田海彥

生物質(zhì)材料的電廠能源化利用及存在的問題

田海彥1,2

（1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第三工程有限公司，遼寧 錦州 121001； 2. 沈陽化工大學(xué)，遼寧 沈陽 110142）

電能生產(chǎn)如果嚴(yán)重依賴火力發(fā)電是不可持續(xù)的，對經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展也極為不利，合理地開發(fā)可再生能源勢在必行。盡管可再生能源具有優(yōu)勢，但其具有季節(jié)性和相當(dāng)大的不穩(wěn)定性，對鍋爐受熱面的腐蝕問題也值得關(guān)注和研究。介紹生物質(zhì)秸稈在電廠能源化利用的前景及存在的問題。

生物質(zhì)；電廠；可再生能源

能源對一個國家的經(jīng)濟發(fā)展起著舉足輕重的作用。今天, 工業(yè)進(jìn)步在世界經(jīng)濟中起著至關(guān)重要的作用任何國家的發(fā)展, 我們的日常生活也都依賴于可靠的電力供應(yīng)。然而, 大多數(shù)國家正在經(jīng)歷一場嚴(yán)重影響人民生活的能源危機,造成能源危機的主要原因是石化資源價格的迅速上漲和對能源需求缺乏預(yù)見性措施。據(jù)估計, 以目前的消耗速度, 地球上現(xiàn)有的化石能源將在100～200年內(nèi)消耗完畢, 天然氣也將在50年左右消耗完畢[1,2]。我國是資源大國,也是人口大國, 因此能源需求也十分緊張, 據(jù)保守估計, 我國煤炭只可繼續(xù)開采不到100年, 天然氣為30年, 而石油僅為10幾年[3]。因此，可再生能源(RE)可以在最大限度地減少這場危機方面發(fā)揮著重要作用。

1 生物質(zhì)能源

生物質(zhì)原料指的是大自然中通過光合作用生長的各類植物，這些植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，經(jīng)過燃燒可以產(chǎn)生可觀的熱量。生物質(zhì)的揮發(fā)成分比煤高、污染空氣的氮和硫元素的比例低，燃燒過程具有CO2排放低的優(yōu)點，因此是一種優(yōu)質(zhì)的燃料。生物質(zhì)燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的氣體對大氣的污染程度比較低，人們普遍認(rèn)為它是一種替代不可再生資源的最佳選擇。目前，許多研究者已經(jīng)對生物質(zhì)燃料進(jìn)行大規(guī)模的研究和開發(fā)，該領(lǐng)域已成為新能源發(fā)展的重要方向[4-6]。

2000年11月Technology Insights出版的選集《生物質(zhì)市場與技術(shù):21世紀(jì)的機遇》預(yù)測:到2050年,世界上約有38%的能源來自生物質(zhì)材料。為了面對即將到來的能源困境,各國的決策者們都把可再生能源看成是解決這一困境的重要手段。美國和歐洲各國政府相繼出臺了投資計劃和各種政策,增加了可再生能源的開發(fā)和利用的投入，其中部分資金用于可再生能源前沿技術(shù)的研究和成果轉(zhuǎn)化。

作為農(nóng)業(yè)大國的中國，每年會產(chǎn)生大量的生物質(zhì)燃料，如每年產(chǎn)生的水稻、玉米和小麥秸稈是生物質(zhì)能源的主要的來源，這些秸稈的年產(chǎn)量約為6億噸，其中20%被直接丟棄或燃燒掉了，這造成了極大的浪費。因此,對秸稈進(jìn)行高效的能源轉(zhuǎn)化和利用已成為事關(guān)農(nóng)業(yè)、能源和環(huán)境保護(hù)的重要課題。合理有效地使用這些生物質(zhì)能源對于改善我國的能源消耗比例、提升我國經(jīng)濟均衡發(fā)展程度、保護(hù)環(huán)境都有著重要的意義[7]。

