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河南省电力勘测设计院
摘要：根据国家能源局印发的 《生物质能发展“十二五”规划》确定的目标，至2015年我国生物质能发电装机容量将超过13000 MW。生物质发电锅炉的研究及开发对这一目标的实现具有决定性的影响。生物质作为新型的燃料，其炉内燃烧特性需要详细的研究，本文结合国内外的生物质锅炉发展现状，对我国生物质锅炉存在的受热面沾污、腐蚀及结渣、SOx、NOx、HCl以及气溶胶的排放问题进行了初步分析研究，并对生物质锅炉进行了介绍，分析了其燃料在锅炉中燃烧存在的问题，提出适应我国的生物质发电锅炉的相关对策。
关键词：生物质;锅炉技术;现状;问题
由于大量使用化石燃料而引起的能源短缺和环境恶化问题，生物质能已经在锅炉燃料中占据重要的地位。我国作为农业大国，每年农作物秸秆产量约为6.5 X108t，预计到2015年将达到7.26 X108t;薪柴和林业废弃物资源量中，可开发量每年达到6 X108t以上[1]。每年因无法处理的剩余农作物秸秆在田间直接焚烧的超过2 X108t，这不仅浪费了资源，而且造成严重的空气污染。为实现可持续能源生产和减少温室气体排放的目的，我国已于2006年1月开始实施《中华人民共和国可再生能源法》，为生物质能等可再生能源的广泛应用提供制度和法律保证。
1生物质锅炉
生物质锅炉是将生物质直接作为燃料燃烧，将燃烧产生的能量用于发电。当今用于发电的生物质锅炉主要燃烧型式为流化床燃烧锅炉和层燃锅炉。
1.1流化床燃烧
流化床燃烧与普通燃烧最大的区别在于燃料呈颗粒形状，燃料在流化床内处于流化状态进行燃烧反应和热交换。生物质燃料水分比较高，采用流化床技术，有利于生物质的完全燃烧，提高燃烧效率。生物质流化床锅炉可以采用砂子、高铝砖屑、燃煤炉渣等作为流化介质，形成蓄热量大、温度高的密相床层，为高水分、低热值的生物质提供优越的着火条件，依靠床层内剧烈的传热传质过程和燃料在床内较长的停留时间，使生物质燃料得以充分燃尽[2]。流化床锅炉能够维持在850℃左右的燃烧温度并伴随料层充分扰动，所以床内不易结渣，并且低温燃烧及炉内脱硫减少了NOx，SOx等有害气体的生成。
但是，流化床对入炉燃料颗粒尺寸要求严格，因此需对生物质进行干燥、粉碎等一系列预处理，使其尺寸、状况均一化，以保证生物质燃料的正常流化。对于类似稻壳、木屑等比重较小、结构松散的生物质，就必须不断地添加石英砂、高铝砖屑等以维持正常燃烧所需的蓄热床料，燃烧后产生的飞灰硬度较高，容易磨损锅炉受热面。此外，为了维持一定的床料流化速度，锅炉风机的耗电量较大，运行成本相对较高。
1.2层状燃烧
层状燃烧是常见的燃烧方式，通常在燃烧过程中，沿着炉排上床层的高度形成不同的燃烧阶段。层燃锅炉的炉排主要有往复炉排、水冷振动炉排及链条炉排等。采用层燃技术开发的生物质能锅炉，结构简单、操作方便、投资与运行费用都相对较低。由于锅炉的炉排面积较大，炉排运动速度或振动频率可以调整，并且炉膛有足够的悬浮空间，能延长生物质在炉内的停留时间，有利于生物质燃料的完全燃烧。但层燃锅炉的炉内温度较高，可以达到1000℃以上，由于生物质燃料的灰熔点较低，很容易结渣。同时，在燃烧过程中对锅炉配风的要求比较高，难以保证生物质燃料的充分燃烧，从而影响锅炉的燃烧效率。
