|
黃長華，程永霞
（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）
摘要：目前生物質直接燃燒發電是生物質利用的主流技術之一，鍋爐設計選型是生物質發電廠技術的主要核心，選擇什么樣的爐型，不僅影響著生物質電廠的投資、經濟型，還影響著生物質電廠的使用壽命。對生物質直燃發電廠的幾個爐型比較研究，為生物質直燃發電廠的爐型選擇提出建議，供生物質發電廠設計時參考。
目前生物質發電技術主要有4個種類，分別為直接燃燒發電、混合燃燒發電、熱解氣化發電和沼氣發電。其中由于國家對新能源的扶持政策中不包括混合燃燒發電，因而混合燃燒發電受到抑制；氣化發電過程復雜運行成本高，沼氣發電規模小運行成本也高，因而氣化和沼氣發電沒有形成大規模的發電系統；目前技術比較成熟、市場范圍比較廣的是生物質直燃發電。生物質直燃發電的關鍵技術有：生物質原料的預處理、蒸汽鍋爐的實用性、高效燃燒技術、受熱面腐蝕技術、低氮燃燒技術等。這些關鍵技術中，與鍋爐相關的技術是生物質發電廠技術的核心，選擇什么樣的爐型，不僅影響著生物質電廠的投資、經濟性，還影響著生物質電廠的使用壽命。
本文擬對生物質直燃發電廠的幾個爐型做比較、探討，為生物質直燃發電廠的爐型選擇提出建議，供生物質發電廠設計時參考。
1生物質發電廠鍋爐分類
生物質鍋爐是以生物質能源作為燃料的鍋爐。
從鍋爐出口的介質上分類，分為生物質蒸汽鍋爐、生物質熱水鍋爐、生物質熱風鍋爐、生物質導熱油爐等。生物質發電廠所用的鍋爐屬于生物質蒸汽鍋爐。因此，下面主要研究生物質蒸汽鍋爐。
1.1從形式上分類
適用于生物質直燃燃料的鍋爐主要以下幾種形式：循環流化床爐、鼓泡床爐、水冷振動爐排爐、鏈條往復式爐排爐、聯合爐排爐等。如果燃料顆粒狀較多且質地堅硬時可選擇循環流化床形式。
顆粒狀多質地比較疏松時可選擇鼓泡床形式。燃料需要經過高成本的加工后才能使用時可采用水冷振動爐排的形式。
1.2從燃料種類上分類
可分為黃色秸稈鍋爐、灰色秸稈鍋爐等。
1.3從技術角度分類
可分為國產鍋爐、進口鍋爐等，目前國內應用最多的是國能集團應用的進口丹麥BWE公司技術生產的水冷振動爐排高溫高壓鍋爐，這種鍋爐從運行穩定性上和效率上都明顯優于其它種類的鍋爐，同時經過幾年的技術改造和國產化創新，優勢日趨明顯，但是有些技術難題仍然沒有得到徹底解決，例如高溫腐蝕等，雖然國內較早就開始研究生物質對金屬的腐蝕問題，并在實驗室中得到證實和緩解，但沒有應用到實際當中。
根據目前國內主要生物質燃料的特點，應用最多的是循環流化床爐、水冷振動爐排爐、鏈條往復式爐排爐、聯合爐排爐，因此，本文只針對這四種爐型做比較詳細的探討。
2循環流化床鍋爐特點
2.1鍋爐簡介
循環流化床鍋爐是國內采用自主知識產權和先進的循環流化床燃燒技術而開發的，采用前墻集中給料方式。鍋爐采用汽冷偏心旋風分離器進行氣固分離，采用一次風和二次風兩級配風，一次風從爐膛底部進入爐膛，二次風從前后墻進入爐膛，過熱器系統中設有三級噴水減溫器。
鍋爐本體鋼架由三跨組成，第一跨布置爐膛，第二跨布置高溫絕熱偏心旋風分離器、返料器，第三跨布置尾部煙道。鍋爐整體呈左右對稱布置。
