锅炉利用生物质能源的技术应用_技术研究

摘要

摘要：介绍了我国生物质资源的主要类型及处理方式，锅炉利用生物质能源的主要技术。探讨了锅炉利用生物质能源的热解气化技术，对锅炉利用生物质能源的技术经济要求进行了分析。关

摘要：介绍了我国生物质资源的主要类型及处理方式，锅炉利用生物质能源的主要技术。探讨了锅炉利用生物质能源的热解气化技术，对锅炉利用生物质能源的技术经济要求进行了分析。

关键词：锅炉；生物质；热解气化

Technology Application of Biomass Energy to Boiler

SU Haipeng

Abstract：The main types and treatment modes of biomass resources in China as well as the main technology application of biomass energy to boiler are introduced.The pyrolysis and gasification technologies of biomass energy boiler are discussed.The technical and economic requirements of biomass energy boiler are analyzed.

Key words：boiler；biomass；pyrolysis and gasification

采用现代锅炉技术利用生物质能源，近年来得到国内外的广泛关注，国内许多研究机构对这项技术进行了研究^[1～10]。生物质能源具有可再生、低污染、分布广、储量大等优势，我国生物质资源丰富，这为锅炉利用生物质能源提供了燃料保障^[11]。本文对锅炉利用生物质能源的技术应用进行探讨。

1 生物质资源的主要类型及处理方式

1.1 生物质资源的主要类型

① 农林生物质

农林生物质主要包括农业生产中农作物的残余物，如稻草、稻壳、麦秸、玉米秆等，以及树木剪枝、林业采伐及林产品残余物、薪炭林、木屑、树皮、针叶、木块等。我国秸秆资源量已超过7.2×10⁸t，折合标准煤约3.6×10⁸t，其中约1.2×10⁸t用于饲料、造纸、纺织和建材等外，其余6×10⁸t均可作为能源，我国年均薪柴产量约1.27×10⁸t，折合标准煤0.74×10⁸t^[11]。近年来，国外发展了以能源为目的的植树造林活动和种植能源型作物，其中包括轮伐期短的速生林木，这些做法对我国在生物质能源利用方面提供了很好的借鉴。

② 城镇生活和工业垃圾

我国城镇人口众多，产生的生活及工业垃圾量巨大。截至2010年，我国城镇生活垃圾资源总量达到2.3×10⁸t。采用锅炉技术，以城镇生活和工业垃圾及其有机废弃物作为燃料的发电技术^[10]，对降低环境污染、提高垃圾资源利用率具有重要意义。

1.2 处理方式

目前，生物质资源的处理方式主要有生物质气化技术^[12～14]、固化成型技术^[15～18]。国内提出的生物质气化集中供气系统的流程见图1。该技术采用气化的方法将农林生物质转换为可燃气体，气化效率达到了72%～75%，燃气低热值达到5MJ/m³。生物质固化成型技术是将农林生物质粉碎后，通过成型设备加工成颗粒、块、棒、片等形状直接燃烧。固化成型技术的工艺、设备简单，燃料便于储存和长途运输，易于实现产业化大规模生产和应用。这种技术不需特殊的燃烧设备，对现有锅炉设备进行简单改造即可，技术经济性能相对较高。

2 锅炉利用生物质能源的主要技术

现代化锅炉技术利用生物质能源，主要应用于供热、发电项目，不宜直接提供燃料。其中应用较为广泛的是直接燃烧技术、农林生物质的热解气化技术。

① 直接燃烧技术

直接燃烧技术路线见图2。直接燃烧技术的应用主要集中在锅炉垃圾焚烧、固化燃料燃烧。垃圾焚烧是将生活和工业垃圾经过分类处理后，应用锅炉设备或其他特殊的垃圾焚烧设备进行处理，燃烧产生的能量可用于集中供热和发电。燃烧方法主要有炉床燃烧、炉排燃烧、回转窑炉燃烧、多级炉燃烧、流化床燃烧。无论采用何种燃烧方式，烟气中都含有硫氧化物、氯化氢、粉尘及焦油等，从而产生受热面腐蚀及粉尘、焦油附着问题，因此受热面的选材和温度控制就显得尤为重要。