生物质锅炉的技术研究工作最早在北欧一些国家得到重视，随后在美国也开展了大量研究开发，近几年由于环境保护要求日益严格和能源短缺，我国生物质燃烧锅炉的研制工作也取得了进展。
2生物质燃料锅炉存在的问题
由于生物质燃料，尤其是农业废弃物，含有比化石燃料高的氯含量和碱金属含量，使得燃烧过程中出现一些技术难点，需要认真对待，其中主要为：沾污、腐蚀、结块、SOx、NOx、HCI以及气溶胶的排放等。
2.1沾污与腐蚀
生物质锅炉基本上都存在严重的各级受热面的积灰、过热器结渣与沾污的问题。严重的沾污会降低传热效率，在恶劣的情况下，局部传热表面会被沾污覆盖而丧失传热性能。积灰中存在大量的KCl（40%～80%）。积灰的形成主要是由于生物质本身高的钾和氯含量引起的。钾和氯会以KCl的形式直接沉积在传热表面，也可能钾与灰中的硅酸盐反应生成低熔点灰，增加了粘着在传热面的趋势[5]。生物质锅炉过热器同样存在腐蚀的问题，并且随着蒸汽温度的升高，腐蚀率也增加。生物质锅炉中的腐蚀机理与气相氯化物有关的腐蚀，沉积物中氯化物的固相反应以及熔化的氯化物与硫酸盐的反应有关。沾污和腐蚀现象通常是同时存在的。腐蚀多发生在过热器受热面上，以氯腐蚀为主。
2.2生物质燃料锅炉结渣
在燃用生物质的流化床中，发现存在严重的结块现象。其形成的主要原因是生物质本身含有的钾钠元素与床料（通常是石英砂）发生反应，形成K2O·4Si02和Na2O·2Si02的低温共熔混合物，其熔点分别为870℃和760℃。这种粘性的共晶体附着在砂子表面相互粘结，形成结块现象[3]。在层燃锅炉中燃烧温度高于生物质燃料灰融点（灰融点低于1000℃），形成较易碎裂的渣块。
2.3有害气体的排放
生物质中S元素的含量一般都比较低，但在废气排放中仍可监测到有部分SO2气体。但在生物质燃烧过程中，HCL的排放则远远高于煤的燃烧，这主要归咎于生物质中的高氯含量。而这些排放物进一步与生物质中的钾元素反应，就很容易形成气溶胶。气溶胶排放到大气会造成环境污染，而且也容易粘着在催化剂（例如SCR）表面，影响催化剂作用。以质量标准来看，生物质中的N含量要小于煤，但由于生物质的低热值，以能量为标准，生物质的N含量与煤同在一个数量级上。但由于流化床燃烧温度较低，且在高温旋风分离器后可较方便地采用喷氨脱硝措施以满足NOx排放的严格要求。 3我国的生物质发电锅炉
3.1燃煤小火电厂改造成生物质能发电厂
为实现能源的可持续开发，对燃煤小火电厂锅炉采用生物质和煤混烧或者生物质直接燃烧锅炉改造的技术问题进行研究，研究生物质燃料和常规燃料混烧或生物质直接燃烧的合理运行方式，既节约了社会资源，又有利于社会稳定和环境保护，符合当前建设资源节约型、环境友好型和谐社会的大局[4]。
3.2生物质锅炉的开发应用
锅炉的设计制造技术目前还是以引进技术、国内制造为主。山东单县、高唐等多个项目都是引进丹麦BWE公司的秸秆生物发电技术。这种锅炉技术在国外已经成熟并得到了认可，但价格相对较高，我国目前尚处于消化吸收国外先进技术阶段，从利用生物质能、环境保护方面考虑必须开发具有自主知识产权的国产生物质锅炉。国内现有的生物质锅炉主要以农作物秸秆为主，已经初步具备的燃烧技术包括：秸秆捆扎进料结合水冷震动炉排技术、秸秆与煤混烧技术、压制成型的秸秆燃烧技术。秸秆捆扎进料的燃烧，燃用前，需对每一包捆扎的秸秆进行红外线检测其含水量，含水量<25%的合格品，经破碎机破碎后进人炉膛，并结合水冷震动式炉排技术进行燃烧。秸秆与煤混烧技术在国内也有运用，山东十里泉发电厂在原来的煤粉炉上掺烧破碎的秸秆，然而产生的灰渣很难得到综合利用。单独的秸秆燃烧产生的灰渣含有很高的钾元素，可以用作肥料;煤的灰渣主要用于水泥工业的原材料。然而试验证明，秸秆与煤混烧的灰渣中的钾元素对其回收利用具有负面影响。