2.2可燃的燃料
該爐型可處理的燃料有：廢木材、鋸木粉、咖啡渣、稻殼、甘蔗渣、農作物秸稈、造紙廠的草槳黑液、糖醛渣、污泥等。設計可滿足燒煤20～40%（其余為生物質），在添加循環物料的情況下，也可100%純燒秸桿。
2.3優點
采用流化床燃燒技術焚燒生物質的優點主要表現在以下幾個方面：燃燒充分完全；污染排放量低；生物質燃料適應性廣；解決了成分復雜多變各種生物質廢棄物的著火、穩燃和燃燒控制的問題；生物質燃料只需簡單破碎即可入爐燃燒，燃料制備費用低；鍋爐負荷調節范圍寬；爐內無活動部件；運行可靠、穩定、維護費用低。
2.4缺點
由于增加流化風機等特殊設備，廠用電要高于層燃鍋爐（水冷振動爐排爐、鏈條往復式爐排爐、聯合爐排爐都屬于層燃鍋爐）；運行過程中需要根據床壓來添加床料，增加了運行成本；流化床鍋爐對入爐燃料顆粒尺寸要求嚴格，需要增加燃料預處理工藝和設備來破碎燃料；循環流化床鍋爐易摻煤燃燒，在電價優惠指標申請上難度相對較大。
2.5國內循環流化床鍋爐的發展
中國節能（宿遷）生物質發電有限公司秸稈直燃發電項目鍋爐是國內第一個具有自主知識產權的生物質CFB鍋爐，此后以武漢凱迪為代表的相關科研機構和各鍋爐廠陸續研發了不同參數一系列CFB鍋爐產品并有部分項目投入運行。生物質CFB鍋爐國產化為我國生物質鍋爐向低成本、規模化、產業化發展奠定了良好的基礎，擺脫了我國在生物質發電依靠引進國外技術的高成本、技術不適應我國生物質燃燒的局面。截至目前已投入運行的生物質電廠中用CFB鍋爐占的比例約30%，設備年利用小時數超過7000h。
3水冷振動爐排爐特點
3.1鍋爐簡介
該鍋爐技術來源是國外丹麥BWE技術，屬于層燃鍋爐。該鍋爐采用水冷振動爐排的燃燒方式，采用“M”型布置。
3.2優點
屬于層燃鍋爐，鍋爐結構簡單、操作方便、投資和運行費用都相對比較低、燃燒穩定、燃燒效率高、負荷調節性大。
3.3缺點
適應性不強、爐排與水冷壁之間密封不嚴、高溫排渣不暢、污染物排放較高、磨損嚴重等。
3.4燃料供應
該爐型為水冷振動爐排，可燃燒稻稈、麥稈、玉米稈、棉花稈等生物質，可以單獨燒上述任何一種秸稈，也可以各種秸稈混燒。但是，秸稈種類的不同，其輸送和破碎系統應分別選擇。根據生產廠家的不同，產品燃料適應范圍和鍋爐性能也不盡相同，這些燃料經加工到一定的尺寸后由輸料機進入爐前料倉，然后由爐前給料機送入爐膛下部燃燒。
3.5燃燒方式
采用爐前強制給料的進料方式。振動爐排由振動機構、風室、支撐件和爐排水冷壁組成，爐排水冷壁由全膜式壁組成，其上開有很多小孔。一次風由爐排水冷壁上的小孔進入爐膛，為燃燒提供所需要的大量氧氣。
燃料由給料機送到爐排前部，在此處逐步預熱、干燥、著火、燃燒。隨著爐排的不斷振動，燃料邊燃燒邊向爐排后部運動，直至燃燼。
3.6水冷振動爐排爐特點
水冷振動爐排有水冷卻，可有效地解決秸稈灰熔點低產生的結焦問題；還可以解決爐排片因為灰少而被燒壞的問題；爐排采用振動結構，可有效解決爐排傳動問題；通過增大爐排有效面積，使其有一定的裕量可避免因腐蝕而降低熱負荷；對燃料水分、熱值的波動有一定的適應能力。
