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循环流化床生物质燃烧发电技术浙江大学热能工程研究所二零零九年六月1一、前言随着人们对环境以及能源利用等方面的日益关注，人们深刻认识到石油、煤、天然气等化石能源的资源有限性和环境污染问题。而生物质作为一项可再生的清洁能源体现了很大的优越性，它的CO2中性，低SOx，低NOx排放的性质，使得对生物质的能源化利用的研究也越来越多。我国是一个农业大国,同时又是一个人口大国，有13亿多人口,绝大多数居住在广大的乡村和小城镇。我国的经济迅速发展，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。生物质能的研究开发,主要有物理转换、化学转换、生物转换3大类。涉及到气化、液化、热解、固化，直接燃烧等技术。而直接燃烧是一种最常用的、直接的和商业可行的从生物质中提取能量的方式。从供能植物到农业渣滓和废弃材料，燃烧系统几乎利用了各种形式的生物燃料。通常对于固体燃料，可供选择的燃烧方式主要有三种，即以煤粉炉为代表的悬浮燃烧、炉排炉为代表的层燃燃烧和以循环流化床锅炉为代表的流态化燃烧。三种燃烧方式各有特点，也有不同的适用范围。图1丹麦振动炉排秸秆燃烧炉由于能量密度小，秸秆等生物质原料的输送和贮存成本较高。以生物质为燃料的应用一般限于较小规模。较大规模的生物质燃烧发电工程主要集中在欧美2等一些发达地区，但是由于资源情况的不同，这些燃烧利用工程中大多数以木质类原料如枝条、木片、废弃木材等为主要燃料，仅仅有小部分掺烧部分的农作物秸秆等，而且秸秆的比例往往不高。目前全球范围内较大规模的单一秸秆燃烧技术以北欧的丹麦为代表，丹麦由于国内资源特点和对能源供应可持续性的深刻认识，很早就开始了秸秆大规模燃烧方面的开发和应用。1986年丹麦议会就通过法令鼓励生物质燃料热电厂的发展，目前，丹麦已建成100多家秸秆发电厂，秸秆发电量占全国总发电量的24%。这批秸秆热电站规模不同，但共同点是设计燃料为麦秆，燃料运输和贮存采用标准的捆包形式，燃烧系统为振动炉排炉，进料采用秸秆捆直接推入炉膛的“雪茄式”燃烧，或者采用先将秸秆捆分散破碎然后给入炉排上方的方式（图1）。丹麦的秸秆发电系统采用这种相对单一的燃烧方式一方面是由秸秆燃料的燃烧特性决定的，但更重要的是由于丹麦拥有在长期实践中摸索出来的一整套完善的秸秆收割、打包、运输、贮存工艺和设备。这套流程实现了从秸秆采收开始到最后入炉所有环节的全机械操作，其突出的特点是标准化和高生产率。正是由于拥有了这样的秸秆处理体系加上合理的市场化采购制度，才保证了丹麦的秸秆燃烧发电工程得以迅速发展。但是，以丹麦为代表的秸秆直接燃料技术还是存在一些局限。首先，从燃烧角度看，振动炉排锅炉是典型的层燃燃烧，适合于燃烧单一稳定的燃料，在燃料适应性方面的潜力有限，燃料品种、燃料物理性质、燃烧性质方面的些许变动就可能造成锅炉工作效率下降甚至危害正常运行。炉排炉对燃料的这种要求在丹麦国内秸秆供应品种单一，秸秆收集、预处理过程高度标准化的情况下并没有太大问题，但是对于我国情况有所不同，确保燃料供应品种和品质的稳定，特别是对秸秆这种易受气候、地域、采集、运输和人为因素影响的燃料，是一项非常具有挑战性的工作。其次，秸秆作为燃料的特殊性突出体现在碱金属和氯引发的受热面沉积、结渣和高温腐蚀等方面。由于秸秆中含有高浓度的钾，秸秆燃烧后产生的灰渣熔点很低，在高温燃烧中容易在受热面上生成难以去除的融渣，增加传热阻力并造成烟气流通截面堵塞。同时含氯的秸秆燃烧中受热面上容易在高温环境下生成对金属有腐蚀作用的沉积物，特别是在金属温度较高时（高于520℃），温度越高腐蚀速度越快。