4结论
我国生物质燃烧技术已经有了一些新的突破，并不断有新炉投运，国外的生物质燃烧锅炉技术已趋成熟，并投人运行。然而生物质锅炉存在的一些问题，包括沾污、腐蚀、结块、SOx、NOx、HCl以及气溶胶的排放等，这些问题主要由生物质本身的物理化学特性引起，还需要进一步的研究，并开发出合适的燃烧设备。我国生物质锅炉的开发重点和需要解决的问题是：生物质燃料的预处理设备开发、锅炉受热面沾污、腐蚀、结渣、气溶胶排放等问题的深人研究;锅炉设计和制造技术的提高。
参考文献：
[1]苏海鹏.锅炉利用生物质能源的技术应用[J].煤气与热力，2012，32（1）：1-3.
[2]韩民德.生物质锅炉之第二代生物质燃料市场前景诱人[J].生物质化学工程，2012，46（1）：65.
[3]郭飞强，董玉平，董磊等.生物质成型燃料三次配风锅炉的设计及低NOx排放效果[J].农业工程学报，2012，28（14）：42-44.
[4]黄春，袁恒淑，姚莉娜.基于嵌入式系统的生物质锅炉优化监控系统的研究与应用[J].郑州大学学报，2014，46（1）：103-106.
[5]周圣林.高低差速流化床及V+4T燃烧技术在生物质锅炉中的应用[J].能源研究与管理，2014，1（1）：62-65.
摘要：根据国家能源局印发的 《生物质能发展“十二五”规划》确定的目标，至2015年我国生物质能发电装机容量将超过13000 MW。生物质发电锅炉的研究及开发对这一目标的实现具有决定性的影响。生物质作为新型的燃料，其炉内燃烧特性需要详细的研究，本文结合国内外的生物质锅炉发展现状，对我国生物质锅炉存在的受热面沾污、腐蚀及结渣、SOx、NOx、HCl以及气溶胶的排放问题进行了初步分析研究，并对生物质锅炉进行了介绍，分析了其燃料在锅炉中燃烧存在的问题，提出适应我国的生物质发电锅炉的相关对策。
关键词：生物质;锅炉技术;现状;问题
由于大量使用化石燃料而引起的能源短缺和环境恶化问题，生物质能已经在锅炉燃料中占据重要的地位。我国作为农业大国，每年农作物秸秆产量约为6.5 X108t，预计到2015年将达到7.26 X108t;薪柴和林业废弃物资源量中，可开发量每年达到6 X108t以上[1]。每年因无法处理的剩余农作物秸秆在田间直接焚烧的超过2 X108t，这不仅浪费了资源，而且造成严重的空气污染。为实现可持续能源生产和减少温室气体排放的目的，我国已于2006年1月开始实施《中华人民共和国可再生能源法》，为生物质能等可再生能源的广泛应用提供制度和法律保证。
1生物质锅炉
生物质锅炉是将生物质直接作为燃料燃烧，将燃烧产生的能量用于发电。当今用于发电的生物质锅炉主要燃烧型式为流化床燃烧锅炉和层燃锅炉。
1.1流化床燃烧