固化燃料燃烧是把生物质固化成型后，采用锅炉设备进行直接燃烧。直接燃烧生物质的热效率仅为10%～30%，而将生物质制成颗粒后经燃烧器燃烧，热效率可达到87%～89%。这种方法主要优点是采用的燃烧设备是传统的定型产品，比较适合对原有燃烧设备进行节能改造时，在不重复投资前提下，以生物质燃料代替煤，实现节能和提高环保性。

② 热解气化技术

热解气化技术是将农林生物质在缺氧或微氧状态下通过高温化学反应，将其分解成可燃气体，作为锅炉设备的燃料，实现能量的转换。目前热解气化技术主要用于发电。某秸秆发电厂锅炉与热解气化装置结构见图3^[19^～20]。这种热解气化装置在结构上类似往复炉排，秸秆在热解气化装置内转化为可燃气体，燃气从锅炉底部进入燃烧室进行燃烧。作为热化学转化的一种工艺方法，热解气化技术利用热解气化装置将农林生物质经过转化产生的燃气直接供给锅炉设备燃烧。以热化学为基础的热解气化技术，强化了生物质的能量密度和能量强度，提高了其利用品位。

3 热解气化反应及农林生物质特性

3.1 热解气化反应

农林生物质由碳、氢、氧等元素组成，并含有一定量的水分，其热解气化是在热解装置内完成的。在热解装置内，随着温度的升高，产生的气体通过还原区，反应生成含C0、H₂、CH₄等组分的可燃气体。整个反应过程比较复杂，而且随着热解装置的类型、工艺流程、反应条件、催化剂的种类、生物质原料的性质和粉碎等级的不同，反应过程也不相同。

3.2 农林生物质特性

① 农林生物质热解气化反应过程中，近75%的纤维素和半纤维素分解形成挥发分。纤维素分解后的热解气化物含量丰富，主要成分有焦油、木酸、烷类等重分子及其他可燃气体，重分子物质在热态下以气态形式存在。在一定条件下，重分子裂解燃烧可释放出能量，在高于600℃时，则发生再裂解反应，产生部分可燃气体。在这部分可燃气体中焦油、木酸含量下降。热解气化物燃烧释放的热量使燃烧温度高达1500℃，在特殊燃烧条件下可达1700℃，而农林生物质直接燃烧温度仅为600～700℃。

② 农林生物质中的灰分随生物质的种类、产地的不同而不同，并受种植条件的影响。热解气化物中，都含有硫氧化物、氯化氢、焦油及碳等，因此在燃烧前需要进行净化处理。燃烧过程中产生的粉尘虽然较少，但在烟气排入大气之前还是要进行除尘处理。由于燃烧过程中还存在锅炉受热面的腐蚀及粉尘、焦油附着问题，因此受热面的选材、温度控制及有效地除灰就尤为重要。

4 技术经济要求

① 锅炉利用生物质能源的技术要求和造价较高。从能量利用的角度出发，适合大规模应用，且适用于供热、发电，不宜直接提供燃料。在生物质资源的选择上需要进行技术经济比较，选择那些发热量较高的生物质作为能量转化对象。

② 生物质资源供应的组织和储备工作是应用中最为重要的环节之一，是保证锅炉设备持续经济运行的基础。由于生物质资源的季节性比较强，因此生物质能源应用工程应保证较为充足的原料供应。

③ 生物质资源应就地利用，以减少原料的能量衰减和运输费用。生物质原料的发热量较低，密度相对较小，在运输同样热量燃料的情况下，生物质原料需要花费的运输费用要比其他燃料高出许多。

④ 合理确定生物质原料的储存时间，避免原料能量的衰减。农林生物质越冬长期存放，生物质中的低碳聚合物自然挥发逸出，易导致能量衰减。

⑤ 对农林生物质热解气化过程中产生的残余物进行有效处理，避免造成环境污染。虽然生物质能源属于洁净环保能源，但热解气化产生的黑液易溶于水，很难分离，而且热解气化物燃烧产物中含有硫氧化物、氯化氢、粉尘、焦油等物质。

5 结语

锅炉利用生物质能源作为生物质利用的主要途径之一，在能量转化技术中，生物质能量密度和能量强度的提高是需要关注的重要目标。工程项目应该具有相当的规模，有足够的生物质原料供应，能够保证设备持续、可靠地运行。相关设备在运行过程中应该具有实用性、可操作性、可靠性，环保性必须要引起足够的重视。

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(本文作者：苏海鹏华油惠博普科技股份有限公司北京 100120)