生物质燃料转化使用技术的现状、开展与锅炉行业的选择

介绍了生物质成型、生物质气化、生物质液化及热解多联产等几种常见的生物质转化技能。剖析了生物质燃料在锅炉职业中的运用现状及存在的首要问题,并指出锅炉职业未来应安身生物质燃料的展开,并朝着质料绿色化、出产清洁化和产品智能化的方向展开。


导言


工业锅炉是重要的热能动力设备,在国民经济展开及人民生活中起着不可或缺的效果。当时我国工业锅炉以燃煤为主,年耗煤量约占全国煤炭消耗总量的1/5,污染物排放总量仅次于电站锅炉。


跟着国家对环保要求的日益严厉,污染物排放严峻的中小型燃煤锅炉在我国将逐步淘汰,被天然气、电力或生物质等新动力为燃料的高效节能环保型锅炉所代替。


作为一个农业大国,我国生物质资源丰富,动力化运用潜力巨大。全国可作为动力运用的农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物和动力作物、生活垃圾与有机废弃物等生物质资源总量每年约4.6亿吨规范煤。生物质作为一种含碳、固体形态的可再生动力,其热转化运用技能、设备与煤炭具有相似性,且生物质氮、硫含量低,污染物排放要远低于燃煤。因而,大力展开生物质燃料锅炉将有助于缓解燃煤带来的环境污染问题。


我国政府向来重视生物质能的开发运用,并将其作为动力范畴的一个重要方面,纳入了国家动力展开战略。国家发改委、国家动力局印发的《关于促进生物质能供热展开的辅导意见》中指出:到2035年,生物质热电联产装机容量超越2500万千瓦,生物质成型燃料年运用量约5000万吨,生物质燃气年运用量约250亿立方米,生物质能供热合计折合供暖面积约20亿平方米,年直接代替燃煤约6000万吨。锅炉是生物质燃料运用的首要设备,也是我国节能减排的主战场,锅炉职业有必要紧跟新时代要求,加速完成质料绿色化、出产清洁化和产品智能化。


1.生物质燃料转化技能现状


生物质资源来历广泛,理化特性各具特色,转化技能也多种多样,包含物理办法、热化学办法和生物化学办法等,可得到的产品包含:成型燃料、生物燃气、生物油、生物炭、沼气、燃料乙醇、生物柴油等。下面首要介绍几种与锅炉相关的生物质燃料转化技能。


1.1生物质成型技能


与传统化石动力比较,生物质具有资源涣散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺陷,构成运输本钱较高,严峻约束了生物质能的大规划运用。生物质紧缩成型技能是生物质能的一种简略、实用、高效的运用办法,能够大大进步生物质能量密度,便于储存和运输,为高效运用农林废弃物供给了一条新的途径。生物质在揉捏成型后,密度可达0.8~1.3kg/m3,能量密度与中热值煤相当,十分适宜作为锅炉的燃料。


生物质固化成型技能首要分为辊模揉捏式成型(包含环办法和平办法)、活塞冲压式成型(包含机械式、液压式)和螺旋揉捏式成型等几种首要型式,作业原理别离如图1、图2和图3所示。其间的辊模揉捏式成型能够完成天然含水率生物质不必任何添加剂、粘结剂的常温紧缩成型,出产率较高,是规划化、产业化展开的要点。国外辊模揉捏式成型机设备制作比较规范,自动化程度高,出产技能已根本老练,要害部件寿数到达1000h以上,出产率到达2t/h以上,已完成规划化商品出产。但是,这些成型设备是以木屑等林业剩余物为首要质料,且设备价格高,并不适宜我国以秸秆为质料的国情。


近年来,因为国家对秸秆动力化作业的高度重视及相关方针的支持,我国生物质固体成型燃料技能取得明显的进展,生物质成型技能及成型压制设备也逐步老练,成型机械的能耗、要害部件运用寿数到达了大规划出产的要求。2016年建造农作物秸秆固化成型工程合计1300多处,成型燃料年产量达653万吨;林业三剩物固体成型燃料年产量约250万吨,总计900万吨左右。此外,农业部和地方政府陆续发布了《生物质固体成型燃料技能条件》、《生物质固体成型燃料质量分级》、《生物质成型燃料锅炉》、《生物质成型燃料锅炉大气污染物排放规范》等相关规范,为生物质成型燃料锅炉专业化、规划化和产业化展开打下了较好的根底。


