生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化利用技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展與鍋爐行業(yè)的選擇
張世紅，廖新杰，張雄等
(華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室)
0 引言
工業(yè)鍋爐是重要的熱能動力設(shè)備，在國民經(jīng)濟發(fā)展及人民生活中起著不可或缺的作用。當前我國工業(yè)鍋爐以燃煤為主，年耗煤量約占全國煤炭消耗總量的1 /5，污染物排放總量僅次于電站鍋爐。隨著國家對環(huán)保要求的日益嚴格，污染物排放嚴重的中小型燃煤鍋爐在我國將逐漸淘汰，被天然氣、電力或生物質(zhì)等新能源為燃料的高效節(jié)能環(huán)保型鍋爐所替代。
作為一個農(nóng)業(yè)大國，我國生物質(zhì)資源豐富，能源化利用潛力巨大。全國可作為能源利用的農(nóng)作物秸稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和能源作物、生活垃圾與有機廢棄物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6億噸標準煤。生物質(zhì)作為一種含碳、固體形態(tài)的可再生能源，其熱轉(zhuǎn)化利用技術(shù)、設(shè)備與煤炭具有相似性，且生物質(zhì)氮、硫含量低，污染物排放要遠低于燃煤。因此，大力發(fā)展生物質(zhì)燃料鍋爐將有助于緩解燃煤帶來的環(huán)境污染問題。
我國政府歷來重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用，并將其作為能源領(lǐng)域的一個重要方面，納入了國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《關(guān)于促進生物質(zhì)能供熱發(fā)展的指導意見》中指出:：到2035 年，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機容量超過2500 萬千瓦，生物質(zhì)成型燃料年利用量約5000 萬噸，生物質(zhì)燃氣年利用量約250 億立方米，生物質(zhì)能供熱合計折合供暖面積約20億平方米，年直接替代燃煤約6000萬噸。鍋爐是生物質(zhì)燃料利用的主要設(shè)備，也是我國節(jié)能減排的主戰(zhàn)場，鍋爐行業(yè)必須緊跟新時代要求，加快實現(xiàn)原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化。
1 生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)現(xiàn)狀
生物質(zhì)資源來源廣泛，理化特性各具特色，轉(zhuǎn)化技術(shù)也多種多樣，包括物理方法、熱化學方法和生物化學方法等，可得到的產(chǎn)品包括: 成型燃料、生物燃氣、生物油、生物炭、沼氣、燃料乙醇、生物柴油等。下面主要介紹幾種與鍋爐相關(guān)的生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)。
1. 1 生物質(zhì)成型技術(shù)
與傳統(tǒng)化石能源相比，生物質(zhì)具有資源分散、能量密度低、容重小、儲運不方便等缺點，造成運輸成本較高，嚴重制約了生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用。生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是生物質(zhì)能的一種簡單、實用、高效的利用形式，可以大大提高生物質(zhì)能量密度，便于儲存和運輸，為高效利用農(nóng)林廢棄物提供了一條新的途徑。生物質(zhì)在擠壓成型后，密度可達0.8 ～1.3kg /m3，能量密度與中熱值煤相當，非常適合作為鍋爐的燃料。
