工业锅炉生物质燃烧利用技术研究
王 健 王红
1、上海普天中科能源技术有限公司
2、上海能源研究会工业锅炉技术专业委员会常务副主任
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摘要：燃煤工业锅炉燃烧过程中产生大量的污染烟气，造成严重的雾霾问题，因此，必须对燃煤工业锅炉进行清洁能源替代。生物质作为清洁绿色的可再生能源，可以替代煤炭进行燃烧利用。本文对生物质不同燃烧技术进行分析和探讨，介绍了生物质成型燃料燃烧技术，并对工业锅炉中生物质燃烧利用提供了合理化建议。
关键词：燃煤工业锅炉、生物质、生物质成型燃料、生物质燃烧技术
1 引言
生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，是可以代替化石燃料的最具有竞争力的清洁可再生能源。生物质本身含硫量和含氮量很少，且具有CO2近零排放的优点。据估计，地球上每年生物能总量约1400～1800亿千吨，相当于目前世界总能耗的10倍。我国拥有丰富的生物质资源，目前我国每年农作物秸秆的产生量约7亿多吨，除去还田作饲料等还剩3亿多吨的量没有得到有效利用。另外，林业废弃物大概也有1.5~2亿吨。如果这么大量的农林废弃物不去利用的话，势必就会堆积在田间地头，或者在农忙季节进行田间焚烧，从而污染环境，产生雾霾。也就是说，如果不处理，那么对环境污染的潜在威胁是十分巨大的。因此，大力开发利用生物质能，既是缓解能源供需矛盾、发展新能源的战略措施，也是促进农业和农村经济发展、保证社会经济持续发展的重要任务。
目前我国正在使用的工业锅炉大约50多万台，每年耗煤量约占全国总耗煤量的1/3。众所周知，燃煤工业锅炉燃烧过程中会排放出大量的污染气体，造成严重的环境污染，全国各大省市尤其是大中型城市都开始禁止燃煤工业锅炉的使用，大量的燃煤工业锅炉必须采用清洁能源进行替代。在燃煤工作锅炉替代工作中，天然气、
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柴油、电力等均为清洁能源，但我国天然气、石油对外依存度高、电力供需矛盾更为突出，而且成本较高。我国拥有丰富的生物质资源，其中，农林废弃物所占比重较大，使用农林废弃物作为锅炉燃料既可以解决燃煤工业锅炉污染问题，又可以解决农作物秸秆焚烧污染问题。因此，研究工业锅炉生物质燃烧技术，开发生物质燃料锅炉，能够节约常规能源、优化我国能源结构、减小环境污染以及改善农作物秸秆焚烧污染问题。
目前生物质能的主要开发利用技术有固化、液化、气化以及燃烧技术，其能源产品包括生物质炭、液体燃料（生物油、柴油、汽油等）、生物燃气。但这些生物质转换技术成本较高、技术不够成熟以及使用效率较低，难以大面积推广，目前生物质能的应用仍以燃烧为主。到目前为止，生物质燃烧所利用的能源约占全球生物质能利用的95％。生物质因具有挥发分高、炭活性高、N和S 含量低（含N 量约0.5 %～3%，含S 量约0.1%～0.5%）、灰分低、生命周期内燃烧过程CO 2零排放等特点，特别适合燃烧利用，是一种优质燃料。生物质能源中所含的碳是由植物的光合作用从大气中吸收而来，并因腐烂或其他使用过程又返回到大气中。因此，生物质能源是一种碳中性的能源资源。相比之下，化石燃料中的碳则来自于地壳，所以燃烧这些燃料会向大气中注入额外的碳。
因此，在生物质的各种转化利用途径中，生物质燃烧技术是目前适合我国国情的、而且是生物质大规模高效清洁利用途径中最成熟、最简便可行的技术之一，其推广应用对于推动我国生物质能利用技术的发展、保护生态环境以及提高农民生活水平等具有重要的作用。在我国，发展生物质燃烧技术既能缓解温室效应，又能充分利用废弃生物质资源，改善或提高农民的生活条件，因此具有明显的社会意义与经济意义，符合我国现阶段国情和生物质开发利用水平。
人类的经济发展伴随着的能源发展，迫使能源“改朝换代”，人类使用能源的进展是从再生能源开始又回到含再生能源的清洁能源时代：再生能源(柴薪)→煤炭时代→石油时代→后石油时代→清洁能源(再生能源+核能)时代