 


 


 


1.2生物质气化技能


生物质气化是运用空气中的氧或其它含氧物作气化剂,在高温条件下将生物质燃料中的可燃物转化为可燃气(首要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学进程。生物质质料蒸发分高达70%以上,受热后在相对较低的温度下就可使大量的蒸发分物质分出,因而,气化技能十分适用于生物质质料的转化。生物质气化得到的燃气既可作为清洁燃料,又可作为费托组成液体燃料的质料,在电力供应、热能出产、化工组成、金属锻炼等范畴均有广泛运用,因而气化技能是现在国内外竞相开发的重要生物质能技能。


依据所运用气化剂的不同,生物质气化可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等。出于本钱考虑,一般选用空气气化,但所发生的燃气热值较低,一般在5~6MJ/m3。气化炉是生物质气化技能的中心设备,按设备运转办法,生物质气化炉可分为固定床、流化床和气流床。其间固定床和流化床是比较常见的两种气化炉型式。固定床气化炉分为下吸式和上吸式(如图4),流化床气化炉分为鼓泡流化床和循环流化床(如图5)。不同气化设备的技能比照如表1所示。通常,固定床气化炉结构简略,操作方便,适宜较小规划和对燃气品质要求不高的场合,如户用或乡村集中供气;而流化床特别是循环流化床气化炉适宜大规划接连出产,如发电或制组成气。


我国生物质气化技能研讨始于20世纪80年代初期,现在已研发出可用于户用、集中供气和发电的各种类型气化设备,拥有老练的燃气锅炉供热、内燃机发电等技能。其间,气化集中供气已在山东、辽宁、吉林、安徽等十几个省市推行,MW级气化发电技能设备完成了出口,生物质气化组成液体燃料技能也已完成了千吨级的演示。


 


 


 


1.3生物质液化技能


20世纪70年代迸发石油危机后,能够直接从生物质得到液体燃料的生物质热解液化技能迅速展开。生物质热解液化是指在中温(500℃左右)和缺氧条件下使生物质快速受热分化,热解气体再经快速冷凝得到以液体产品(生物油)为主的热化学转化进程。在适宜的条件下,生物油的最高产率能够到达70%以上。


国外在生物质热解液化研讨方面起步较早,所开发的鼓泡流化床、循环流化床、旋转锥和真空反响器等技能均完成了较大规划的运用。其间流化床热解设备的最大处理量到达200吨/天,所出产的生物油用于热电联产。我国从1995年开端展开该技能,现在已有多家单位研发热解液化技能,但大多停留在实验室阶段。其间,中国科学技能大学建立了年产10000吨生物油的生物质热解制备生物油运用演示工程,华中科技大学开发了移动式生物质液化技能,可有用解决生物质资源低本钱搜集和高值化运用问题。


 


表2给出了生物油与重油根本特性比照。生物油热值(LHV)为13~18MJ/kg,约为重油的一半,能够作为锅炉、柴油发动机和燃气轮机的燃料,比直接焚烧生物质要高效、清洁。但一起生物油中的氧含量较高,还含有15%~30%的水,所以生物油往往表现出强酸性、高粘度、低热值和品质不安稳等特性,使生物油的推行运用受到了很大的约束。除用作燃料外,生物油还可作为大规划气化、制氢的质料及用于提炼高附加值的化学品。此外,生物油中的羧酸含量一般在15%左右,首要是乙酸、甲酸和丙酸,还含有少量的苯甲酸,是制备有机酸钙盐的适宜廉价质料。华中科技大学运用生物油和钙基吸附剂制备出富含有机酸的“富钙生物油”,可作为有机酸钙盐的代替品,用于炉内氮硫污染物的联合脱除,图6为不同温度下富钙生物油对SO2及NOx的联合脱除功率,其最大脱硫功率超越90%,脱硝功率约60%。


 


