秸秆锅炉应用研究探讨

(哈尔滨市热力公司，哈尔滨 150016)

0 引 言

生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电[1-3], 是可再生能源发电的一种, 包括农林废弃物(秸秆)直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电[4-6]。

1 生物质发电的形式及机理

生物质发电主要方式是生物质直燃发电,就是将生物质直接作为燃料进行燃烧, 用于发电或者热电联产。生物质直燃发电是在传统的内燃机发电技术上进行设备改型而实现的技术, 技术基本成熟并得到规模化商品运用, 是生物质发电的主要方式。

2 发展生物质发电的重要意义

2.1 利用生物质发电是解决能源短缺途径之一

我国一次能源储量少,其中煤的储量为全世界的1/10,石油储量为全世界的1/40,天然气储量为世界的1/100。能源短缺已经制约了社会和经济的发展，为缓解这种状况我国非常重视研究可再生能源的利用,如太阳能、风能、垃圾废料、生物秸秆。中国政府先后出台了《可再生能源中长期发展规划》》，《 可再生能源与新能源国际科技合作计划》和《可再生能源发展十一五规划》。这些规划和计划中指出中国现阶段全国农作物秸秆年产生量约6亿t，其中大约3亿t可作为燃料使用，折合约1．5亿t标准煤，林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9亿t，大约3亿t可作为能源利用，折合约2亿t标准煤。

2.2 生物质发电可以减少大气污染

根据国家环保局统计由于SO2的污染,产生的酸雨已危害30%国土面积。中国每排放1 t SO2造成的经济损失约2万元,顾此2005年我国因SO2造成经济损失5 098亿元。秸秆中硫的含量仅为0.125%,相当于燃煤含量的1/10，利用生物质发电可以大量减少SO2的排放。

2.3 生物质能发电可增加农民收入

我国年产秸秆6亿t左右,造肥还田、家庭燃灶消耗约35%,剩余4亿t秸秆没有利用。若秸秆以150元/t收购,农民可增加收入600亿元,对增加农民收入,提高农民生活水平大有好处。

3 秸秆锅炉在电力和热力行业应用状况及存在的问题

3.1 秸秆锅炉应用状况

秸秆直燃供热发电项目对于桔秆的需求相当大,一般25 MW秸秆直燃供热发电项目年需要秸秆16万t左右。因此,发展秸秆直燃供热发电项目的地区,必须是粮棉等农作物的主产区和种植相对集中的地区,以保证有足够的秸秆资源供应。目前国内供热发电秸秆锅炉基本在75～130 t/h，不能增大容量的主要原因就是因为运输半径的制约。同时，秸秆到厂价格直接决定了应用的长期性和经济性。目前，我国秸秆固体成型的关键技术已取得突破，并已实行商业化。因此秸秆燃料的运输半径最大可达到100 km以内。

3.2 秸秆锅炉发电供热的成本分析

根据国外生物质发电厂运行统计及我国权威部门测算, 生物质发电总体成本远高于常规燃煤发电成本, 约为煤电的1.5倍。成本高的原因有三个: 一是初投资高, 生物发电单位投资约10 000元/kW, 而常规火电机组, 一般都在6 000～7 000元/kW。二是机组热效率低于常规火电机组, 国内可建的生物质发电机组容量较小, 参数较低, 因此热效率低。三是燃料成本较高, 秸秆燃料的热值小, 比重低, 导致燃料收集运输成本较高,这是制约其发展的主要因素之一。西北某地秸秆锅炉驱动超临界1 000 MW机组项目运行后得出只有标煤单价与秸秆单价比大于2.6时才能保证秸秆锅炉的运行经济性，(如标煤600元/t，电厂买入秸秆价格不能超过320元/t)。

3.3 秸秆锅炉直接应用于城市供热的技术问题

城市供热区域锅炉房主要是层燃炉，包括链条炉、往复推动炉等，这类锅炉结构简单、操作方便，技术上是可以燃煤层燃炉直接使用秸秆燃料运行的。但是由于生物质颗粒燃料与煤的燃烧特性不同，所以原有锅炉结构与操作工艺必须加以改造和改进，否则将出现锅炉出力和锅炉热效率大幅下降，甚至出现锅炉设备事故，如直接使用秸秆燃料会发生以下问题：

(1)使用秸秆燃料的结焦问题。层燃炉使用生物质燃料应重点考虑燃料床结焦现象，生物质燃料本身的灰分中含有钙、钠、钾等离子，在生物质燃料中秸秆里的碱金属元素远远超过燃煤的碱含量，层燃炉在改烧生物质燃料后会形成渣层，进而出现大面积结焦现象，对一次风构成较大影响。碱金属( Na, K)氧化物和盐类可以与SiO2形成的低温共熔体熔融温度分别仅为874°和764°,从而造成严重的烧结现象，会发生以下反应:

2SiO2+Na2CO3→Na2O*2SiO2+CO2

(1)

4SiO2+K2CO3→K2O*4SiO2+CO2

(2)

