循环流化床秸秆锅炉项目

循环流化床秸秆生物质燃烧发电锅炉项目

中国科学院工程热物理研究所

一、项目的背景意义

随着社会对能源需求的日益增长，作为主要能源来源的化石燃料却迅速地减少。因此，寻找一种可再生的替代能源，成为社会普遍关注的焦点。生物质能是一种理想的可再生能源，它来源广泛，每年都有大量的工业，农业及森林废弃物产出。在目前世界的能源消耗中，生物质能消耗占世界总能耗的14%，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第四位。而在发展中国家，生物质能占较大的比重，达到50%以上。据统计全球生物质能占可再生能源资源35%,在可再生资源中位居首位。1996年的我国生物质产量(主要是农作物秸杆)7.05亿吨,而当年利用量不足30%，这说明我国生物质能的利用潜力还很大。利用生物质能发电是生物质利用的一种重要方式之一。瑞典和丹麦的大城市都是利用生物质，通过热电联产的方式进行区域集中供热的。生物质与化石燃料相比，具有以下优点：1、可再生性；2、低污染性：SOx、NOx排放浓度低；3、生物质作为燃料时，在生长周期内，对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应。我国对燃烧生物质发电的上网电价给予了充分的优惠，目前，燃烧生物质发电的上网电价为当地燃煤发电上网电价的基础之上增加0.25元/KWh，这项政策的出台，必将推动生物质燃烧发电成套技术及设备在我国的空前发展。

河北是一个农业大省，每年秸秆的产量巨大。目前，一部分生物质燃料分散燃烧利用，大部分就地焚烧。如何避免直接就地焚烧带来的污染，同时利用生物质的热能，这是值得我们深入研究课题，同时急需相关技术和装备。

循环流化床锅炉燃料适应性广，可同时燃用多种燃料；环保特性优越，排放满足国家标准；炉内换热均匀，热回收效率高，运行稳定；灰渣利用性高。基于循环流化床锅炉所具有的上述优点，人们自然将目光转向采用循环流化床技术来利用生物质能源，日本、美国和欧洲各国都在研究开发燃用生物质的循环流化床锅炉技术和产品。

二、秸秆类生物质燃烧与采用循环流化床所遇到的问题

1、秸秆类生物质的燃烧特性表现为：挥发分析出、着火迅速，燃烧主要集中在挥发分的气相燃烧，固定碳所占的燃烧份额很小，但是固定碳的燃尽性能较差，如何实现挥发份有效的快速燃烧和固定碳的燃尽；

2、秸秆类生物质中含有较多的碱金属元素(主要是指钾和钠)，在生物质燃烧过程中，主要表现为灰的粘结性较强，在炉膛内容易发生结渣、堵塞，在尾部受热面上发生积灰，影响循环流化床锅炉安全、稳定的运行。

3、秸秆类生物质中含有少量的硫和氯，燃烧过程中会产生一定量的SO2和HCl，对尾部受热面形成腐蚀，如何有效地避免受热面管壁的腐蚀；如何有效的去除尾部受热面管壁上的积灰。

4、如何有效的收集烟气中的飞灰，以及飞灰的再利用。

5、如何增强对秸秆类生物质成分变化的适应性，秸秆类生物质水分的波动性会影响运行工况。

6、针对中国实际情况，如何实现不同秸秆混烧的前处理和加料问题。针对以上问题，中国科学院工程热物理研究所采取了一系列应对措施，基本上解决了掺烧或纯烧生物质循环流化床锅炉中存在的一系列问题。通过对秸秆类生物质燃烧特性、成灰特性以及排放特性的研究，在中试试验装置中完成了生物质燃烧、热解等一系列的试验，形成了能够进行工程应用的生物质循环流化床锅炉燃烧技术。

三、工程热物理研究所（IET）循环流化床燃烧技术

中国科学院工程热物理研究所长期致力于发展循环流化床燃烧技术。从1984年建成国内第一台2.8MWt循环流化床燃烧工业化装置至今，与国内多家锅炉厂合作，开发成功了10t/h、35t/h、75t/h、130t/h、220t/h、410t/h、480t/h、670t/h蒸发量等系列容量的循环流化床锅炉。采用该所技术所生产的循环流化床燃煤锅炉，已达到1500多台，在国内占据70％以上市场份额。近年来，中国科学院工程热物理研究所不断扩展新的研究领域，包括生物质焚烧技术、煤泥、造纸污泥、生活污泥焚烧技术、煤热解和气化技术等。在中试焚烧试验装置上，完成了生物质、污泥、垃圾燃烧特性和排放特性的中试试验，试验结果表明：采用循环流化床燃烧技术，飞灰含碳量较低、燃

烧充分、烟气和飞灰排放均满足国家相关的环保标准，可直接进行工程应用。

中国科学院工程热物理研究所生物质循环流化床燃烧技术特点是：秉承循环流化床锅炉的优点，并对生物质进行针对性研究开发，特别关注生物质燃烧过程中的结团和结渣、高低温受热面腐蚀、生物质的加料、尾部受热面的吹灰技术等问题。

针对开封锅炉厂提出的12t/h蒸发量，蒸汽温度：400℃，燃烧玉米秸秆生物质发电项目(生物质秸秆的分析资料如表1至表4所示)，中国科学院工程热物理研究开发的循环流化床生物质锅炉主要特性表现在如下几个方面。