1.4生物质热解多联产技能


生物质热解多联产技能,是一种立异的生物质热解目标产品调控新思路,选用焦炭复合活化、热解油催化调质与分组富集、热解气净化与品质提高等技能完成对目标产品的精确调控和高效提质,一起完成炭、气、油的高效、高值化多联产,以及气、电、热多联供,该技能工艺流程如图7。以秸秆为例,炭产率≥35%,热值≥20MJ/kg;热解气产率约25%,热值≥12MJ/m3;生物油产率≥30%,富含糠醛、苯酚等物质。其间,品质优秀的炭可作为燃料炭、生物炭和活性炭;中高热值的燃气用于集中供气、发电,余热用于供热;富含有机成分的液体产品能够作为化工质料,然后完成了低品位的生物质资源向高附加值的动力和化工产品的转化和运用。与现有技能比较,该技能出产强度进步4倍以上,能耗下降50%。


 


现在已在湖北鄂州、天门、孝感、赤壁等地建造20多处生物质热解多联产技能演示点,每个演示点的供气规划1000~6000户,经济与社会效益明显。因其先进性和优异的环保功能,该技能取得2014年联合国工业展开组织颁布的“全球可再生动力范畴最具投资价值的领先技能蓝天奖”。一起“一种接连式生物质热解炭气油多联产体系”取得第十七届中国专利奖优秀奖。该技能现作为国家“绿色动力演示县”以及“新动力演示城市”等建造的主推技能之一,将很快在全国多地推行运用。


因而,经过几十年的展开,各种生物质燃料转化运用技能已比较老练,已根本满意工业锅炉燃料供给的需求。现在各项技能推行运用的首要妨碍是技能的经济性和商场竞争力不足。依据生物质质料自身特色,有必要改变单一产品为主的转化运用办法,活跃寻求运用价值最大化的转化技能,综合化、高热值、多联产的资源化运用应是生物质燃料转化技能的展开方向。


2.生物质燃料锅炉技能现状及存在的问题


近年来,我国的生物质焚烧技能有了很大的展开,研发了一批具有自主知识产权的生物质焚烧技能及设备。但从全体来看,我国生物质燃料锅炉体系规划理念、技能还不行先进,在运转、办理、污染物操控等方面还存在许多问题。


生物质燃料在锅炉中运用的首要办法包含:生物质固体燃料焚烧,生物燃气焚烧及生物油焚烧。下面别离论述生物质燃料锅炉技能现状及存在的问题。


2.1生物质固体燃料焚烧


依照焚烧办法的不同,生物质固体燃料焚烧技能可分为层燃技能、流化床焚烧技能及悬浮焚烧技能。层燃技能首要包含链条炉、往复炉排炉及振动炉排炉,适用于焚烧含水率较高、颗粒尺寸改变较大的生物质燃料,具有较低的投资和操作本钱。国外生物质层燃技能的展开已比较老练,其间具有代表性的产品有丹麦的“雪茄型”捆烧炉[9]及比利时的温克生物质炉。我国也有许多研讨单位开发出了各种类型的生物质层燃炉,并针对所运用质料的焚烧特性对炉膛结构进行优化,包含双焚烧室结构、闭式炉膛结构及其他结构。流化床焚烧技能具有燃料适应性广、焚烧温度低、有害气体排放少、负荷调理规模大等一系列的长处,很适宜焚烧水分大、热值低的生物质燃料。现在,国外选用流化床焚烧技能开发运用生物质能已具有相当的规划。美国GE公司及爱达荷动力公司别离研发出100t/h的大型燃废木循环流化床发电锅炉及50t/h的蒸汽锅炉。