秸秆锅炉为了避免上述问题，大多采取限制过热器最高温度的办法，或者在设计上特别考虑了易于更换受腐蚀管束的过热器和炉顶结构。尽管通过一3系列的针对性研究和长期的实践经验积累，丹麦目前在运行的秸秆锅炉实际上并没有完全摆脱秸秆的高碱带来的各种问题。稻、麦秸秆作为一类特定的生物质燃料，具有生物质的一般性质：高挥发份、低灰份、热值低；元素组成中高氧、低硫；着火温度低、热解迅速且焦炭反应活性高；也具有自身特点：质轻软、疏松、体积能量密度低；以钾为代表的碱金属以及氯的绝对含量高、性质活跃；灰中硅元素的份额较大等。稻麦秸秆的上述特点决定了流态化燃烧方式的适用性。流态化燃烧是近代从化学反应工程技术领域发展起来的一种新型燃烧技术，其特点是低温燃烧、良好的气-固、固-固混合、燃料适应性强、燃烧可控性能好。正是由于流态化燃烧这些固有特点，以流态化燃烧为基本形式的循环流化床燃烧技术得到了迅猛的发展，它不但成功地在中小规模的热电机组中得到广泛应用，更逐步大型化，高参数化，逐渐进入电站锅炉领域。在美国，采用流化床燃烧技术利用生物质能具有相当规模,生物质能发电的总装机容量已超过10000MW，单机容量达10-25MW,如美国爱达荷能源产品公司已生产出燃生物质媒体流化床锅炉,蒸汽锅炉出力为45～50t/h,供热锅炉出力为106×107～132×108KJ/h。由美国CE公司利用鲁奇技术设计生产的两台循环流化床锅炉，分别安装于Fresno和Rocklin，出力为100t/h,蒸汽压力为87MPa，过热蒸汽温度515℃，热功率78MW。芬兰的Fortum工程有限公司（图2）对流化床燃生物质进行了长期的研究，专门针对高碱生物质燃料设计了多台鼓泡流化床锅炉。图2芬兰的Fortum工程公司流化床燃生物质锅炉4二、浙江大学在循环流化床燃烧发电锅炉方面的工作浙江大学热能工程研究所是我国高等学校在热能工程领域的重要研究开发基地，是我国工程热物理学科的国家重点学科点和“能源清洁利用国家重点实验室”。研究所结合我国国民经济建设所需，以工业、农业及生活废弃物的资源化利用理论与技术，洁净燃烧与气化的理论与技术，气固多相流理论与计算机辅助优化数值试验，能源与环境工程的理论与技术，多联产能源及资源综合利用系统为主要研究方向，在非常规燃料燃烧理论及燃烧技术的基础研究中形成了鲜明的研究特色，先后承接了国家六五、七五、八五二十多项科研项目，获二十多项发明专利和二十多项国家发明奖和科技进步奖，并和国内外各锅炉制造厂有着广泛的合作关系，已开发了上百项新产品用于生产。浙江大学设计开发了多种形式燃用各种燃料的循环流化床锅炉，如35t/h燃用煤矸石的循环流化床锅炉、35t/h燃用煤泥煤矸石的循环流化床锅炉、35t/h、75t/H、130t/h及220t/h燃用煤泥的循环流化床锅炉、35t/h燃用垃圾的循环流化床锅炉、10t/h燃用咖啡渣的循环流化床锅炉、35t/h燃用稻壳的循环流化床锅炉、35t/h燃用石煤的循环流化床锅炉、75t/h燃用烟煤的高温旋风分离型循环流化床锅炉、75t/h劣质煤循环流化床锅炉、130t/h烟煤循环流化床锅炉等形式的锅炉，这些锅炉已应用到工业实际中多年，并得到大量推广。目前，与哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂共同合作进行了300MW级循环流化床锅炉的设计开发工作，已进入推广阶段。另外，作为技术依托单位，参与包括广东连州电厂、阳山电厂多个135MW级循环流化床电厂的设计、调试与运行并向国外输出循环流化床燃烧技术，如为韩国三星工程公司设计的烟煤循环流化床锅炉、为韩国某公司设计的污泥焚烧炉，以及为新加坡设计的城市垃圾焚烧炉等。同时获20多项该领域的专利技术，其中煤泥循环流化床燃烧技术获得国家发明二等奖。