1、生物质循环流化床锅炉设计

(1) 炉膛的设计

同常规的燃煤循环流化床锅炉相比，为了适应秸秆类生物质燃烧的需要，锅炉炉膛发生了变化，主要表现在炉膛结构设计，炉膛底部采用带有专利技术的布风板，包括进料位置和返料位置和方式，来实现秸秆类生物质在床层内的强烈掺混、干燥和低温燃烧，可以实现秸秆类生物质的良好流化，避免了生物质的结团；床料只参与循环，不易磨损，秸秆类生物质中易燃部分一次性燃烧完毕，并为固定碳部分留有充分的燃烬时间和条件。通过合理布置炉膛的受热面，降低了炉膛出口的温度水平，保证进入返料器循环灰的温度低于850℃，这对于分离、返料回路的畅通以及降低后面过热器表面的积灰是至关重要的。

(2) 物料分离及循环

采用专利的分离器技术和返料器技术，使得床料进行循环，未燃烬的可燃部分在此被分离并携带回炉膛继续燃烧，控制合适的进出口温度，避免循环物料在循环回路中搭桥和堵塞。

2、操作参数的选择

实际上，秸秆类生物质燃烧的最主要问题就是结团、积灰和结渣。除了燃料本身的特性(主要指灰分的组成)，合理的锅炉结构设计之外，锅炉运行中操作参数选择也至关重要。例如烟气温度，管子受热壁面的温度、材料以及所在的位置，燃烧的环境，烟气中氧含量等。通过严格控制床层和炉膛出口的燃烧温度、分离性能、过量空气系数、尾部烟道的烟气流速，能够避免和解决燃烧秸秆类生物质出现的积灰、结渣问题。

由于过热的蒸汽温度只有400℃，氯的高温腐蚀可以大大降低；同时，由于管壁温度不高，灰的粘性大大削弱；采用纵置式的过热器，选取较高的烟气流速，可以避免生物质燃烧灰在过热器管壁上的积灰，保证了锅炉的蒸汽参数以及维持锅炉的整体出力。

3、尾部烟道设计、吹灰技术及除尘方式的选择

秸秆类生物质燃烧形成灰主要以飞灰的形式离开分离器进入尾部烟道，根据灰的成分分析，灰中硅、钾、钠、钙的含量较多，灰在受热面管壁的粘结相比磨损要严重许多，因此，尾部受热面的烟气流速选择非常重要，合理选择流速，可以避免受热面的积灰，同时配备专有的吹灰系统以及布袋除尘器来有效的收集烟气中飞灰。

4、环保性能的保证

循环流化床燃烧技术的温度水平和物料循环方式有助于秸秆类生物质中钙、镁及钾对S和Cl的反应和自脱除，避免了尾部受热面的酸性腐蚀，使烟气排放符合国家环保标准。由于采用单一秸秆类生物质燃烧，灰渣中营养成份很高，可以直接施用于农田。

中国科学院工程热物理研究所通过对秸秆类生物质燃烧特性、成灰特性以及排放特性的研究，在中试试验装置中完成了生物质燃烧、热解等一系列的试验，形成了能够进行工程应用的生物质循环流化床锅炉燃烧技术。

四、基本方案

针对秸秆类生物质的特点，中国科学院工程热物理研究所在已有的循环流化床锅炉技术基础上，开发出了适应秸秆类生物质的循环流化床锅炉，避免或解决了生物质燃烧及换热过程中的积灰和结渣问题，并且能够长期稳定运行。烟气的排放满足国家相关的环保标准，灰渣含碳量低，可以实现飞灰的综合利用。针对生物质分类，对于玉米秸秆，可以纯烧和混烧；对于麦杆和稻秆需要混烧，生物质混烧重量比率达到80％左右。锅炉容量可以含盖75t/h及以下容量；生物质循环流化床锅炉可以应用于新建项目，也可以在已有电厂和供热系统中，对原有锅炉实行技改来实现。

表1 河北省某地生物质元素分析

项目Car Har Oar Nar Sar

玉米秸杆44.87 4.00 32.78 1.01 0.20

小麦秸杆43.56 4.12 33.54 0.85 0.21

烟煤66.87 3.66 7.62 0.68 1.22

表2 河北省某地生物质工业分析

项目Aar% M ar% V daf% Q net,ar kcal/kg 玉米秸杆7.34 9.80 68.06 3751 小麦秸杆7.98 9.74 72.04 3748 烟煤15.10 4.54 24.60 6180

表3 河北省某地生物质灰熔点温度

项目DT℃S T℃F T℃

玉米秸杆1080 1130 1160

小麦秸杆760 780 790

烟煤1150 1300 1350

表4 河北省某地生物质灰成分分析

灰成分单位玉米秸

秆

小麦秸

杆

烟煤

SiO2% 56.68 52.87 58.72 Al2O3% 7.4 3.53 21.26 Fe2O3% 2.65 1.41 11.22 CaO % 8.1 6.55 2.70 MgO % 5.41 3.61 0.54

Na2O % 2.27 2.44 0.12 K2O % 13.84 26.05 2.05 TiO2% 0.44 0.22 0.84 P2O5% 1.3 1.3 0.22

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