生物質(zhì)固化成型技術(shù)主要分為輥模擠壓式成型( 包括環(huán)模式和平模式) 、活塞沖壓式成型( 包括機械式、液壓式) 和螺旋擠壓式成型等幾種主要型式，工作原理分別如圖1、圖2 和圖3 所示。其中的輥模擠壓式成型可以實現(xiàn)自然含水率生物質(zhì)不用任何添加劑、粘結(jié)劑的常溫壓縮成型，生產(chǎn)率較高，是規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點。國外輥模擠壓式成型機設(shè)備制造比較規(guī)范，自動化程度高，生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟，關(guān)鍵部件壽命達到1000 h 以上，生產(chǎn)率達到2 t /h 以上，已實現(xiàn)規(guī)模化商品生產(chǎn)。但是，這些成型設(shè)備是以木屑等林業(yè)剩余物為主要原料，且設(shè)備價格高，并不適合我國以秸稈為原料的國情。
近年來，由于國家對秸稈能源化工作的高度重視及相關(guān)政策的支持，我國生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)取得明顯的進展，生物質(zhì)成型技術(shù)及成型壓制設(shè)備也逐漸成熟，成型機械的能耗、關(guān)鍵部件使用壽命達到了大規(guī)模生產(chǎn)的要求。2016 年建設(shè)農(nóng)作物秸稈固化成型工程合計1 300 多處，成型燃料年產(chǎn)量達653 萬噸; 林業(yè)三剩物固體成型燃料年產(chǎn)量約250 萬噸，總計900 萬噸左右。此外，農(nóng)業(yè)部和地方政府陸續(xù)發(fā)布了《生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件》、《生物質(zhì)固體成型燃料質(zhì)量分級》、《生物質(zhì)成型燃料鍋爐》、《生物質(zhì)成型燃料鍋爐大氣污染物排放標準》等相關(guān)標準，為生物質(zhì)成型燃料鍋爐專業(yè)化、規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打下了較好的基礎(chǔ)。
1. 2 生物質(zhì)氣化技術(shù)
生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧或其它含氧物作氣化劑，在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的可燃物轉(zhuǎn)化為可燃氣( 主要是氫氣、一氧化碳和甲烷) 的熱化學過程。生物質(zhì)原料揮發(fā)分高達70% 以上，受熱后在相對較低的溫度下就可使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出，因此，氣化技術(shù)非常適用于生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化。生物質(zhì)氣化得到的燃氣既可作為清潔燃料，又可作為費托合成液體燃料的原料，在電力供應(yīng)、熱能生產(chǎn)、化工合成、金屬冶煉等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，因此氣化技術(shù)是目前國內(nèi)外競相開發(fā)的重要生物質(zhì)能技術(shù)。
根據(jù)所使用氣化劑的不同，生物質(zhì)氣化可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、氫氣氣化等。出于成本考慮，一般采用空氣氣化，但所產(chǎn)生的燃氣熱值較低，一般在5～6 MJ /m3。氣化爐是生物質(zhì)氣化技術(shù)的核心設(shè)備，按設(shè)備運行方式，生物質(zhì)氣化爐可分為固定床、流化床和氣流床。其中固定床和流化床是比較常見的兩種氣化爐型式。固定床氣化爐分為下吸式和上吸式( 如圖4) ，流化床氣化爐分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床( 如圖5) 。不同氣化設(shè)備的技術(shù)對比如表1 所示。通常，固定床氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適合較小規(guī)模和對燃氣品質(zhì)要求不高的場合，如戶用或農(nóng)村集中供氣; 而流化床特別是循環(huán)流化床氣化爐適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，如發(fā)電或制合成氣。