为预热干燥、挥发分的析出、燃烧与焦炭形成和剩余焦炭的燃烧、燃尽等几个阶段。但是，生物质的挥发分析出温度远低于煤，着火燃烧低，燃尽温度也低，燃烧温度区间较短，生物质与煤的燃烧特性完全不同，这由于生物质和煤的组分不同有关。根据现有的案例，直接将燃煤锅炉改烧生物质往往会出现很大的问题。因此，生物质燃烧设备的设计和运行方式的选择必须从生物质自身的燃料特性和燃烧特性出发，才能保证运行的经济性和可靠性。表1列出了几种常见的生物质和煤的工业分析、元素分析及热值。与煤相比，生物质中的挥发分含量高、固定碳和灰分含量低，元素组成中碳含量低、氧含量高而热值低，这正是两者燃烧特性有很大差别的原因。生物质灰熔点较低，在锅炉中燃烧容易结焦，污染受热面。另外，生物质灰中含有碱金属K、Na，在燃烧过程中的挥发迁徙极易造成聚团、结渣和腐蚀等，所以对生物质燃烧方式及技术需进行深入研究。
2 常见生物质的燃料分析与燃烧特性分析
生物质与煤的燃烧过程非常相似，可大致分
工业分析 (wt%)
A V FC 1.85 3.18 7.09 16.924.69 3.47 13.5621.3719.02
72.48 73.00 68．09 51.98 68.48 74.60 67.77 38.48 7.85
16.6516.8916.3025.1017.9915.8214.5431.3065.13
表1 典型生物质与煤的工业分析、元素分析及热值
样品 麦秆 棉花秆 玉米秆 稻壳 花生壳 松木屑 稻草 烟煤 无烟煤
M 9.02 6.93 8.52 6.00 8.84 6.11 4.13 8.85 8.00
C 44.6544.9042.4735.3443.5345.7638.0957.4265.65
元素分析 (wt%) H O N 5.247.503.275.436.546.746.153.812.64
40.7235.4752.8235.3634.0437.8537.317.163.19
0.281.201.181.772.240.070.700.930.99
S 0.08 0.02 0.26 0.09 0.12 0.02 0.06 0.46 0.51
Q net,v,ar （MJ/kg）15.83 18.40 15.50 13.38 16.28 15.41 13.67 24.30 24.42
3 生物质直接燃烧技术
生物质直接燃烧是指生物质不经过加工处理直接作为散料进行燃烧的方式，主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧，直接燃烧是最简单也是最早被采用的生物质能利用方式。传统的炉灶燃烧方式燃烧效率极低，热效率只有10%～18%，即使是目前大力推广的节柴灶，其热效率也只有20%～25%。生物质锅炉燃烧采用先进的燃烧技术， 生
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物质的利用效率比较高，适合相对集中、大规模利用生物质资源，热效率能够达到80%~85%。锅炉按照燃烧方式的不同可分为层燃炉和流化床锅炉等，以下就生物质层燃技术和流化床燃烧技术作重点介绍。 3.1 层燃技术
层状燃烧就是将燃料置于固定或移动的炉排上，形成均匀的、有一定厚度的料层，空气从炉排底部通入，通过燃料层进行燃烧反应，与一
次配风相混合，逐步地进行干燥、热解、燃烧及还原过程，可燃气体与二次配风在炉排上方的空间充分混合燃烧。锅炉形式主要采用链条炉和往复推饲炉排炉。在农林废弃物的开发利用和城市生活垃圾焚烧等方面生物质层燃技术被广泛应用。层燃炉技术成熟，燃烧方式简单，设备成本较低，对于一些含水率较高、颗粒尺寸变化较大的生物质燃料也较为适用，但层燃炉的容量一般较低，不超过35t/h。
在丹麦，开发了一种专门燃烧已经打捆秸秆的燃烧炉，采用液压式活塞将一大捆的秸秆通过输送通道连续地输送至水冷的移动炉排。由于秸秆的灰熔点较低， 通过水冷炉墙或烟气循环的方式来控制燃烧室的温度，使其不超过900℃。丹麦ELSAM 公司出资改造的Benson 型锅炉采用两段式加热，由4个并行的供料器供给物料，秸秆、木屑可以在炉栅上充分燃烧，并且在炉膛和管道内还设置有纤维过滤器以减轻烟气中有害物质对设备的磨损和腐蚀。经实践运行证明，改造后的生物质锅炉运行稳定，并取得了良好的社会和经济效益。欧洲生物质燃烧利用技术已经十分成熟，而且大多数采用层燃炉进行燃烧利用，运行效果也较好。