(2)使用秸秆燃料的腐蚀问题。秸秆燃料中的氯元素不仅加重结焦还加重腐蚀现象，研究结果表明，当燃料中氯含量大于0.3%时，与氯有关的锅炉管束高温腐蚀加剧。同时在锅炉管的高温腐蚀中，硫的腐蚀是一次性的，而氯的腐蚀是重复性。这就增加了锅炉运行的故障率和以及维修成本。

(3)秸秆燃料的挥发分过高引起的问题。燃煤锅炉不改造就不能很好地适应秸秆燃料燃烧。原因一是因为秸秆燃料挥发分太高，挥发分集中析出要求集中供应二次风。二是挥发分高使得燃烧设备的燃烧空间和受热面要进行重新设计。三是秸秆燃料碳含量少，锅炉内高温停留时间短，需要的炉排面积和燃烧强度都比燃煤锅炉小。四是秸秆燃料燃烧温度低，原有燃煤锅炉受热面需要按照秸秆燃烧特性设置。

4 燃煤层燃锅炉的改造与操作运行工艺改进

(1)鼓、引风机应采用变频调速装置。为了适应生物质颗粒燃料的燃烧，必须对鼓、引风机增装变频调速装置，它可以实时调整供、引风量及风压、烟压，使燃料充分燃烧。

(2)炉排运转应采用变频调速设备。当燃料品种固定后在负荷一定的情况下燃料层厚度是不须经常调整的，只须对炉排速度及配风进行调整。所以炉排必须为变频调速方式。

(3)增装二次风系统是燃料充分燃烧减少气体不完全热损失的有效措施。通常情况下中小型锅炉都是只有一次风系统就可以满足燃料燃烧了，但生物质颗粒燃料的挥发分远高于煤的挥发分，而且析出和燃烧时间很短，只是整个燃烧时间的10%左右，且主要是在炉膛空间燃烧。此时单靠从炉排下部供给的一次风是远远不够且不及时的，必须及时向炉膛空间送入适量的空气保证燃料悬浮燃烧所需的足够氧气。增装二次风系统时，应选用变频调速风机就会适应燃烧需求。

5 生物质能发电产生的环境问题

尽管生物质燃料本身具有低灰、低硫特性,在直接燃烧发电和气化发电两种系统的环境污染物排放都显著优于火电厂, 但仍然会有一定量的污染物产生。因此生物质发电项目必须依法开展环境影响评价, 项目应编制环境影响报告书。

6 秸秆锅炉应用目前存在的其他问题

秸秆锅炉应用目前存在的问题一是电价补贴要严格执行、落实到位，目前秸秆发电上网电价随着投资的不同在0.58～0.7元/(kW·h)之间。在《可再生能源法》出台后明确规定国家给予0.25元/(kW·h)的电价补贴,只有严格执行此政策，才能有力地推动生物质发电产业的发展。我国第1台装机容量5 MW燃用谷壳、木屑、稻草的江苏兴化中科生物质能发电有限公司因电价补贴没有执行而运行不到一年被迫停产。二是缺乏专门制造燃用农林废弃物的锅炉。目前虽有燃用秸秆等的专用锅炉,但吨位偏小不符合城市发展需要，同时设计和制造上经验不足,制造成本高,运行可靠性差和配套设施不完备,投资过大,限制了推广应用。三是运行成本高不利于竞价上网。由于秸秆热电项目总投资普遍高于一般火电厂,必然导致发电成本要高。同时秸秆的收集、存储、运输、制备等过程耗费大量的人力物力,致使秸秆收购成本大幅上涨达到与煤价相当,所以不利于竞价上网。

7 供热燃煤锅炉改为秸秆燃料可行性的结论

(1)从煤和秸秆的燃料特性和现有供热锅炉的结构来看，供热燃煤锅炉使用秸秆燃料是可行的，只是要部分系统改造。由于供热行业锅炉的鼓、引风系统和炉排运转系统基本都已采用变频调速装置，除尘器均为高效干湿两级除尘器，现有输煤和除渣系统的状况，都符合秸秆锅炉的运行要求，所以现有供热锅炉只是增加二次风系统、给料口等改造即可，改造量不大。

(2)供热锅炉使用秸秆的关键在于燃料的稳定供应，由于城市内区域锅炉房煤场均很小，不具备大量储存秸秆燃料的条件，只能在城郊区域或者更远的农村设置秸秆燃料收集、制备和集中储运厂。因此燃料的稳定供应和由此带来的高额运输成本决定了秸秆燃料能否在供热行业大面积推广使用。

(3)秸秆燃料的价格决定了供热企业的经济性。秸秆燃料的价格如果远小于燃煤价格，供热企业就有推广使用的积极性，否则供热企业将不会采用这种增大了管理难度的新型燃料。

[1] 白红俊, 王 波.75 t/h秸秆锅炉简介[J].余热锅炉，2007.

[2] 陈连军, 阎维平. 在燃煤电厂利用生物质再燃还原氮氧化物 [J]. 锅炉制造, 2007(4): 33-36.

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