我國生物質(zhì)氣化技術(shù)研究始于20 世紀80 年代初期，目前已研制出可用于戶用、集中供氣和發(fā)電的各種類型氣化設(shè)備，擁有成熟的燃氣鍋爐供熱、內(nèi)燃機發(fā)電等技術(shù)。其中，氣化集中供氣已在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個省市推廣，MW 級氣化發(fā)電技術(shù)設(shè)備實現(xiàn)了出口，生物質(zhì)氣化合成液體燃料技術(shù)也已完成了千噸級的示范。
1. 3 生物質(zhì)液化技術(shù)
20 世紀70 年代爆發(fā)石油危機后，可以直接從生物質(zhì)得到液體燃料的生物質(zhì)熱解液化技術(shù)迅速發(fā)展。生物質(zhì)熱解液化是指在中溫( 500 ℃左右) 和缺氧條件下使生物質(zhì)快速受熱分解，熱解氣體再經(jīng)快速冷凝得到以液體產(chǎn)物( 生物油) 為主的熱化學轉(zhuǎn)化過程。在合適的條件下，生物油的最高產(chǎn)率可以達到70%以上。
國外在生物質(zhì)熱解液化研究方面起步較早，所開發(fā)的鼓泡流化床、循環(huán)流化床、旋轉(zhuǎn)錐和真空反應(yīng)器等技術(shù)均實現(xiàn)了較大規(guī)模的應(yīng)用。其中流化床熱解裝置的最大處理量達到200噸/天，所生產(chǎn)的生物油用于熱電聯(lián)產(chǎn)。我國從1995年開始發(fā)展該技術(shù)，目前已有多家單位研發(fā)熱解液化技術(shù)，但大多停留在實驗室階段。其中，中國科學技術(shù)大學建立了年產(chǎn)10000噸生物油的生物質(zhì)熱解制備生物油應(yīng)用示范工程，華中科技大學開發(fā)了移動式生物質(zhì)液化技術(shù)，可有效解決生物質(zhì)資源低成本收集和高值化利用問題。
表2 給出了生物油與重油基本特性對比。生物油熱值( LHV) 為13 ～18 MJ/kg，約為重油的一半，可以作為鍋爐、柴油發(fā)動機和燃氣輪機的燃料，比直接燃燒生物質(zhì)要高效、清潔。但同時生物油中的氧含量較高，還含有15% ～30%的水，所以生物油往往表現(xiàn)出強酸性、高粘度、低熱值和品質(zhì)不穩(wěn)定等特性，使生物油的推廣應(yīng)用受到了很大的限制。除用作燃料外，生物油還可作為大規(guī)模氣化、制氫的原料及用于提煉高附加值的化學品。此外，生物油中的羧酸含量一般在15%左右，主要是乙酸、甲酸和丙酸，還含有少量的苯甲酸，是制備有機酸鈣鹽的合適廉價原料。華中科技大學利用生物油和鈣基吸附劑制備出富含有機酸的“富鈣生物油”，可作為有機酸鈣鹽的替代品，用于爐內(nèi)氮硫污染物的聯(lián)合脫除，圖6 為不同溫度下富鈣生物油對SO2及NOx的聯(lián)合脫除效率，其最大脫硫效率超過90%，脫硝效率約60%。
1.4 生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)
生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，是一種創(chuàng)新的生物質(zhì)熱解目標產(chǎn)物調(diào)控新思路，采用焦炭復合活化、熱解油催化調(diào)質(zhì)與分組富集、熱解氣凈化與品質(zhì)提升等技術(shù)實現(xiàn)對目標產(chǎn)物的精確調(diào)控和高效提質(zhì)，同時實現(xiàn)炭、氣、油的高效、高值化多聯(lián)產(chǎn)，以及氣、電、熱多聯(lián)供，該技術(shù)工藝流程如圖7。