特别是近年来随着能源短缺、环境污染和温室效应等问题的日益突出，热能工程研究所对于先进的流态化燃烧技术开发、工农业废弃物能源化利用和生物质能热化学转化及碱金属问题的等对于解决上述问题具有重大意义的技术领域进行了针对性地研发和攻关，积累了丰富的经验。5三、浙江大学在生物质循环流化床燃烧方面的工作为了配合秸秆发电事业的发展，浙江大学热能工程研究所进行了燃用生物质燃料的系列流化床锅炉的开发和设计。根据我国生物质燃料资源特点，以农作物秸秆燃料为主要对象，对其高碱特性进行了针对性机理研究。在此基础上凭借浙江大学多年来在流态化燃烧领域积累的丰富经验，结合借鉴了目前国际上已有的水冷振动炉排秸秆燃烧技术的特点，自主开发了拥有核心知识产权的流化床秸秆燃烧技术。该技术的主要特点有：（1）燃烧效率高。流态化燃烧方式下，燃烧室中气、固混合良好，燃烧速率高，床料和未燃尽的生物质半焦之间存在强烈的相对运动，有利于生物质半焦颗粒的破碎和燃尽，配合锅炉设计中低流速、高燃烧室的设计和作物秸秆反应活性强的特性，可以有效提高半焦的燃净率，达到较高的燃烧效率；（2）燃料适应性广，燃料制备和给料系统简单。流化床锅炉而且可以燃用煤粉炉、层燃炉难以燃用和各种劣质燃料，入炉燃料几何物理特性特殊和各种燃料的混合物均能适应，且对于燃料的水分、品质和预处理的适应性非常强，非常适合于生物质燃料受气候、季节、农业生产和收集等因素影响较大的特点；且在流态化燃烧方案的实施中可采用简单破碎入炉，不同质地、品种生物质共用给料口的方案，不但能大大降低入炉燃料预处理费用，还简化了锅炉设计，提高了燃料供喂系统的冗余可靠性。（3）由于流态化锅炉具有低温燃烧的特性，在针对生物质中碱金属物质受热热解燃烧时的转化析出过程进行了深入研究之后，我们认为这种低温燃烧特性，结合合理的锅炉设计可以大大缓解常规含碱生物质在排炉炉中高温燃烧时表现出的各种碱金属问题，将炉膛结渣、受热面沉积以及高温腐蚀等带来的危害降到最小。另一方面，流态化燃烧提供的良好的气固反应能力使我们可以有效捕获、固集软秸秆中的钾和氯，从而采取主动措施缓解或解决炉膛、受热面中可能存在的碱金属问题。这一点是其他形式的燃烧难以做到的。在长期相关机理研究工作的基础上，目前浙江大学已经利用实验室规模和中试规模的流态化燃烧热态试验中得到的关键数据完成了流化床生物质锅炉燃烧技术的开发和设计工作，燃用稻壳、咖啡渣、秸杆等燃料的不同规模流态化生物质锅炉都已经有运行的业绩，特别是在针对含碱较高生物质燃料的75t/h规模循6环流化床秸秆锅炉近期已经在江苏宿迁完成示范项目建设，于2007年5月通过72小时运行，见图1，从目前的运行情况看，锅炉工作稳定，各项指标达到设计要求，碱金属问题较好地得到抑制，体现了设计意图。目前该技术已经在黑龙江、湖南、广西等地的生物质直燃发电项目中得到了推广应用。该技术打破了目前国际上针对高碱的生物质燃料燃烧只能采用丹麦的水冷振动炉排技术的现状，独辟蹊径，闯出了一条适应我国国情的自主研发的崭新道路。图3江苏宿迁的2×15MW生物质循环流化床发电机组浙江大学研发的该项技术可以不同规模的生物质直燃发电机组提供核心的锅炉燃烧设备，锅炉效率可以达到90％以上，可采用包括高碱的稻麦秸秆在内的各种生物质为燃料，锅炉可靠性和运行维护等方面的指标可望优于国外竞争技术。以75T/h（机组规模15MW）中温中压生物质循环流化床锅炉为例，典型技术指标如下：锅炉型号G-75-3.82/S1锅炉额定蒸发量Kg/h750007过热蒸汽出口压力Mpa3.82过热蒸汽出口温度℃450锅筒工作压力Mpa4.37省煤器入口压力Mpa4.61给水温度℃150锅炉排污率%1冷空气温度℃20锅炉效率%90