我国自20世纪80年代末开端,对生物质流化床焚烧技能也进行了深化的研讨。国内各研讨单位与锅炉厂协作,联合开发了各种类型的生物质流化床锅炉,投入运转后效果杰出,还有大量产品出口到了国外,这对我国生物质能的运用起到了很大的推进效果。例如华中科技大学依据稻壳的物理、化学性质和焚烧特性,规划了以流化床焚烧办法为主,辅之以悬浮焚烧和固定床焚烧的组合焚烧式流化床锅炉。实验研讨证明,该锅炉具有流化功能杰出、焚烧安稳、不易结焦等长处,已取得国家专利。此外华中科技大学还研讨开发了生物质与煤流化床混烧技能,并为广西某糖厂研发了一台35t/h蔗渣与煤混烧循环流化床锅炉,如图8所示。悬浮焚烧技能首要适用于焚烧粉体生物质燃料,焚烧强度及温度较高,可到达较高的焚烧功率,一起可完成负荷快速改变和高效操控。但因为焚烧温度较高,其NOx排放操控需求特别关注。焚烧器是确保生物质粉体高效低NOx焚烧的要害,因为生物质与煤焚烧特性存在巨大差异,常规的煤粉焚烧器并不适用,因而需求从生物质本身的焚烧特性出发,规划专用的生物质焚烧器,图9为针对生物质粉体燃料研发规划的低NOx焚烧器结构示意图。


 


 


近30年来,虽然我国在生物质固体燃料焚烧运用技能方面取得了长足的进步,但是与发达国家比较,仍有很大距离。现在国内生物质锅炉规划多为套用燃煤锅炉,并未依据生物质燃料特性进行相应的锅炉结构和配风规划。因而在锅炉焚烧功率及污染物排放操控方面与国外先进水平有必定距离,无法满意差异化商场需求。


就给料体系而言,我国没有构成完善的生物质燃料商场供应体系,送入锅炉的生物质燃料种类繁杂,特性各异,因而生物质锅炉给料体系的自动化程度不高。一起因为生物质含水量较高,简略构成给料体系阻塞卡死。运用烟气余热对入炉燃料进行枯燥将有助于改进生物质燃料的输送特性,一起还有利于下降排烟损失,进步锅炉功率。别的,生物质燃料蒸发分含量高,且易于着火,运转进程中极易呈现回燃现象,为确保锅炉设备安全运转,关于层燃炉需求在进料口加装隔板,一起调整配风;而关于流化床宜选用两级进料的办法,并加大送料风。


关于煤改生物质的工业锅炉,往往会导致锅炉结构与生物质燃料特性不匹配,燃尽困难,焚烧功率低,因而需求对炉膛结构进行针对性改造。详细改造办法为:进步前拱视点,下降后拱高度、缩短后拱长度,一起选用分级配风,进步炉膛有用空间,确保蒸发分的充分焚烧,从而进步焚烧功率。


此外,生物质中的碱金属还会引起锅炉受热面的积灰、结渣和腐蚀,直接构成锅炉寿数和热功率的下降;一起碱金属还易引起床料的聚团、结渣损坏正常流化,使焚烧工况恶化。在生物质焚烧运用进程中,经过下降燃料中碱金属含量的份额(与煤混烧或恰当预处理手法),设法进步燃料灰分的熔点(参加添加剂),抑制碱金属的蒸发性,以及在确保锅炉正常运转的情况下,经过调理一二次风配比或选用烟气再循环恰当下降焚烧温度,是防止生物质锅炉积灰、结渣和腐蚀问题的有用途径。别的关于流化床锅炉,选用适宜的床料(富含抑制聚团烧结元素,如Fe、Al等),及时排出大渣,确保均匀流化也是一种有用减轻结渣的办法。生物质燃料与煤的另一个明显不同在于生物质中的氯含量较高,氯在生物质焚烧进程中的蒸发及其与锅炉受热面的反响会引起锅炉的腐蚀。针对氯腐蚀问题,首要的防制办法有:合理调整焚烧工况、选用耐腐蚀的受热面资料、参加适量的吸收剂脱氯及加强吹灰等。


2.2生物燃气焚烧


生物燃气焚烧首要是指生物质质料或生物质成型燃料首要经过气化炉发生可燃气,然后再将可燃气送入锅炉进行焚烧。该技能焚烧功率高,且易完成清洁焚烧。焚烧产品经除尘、脱硫后可到达烟尘小于20mg/m3,NOx小于200mg/m3(O2=3.5%),SO2小于50mg/m3,到达天然气焚烧排放规范,因而,生物燃气焚烧技能备受发达地区青睐。国外生物燃气焚烧技能首要运用于水泥窑、石灰窑及热电联产,部分技能已完成商业化,构成规划化产业经营,而现在国内生物质气化技能的产业化运用首要以气化发电和乡村供气为主,气化燃气工业锅炉运用才刚刚起步,实践运转项目较少。