以秸稈為例，炭產(chǎn)率≥35%，熱值≥20 MJ /kg; 熱解氣產(chǎn)率約25%，熱值≥12 MJ /m3 ; 生物油產(chǎn)率≥30%，富含糠醛、苯酚等物質(zhì)。其中，品質(zhì)優(yōu)良的炭可作為燃料炭、生物炭和活性炭; 中高熱值的燃氣用于集中供氣、發(fā)電，余熱用于供熱; 富含有機成分的液體產(chǎn)物可以作為化工原料，從而實現(xiàn)了低品位的生物質(zhì)資源向高附加值的能源和化工產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化和利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)生產(chǎn)強度提高4 倍以上，能耗降低50%。
目前已在湖北鄂州、天門、孝感、赤壁等地建設(shè)20 多處生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)示范點，每個示范點的供氣規(guī)模1 000 ～ 6 000 戶，經(jīng)濟與社會效益明顯。因其先進性和優(yōu)異的環(huán)保性能，該技術(shù)獲得2014 年聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織頒發(fā)的“全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價值的領(lǐng)先技術(shù)藍天獎”。同時“一種連續(xù)式生物質(zhì)熱解炭氣油多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)”獲得第十七屆中國專利獎優(yōu)秀獎。該技術(shù)現(xiàn)作為國家“綠色能源示范縣”以及“新能源示范城市”等建設(shè)的主推技術(shù)之一，將很快在全國多地推廣應(yīng)用。
因此，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各種生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化利用技術(shù)已比較成熟，已基本滿足工業(yè)鍋爐燃料供給的需要。目前各項技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙是技術(shù)的經(jīng)濟性和市場競爭力不足。根據(jù)生物質(zhì)原料自身特點，有必要改變單一產(chǎn)品為主的轉(zhuǎn)化利用模式，積極尋求利用價值最大化的轉(zhuǎn)化技術(shù)，綜合化、高熱值、多聯(lián)產(chǎn)的資源化利用應(yīng)是生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展方向。
2 生物質(zhì)燃料鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題
近年來，我國的生物質(zhì)燃燒技術(shù)有了很大的發(fā)展，研發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)燃燒技術(shù)及設(shè)備。但從整體來看，我國生物質(zhì)燃料鍋爐系統(tǒng)設(shè)計理念、技術(shù)還不夠先進，在運行、管理、污染物控制等方面還存在諸多問題。
生物質(zhì)燃料在鍋爐中應(yīng)用的主要形式包括: 生物質(zhì)固體燃料燃燒，生物燃氣燃燒及生物油燃燒。
下面分別闡述生物質(zhì)燃料鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題。
2. 1 生物質(zhì)固體燃料燃燒