3.7國內振動爐排爐的發展
由龍基電力以引進丹麥BWE和百安納公司技術，自行制造關鍵水冷振動爐排設備，并由濟南鍋爐廠鍋轉化制造的高溫高壓鍋爐本體。目前該產品占據市場主要份額且運轉良好（國能集團投資建設項目均采用此鍋爐）。目前龍基電力已經收購丹麥百安納設計公司和濟南鍋爐廠，全面掌握整個產業鏈。國內部分鍋爐制造廠（如無錫華光鍋爐廠、杭州鍋爐廠、華西能源等）借鑒國外技術或參照“BWE”技術生產制造的水冷振動爐排鍋爐。經過幾年的技術摸索和實踐，目前已基本成熟，可靠性大大提高。目前已建成和在建項目有90%以上是采用引進丹麥BWE技術制造的水冷振動爐排式鍋爐。
采用丹麥BWE技術的振動式爐排鍋爐與常規的燃煤鍋爐有很多的不同：全鋼結構，爐內沒有防火涂料，安裝完畢馬上可以投運；采用振動式爐排；大量采用光電信號進行燃料位置的判斷；上料線設計復雜的消防水系統；單元機組控制方案采用機跟爐方式進行等。
4往復爐排秸稈直燃爐
4.1鍋爐簡介
該爐型燃料適應范圍廣，可燃燒稻稈、麥稈、玉米稈、棉花稈等生物質，可以單獨燒上述任何一種秸稈，也可以各種秸稈混燒。在特定條件下可以摻燒或純燒燃煤。
該爐型為國內某企業在原有往復爐排燃煤鍋爐及垃圾爐技術的基礎上，根據生物質燃料燃燒特性進行相應技術優化形成，燃料適應性和受熱面防腐技術方面比較完善。
4.2優點
層燃鍋爐結構簡單、操作方便、投資和運行費用相對較低。
4.3缺點
適應性不強、爐排與水冷壁之間密封不嚴、高溫排渣不暢、污染物排放較高、磨損嚴重等。
5聯合爐排秸稈直燃鍋爐
5.1鍋爐簡介
該爐型為國內某企業在原有技術的基礎上進行綜合研發的專利產品，融合了以往振動爐排和往復爐排燃煤爐的優點，在原有燃煤鍋爐基礎上充分考慮了爐膛的高度和寬度，并充分考慮了生物質燃料的燃燒特性，具有負荷適應范圍寬、燃料適應范圍廣等特點。
鍋爐自然循環，單鍋筒、集中下降管、膜式水冷壁結構。
燃燒設備采用聯合爐排，預燃段為傾斜往復爐排，材料為特種耐熱鑄鋼，燃燒段為重型爐排，分別具有獨立調節功能，燃燒室兩側水冷壁密封模板采用澆注料密封盒密封形式。
5.2優點
鍋爐結構簡單、操作方便、投資和運行費用相對較低。
5.3缺點
層燃爐燃料適應性不強、爐排與水冷壁之間密封不嚴、高溫排渣不暢、污染物排放較高、鍋爐運行部件容易產生故障、給料口等位置磨損嚴重等。
5.4燃料供應
鍋爐的主要燃料實用范圍廣，可以燃燒玉米秸稈、棉稈、向日葵稈、沙荊、樹木枝條及壓榨為顆粒的燃料，在特定情況下可以摻燒或純燒煤，可以避免生物質燃料短缺時被迫停爐的風險。
燃用條件要求：農作物秸桿水份應≤25%，破碎后粒徑小于150mm。
5.5燃燒方式
燃料從往復爐排上方進入爐膛，在爐膛高溫輻射和一次風的作用下逐步預熱、干燥、著火、燃燒。隨著往復機構的運動，燃料邊燃燒邊逐級向后部移動，直至被鏈條爐排燃燼。
5.6聯合爐排爐國內發展狀況