2 生物質(zhì)秸稈能源化應(yīng)用前景

2008年10月,中國財政部公布了《秸稈利用能源補助資金管理暫行辦法》,利用各類補貼的方法鼓勵和促進(jìn)秸稈的資源化利用。目前對秸稈的主要利用方式包括生化法和直接燃燒法。生化法就是通過微生物發(fā)酵等生化法生產(chǎn)燃料，該方法技術(shù)難度大，投入成本高，難以大規(guī)模推廣。直接燃燒法就是通過燃燒的方法直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，該方法工藝簡單,投資小見效快, 非常適合規(guī)?；_發(fā)利用,與我國當(dāng)前推動的以燃煤工業(yè)鍋爐用生物質(zhì)秸稈替代的環(huán)保政策。在生物質(zhì)燃料資源化利用中，將熱能轉(zhuǎn)化成電能工藝比較成熟，因為秸稈燃燒發(fā)電技術(shù)可以參考煤粉燃燒發(fā)電技術(shù)的成熟經(jīng)驗和相關(guān)設(shè)備。因此, 將生物質(zhì)燃料燃燒發(fā)電是非常具有產(chǎn)業(yè)化前景的一種方法。

為鼓勵新能源的發(fā)展,促進(jìn)國民經(jīng)濟良性發(fā)展,我國頒布了《可再生能源發(fā)電價格和成本分?jǐn)傇圏c管理辦法》, 規(guī)定“生物質(zhì)發(fā)電的上網(wǎng)價格由政府制定,各地基準(zhǔn)價格由國務(wù)院價格主管部門制定”,“目前燃煤發(fā)電的補貼政策將取消，生物質(zhì)發(fā)電將享受15年的補貼優(yōu)惠”“生物質(zhì)發(fā)電價格統(tǒng)一上調(diào)至0.75元/kWh”等政策, 因此該文件進(jìn)一步促進(jìn)了生物質(zhì)秸稈等在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 生物質(zhì)秸稈能源化利用存在的問題

我國玉米，麥稈等生物質(zhì)材料的特點是干基揮發(fā)分含量高(60%～80%),灰分小,低熱值,高氧低硫,質(zhì)輕且松散、單位能量密度小。秸稈中的堿金屬含量超過1%,氯元素含量在0.2%～0.3%之間。秸稈中含有的鉀、鈉等元素因為具有活性,所以在高溫環(huán)境下很容易生成KCl、NaCl等對燃燒有害物質(zhì),導(dǎo)致鍋爐出現(xiàn)結(jié)渣、積灰和腐蝕現(xiàn)象。

3.1 生物質(zhì)秸稈燃燒過程中沉積腐蝕研究現(xiàn)狀

秸稈在燃燒的過程中,由于生物質(zhì)中含有大量的的氯元素和堿性元素(特別是那些稻草類秸稈),燃燒時非常容易在鍋爐的受熱面發(fā)生沉積引起鍋爐的腐蝕現(xiàn)象,也就是說這些生物質(zhì)燃料燃燒時產(chǎn)生的那些含有堿金屬等礦物質(zhì)飛灰顆粒物質(zhì)會粘結(jié)在鍋爐設(shè)備的受熱面上造成沾污,從而導(dǎo)致受熱面會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象[8]。

如何解決生物質(zhì)燃料在燃燒過程中對鍋爐設(shè)備的沉積腐蝕問題,如荷蘭、法國等國家由于使用秸稈燃料發(fā)電比較早,很快就遇到這類問題,因此研究得也比較早,而在發(fā)展中國家,對生物質(zhì)材料燃燒腐蝕方面研究的比較晚,成果偏少。

Baxter[9]等發(fā)現(xiàn)秸稈飛灰在燃燒早期沉積率最大且表面光滑密實，隨后沉積率會出現(xiàn)單調(diào)遞減的現(xiàn)象,但這類積灰清除難度大。

丹麥Sφren Knudsen K. R[10]借助于CDF模型對秸稈燃燒生成的積灰進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):秸稈燃燒產(chǎn)生的積灰、沉積和燃燒設(shè)備以及燃燒中產(chǎn)生的氣體種類和飛灰形貌相關(guān)聯(lián)。

