生物质成型燃料锅炉应用及存在问题

张 彦，范振山

(郑州职业技术学院，郑州 450121)

0 引 言

生物质能是植物通过光合作用固定的太阳能，其利用过程中CO2零排放，SO2、NOx排放量较低，具有环境友好性，是一种低碳、清洁、绿色、可运输、可储存的可再生能源[1]；对其进行合理利用既能减少环境污染又能实现CO2减排减轻温室效应。开发利用生物质能可改变我国现有的能源消费结构，减少生物质秸秆露天焚烧和弃置等环境问题，同时对解决“三农”问题，推动农村经济发展，进行生态文明建设具有重要意义。

目前，世界上生物质能利用技术在生物质发电、生物液体燃料、生物质成型燃料和生物质燃气等方面较成熟、可实现规模化开发利用[2]。近年来，我国生物质直燃发电快速发展，2018年全国生物质发电量906亿kW·h，为可再生能源发电量的4.85%。截至2018年底，全国生物质发电装机1 781万kW[3]。但直燃发电仍有燃烧装置沉积结渣和防腐技术需要突破。生物质燃烧技术与气化、发酵等技术相比有效率高、适应性强等优点[4]。朱文[5]采用Fuzzy-VIKOR法和层次分析法两种方法对江苏省秸秆能源化四种利用方案进行评价排序，两种方法得出的一致结论为：秸秆成型燃料利用方案综合评价值最高，其次是秸秆直燃发电、秸秆气化、秸秆燃料乙醇。生物质成型燃料是目前生物质综合利用的最为现实有效的方法之一[6]。

1 生物质成型燃料特性

生物质成型燃料是将生物质废弃物经粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，使木质素软化粘着后在机械压力下压缩制成一定形状、结构紧密的生物质块状或棒状、颗粒的成型燃料[7]，是一种可以替代薪柴、煤炭为生产生活供能的清洁燃料。

我国生物质成型燃料的75%以秸秆为原料[8]。生物质燃料C含量较低，约35.1%～42.6%[9]；S含量仅为0.1%～0.5%，N含量为0.5%～3%[10]；燃烧时NOx、SO2排放量分别为煤的1/5、1/10，CO2净排放量近似为0[11]。挥发分含量一般在60%～70%，远高于煤，比煤更易于点火和燃烧[12]。

2 生物质成型燃料锅炉的应用

我国生物质成型燃料锅炉主要应用于民用炊事、清洁取暖，工业供热、干燥和发电等领域。

2.1 民用炊事、清洁取暖

我国农村地区居民居住分散，炊事、清洁取暖需求因地制宜。目前多家机构根据社会需求研发推广热水炉、热风炉、炊事炉及炊事采暖两用炉等生物质成型燃料燃烧设备，从多方面满足用户炊事、取暖生活需求。有些县乡洗浴中心、饭店等也采用生物质成型燃料锅炉。吉林固得为科技有限公司的5万t秸秆成型燃料项目投产后，推广了2000套农村户用炉具。吉林计划到2020年，采用固得为模式建设10个同类示范项目，推广30万套户用炉具[13]。生物质成型燃料锅炉可用于我国北方地区为居民供热采暖，也适合向非集中供暖、偏远地区和单位灵活供热供暖。

2.2 工业供热、干燥

生物质成型燃料锅炉在工业供热、干燥中也逐渐发挥其环保经济优势，如在粮食、烟叶等农产品烘干中提供清洁热力。武汉光谷蓝焰生物质成型燃料锅炉清洁供热项目33个，其在蒙牛(武汉)园区供热项目中，每吨蒸汽耗资约312元，且排放标准优于天然气锅炉排放水平[14]。

2.3 发电

我国推进生物质直燃发电转向热电联产，稳步发展生物质发电[2]。生物质成型燃料可作为发电厂燃料[7]。

《生物质能发展“十三五”规划》提出积极发展生物质成型燃料供热，计划到2020年将生物质成型燃料年利用量由2015年的800万t提高到3 000万t，这使生物质成型燃料产业面临挑战和机遇。规划要求因地制宜，依据资源和市场条件、结合燃煤锅炉治理和大气污染防治，在京津冀鲁、长三角、珠三角、东北等区域和消费散煤较多农村地区加快推广生物质成型燃料锅炉供热。同时要求加强技术进步和标准体系建设。

3 存在问题及解决方法

一些单位盲目将燃煤锅炉改造燃用生物质成型燃料，造成炉膛设计参数与生物质成型燃料不匹配、排烟损失大、锅炉热效率低，积灰和结渣造成沉积腐蚀，NOx等污染物排放超标等问题[11,15-16]。

3.1 锅炉热效率低问题

要提升生物质成型燃料锅炉燃烧效率与热效率，需要根据生物质成型燃料的特性，设计合理炉膛结构，确定适宜配风方式及参数，使挥发分充分燃烧，减小排烟损失和排烟污染，同时合理解决结渣和沉积腐蚀等问题。

3.2 沉积腐蚀问题

生物质碱金属、氯含量较高，燃烧时易形成沉积腐蚀，硅、硫等元素对沉积形成也起重要作用[16]。刘圣勇等[17]以玉米秸秆成型燃料为实验燃料，研究了燃料结渣的成因及影响因素，认为燃料层温度高于灰的软化温度、管壁表面粗糙造等是结渣的重要原因；随着过量空气系数增大、燃料层厚度增加、炉膛温度上升、燃料粒径增大，结渣率也相应增大。罗娟等[18]用8种典型的生物质颗粒进行实验，表明当生物质颗粒软化温度超过1 389 ℃时，不结渣；软化温度越低越容易结渣；反之越抗结渣。

为防止沉积腐蚀问题的发生，可采用原料预处理去除氯和碱金属，采用煤、石灰石等添加剂与生物质成型燃料混烧，确定适宜的燃烧温度和燃料颗粒密度，受热面喷涂防腐蚀材料及机械方式吹灰、除渣等方法[1,16]。

3.3 NOx的排放问题

为减少生物质成型燃料燃烧产生的NOx排放量，付成果[19]研究了甜高粱茎秆发酵后残渣成型颗粒(发酵过程添加了N源)的燃烧特性和排放规律。赵琳琳等[20]在生物质层燃炉低氮改造时采用低温烟气代替二次风，能使NOx的排放量有效降低，将20 ℃空气改为50 ℃低温烟气时，NOx的排放量为最低值88.15 ppm，减少了43%，NOx排放量总体随低温烟气温度升高而上升。

因此，采用优化锅炉设计，增大炉膛容积，降低过量空气系数及燃烧温度，低温烟气代替二次风等方法，能有效减少NOx的排放。

4 结束语

在“十三五”能源转型升级的重要时期，国家提出了积极发展生物质成型燃料供热的要求，实施了生物质固体成型燃料质量分级标准(NY/T2909—2016)、生物质成型燃料锅炉(NB/T47062—2017)等标准。随着技术的进步和标准体系的健全，生物质成型燃料锅炉的应用领域和范围将逐步扩大，为各类用户提供可再生清洁热力，促进生物质成型燃料产业化发展。