国内生物质电厂发电技术及设备发展前景

毕涛

摘要：近年来，我国的能源消耗越来越大，因此生物质能领域的发展也越来越完善。在当今社会，生物质能作为一种新型能源的显著优越性在能源可持续性方面获得了广泛关注。它不仅拥有显著农业增值能源需求，也能够实现环保材料的再生和重复利用。

关键词：国内生物质；电厂发电技术；设备发展前景

引言

生物质（Biomass）是指能够利用光合作用把CO2和H2O转化为葡萄糖从而实现光能的储存，自身又能将葡萄糖聚合为纤维素、半纤维素、木质素和淀粉等构成植物本身的基础物质的有机化合物，即一切能够利用绿色植物光合作用所形成的有机化合物，包括除化石燃料外的微生物及其排泄与代谢物和植物等。生物质能是唯一可转化成多种能源产品的新能源，发展潜力大，当前正处在技术提升、产业培育的关键期。

1生物质燃料燃烧特性

生物质燃料分为软质燃料（俗称黄杆）和硬质燃料（俗称灰杆）两种。软质燃料主要以小麦、玉米、水稻等秸秆为主，硬质燃料主要以模板、树皮、板皮、园林枝条等为主。

生物质燃料的燃烧大体上分为三个阶段：分别是干燥预热、挥发分析出、燃烧以及固定碳的燃烧三个阶段。

第一阶段干燥预热期

此阶段主要是生物质燃料内水和外水的蒸发。在生物质燃料燃烧过程中，首先水分最先蒸发，水分蒸发所需的时间的长短受生物质燃料周围温度及尺寸大小的影响，当生物质燃料温度达到150℃左右时，水分蒸发基本上就已经完成。

第二阶段挥发分析出及燃烧阶段

随着生物燃料持续被加热，温度逐渐升高，当达到一定温度时生物质燃料便开始析出挥发分，挥发分的主要成分为CO、碳氢化合物等可燃性气体。

第三阶段固定碳燃烧阶段

固定碳的燃烧是生物质燃料燃烧的最后阶段，为典型的气固反应。固定碳燃烧的后期过程也成为生物质燃料的燃尽阶段，是一个燃烧温度场逐渐减弱的过程。

2生物质能发电技术概述

生物质发电是以农林剩余物、生活垃圾为燃料，经过锅炉燃烧产生蒸汽驱动汽轮机做功，带动发电机发电。生物质发电的主要企业有国网国能、光大国际、皖能、韶能等。

2.1制备生物柴油

关于生物柴油：具体而言，是动物和植物油或者其他已经利用过或作废的油，通过一定的加工手段，加工生产出一种叫作脂肪酸甲酯的物质。生物柴油可以是生物添加剂，燃料和柴油燃料。它有许多好处，例如，矿物柴油对环境会造成较大的污染，相比之下生物柴油对环境的影响微乎其微，它常常可以代替作为燃料来使用。此外，他的硫元素的含量很低，也不会对环境产生较大的影响。最后，这种原料在加工过程中通过各种手段会得到比较大的增值效果，并且这种材料在生产过程中比较精细，易于生物降解。在生物柴油的生产中，有两个主要步骤：一个是酯化的，即通过甲醇和脂肪酸生成脂肪酸酯，另一种是酯交换反应，即用丙烷酯甲醇和油形成脂肪酸。

2.2生物质热解气化发电

生物质气化指的是生物质燃料在高温下部分氧化的转化过程。生物质热解是在热作用下生物质中有机物质发生的分解反应。在高温下，构成生物质的 大分子有机化合物化学键断开，裂解成为较小分子的挥发物质，从固体中释放出来。热解开始温度为２００～２５０℃，随着温度升高，更多的挥发物质释放出来，而挥发物质也被进一步裂解，最后残留下由碳和灰分组成的固体物质。挥发物质中含有常温下不可凝结的简单气 体，如Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４等，也含有常温下凝结为液体的物质，如水、酸、烃类化合物 和含氧化合物等。因此生物质热解同时得到固体、气体和液体三种形态的产物，三种产物的得率取决于温度、加热速率等工艺参数。

通过直接燃烧获取热能，是生物质燃气主要应用方式之一。生物质气化制气当用作锅炉燃料时，可生产蒸汽，蒸汽用于发电和区域供热；当用作工业炉窑燃料时，提供工艺所需热量或温度；当用作民用燃料时，典型实例是秸秆气化集中供气系统。