M.Jenkins[11]等在實驗中發(fā)現(xiàn):如果將煤炭和秸稈混合共燃,能夠顯著降低秸稈在燃燒過程中產(chǎn)生的熔渣和飛灰,然而如何調(diào)整煤炭和秸稈比例比較困難。

N.Nielsen等[12]研究了稻草秸稈在燃燒過程中無機物的變化特點,特別是鉀元素析出以及氯化鉀形成的過程進(jìn)行了探討,研究發(fā)現(xiàn)在低溫燃燒過程中,鉀元素以氯化鉀和硫酸鉀的形式存在,而在高溫燃燒時,則會以氣態(tài)的氯化鉀和氫氧化鉀的形式穩(wěn)定存在。

N.Blander等[13]發(fā)現(xiàn)麥稈在燃燒過程中會使含有的硅元素和鉀元素生成低熔點的硅酸鹽飛灰，這種飛灰極易附著在鍋爐上，引起腐蝕。

Michelsen H P等[14]研究發(fā)現(xiàn):如果燃燒器的受熱面溫度達(dá)到450 ℃時,秸稈的腐蝕能力很小,當(dāng)溫度升高到500 ℃左右時,秸稈會有更高的腐蝕能力;如果燃燒溫度達(dá)到530 ℃以上時,秸稈對鍋爐的腐蝕能力提升更為明顯。

宋鴻偉[15]等發(fā)現(xiàn)硫元素和鈣元素在秸稈燃燒時會發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鈣,這種物質(zhì)會使過熱器管表面的飛灰粒子粘合在一起,導(dǎo)致管路表面積灰結(jié)渣程度加深。

魏小林等[16]利用模擬軟件發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)在燃燒過程中溫度和壓力對氯元素和堿元素化學(xué)反應(yīng)的影響,結(jié)果表明:氣態(tài)氯化氫中的氯元素主要是在固體氯化鉀在中溫分解過程產(chǎn)生的。

由以上的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):飛灰、粘結(jié)劑和高溫腐蝕等因素是影響生物質(zhì)燃燒鍋爐運行的主要因素,同時也與生物質(zhì)在熱轉(zhuǎn)化過程中鉀元素和氯元素的形態(tài)分布密切相關(guān)[17]。

3.2 生物質(zhì)秸稈燃燒中沉積腐蝕問題預(yù)防措施研究現(xiàn)狀

為減少生物質(zhì)沉積腐蝕對鍋爐腐蝕的影響,一般可采用如下方法:

1)提前對生物質(zhì)燃料進(jìn)行處理

堿金屬和氯元素是生物質(zhì)在高溫燃燒時高溫腐蝕的主要因素,因此可以在生物質(zhì)燃燒前進(jìn)行預(yù)處理,主要目的是提前除掉生物質(zhì)中的堿金屬和氯元素。通?？梢圆捎盟捶▽ι镔|(zhì)進(jìn)行預(yù)處理,該方法能夠去除生物質(zhì)燃料中大部分的有害元素[18]。研究結(jié)果表明:如果把秸稈在60～80 ℃的水中進(jìn)行處理,能夠除掉生物質(zhì)燃料中95%左右的的鉀元素和氯元素。

2)生物質(zhì)燃料與其他燃料共混燃燒

低氯和高氯生物質(zhì)燃料混燒是降低單用高氯生物質(zhì)燃料最有效的方法。Robinson等[19]將煤和生物質(zhì)進(jìn)行中試級別的混燃實驗,結(jié)果表明混合物中的硫元素和鉀元素會發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鉀,硫酸鉀將有效降低沉積層的厚度,積灰中的氯元素含量也會明顯降低,從而降低了積灰對鍋爐腐蝕性。Martti Aho等[20]研究了不同類型的生物質(zhì)單燒和混燒的實驗,研究發(fā)現(xiàn):不同生物質(zhì)燃料之間有協(xié)同效應(yīng),某些生物質(zhì)燃料進(jìn)行混燒能夠顯著降低氯元素的沉積和鍋爐的結(jié)渣量。