流化床燃烧与普通燃烧最大的区别在于燃料呈颗粒形状，燃料在流化床内处于流化状态进行燃烧反应和热交换。生物质燃料水分比较高，采用流化床技术，有利于生物质的完全燃烧，提高燃烧效率。生物质流化床锅炉可以采用砂子、高铝砖屑、燃煤炉渣等作为流化介质，形成蓄热量大、温度高的密相床层，为高水分、低热值的生物质提供优越的着火条件，依靠床层内剧烈的传热传质过程和燃料在床内较长的停留时间，使生物质燃料得以充分燃尽[2]。流化床锅炉能够维持在850℃左右的燃烧温度并伴随料层充分扰动，所以床内不易结渣，并且低温燃烧及炉内脱硫减少了NOx，SOx等有害气体的生成。
但是，流化床对入炉燃料颗粒尺寸要求严格，因此需对生物质进行干燥、粉碎等一系列预处理，使其尺寸、状况均一化，以保证生物质燃料的正常流化。对于类似稻壳、木屑等比重较小、结构松散的生物质，就必须不断地添加石英砂、高铝砖屑等以维持正常燃烧所需的蓄热床料，燃烧后产生的飞灰硬度较高，容易磨损锅炉受热面。此外，为了维持一定的床料流化速度，锅炉风机的耗电量较大，运行成本相对较高。
1.2层状燃烧
层状燃烧是常见的燃烧方式，通常在燃烧过程中，沿着炉排上床层的高度形成不同的燃烧阶段。层燃锅炉的炉排主要有往复炉排、水冷振动炉排及链条炉排等。采用层燃技术开发的生物质能锅炉，结构简单、操作方便、投资与运行费用都相对较低。由于锅炉的炉排面积较大，炉排运动速度或振动频率可以调整，并且炉膛有足够的悬浮空间，能延长生物质在炉内的停留时间，有利于生物质燃料的完全燃烧。但层燃锅炉的炉内温度较高，可以达到1000℃以上，由于生物质燃料的灰熔点较低，很容易结渣。同时，在燃烧过程中对锅炉配风的要求比较高，难以保证生物质燃料的充分燃烧，从而影响锅炉的燃烧效率。
生物质锅炉的技术研究工作最早在北欧一些国家得到重视，随后在美国也开展了大量研究开发，近几年由于环境保护要求日益严格和能源短缺，我国生物质燃烧锅炉的研制工作也取得了进展。
2生物质燃料锅炉存在的问题
由于生物质燃料，尤其是农业废弃物，含有比化石燃料高的氯含量和碱金属含量，使得燃烧过程中出现一些技术难点，需要认真对待，其中主要为：沾污、腐蚀、结块、SOx、NOx、HCI以及气溶胶的排放等。
2.1沾污与腐蚀
生物质锅炉基本上都存在严重的各级受热面的积灰、过热器结渣与沾污的问题。严重的沾污会降低传热效率，在恶劣的情况下，局部传热表面会被沾污覆盖而丧失传热性能。积灰中存在大量的KCl（40%～80%）。积灰的形成主要是由于生物质本身高的钾和氯含量引起的。钾和氯会以KCl的形式直接沉积在传热表面，也可能钾与灰中的硅酸盐反应生成低熔点灰，增加了粘着在传热面的趋势[5]。生物质锅炉过热器同样存在腐蚀的问题，并且随着蒸汽温度的升高，腐蚀率也增加。生物质锅炉中的腐蚀机理与气相氯化物有关的腐蚀，沉积物中氯化物的固相反应以及熔化的氯化物与硫酸盐的反应有关。沾污和腐蚀现象通常是同时存在的。腐蚀多发生在过热器受热面上，以氯腐蚀为主。
2.2生物质燃料锅炉结渣
在燃用生物质的流化床中，发现存在严重的结块现象。其形成的主要原因是生物质本身含有的钾钠元素与床料（通常是石英砂）发生反应，形成K2O·4Si02和Na2O·2Si02的低温共熔混合物，其熔点分别为870℃和760℃。这种粘性的共晶体附着在砂子表面相互粘结，形成结块现象[3]。在层燃锅炉中燃烧温度高于生物质燃料灰融点（灰融点低于1000℃），形成较易碎裂的渣块。
2.3有害气体的排放