现在约束生物燃气焚烧技能展开的首要问题在于燃气热值偏低,且焦油含量高。一方面,国内没有有专门针对低热值生物质燃气开发的焚烧设备,大多由天然气锅炉改造而成,焚烧安稳性及焚烧功率都无法确保,因而需开发专用的低热值生物质燃气焚烧器,一起还需对锅炉结构进行从头规划,进步焚烧功率和体系的安稳性。另一方面,生物质燃气中的焦油会与水、灰结合在一起,沉积在气化设备、管道、阀门和下游设备,构成设备阻塞及磨损,一起也导致燃气净化体系复杂且运转本钱高昂。图10为两种常见的生物质燃气运用技能道路图,即“冷燃气”道路与“热燃气”道路。在条件允许的情况下,主张选用“热燃气”道路,即生物质质料经过气化炉气化后,经过高温风机将高温燃气直接送入锅炉焚烧,进程中确保燃气温度大于200℃,防止焦油冷凝,尽可能削减焦油对设备的影响。


 


2.3生物油焚烧


生物油是生物质经过快速热解后得到的首要产品,其能量密度是生物质质料的8~10倍,可代替重油用于锅炉焚烧设备。国内外已有许多研讨机构对生物油在锅炉和窑炉中的焚烧特性及污染物操控展开研讨,经过多年的展开,生物油的锅炉焚烧技能现已比较老练,并且已在工业上有小规划运用。


芬兰NesteOy公司运用改造后的2.5MWDam-stoker锅炉,完成了生物油的安稳焚烧,尾气中CO和NOx的排放量别离为0.003%和0.014%。芬兰国家技能研讨中心VTT在改造后的8MW工业炉上进行生物油焚烧实验,发现排放产品中除微粒外,其余污染物排放量均低于重油。此外,生物油与化石燃料共燃也是一种比较适宜的生物油运用办法,美国RedArrow公司、荷兰BTG公司别离在20MW燃煤锅炉及251MW天然气电站中成功完成了生物油与煤、燃气的共燃,结果表明生物油与化石燃料共燃对锅炉设备没有任何有害影响,还能够削减污染物的排放。


生物油在锅炉焚烧的要害技能是焚烧。生物油水分含量高,热值低,在焚烧期间,水分的蒸发会吸收大量的热量,导致生物油着火困难,且焚烧初期火焰安稳性差。一起在焚烧初期,炉膛温度较低,火焰散热损失严峻,简略熄灭。为确保生物油的成功焚烧,最有用的办法是采取炉膛预热或运用辅助焚烧源。其次进步雾化质量也有利于生物油的焚烧,推荐选用空气或蒸汽雾化,典型的空气雾化喷枪结构如图11所示。其次,焚烧期间,在确保雾化质量的前提下,下降喷雾速度,可防止火焰被吹熄,有利于火焰安稳。最后,选用旋流雾化喷嘴能够在炉膛内构成高温回流区,着火能更安稳。除焚烧问题以外,生物油雾化焚烧还需求注意下面的一些问题:生物油中一般含有一些杂质,其间较大的颗粒可能会阻塞喷嘴,因而含固体颗粒较多的生物油有必要过滤后运用;生物油安稳性较差,受热后简略变性结焦,然后阻塞雾化喷嘴,因而需求用空气冷却喷嘴,并在启停阶段用酒精等燃料清洗油路。


 


3.锅炉职业的挑选


当时,在“限煤”的大环境下,锅炉职业面临着转型晋级的挑选。跟着我国经济由高速增加阶段转向高质量展开阶段,国家动力和环保方针逐步调整到位,锅炉职业也根本清晰质料绿色化、出产清洁化和产品智能化的展开方向。


3.1质料绿色化


未来动力增加将首要来自于可再生动力,关于锅炉职业来说,有必要安身生物质燃料,从吃黑色质料转向吃绿色质料。生物质燃料种类众多,包含不同来历以及不同转化技能得到的,燃料特性千差万别,对锅炉来说是不小的应战,但也是一个有必要要解决的问题。