3)添加助劑

生物質(zhì)在燃燒過程中生成氯化鉀或氯化鈉等這些堿性金屬的氯化物會在鍋爐的受熱面上發(fā)生沉積從而導(dǎo)致受熱面發(fā)生腐蝕,所以,如何降低氯化鉀或氯化鈉等這些堿性金屬的氯化物在氣相中的含量是降低受熱面腐蝕程度的有效方法,另外,通過減少積灰并提高積灰的熔點也是一種好的方法。實驗結(jié)果表明,通過使用添加劑和秸稈進(jìn)行混燒,能夠降低氯化鉀或氯化鈉等堿金屬氯化物在鍋爐上的沉積程度。目前常使用的添加劑包括煤灰、碳酸鈣、氧化鋁、陶土等;馬孝琴等研究了將煤灰、粘土、陶土與秸稈混燒對堿金屬含量的影響。漢春利等人研究了活性礬土和煤對煙氣中堿金屬的影響,研究發(fā)現(xiàn):添加上述吸附劑能夠在較高的溫度下脫除部分的堿金屬。

4)噴涂

噴涂鋼材表面法是提高鋼材的耐腐蝕能力的常規(guī)方法,在加熱條件下在鋼材表面涂耐腐蝕層或耐高溫層。形成的金屬涂層能夠使腐蝕物質(zhì)和金屬材料的界面形成有效的隔離層,進(jìn)而可以對金屬材料起到保護(hù)效果,涂層不但可以保護(hù)金屬材料,而且自身也會逐漸被腐蝕。防腐涂層的作用效果和熱噴涂方法很類似,該方法效果在很多的高溫耐腐蝕性條件下已受到了檢驗。比如, Gustafsson等采用熱噴射的方法使鍋爐的鋼質(zhì)表面形成含有NiCrMoSiB合金成分的特殊涂層材料,應(yīng)用效果優(yōu)異。也有人采用Ni-Al合金涂層,在實際應(yīng)用中，人們觀察到Ni-Al合金涂層對于降低秸稈，麥稈等產(chǎn)生的飛灰腐蝕的能力偏低。所以,采用熱噴涂形成金屬仿佛涂層工藝來提升鍋爐受熱面耐腐蝕能力的研究前景廣闊，研究者主攻的研究方向是如何選擇合適的涂層材料。

5)采用機械法清灰

機械法清灰是指對生物質(zhì)燃料鍋爐的受熱面進(jìn)行吹灰或者采用機械法刮出飛灰。其中，機械法清灰常用的方法是刮板法，它是采用刮板使鍋爐受熱面的飛灰沉積物被機械刮涂下來,進(jìn)而達(dá)到提高受熱面導(dǎo)熱能力,因此刮板法是一種清除沉積物的有效手段,該方法能夠依據(jù)受熱面上沉積物的實際情況調(diào)節(jié)刮板的使用頻率。

4 結(jié) 論

通過以上分析可知,雖然國外對秸稈等生物質(zhì)燃燒技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用比較早,但由于自然資源條件的差異,國外對玉米稈,麥稈等秸稈類材料對鍋爐受熱面的腐蝕影響較少,而對木質(zhì)燃料對鍋爐的影響研究的偏多。國內(nèi)外研究者一致認(rèn)為燃燒秸稈對鍋爐腐蝕與堿金屬有關(guān),但由于不同地區(qū)的秸稈成分以及秸稈在燃燒過程中的沉積腐蝕機理仍未研究清楚,因此需要繼續(xù)研究秸稈燃燒的沉積物對鍋爐受熱面的腐蝕影響。

［1］侯芹芹, 崔新悅, 宋子立,等. "碳達(dá)峰"背景下的"碳中和"措施研究分析[J]. 當(dāng)代化工, 2021(11):2727-2730.

［2］葉麗華, 陳曉軒, 朱世林,等. 乙醇/正丁醇/柴油混合燃料的燃燒與排放試驗研究[J]. 可再生能源, 2020(12):38-42.

［3］張博,孫旭東,劉穎,等. 能源新技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)與 2035 戰(zhàn)略對策[J]. 中國工程科學(xué), 2020, 22(2):1-160.