目前，濟南鍋爐廠吸取國外先進生物質鍋爐技術并具有自主知識產權的聯合爐排燃燒技術已經成熟并成功運用，該技術具有燃料品種適應性廣、燃燒充分、適應高水分燃料、性能穩定可靠等特點。同時聯合爐排廠用電相對較低，約為7%左右，聯合爐排在造價上比流化床鍋爐高，但聯合爐排整體效率偏低，比流化床鍋爐低10%，約為80%左右。
聯合爐排秸稈鍋爐目前投產僅有兩家，一家位于河南新鄉天潔生物質發電有限公司，一家位于長葛市恒光熱電有限責任公司，第一家屬于新建項目，第二家屬于改造項目。尚缺乏相對完善的運行經驗。
6生物質直燃鍋爐運行中的主要問題
1）鍋爐運行不穩定：由于秸稈潮濕、纏繞等原
因造成生物質鍋爐在燃料上料過程中經常出現燃料卡住、堵住、打滑等現象，造成爐前給料系統落料管下料不暢，影響鍋爐運行的穩定性。
2）磨損嚴重：在鍋爐給料過程中，由于部分秸稈灰分含量較高，對鍋爐給料口及爐膛等部位磨損比較嚴重。
3）鍋爐效率降低：生物質鍋爐均由于受熱面積灰、過熱器結渣等問題，需要經常停爐處理，如果不及時處理，隨著運行時間延長會降低生物質鍋爐的傳熱性，鍋爐效率也會隨之降低。
7國產生物鍋爐的參數選擇及參考報價
7.1參數選擇
汽輪機的進汽參數與電站的熱經濟性、安全可靠性和制造成本等有關。從理論上講，機組進汽參數越高，電站的熱經濟性越高，但同時也伴隨著每千瓦造價的提高。因此，蒸汽的初參數將影響電站的投資的運行維護費用。每提高一個等級的參數，機組的效率大概可以提高1～1.5%。
同時，機組參數應與機組的容量相匹配，通常還應考慮其配套輔機的通用性和可選擇的范圍，否則，如果輔機設備都要采用非標設備，不但提高采購成本，而且會使工期延長，從而使整體項目的收益下降，眾所周知作為生物質發電工程，由于有國家政策的扶持，效益是比較可觀的，越早發電效益越好，所以設備的設計制造周期必須是我們選擇機組參數時的一個重要條件。
在國內最近幾年生物質電廠發展過程中，依次出現了中溫中壓、次高溫次高壓、高溫高壓和高溫超高壓機組。
1）中溫中壓機組在早期國內第一批生物質秸稈電廠運用較多，多以12MW抽凝發電機組配75t/h秸稈鍋爐為主，隨著生物質收購價格的提高和生物質電廠相關技術的成熟，目前已經被市場淘汰，現有電廠因為較高的運行成本，虧損嚴重。
2）次高溫次高壓機組目前常見機組規模為2×15MW發電機組配2×75t/h秸稈鍋爐和1×25MW發電機組配1×130t/h秸稈鍋爐，該類機組通常為供熱機組。
3）高溫高壓機組最近幾年憑借較高的經濟性和可靠性逐漸成為當前生物質電廠的首選，尤其在國能生物發電集團新上項目中得到廣泛應用。常見規模為1×30MW純凝發電機組配1×130t/h秸稈鍋爐。高參數機組必定帶來造價的提高，而且高參數導致受熱面的高溫腐蝕，參數越高腐蝕越嚴重，然而，高參數機組的造價高出部分，以及因高參數導致的高溫腐蝕受熱面損失，完全能由高效率多發的電量來彌補。
4）當前凱迪電力生物質能電廠擁有獨家專利的高溫超高壓循環流化床鍋爐在凱迪電力下屬的生物質電廠中得到廣泛應用，同時由其投資運營的國內首臺30MW超高壓高溫生物質發電機組于2012年3月份在湖北鳳縣投入運行，高溫超高壓生物質鍋爐目前為凱迪電力獨家專利，不對外生產、銷售，其他鍋爐廠均未生產。且配套的高溫超高壓汽輪機由西門子獨家生產。