生物质中S元素的含量一般都比较低，但在废气排放中仍可监测到有部分SO2气体。但在生物质燃烧过程中，HCL的排放则远远高于煤的燃烧，这主要归咎于生物质中的高氯含量。而这些排放物进一步与生物质中的钾元素反应，就很容易形成气溶胶。气溶胶排放到大气会造成环境污染，而且也容易粘着在催化剂（例如SCR）表面，影响催化剂作用。以质量标准来看，生物质中的N含量要小于煤，但由于生物质的低热值，以能量为标准，生物质的N含量与煤同在一个数量级上。但由于流化床燃烧温度较低，且在高温旋风分离器后可较方便地采用喷氨脱硝措施以满足NOx排放的严格要求。 3我国的生物质发电锅炉
3.1燃煤小火电厂改造成生物质能发电厂
为实现能源的可持续开发，对燃煤小火电厂锅炉采用生物质和煤混烧或者生物质直接燃烧锅炉改造的技术问题进行研究，研究生物质燃料和常规燃料混烧或生物质直接燃烧的合理运行方式，既节约了社会资源，又有利于社会稳定和环境保护，符合当前建设资源节约型、环境友好型和谐社会的大局[4]。
3.2生物质锅炉的开发应用
锅炉的设计制造技术目前还是以引进技术、国内制造为主。山东单县、高唐等多个项目都是引进丹麦BWE公司的秸秆生物发电技术。这种锅炉技术在国外已经成熟并得到了认可，但价格相对较高，我国目前尚处于消化吸收国外先进技术阶段，从利用生物质能、环境保护方面考虑必须开发具有自主知识产权的国产生物质锅炉。国内现有的生物质锅炉主要以农作物秸秆为主，已经初步具备的燃烧技术包括：秸秆捆扎进料结合水冷震动炉排技术、秸秆与煤混烧技术、压制成型的秸秆燃烧技术。秸秆捆扎进料的燃烧，燃用前，需对每一包捆扎的秸秆进行红外线检测其含水量，含水量<25%的合格品，经破碎机破碎后进人炉膛，并结合水冷震动式炉排技术进行燃烧。秸秆与煤混烧技术在国内也有运用，山东十里泉发电厂在原来的煤粉炉上掺烧破碎的秸秆，然而产生的灰渣很难得到综合利用。单独的秸秆燃烧产生的灰渣含有很高的钾元素，可以用作肥料;煤的灰渣主要用于水泥工业的原材料。然而试验证明，秸秆与煤混烧的灰渣中的钾元素对其回收利用具有负面影响。
4结论
我国生物质燃烧技术已经有了一些新的突破，并不断有新炉投运，国外的生物质燃烧锅炉技术已趋成熟，并投人运行。然而生物质锅炉存在的一些问题，包括沾污、腐蚀、结块、SOx、NOx、HCl以及气溶胶的排放等，这些问题主要由生物质本身的物理化学特性引起，还需要进一步的研究，并开发出合适的燃烧设备。我国生物质锅炉的开发重点和需要解决的问题是：生物质燃料的预处理设备开发、锅炉受热面沾污、腐蚀、结渣、气溶胶排放等问题的深人研究;锅炉设计和制造技术的提高。
参考文献：
[1]苏海鹏.锅炉利用生物质能源的技术应用[J].煤气与热力，2012，32（1）：1-3.
[2]韩民德.生物质锅炉之第二代生物质燃料市场前景诱人[J].生物质化学工程，2012，46（1）：65.
[3]郭飞强，董玉平，董磊等.生物质成型燃料三次配风锅炉的设计及低NOx排放效果[J].农业工程学报，2012，28（14）：42-44.
[4]黄春，袁恒淑，姚莉娜.基于嵌入式系统的生物质锅炉优化监控系统的研究与应用[J].郑州大学学报，2014，46（1）：103-106.
[5]周圣林.高低差速流化床及V+4T燃烧技术在生物质锅炉中的应用[J].能源研究与管理，2014，1（1）：62-65.