2.3生物质燃料直燃发电

生物质燃料直燃发电顾名思义就是指将生物质燃料直接点燃，通过燃料的完全燃烧产生热量，产生的热量再通过锅炉受热面吸热产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽推动汽轮机做功，汽轮机带动发电机进行发电的技术。

现阶段，从生物质燃料燃烧方式来区分的话，现有直燃技术可以分为两种：一种是水冷振动炉排炉，一种是循环流化床炉。

3生物质发电技术的主要工艺设备

3.1水冷振动炉排炉

水冷振动炉排炉在国内外均有成熟的长期运行经验，使用数量最多，市场占有率高，生产、安装、调试、运营的经验均较其他炉型丰富。中国第一座生物质发电厂——国能单县生物发电有限公司的锅炉即采用北京德普生态技术有限公司源自丹麦的水冷振动炉排技术。锅炉为高温、高压参数自然循环炉，单锅筒、单炉膛、平衡通风、室外布置、固态排渣、全钢构架、底部支撑结构型锅炉。锅炉采用“M”型布置，炉膛和过热器通道采用全封闭的膜式壁结构，很好的保证了锅炉的密封性能,漏风量极少。过热蒸汽采用四级加热，三级喷水减温方式，使过热蒸汽温度有很大的调节裕量，以保证锅炉蒸汽参数。尾部竖井内布置有两级省煤器、五级烟气冷却器。空气预热器布置在烟道以外，采用给水加热的方式，有效的避免了尾部烟道的低温腐蚀。

同时，水冷振动炉排炉适合软质燃料与硬质燃料的偏烧，最多能够适应60多种农林废弃物的燃烧，即可烧单一燃料也可以掺烧多种燃料，即使燃料水分高达40%亦可稳定燃烧。同时针对不同的燃料可以调整炉排的振动时间间隔、振动时间以及振动频率，可以调整燃料在炉排上的行进速度，控制燃料在炉膛的燃烧时间，对于燃料的适应性很广。

虽然现在水冷振动炉排炉存在高温腐蚀、受热面磨损等问题，但是可以通过受热面的喷涂、熔敷等手段能够很好的预防，再考虑到国内生物质燃料的复杂性及多样性，生物质锅炉的年小时连续运行小时数，日常维护检修等，水冷振动炉排应该为现有生物质直燃技术里面最佳的。

3.2循环流化床（CFB）炉

循环流化床炉是国内采用自主知识产权并参考燃煤流化床的燃烧技术而开发的，一般采用前墙给料的进料方式。采用一次风和二次风两级配风，一次风从炉膛底部通过风帽进入炉膛，二次风从前后墙进入炉膛，通过旋风分离器对烟气进行气固分离，分理处的固体未完全燃烧的小颗粒通过返料器再次送入炉膛参与燃烧，尾部布置省煤器、空预器。

生物质燃料在循环流化床炉中燃尽率比较高，同时由于循环流化床炉炉温控制一般为800-850℃，相对于水冷振动炉排炉的炉膛温度低很多，因此氮氧化物等环保排放指标的初始排放值很低，一般不超过200mg/m3，通过SNCR系统脱硝以后容易满足环保排放要求。但是循环流化床对生物质燃料的种类及尺寸大小有要求，燃料进入炉膛前一般都需要进行燃料的预处理，且同时需要加入其它维持床温的床料。循环流化床最大的问题是容易结焦，而结焦后无法在线处理，只能停机除焦，这就导致循环流化床炉年运行小时数偏低，同时炉膛排渣不畅也是循环流化床炉比较大的问题，因此，现有投产的循环流化床炉相对于水冷振动炉排炉的数量还是偏少的。因此对于现在需要靠发电量及年持续运行小时数才能够盈利的生物质直燃发电厂来说，循环流化床并不是一个很好的选择。

结语

总之，目前，我国生物质能利用以发电为主，但是由于原材料采购环节的不可控，生物质燃料的质量普遍偏差，生物质发电企业出现大面积亏损。通过分析可知，“生物质热电联产”是生物质能利用的必然趋势。生物质利用发展方向是在原有原料区发展生物质热电联产之外，因地制宜推进生物质成型燃料、垃圾治理、生物制气的发展，最终实现《生物质能发展“十三五”规划》的目标。

参考文献

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