7.2參考報價
由于引進國外成熟技術生產的生物質鍋爐產品在先期技術投資較大等原因，其參考報價相對較高，而自主研發的國產化生物質鍋爐產品在研發和制造等方面的成本相對較低，則體現了明顯的價格優勢。根據同容量產品的價格綜合對比，以建設裝機容量30MW生物質電廠為例，采用國產化鍋爐設備可比國外引進同類型設備減少投資3千萬～6千萬元人民幣。但引進設備擁有成熟的設計和運行經驗，與國產化設備相比具有明顯的技術優勢。
8生物質直燃發電廠鍋爐選型分析
8.1從建設投資方面分析
為了推進我國生物質能的開發利用，盡管國家及相關部門頒布了《可再生能源法》和利用生物質直燃發電的優惠政策，但由于鍋爐價格較高引起的生物質電廠建設初投資過大是目前困擾我國生物質發電產業發展的主要原因之一。因此在爐型確定后，應優先選擇性價比較高的國產化產品。
8.2從鍋爐技術方面分析
在參數選取上，多數國內鍋爐廠家傾向于先從中溫中壓參數起步，待積累運行經驗后再論證提高參數的可行性。鑒于目前國內生物資鍋爐生產廠家主要研發能力放在75T/H中溫中壓秸稈鍋爐上，技術相對成熟，配套產品齊全，建議首選75T/H中溫中壓秸稈鍋爐，優先考慮單位造價低、燃料適應范圍廣、配套產品齊全的廠家產品。
8.3從機組經濟性方面分析
對于發電量相同機組，選擇高溫高壓參數，雖然使得鍋爐島及汽機島部分的主輔機造價將高于中溫中壓參數機組，但高溫高壓參數機組的熱效率比中溫中壓參數機組高6.2%左右，發電標準煤耗低約0.12kg/（kW·h），發電秸桿耗低約0.21kg/（kW·h）；比中溫次高壓參數機組熱效率高2.05%左右，發電標準煤耗低約0.086kg/（kW·h）。因高溫高壓機組與中溫中壓機組和中溫次高壓機組在同比容量下機組經濟性高、占用人員少、占地面積小、基建投資相對少，在秸稈資源較為豐富的情況下建議選擇高溫高壓130T/H秸稈鍋爐。
8.4從鍋爐型式方面分析
上述四種生物質鍋爐型式均能承擔生物質直燃發電的任務，就目前國內生物質在建項目的選型來分析，生產廠家和使用數量最多的是振動爐排秸稈爐，其次是循環流化床秸稈爐。各生物質項目可根據燃料特性、設備可靠性、基建投資等方面，進行全面技術經濟比較后確定鍋爐型式。
8.5從燃料收集方面分析
在歐洲生物質電廠的燃料收集較為容易，因歐洲國家大部分為農場制，如不出現諸如自然災害等意外與農場主簽訂收購合同后燃料來源可以得到充分保證。再者歐洲國家對生物質電廠賦予的職責是消耗秸稈和維持大氣環保，對于生物質電廠給予大量的財政補貼，不考慮電廠的連續運行和盈利問題。
在我國目前狀態下，建設生物質電廠既要考慮環保問題，又要考慮電廠的連續運行和盈利問題，所以在生物質燃料收集方面和歐洲國家面臨截然不同的問題。首先，國內秸稈收集面對的是千家萬戶的農民，秸稈收購是個比較龐大的系統工程，秸稈收購市場的培育需要相當長的時間；其次，秸稈資源受當地農業產業結構調整的影響較大；再次，秸稈燃料季節性很強，應充分考慮電廠連續運行問題。
根據秸稈情況，生物質鍋爐選型宜小不宜大，裝機容量30MW的電廠以選用兩臺75T/H中溫中壓秸稈鍋爐為宜。