按照燃燒方式的不同，生物質(zhì)固體燃料燃燒技術(shù)可分為層燃技術(shù)、流化床燃燒技術(shù)及懸浮燃燒技術(shù)。層燃技術(shù)主要包括鏈條爐、往復爐排爐及振動爐排爐，適用于燃燒含水率較高、顆粒尺寸變化較大的生物質(zhì)燃料，具有較低的投資和操作成本。國外生物質(zhì)層燃技術(shù)的發(fā)展已比較成熟，其中具有代表性的產(chǎn)品有丹麥的“雪茄型”捆燒爐及比利時的溫克生物質(zhì)爐。我國也有許多研究單位開發(fā)出了各種類型的生物質(zhì)層燃爐，并針對所使用原料的燃燒特性對爐膛結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，包括雙燃燒室結(jié)構(gòu)、閉式爐膛結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)。流化床燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒溫度低、有害氣體排放少、負荷調(diào)節(jié)范圍大等一系列的優(yōu)點，很適合燃燒水分大、熱值低的生物質(zhì)燃料。目前，國外采用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能已具有相當?shù)囊?guī)模。美國GE公司及愛達荷能源公司分別研制出100 t /h 的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐及50 t /h 的蒸汽鍋爐。我國自20 世紀80 年代末開始，對生物質(zhì)流化床燃燒技術(shù)也進行了深入的研究。國內(nèi)各研究單位與鍋爐廠合作，聯(lián)合開發(fā)了各種類型的生物質(zhì)流化床鍋爐，投入運行后效果良好，還有大量產(chǎn)品出口到了國外，這對我國生物質(zhì)能的利用起到了很大的推動作用。例如華中科技大學根據(jù)稻殼的物理、化學性質(zhì)和燃燒特性，設(shè)計了以流化床燃燒方式為主，輔之以懸浮燃燒和固定床燃燒的組合燃燒式流化床鍋爐。試驗研究證明，該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩(wěn)定、不易結(jié)焦等優(yōu)點，已獲得國家專利。此外華中科技大學還研究開發(fā)了生物質(zhì)與煤流化床混燒技術(shù)，并為廣西某糖廠研發(fā)了一臺35 t /h 蔗渣與煤混燒循環(huán)流化床鍋爐，如圖8 所示。懸浮燃燒技術(shù)主要適用于燃燒粉體生物質(zhì)燃料，燃燒強度及溫度較高，可達到較高的燃燒效率，同時可實現(xiàn)負荷快速變化和高效控制。但由于燃燒溫度較高，其NOx排放控制需要特別關(guān)注。燃燒器是確保生物質(zhì)粉體高效低NOx燃燒的關(guān)鍵，由于生物質(zhì)與煤燃燒特性存在巨大差異，常規(guī)的煤粉燃燒器并不適用，因此需要從生物質(zhì)本身的燃燒特性出發(fā)，設(shè)計專用的生物質(zhì)燃燒器，圖9 為針對生物質(zhì)粉體燃料研發(fā)設(shè)計的低NOx燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖。
近30 年來，盡管我國在生物質(zhì)固體燃料燃燒利用技術(shù)方面取得了長足的進步，但是與發(fā)達國家相比，仍有很大差距。目前國內(nèi)生物質(zhì)鍋爐設(shè)計多為套用燃煤鍋爐，并未根據(jù)生物質(zhì)燃料特性進行相應(yīng)的鍋爐結(jié)構(gòu)和配風設(shè)計。因此在鍋爐燃燒效率及污染物排放控制方面與國外先進水平有一定差距，無法滿足差異化市場需求。
就給料系統(tǒng)而言，我國尚未形成完善的生物質(zhì)燃料市場供應(yīng)體系，送入鍋爐的生物質(zhì)燃料種類繁雜，特性各異，因此生物質(zhì)鍋爐給料系統(tǒng)的自動化程度不高。同時由于生物質(zhì)含水量較高，容易造成給料系統(tǒng)堵塞卡死。利用煙氣余熱對入爐燃料進行干燥將有助于改善生物質(zhì)燃料的輸送特性，同時還有利于降低排煙損失，提高鍋爐效率。另外，生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高，且易于著火，運行過程中極易出現(xiàn)回燃現(xiàn)象，為保證鍋爐設(shè)備安全運行，對于層燃爐需要在進料口加裝隔板，同時調(diào)整配風; 而對于流化床宜采用兩級進料的方式，并加大送料風。
