高，也能正常着火燃烧。而且燃料随着床料在炉膛内不断循环，确保了燃料能够充分进行燃烧。因此循环流化床锅炉是公认较适用于燃烧生物质的锅炉。但由于生物质燃料挥发分较高、灰分偏低，使得循环流化床锅炉自身循环床料量低于正常水平。此外，由于生物质中含有较多的碱金属和氯元素，容易出现积灰堵灰问题，进而造成受热面的高温和低温腐蚀。

针对床料不足问题，可以额外添加循环床料，宜选择惰性床料从而抑制灰分烧结现象。从经济性和易获性考虑，优先选用锅炉煤渣作为循环床料。针对受热面腐蚀问题，一方面可以采用合理的过热器受热面布置，在所有对流受热面布置吹灰器避免积灰腐蚀，选用耐腐蚀的过热器管材等方式解决高温腐蚀问题；另一方面，通过降低炉膛内燃烧温度，保证排烟温度高于酸露点温度，选择耐腐蚀的空预器管材等措施解决低温腐蚀问题。

2 燃煤耦合生物质混烧发电技术

在燃煤耦合生物质发电技术中，生物质燃料和燃煤按比例混合后送入锅炉进行燃烧，节省煤炭燃料。目前根据燃煤与生物质混合预处理方式不同，主要有以下技术方案路线：1) 将生物质和煤粉按照一定的比例进行预混，直接利用电厂原有的磨煤机研磨后送入原有煤粉管道喷入原有燃烧器在锅炉内燃烧；2) 新建生物质磨机设备，单独将生物质研磨后送入原有煤粉管道系统中，在燃煤管道系统中与经磨煤机研磨后的煤粉混合后喷入原有燃烧器在锅炉内燃烧；3) 新建生物质磨机设备，单独将生物质研磨后送入新建的生物质喷粉管道喷入原有燃烧器中与煤粉在锅炉内燃烧；4) 新建独立的生物研磨机、生物质喷粉系统以及生物质燃烧器，生物质原料经上述独立系统后进入锅炉内燃烧。当前的燃煤锅炉耦合生物质混烧技术已十分成熟，应用也十分广泛，燃煤与生物质耦合燃烧的比例不断提高。目前，600 MW以上燃煤机组普便可以实现10%～15%的生物质耦合燃烧；600 MW以下的燃煤机组普遍可以实现15%～35%的生物质耦合燃烧。

3 生物质气化发电技术

生物质气化属于热化学反应，一般在氧气、水蒸气或二氧化碳等气化剂的作用下在高温条件中分解为氢气、一氧化碳、甲烷等可燃气体[3]。生物质气化气在燃烧过程中不会产生污染或有毒有害气体，与生物质直接燃烧类似，气化气也可以通过直燃或混燃完成生物质能的清洁利用[4]。据此，可以将生物质气化发电技术分为气化直接燃烧发电技术和生物质气化耦合煤粉混烧发电技术。

3.1 生物质气化直接燃烧发电技术

生物质燃料在合适热力学条件下，在气化床中可以分解为生物质气化气，通过旋风分离器去除固体杂质，再进一步通过除尘、水洗、吸附等方式进一步净化气化气中的焦炭、焦油等有害物质，最终被送入锅炉或压缩后喷入内燃机及燃气轮机中进行燃烧。发电方式可以根据生物质气化的规模进行调整：规模较小时可以采用内燃机；规模较大时可以采用燃气轮机甚至联合循环方式。目前，1 MW～3 MW 的气化炉—内燃机系统的发电效率为17%～20%，4 MW～6 MW的内燃机-蒸汽轮机联合循环系统发电效率达到28%[5]。燃用生物质气化气的内燃机和燃气轮机大多是从燃用天然气的机型改造而来，生物质气化气具有热值低，氢含量较高的特点，同时还含有灰、焦油、硫等杂质。在燃烧过程中杂质容易造成内燃机和燃气轮机磨损、点火装置故障等问题。而且相比于燃用天然气，燃用气化气的发电效率明显下降。此外，经过普通工序净化的生物质气化气中的碱金属及硫含量一般很难满足燃气轮机要求[6]。专用的内燃机和燃气轮机的研发将是未来实现大型生物质气化发电系统应用的主要课题之一。

3.2 生物质气化耦合煤混烧发电技术

此项技术充分利用生物质气化气可燃性远强于燃煤的特点，将气化气喷入锅炉中起到稳燃及加强燃尽的作用。该技术也可应用于原有煤粉锅炉的改造中。虽然需要架设生物质气化及燃烧装置，但不会对原有的整体热力系统造成明显影响，仅仅对烟气侧配风及燃料输送设计有所影响，对于汽水侧基本没有影响。同时，新增了生物质气化装置还免除了厂内的生物质处理及输送装置，对于灰渣的影响也明显弱于生物质掺烧，且不会影响煤灰的经济利用。我国荆门热电厂作为典型的生物质气化示范项目，每年转化利用秸秆4 万吨，可节省标煤2 万吨，生物质灰渣还可以制成有机肥料，进一步加强了项目的经济效益。欧洲的芬兰瓦萨热电厂项目采用CFB生物质气化炉技术，将产生的生物质气化气送入锅炉与煤粉混燃，大福减少了40%的燃煤消耗。

4 结语

面对传统化石能源消耗过大,短缺日益严重,终将枯竭的现实以及传统化石能源大量利用造成的环境污染问题，生物质能利用受到越来越多的关注。其中生物质发电技术作为清洁、高效的生物质能利用形式之一，将在优化能源结构、改善自然环境和利用农林废弃物等领域起到更加重要的作用。