9生物質直燃鍋爐爐型比較
9.1應用情況比較
水冷振動爐排爐在國內外均有成熟的長期運行經驗，使用數量最多，市場占有率高，生產、安裝、調試、運營的經驗均較其它爐型豐富。中國第一座生物質發電廠—單縣生物質發電廠即采用源自丹麥的水冷振動爐排爐技術。而循環流化床鍋爐雖然近年開始嘗試用于生物質發電，但基于未解決的技術問題較多、電價優惠指標難申請等因素，還未能廣泛應用。
9.2燃料適應性比較
水冷振動爐排爐，較好的結合了國外先進技術和中國燃料的實際狀況，可以適應多達60多種的農林廢棄物，既可純燒某種燃料，也可摻燒多種燃料。在燃料水分高達40%時亦可穩定燃燒。循環流化床僅適用于燃料粒徑和密度差別不大的燃料，對燃料的要求較為苛刻。
9.3燃料預處理比較
水冷振動爐排爐基本無需燃料預處理系統。而循環流化床燃燒爐對燃料預處理要求較高，對燃料顆粒要求比較嚴格，需要將秸稈進行一系列破碎、篩分等預處理工作，入爐秸稈尺寸一般要求為150～200mm，而且要求盡量均勻，該部分投資費用較高。
9.4磨損情況比較
爐排爐的爐型較大，爐排相對較長，秸稈燃燒過程均發生在爐排表面上，因此磨損較輕；而循環流化床爐的布風板、周圍水冷壁及后面尾部受熱面和爐墻的磨損都相對比較嚴重。
9.5安裝方案比較
水冷振動爐排鍋爐，以德普新源公司的產品為例，省煤器和煙冷器都是模塊化的，三、四級過熱器都是直接跟小集箱焊接在一起的，焊口比較少。水冷振動爐排鍋爐，以德普新源公司的產品為例，安裝方式是底部支撐的，從下往上安裝的。CFB鍋爐是吊裝的，從上往下安裝的，難度較大。
9.6經濟比較
水冷振動爐排爐與循環流化床爐相比，雖然設備初期投資較大，但考慮到燃燒效率高使得單位發電量燃料耗量低、設備運行穩定使得年發電小時數多，設備磨損較流化床輕使得日常維修、部件更換費用低，設備廠用電率低使得同等裝機容量的電廠上網電量多等因素，從鍋爐設備的整個生命周期綜合考慮，水冷振動爐排爐的經濟指標明顯優于循環流化床鍋爐。
10結論
本文比較研究了生物質直燃發電廠的爐型，建議生物質發電廠設計時參考生物質直燃發電廠的鍋爐選型，結論如下：
1）結合我國國情，積極引進、借鑒國外生物質電廠的成功經驗，生物質工程建設以應用國產化鍋爐設備為主。
2）目前國內部分鍋爐設備廠家已基本具備了生物質電廠鍋爐及其配套設備的生產能力，并且在各種秸稈的摻燒方面已優于國外設備，有利于電廠拓寬燃料來源。
3）采用國產化鍋爐設備可比國外同類型設備減少大量投資，可大幅度降低工程單位造價，在設備運輸、安裝及運行維護檢修等方面也有諸多優勢，提高了工程規避投資風險的能力。
4）考慮秸稈收購的季節性及生物質電廠的連續運行等因素，建議裝機容量30MW的電廠宜選用2臺國產75T/H中溫中壓秸稈鍋爐，運行方式較為靈活可靠，但是在秸稈資源較為豐富的情況也可選擇高溫高壓130T/H秸稈鍋爐，最終經過經濟技術比較后確定。
5）優先考慮性價比高、燃料適應范圍廣，設備運輸、售后服務、選購備品備件方便的廠家的產品。
6）根據生物質直燃鍋爐的特點及其各方面的比較，選擇適合工程燃料特性的爐型。 |