對于煤改生物質(zhì)的工業(yè)鍋爐，往往會導致鍋爐結(jié)構(gòu)與生物質(zhì)燃料特性不匹配，燃盡困難，燃燒效率低，因此需要對爐膛結(jié)構(gòu)進行針對性改造。具體改造措施為: 提高前拱角度，降低后拱高度、縮短后拱長度，同時采用分級配風，提高爐膛有效空間，保證揮發(fā)分的充分燃燒，進而提高燃燒效率。
此外，生物質(zhì)中的堿金屬還會引起鍋爐受熱面的積灰、結(jié)渣和腐蝕，直接造成鍋爐壽命和熱效率的降低; 同時堿金屬還易引起床料的聚團、結(jié)渣破壞正常流化，使燃燒工況惡化。在生物質(zhì)燃燒利用過程中，通過降低燃料中堿金屬含量的比例( 與煤混燒或適當預(yù)處理手段) ，設(shè)法提高燃料灰分的熔點( 加入添加劑) ，抑制堿金屬的揮發(fā)性，以及在保證鍋爐正常運行的情況下，通過調(diào)節(jié)一二次風配比或采用煙氣再循環(huán)適當降低燃燒溫度，是防止生物質(zhì)鍋爐積灰、結(jié)渣和腐蝕問題的有效途徑。另外對于流化床鍋爐，選用合適的床料( 富含抑制聚團燒結(jié)元素，如Fe、Al 等) ，及時排出大渣，保證均勻流化也是一種有效減輕結(jié)渣的方法。生物質(zhì)燃料與煤的另一個顯著不同在于生物質(zhì)中的氯含量較高，氯在生物質(zhì)燃燒過程中的揮發(fā)及其與鍋爐受熱面的反應(yīng)會引起鍋爐的腐蝕。針對氯腐蝕問題，主要的防制措施有:合理調(diào)整燃燒工況、選用耐腐蝕的受熱面材料、加入適量的吸收劑脫氯及加強吹灰等。
2. 2 生物燃氣燃燒
生物燃氣燃燒主要是指生物質(zhì)原料或生物質(zhì)成型燃料首先通過氣化爐產(chǎn)生可燃氣，然后再將可燃氣送入鍋爐進行燃燒。該技術(shù)燃燒效率高，且易實現(xiàn)清潔燃燒。燃燒產(chǎn)物經(jīng)除塵、脫硫后可達到煙塵小于20 mg /m3，NOx小于200 mg /m3 ( O2 = 3． 5%) ，SO2小于50 mg /m3，達到天然氣燃燒排放標準，因此，生物燃氣燃燒技術(shù)備受發(fā)達地區(qū)青睞。國外生物燃氣燃燒技術(shù)主要應(yīng)用于水泥窯、石灰窯及熱電聯(lián)產(chǎn)，部分技術(shù)已實現(xiàn)商業(yè)化，形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)經(jīng)營，而目前國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要以氣化發(fā)電和農(nóng)村供氣為主，氣化燃氣工業(yè)鍋爐應(yīng)用才剛剛起步，實際運行項目較少。
目前制約生物燃氣燃燒技術(shù)發(fā)展的主要問題在于燃氣熱值偏低，且焦油含量高。一方面，國內(nèi)尚未有專門針對低熱值生物質(zhì)燃氣開發(fā)的燃燒設(shè)備，大多由天然氣鍋爐改造而成，燃燒穩(wěn)定性及燃燒效率都無法保證，因此需開發(fā)專用的低熱值生物質(zhì)燃氣燃燒器，同時還需對鍋爐結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，提高燃燒效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一方面，生物質(zhì)燃氣中的焦油會與水、灰結(jié)合在一起，沉積在氣化設(shè)備、管道、閥門和下游設(shè)備，造成設(shè)備堵塞及磨損，同時也導致燃氣凈化系統(tǒng)復雜且運行成本高昂。圖10 為兩種常見的生物質(zhì)燃氣利用技術(shù)路線圖，即“冷燃氣”路線與“熱燃氣”路線。在條件允許的情況下，建議采用“熱燃氣”路線，即生物質(zhì)原料經(jīng)過氣化爐氣化后，通過高溫風機將高溫燃氣直接送入鍋爐燃燒，過程中確保燃氣溫度大于200 ℃，防止焦油冷凝，盡可能減少焦油對設(shè)備的影響。
2. 3 生物油燃燒
生物油是生物質(zhì)經(jīng)過快速熱解后得到的主要產(chǎn)物，其能量密度是生物質(zhì)原料的8 ～ 10 倍，可替代重油用于鍋爐燃燒設(shè)備。國內(nèi)外已有許多研究機構(gòu)對生物油在鍋爐和窯爐中的燃燒特性及污染物控制開展研究，經(jīng)過多年的發(fā)展，生物油的鍋爐燃燒技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且已在工業(yè)上有小規(guī)模應(yīng)用。