［4］賀美晉譯. 美國Ecovyst公司在化學(xué)品回收和可再生燃料方面尋找機會[J]. 石油煉制與化工, 2022, 53(8):1-8.

［5］叢蓉摘譯. 可再生燃料工藝降低二氧化碳排放[J]. 石油石化綠色低碳, 2022, 7(1):18-22.

［6］蘇現(xiàn)強, 何芳, 李秀華,等. 秸稈燃燒中KCl逸出的原位共熔蒸發(fā)模型[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2022, 42(6):7-9.

［7］方璐瑤, 劉穎祖, 朱燕群,等. 水稻秸稈燃燒過程中硫?qū)︹涍w移釋放的影響規(guī)律[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2020(5):8-11.

［8］魏鑫, 周宇峰, 李清清,等. 不同類型生物質(zhì)秸稈燃燒特征研究[J]. 化學(xué)試劑, 2021, 43(6):825-829.

［9］李劍軍. 探究秸稈壓塊燃料化利用的可行性[J]. 農(nóng)民致富之友, 2020(11):1-5.

［10］牛真真, 孔少飛, 嚴(yán)沁,等. 薪柴和經(jīng)濟作物秸稈燃燒VOCs排放特征[J]. 環(huán)境科學(xué), 2020, 41(3):9-14.

［11］蘇現(xiàn)強, 何芳, 李秀華,等. 秸稈燃燒中鉀逸出的幾種模型的對比[J]. 太陽能學(xué)報, 2022(5):43-48.

［12］李秀華, 蘇現(xiàn)強, 李湘杰,等. 秸稈燃燒過程中KCl分壓蒸發(fā)模型的建立與應(yīng)用[J]. 太陽能學(xué)報, 2022(4):43-49.

［13］李法社, 王承志, 王文超,等. 生物質(zhì)燃油燃燒特性分析[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2020, 26(2):7-12.

［14］唐曉蓮. 秸稈轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)燃料的應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù), 2021, 42(2):14-17.

［15］王詩語, 凌鳳香, 韓博,等. 管式爐燃燒-離子色譜法測定固體生物質(zhì)燃料中硫和氯[J]. 理化檢驗：化學(xué)分冊, 2020, 56(7):5-11

［16］ 劉宏宇, 張守玉, 宋曉冰,等. 抗結(jié)渣生物質(zhì)燃料研究進(jìn)展[J]. 潔凈煤技術(shù), 2020, 26(1):10-15.

［17］范寶田, 嚴(yán)禎榮, 林齊疊,等. 生物質(zhì)燃料鍋爐脫硝技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用化工, 2022(5):51-59.

［18］曲磊, 聶士偉, 胡國榮,等. 烘焙方式對生物質(zhì)燃料特性的影響[J]. 太陽能學(xué)報, 2020, 41(8):6-14.

［19］張宏亮, 曹嘉洌, 楊志遠(yuǎn),等. 生物質(zhì)電廠生物質(zhì)燃料中腐蝕性氯快速測定方法研究[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2022, 38(5):5.

［20］李劍軍. 探究秸稈壓塊燃料化利用的可行性[J]. 農(nóng)民致富之友, 2020(11):1-5.

Energy Utilization and Existing Problems of Biomass Materials in Power Plants

1,2

（1. China Energy Engineering Group Northeast No.3 Electric Power Construction Co., Ltd., Jinzhou Liaoning 121001, China; 2. Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China)

It is not sustainable for electric energy production to rely heavily on thermal power generation, and it is also extremely unfavorable for the sustainable development of the economy. It is imperative to develop renewable energy reasonably. Although renewable energy has advantages, it has seasonality and considerable instability, the corrosion of boiler heating surface is also worthy of attention and research. In this paper, the prospect of biomass straw in power plant energy utilization was introduced as well as existing problems.

Biomass; Power plant; Renewable energy

TQ013.1

A

1004-0935（2023）09-1385-04

2022-12-30

田海彥（1969-），男，工程師，遼寧省錦州市人，1991年畢業(yè)于沈陽電力高等?？茖W(xué)校熱能動力專業(yè)，研究方向：廢棄物再生利用。