在我国，许多学者也对生物质层燃技术进行了深入研究，开发出了适合不同生物质燃料的层燃锅炉，而且大多运行情况良好。他们根据各种生物质燃料不同的燃料特性和燃烧特性，对层燃炉的炉膛结构、炉排结构、炉拱结构及送风方式都进行了优化设计，其中炉型结构包括双燃烧室结构、闭式炉膛结构及其他结构，这些研究成果均为我国生物质层燃炉的开发设计提供了宝贵的经验。但是，我国生物质层燃技术与国外相比，仍存在较大的差距，应当进一步加大研发力度，开发出具有适合我国生物质燃料特性的生物质层燃技术，以增强我国在生物质燃烧技术领域的竞争力。
3.2 流化床燃烧技术
流化床燃烧技术是指把燃料放在燃烧室床层上，在通过布置在炉底的布风板送出的高速气
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流作用下，形成流态化的悬浮层，进行流态化燃烧。流化床锅炉对生物质燃料的适应性较好，负荷调节范围较大，燃烧效率和热效率较高。床内工质颗粒扰动剧烈，有利于高温烟气、空气与燃料充分混合，为高水分、低热值的生物质燃料提供极佳的着火条件和燃烧条件。同时，由于燃料在床内停留的时间较长，可以确保生物质燃料完全燃烧，从而提高了生物质锅炉的效率。另外，流化床锅炉能够较好地维持生物质在850℃左右进行稳定燃烧，所以燃料燃尽后不易结渣，并且减少了NO x 和SO x 等有害气体的生成，具有显著的经济效益和环保效益。流化床燃烧技术经过国内外研究学者的不断深入研究，已经相当成熟，在矿物燃料的清洁燃烧领域早已进入商业化使用。将现有的成熟的流化床燃烧技术应用于生物质的开发利用，在国内外也已经进行了广泛深入的研究，并得到了推广应用。
目前，国外采用流化床燃烧技术开发利用生物质能已具有一定的规模。美国爱达荷能源产品公司已经开发生产出生物质流化床锅炉，蒸汽锅炉容量范围为4.5t/h～50t/h；美国CE 公司利用鲁奇技术研制的大型燃废木循环流化床发电锅炉出力为100t/h，蒸汽压力为8.7MPa ；美国B ＆W 公司制造的燃木柴流化床锅炉也于20世纪80年代末至90年代初投入运行。此外，瑞典以树枝、树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用，锅炉热效率可达到80%；丹麦采用高倍率循环流化床锅炉，将稻草与煤按照6:4的比例掺混后送入炉内进行燃烧，锅炉出力为100t/h。
我国自20世纪80年代末开始，就对生物质流化床燃烧技术进行了深入的研究，国内各研究单位与锅炉厂共同合作，联合开发了各种类型的生物质流化床锅炉，投入生产后运行效果良好，得到了广泛推广，并出口到了国外，这对我国生物质能的开发利用起到了很大的推动作用。例如华中科技大学根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性，设计了以流化床燃烧方式为主、以悬浮燃烧和固定床燃烧为辅的组合的燃烧式流化床锅炉，试验研究证明：该锅炉具有流化性能良好、燃烧
稳定、不易结焦等优点，现已经获得国家专利。 和进展，但是与国外相比仍存在较大的差距。直接从国外引进先进的生物质成型燃料燃烧技术并不适合我国国情，国外大部分都是采用林业废弃物成型燃料，我国生物质资源则主要以农作物秸秆为主，因此，开发具有我国自主知识产权的高效经济的生物质成型燃料燃烧技术将是我国未来发展的一个重要方向。
4 生物质成型燃料燃烧技术