芬蘭Neste Oy 公司利用改造后的2.5 MW Damstoker鍋爐，實現(xiàn)了生物油的穩(wěn)定燃燒，尾氣中CO和NOx的排放量分別為0.003% 和0.014%。芬蘭國家技術(shù)研究中心VTT在改造后的8 MW 工業(yè)爐上進行生物油燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)排放產(chǎn)物中除微粒外，其余污染物排放量均低于重油。此外，生物油與化石燃料共燃也是一種比較合適的生物油利用方式，美國Red Arrow 公司、荷蘭BTG 公司分別在20 MW 燃煤鍋爐及251 MW 天然氣電站中成功實現(xiàn)了生物油與煤、燃氣的共燃，結(jié)果表明生物油與化石燃料共燃對鍋爐設(shè)備沒有任何有害影響，還可以減少污染物的排放。
生物油在鍋爐燃燒的關(guān)鍵技術(shù)是點火。生物油水分含量高，熱值低，在點火期間，水分的蒸發(fā)會吸收大量的熱量，導致生物油著火困難，且燃燒初期火焰穩(wěn)定性差。同時在點火初期，爐膛溫度較低，火焰散熱損失嚴重，容易熄滅。為保證生物油的成功點火，最有效的方法是采取爐膛預(yù)熱或使用輔助點火源。其次提高霧化質(zhì)量也有利于生物油的點火，推薦采用空氣或蒸汽霧化，典型的空氣霧化噴槍結(jié)構(gòu)如圖11 所示。其次，點火期間，在保證霧化質(zhì)量的前提下，降低噴霧速度，可防止火焰被吹熄，有利于火焰穩(wěn)定。最后，采用旋流霧化噴嘴可以在爐膛內(nèi)形成高溫回流區(qū)，著火能更穩(wěn)定。除點火問題以外，生物油霧化燃燒還需要注意下面的一些問題: 生物油中一般含有一些雜質(zhì)，其中較大的顆粒可能會堵塞噴嘴，因此含固體顆粒較多的生物油必須過濾后使用; 生物油穩(wěn)定性較差，受熱后容易變性結(jié)焦，從而堵塞霧化噴嘴，因此需要用空氣冷卻噴嘴，并在啟停階段用酒精等燃料清洗油路。
3 鍋爐行業(yè)的選擇
當前，在“限煤”的大環(huán)境下，鍋爐行業(yè)面臨著轉(zhuǎn)型升級的選擇。隨著我國經(jīng)濟由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，國家能源和環(huán)保政策逐步調(diào)整到位，鍋爐行業(yè)也基本明確原料綠色化、生產(chǎn)清潔化和產(chǎn)品智能化的發(fā)展方向。
3.1 原料綠色化
未來能源增長將主要來自于可再生能源，對于鍋爐行業(yè)來說，必須立足生物質(zhì)燃料，從吃黑色原料轉(zhuǎn)向吃綠色原料。生物質(zhì)燃料種類眾多，包括不同來源以及不同轉(zhuǎn)化技術(shù)得到的，燃料特性千差萬別，對鍋爐來說是不小的挑戰(zhàn)，但也是一個必須要解決的問題。
鍋爐行業(yè)應(yīng)充分認識生物質(zhì)燃料特性對鍋爐實現(xiàn)高效清潔安全燃燒的影響，利用現(xiàn)有設(shè)備開展各種燃料( 固體燃料或氣體燃料) 及燃燒方式( 純?nèi)蓟?/span>混燃) 下的性能測試，積累相關(guān)工業(yè)數(shù)據(jù); 應(yīng)積極主動參與生物質(zhì)燃料技術(shù)的研發(fā)，參與相關(guān)燃料標準的制定。例如，針對生物質(zhì)燃燒過程中突出的沾污、腐蝕問題，通過燃料添加劑是可以大大緩解的，這就需要對現(xiàn)有的成型燃料標準進行修訂。另外，還應(yīng)加快研制生物質(zhì)燃料專用鍋爐，使生物質(zhì)燃料特性與鍋爐參數(shù)相互匹配最終實現(xiàn)效能最大化。