锅炉职业应充分认识生物质燃料特性对锅炉完成高效清洁安全焚烧的影响,运用现有设备展开各种燃料(固体燃料或气体燃料)及焚烧办法(纯燃或混燃)下的功能测验,积累相关工业数据;应活跃主动参加生物质燃料技能的研发,参加相关燃料规范的制定。例如,针对生物质焚烧进程中杰出的沾污、腐蚀问题,经过燃料添加剂是能够大大缓解的,这就需求对现有的成型燃料规范进行修订。别的,还应加速研发生物质燃料专用锅炉,使生物质燃料特性与锅炉参数相互匹配终究完成效能最大化。


一起,锅炉职业还要斗胆探究与生物质动力结合的新办法,先行先试,抢占先机。实践上生物质气化耦合发电便是一个很好的例子。生物质气化技能运用一直受制于焦油问题,但假如直接将气化气送入锅炉焚烧,就能够避开焦油问题,假如配套的是大容量高参数锅炉,功率和效益就更具优势了。在实践工业出产进程中,还有很多待开发运用的生物质资源,选用适宜的转化技能,就地与出产进程中的用能需求相结合,关于操控和下降生物质燃料本钱以及出产进程的能耗也是极为有利的。


3.2出产清洁化


作为一种相对清洁的燃料,运用生物质燃料关于锅炉污染物的操控是有利的。但我国动力职业全体实施超低排放已成趋势,如何完成绿色燃料的清洁运用也是锅炉职业选用生物质燃料时需求要点考虑的。应结合生物质燃料及其焚烧污染物初始排放浓度低的特色,因地制宜、顺水推舟,选用灵敏的技能手法完成污染物的操控,绝不能简略照搬燃煤锅炉超低排放技能。


除了从质料端预处理入手,尽可能在焚烧进程中完成低排放外,还能够结合一些新技能,例如,以生物质热解得到的富含有机酸的生物油为质料制备富钙生物油进行联合脱硫脱硝,其脱硫功率大于90%,脱硝功率最大可到57%。生物油还能够作为尿素SNCR脱硝的添加剂,有利于拓宽脱硝反响温度窗口。将生物质热解所得生物焦进行富氮化改性,不仅促进了富氮生物焦的孔隙结构的展开,还增加了富氮焦表面含氮官基团的引入,从而改进富氮焦吸附污染物的特性,是一种优秀的烟气净化吸附剂,能够一起吸收二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳。假如将上述技能整组成一体,能够满意超低排放的要求。


3.3产品智能化


跟着信息技能的不断展开,传统职业与互联网等新兴技能的交融正在加速,未来的生物质燃料锅炉理应进入智能化时代。经过物联网,能够随时把握锅炉燃料特性;经过人工智能体系,能够将锅炉运转参数调整到最佳;生物质燃料的消耗量、动力(电力)输出量、污染物排放量等数据传向各种终端,整个出产进程可依据质料价格、库存、碳税、动力价格、排污费、设备状况等进行智能操控,完成综合效益最大化。


锅炉企业需求跳出传统的只卖锅炉的狭窄盈利办法,而成为清洁动力全体解决方案的供给商,经过供给技能含量高的产品,以及各种后续技能服务,乃至是承当运营任务,取得长时间收益。此外,还应打破用户、制作企业及职业专家之间缺乏深度信息交融的约束,充分运用“互联网+”技能及工业锅炉职业专家资源,搭建集监测、确诊及远程服务于一体的综合性平台,并根据平台大数据,为锅炉制作企业的规范规划、用户的炉型挑选、锅炉体系的运转优化供给辅导,促进工业锅炉产品运转智能化、规划规范化、全生命周期持续进化,全面提高我国工业锅炉职业的技能水平。


4.结语


锅炉职业正处于一个新旧交替的重要历史时期,机会与应战并存。在与生物质燃料结合的进程中,需求打破职业传统展开办法的束缚,一直瞄准新技能和商场改变,不断提高产品和服务质量,拓宽盈利渠道,创始锅炉职业展开的新时代。


 


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