根据燃煤工业锅炉清洁能源替代政策，直接利用生物质原料替代煤炭进行燃烧并不属于清洁能源替代，必须对生物质原料进行加工处理，制成统一标准的生物质成型燃料，利用生物质成型燃料进行燃烧替代传统的燃煤工业锅炉。根据国家能源局、环境保护部《关于开展生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设的通知》国能新能[2014]295号文：2014~2015年，拟在全国范围内，特别是在京津冀鲁、长三角、珠三角等大气污染防治形势严峻、压减煤炭消费任务较重的地区，建设120个生物质成型燃料锅炉供热示范项目，总投资约50亿元。2014年启动建设，2015年建成。国家明确支持生物质成型燃料进行燃烧利用，作为燃煤工业锅炉的清洁能源替代的方式。生物质成型燃料体积小，密度大，热值高，储运方便，并且燃料致密，无碎屑飞扬，使用方便、卫生，燃烧持续稳定、周期长，燃烧效率高，燃烧后的灰渣及烟气中污染物含量小，是一种清洁能源。然而目前我国生物质成型燃料的利用规模仍然不大，成型燃料的压制设备仍不成熟，成本较高，目前还只是作为采暖、炊事及其他特定用途的燃料，使用范围还有待推广。
生物质成型燃料与常规生物质和煤相比，其燃烧特性和燃料特性都有很大的差别。生物质成型燃料燃烧过程中炉内空气流动场分布、炉膛温度场和浓度场分布、过量空气系数大小、受热面布置、炉排结构、炉拱结构等都需要重新设计考虑。国外如日本、美国及欧洲等一些国家的生物质成型燃料燃烧设备已经较为成熟，并形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用。这些国家的生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理、专业化程度高、自动化控制水平高、热效率高、排烟污染小等优点。我国自20世纪80年代开始进行生物质成型燃料燃烧技术的研究和开发，目前已经取得了一系列的成果
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5 工业锅炉中生物质燃烧利用的建议
为了减轻雾霾，缓解燃煤工业锅炉产生的环境污染问题，全国各省市都在积极开展燃煤工业锅炉清洁能源替代工作，生物质作为清洁绿色的可再生能源已受到人们的广泛关注，但是国家政策规定：生物质必须经过加工处理，制成统一标准的生物质成型燃料，才能对生物质成型燃料进行燃烧利用。所以，在未来燃煤工业锅炉清洁能源替代工作中，利用生物质成型燃料替代煤炭势必会占据一席之地。
（1）生物质种类繁多，不同种类的生物质燃料特性和燃烧特性差别很大，对生物质燃烧设备和燃烧技术的要求不一样。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。所以，对生物质原料进行加工处理，制成生物质成型燃料，对水分、挥发分、灰分、热值、尺寸等形成严格的统一标准，这样能够针对生物质成型燃料的燃料特性和燃烧特性合理选择燃烧方式及燃烧设备。
（2）目前在生物质成型燃料燃烧技术开发利用过程中，大多数学者对生物质燃烧技术进行了深入研究，但对生物质收集、处理技术和生物质成型燃料制造设备的研究较少。因此，在研究生物质燃烧技术的同时，必须对生物质成型燃料制造设备进行研究，提高生物质成型燃料加工效率，制取各项组分统一的生物质成型燃料，形成生物质成型燃料的企业标准。
（3）容量不同的生物质成型燃料锅炉选用的燃烧方式不一样。对于容量在35t/h以下的生物质成型燃料锅炉，可以采用水冷振动式炉排炉
进行燃烧利用，在保证生物质成型燃料充分燃烧的情况下，通过水冷振动式炉排炉能够有效地降低炉排受热温度，同时可以解决生物质结焦的问题。对于容量在35t/h以上的生物质成型燃料锅炉可以采用流化床锅炉，炉内燃烧温度控制在800℃左右，使炉内温度低于生物质的灰熔点，有效地解决生物质结焦的问题，同时低温下燃烧能够降低氮氧化物的生成，从而确保烟气排放满足环保要求。
6 结论
利用生物质成型燃料替代燃煤，开展生物质成型燃料锅炉供热示范项目，进行相关技术研发工作，既能解决农作物秸秆焚烧污染问题，也能解决燃煤锅炉清洁能源替换问题。同时，相比天然气锅炉来说，可以有效降低能源成本，提高企业生产竞争力。利用生物质成型燃料替代燃煤在全国范围内具有广泛的推广意义。同时通过大数据的收集和管理，建立秸秆生物质燃料地收集、生产、物流等物联网系统，与秸秆锅炉的燃烧数据进行跟踪，建立产业链上下游的互动机制，形成互联网+的生态型系统建设，串联农村清洁生产与工业清洁生产的核心，还人民蓝天白云的梦想，具有跨时代的意义。
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