同時，鍋爐行業(yè)還要大膽探索與生物質(zhì)能源結(jié)合的新方式，先行先試，搶占先機。實際上生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電就是一個很好的例子。生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用一直受制于焦油問題，但如果直接將氣化氣送入鍋爐燃燒，就可以避開焦油問題，如果配套的是大容量高參數(shù)鍋爐，效率和效益就更具優(yōu)勢了。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，還有很多待開發(fā)利用的生物質(zhì)資源，采用合適的轉(zhuǎn)化技術(shù)，就地與生產(chǎn)過程中的用能需求相結(jié)合，對于控制和降低生物質(zhì)燃料成本以及生產(chǎn)過程的能耗也是極為有利的。
3.2 生產(chǎn)清潔化
作為一種相對清潔的燃料，使用生物質(zhì)燃料對于鍋爐污染物的控制是有利的。但我國能源行業(yè)整體實施超低排放已成趨勢，如何實現(xiàn)綠色燃料的清潔利用也是鍋爐行業(yè)采用生物質(zhì)燃料時需要重點考慮的。應(yīng)結(jié)合生物質(zhì)燃料及其燃燒污染物初始排放濃度低的特點，因地制宜、因勢利導，采用靈活的技術(shù)手段實現(xiàn)污染物的控制，絕不能簡單照搬燃煤鍋爐超低排放技術(shù)。
除了從原料端預(yù)處理入手，盡可能在燃燒過程中實現(xiàn)低排放外，還可以結(jié)合一些新技術(shù)，例如，以生物質(zhì)熱解得到的富含有機酸的生物油為原料制備富鈣生物油進行聯(lián)合脫硫脫硝，其脫硫效率大于90%，脫硝效率最大可到57%。生物油還可以作為尿素SNCR 脫硝的添加劑，有利于拓寬脫硝反應(yīng)溫度窗口。將生物質(zhì)熱解所得生物焦進行富氮化改性，不僅促進了富氮生物焦的孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展，還增加了富氮焦表面含氮官基團的引入，進而改善富氮焦吸附污染物的特性，是一種優(yōu)良的煙氣凈化吸附劑，可以同時吸收二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳。
如果將上述技術(shù)整合成一體，可以滿足超低排放的要求。
3.3 產(chǎn)品智能化
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的融合正在加快，未來的生物質(zhì)燃料鍋爐理應(yīng)進入智能化時代。通過物聯(lián)網(wǎng)，可以隨時掌握鍋爐燃料特性； 通過人工智能系統(tǒng)，可以將鍋爐運行參數(shù)調(diào)整到最佳；生物質(zhì)燃料的消耗量、能源( 電力) 輸出量、污染物排放量等數(shù)據(jù)傳向各種終端，整個生產(chǎn)過程可根據(jù)原料價格、庫存、碳稅、能源價格、排污費、設(shè)備狀態(tài)等進行智能控制，實現(xiàn)綜合效益最大化。
鍋爐企業(yè)需要跳出傳統(tǒng)的只賣鍋爐的狹隘盈利模式，而成為清潔能源整體解決方案的提供商，通過提供技術(shù)含量高的產(chǎn)品，以及各種后續(xù)技術(shù)服務(wù)，甚至是承擔運營任務(wù)，獲得長期收益。此外，還應(yīng)打破用戶、制造企業(yè)及行業(yè)專家之間缺乏深度信息融合的限制，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+ ”技術(shù)及工業(yè)鍋爐行業(yè)專家資源，搭建集監(jiān)測、診斷及遠程服務(wù)于一體的綜合性平臺，并基于平臺大數(shù)據(jù)，為鍋爐制造企業(yè)的標準設(shè)計、用戶的爐型選擇、鍋爐系統(tǒng)的運行優(yōu)化提供指導，促進工業(yè)鍋爐產(chǎn)品運行智能化、設(shè)計標準化、全生命周期持續(xù)進化，全面提升我國工業(yè)鍋爐行業(yè)的技術(shù)水平。
4 結(jié)語
鍋爐行業(yè)正處于一個新舊交替的重要歷史時期，機遇與挑戰(zhàn)并存。在與生物質(zhì)燃料結(jié)合的過程中，需要打破行業(yè)傳統(tǒng)發(fā)展模式的束縛，始終瞄準新技術(shù)和市場變化，不斷提升產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量，拓寬盈利渠道，開創(chuàng)鍋爐行業(yè)發(fā)展的新時代。
原載于《工業(yè)鍋爐》 2019年02期
