1、引言
随着人口和经济的增长，我国的能源消费量也在不断增加。作为主要能源来源的石油、天然气和煤炭等资源正在迅速减少，按目前剩余可采储量和能源消费量来看，煤炭还可以开采50年左右，石油还可以开采40年，天然气还可以开采40年。大力发展可再生能源利用技术，是解决我国能源问题、实现可持续发展的一项重要途径，对节能减排和改善生态环境都具有重要作用和实际意义。
生物质能是一种可再生能源。广义上讲，生物质是各种生命体产生或构成生命体的有机质的总称，生物质所蕴含的能量称为生物质能。
自1989年第一家生物质燃烧发电厂Haslev电厂在丹麦投入运行以来，全球生物质发电技术发展迅速，尤其是在欧美发达国家，已经建设了很多以生物质为燃料的电厂，社会和经济效益良好。
我国的生物质发电起步较晚，但得益于生物质燃料资源丰富、国家大力发展可再生能源的一系列优惠政策及国内大量的技术研究和开发工作，目前发展势头良好，已建成一批示范性的生物质电厂。国内用于生物质发电的锅炉型式主要有炉排锅炉和循环流化床锅炉，目前都已有工程的应用，如国能威县生物质电厂、中节能（宿迁）生物质能电厂、柳城生物质电厂等，规模基本都在75 t/h和130 t/h等级，目前国内外尚无220 t/h及以上的单机规模投运业绩。
国内外都在致力于生物质机组容量大型化的研究，其中最主要的课题之一就是燃烧方式及炉型的选择。本文结合某电厂使用的燃料情况，对其锅炉燃烧方式和炉型选择进行分析。
2、燃料分析
锅炉燃用生物质燃料及灰品质分析资料见表1。
从表1中可以看出，生物质燃料具有以下特性：
(1)燃料种类多，性质差异大。燃料中有桉树砍伐、加工过程中产生的枝、叶、根、边角料等废弃物及甘蔗收割后遗留的甘蔗叶，种类繁多，不同燃料成分有一定差异，尤其是燃料的水分含量差别很大，桉树皮收到基水分甚至高达70.76%；此外，燃料的物理性质有明显差异主要是比重和人炉粒径差别较大。燃料性质的差异对锅炉的稳定运行影响很大。
(2)含碳量少，发热量低。按入炉时水分含量20%考虑，各种燃料的收到基含碳量一般在30%～40%之间，相对于煤炭等燃料比较低，也是其发热量低的主要原因，一般在13000—15 000kj/kg之间（按燃料水分含量20%折算）。以生物质为燃料的锅炉炉内温度偏低，燃烧稳定性较差。
(3)挥发份高。按入炉时水分含量20%折算，燃料的挥发份大都在60%左右，燃料入炉后挥发份迅速析出并燃烧，因此燃料着火温度低，易着火、燃烧迅速且易燃烬。
(4)灰分、硫分含量低，污染物排放浓度低。燃料的收到基灰分含量一般不超过3%，收到基硫分含量不超过0,13%，燃烧生成的烟尘和SOx排放量少，污染物排放浓度低，不需设专门的脱硫装置，对除尘装置的要求也不高。另外，燃料燃烧时，生成的CO2与其生长时通过光合作用吸收的相当，可以认为是零排放，有助于缓解温室效应，对当地环境保护都非常有利。
(5)灰中碱金属含量高，还存在微量的氯元素。燃料燃烧后灰中的碱金属尤其是K、Na的含量较高，燃料的灰熔点较低。从各种文献资料和工程经验来看，生物质燃料的灰熔点大都在800℃左右，锅炉容易出现腐蚀和结焦，影响正常运行；另外，生物质燃料中还可能含有少量的氯元素，与碱金属结合生成碱金属盐，使锅炉的腐蚀和结焦问题更加严重。
3、生物质燃烧方式及炉型选择
锅炉按燃烧方式可分为层燃炉（炉排炉）、室燃炉（煤粉炉）、旋风炉、沸腾炉（流化床锅炉）。目前生物质燃料应用较多的燃烧方式有两种，即层燃燃烧和流态化燃烧两种。
3.1层燃燃烧方式
以炉排炉为代表的层燃燃烧中，燃料在固定或者移动的炉排上实现燃烧，燃烧所需空气从下方透过炉排供应给上部的燃料，燃料处于相对静止的状态，燃料人炉后的燃烧时间可由炉排的移动或者振动来控制，灰渣从炉排下端或后端落下。
作为生物质锅炉运行较多的国家之一，丹麦基于本国的生物质燃料资源特点，以层燃炉为基本形式开发了以麦秸秆为燃料的振动炉排锅炉，麦秸秆在炉排的一端通过机械推送或者风力播撒送人炉膛后部，炉排向炉前倾斜，秸秆随着炉排的振动向炉前移动。其结构型式见图1。
生物质燃料着火温度低、挥发份份额高且析出快速，在燃料的给入段需迅速给人大量的燃烧风，在该处形成强烈的火焰燃烧区，燃烧区后烧散的燃料或者未燃烬的残枝、半焦等落在炉排上继续燃烧并通过炉排运动保证其燃烬；同时，为了保证大量的挥发份燃烬，炉排上部空间还需要有合理的二次风系统。从燃烧组织角度看，该技术根据生物质的燃烧特性对常规的炉排炉燃烧进行了改进，占主要燃烧份额的挥发份燃烧发生在燃料给入段和整个炉排上部空间。炉膛上部大量气相可燃物进行悬浮燃烧，部分未燃烬的燃料和半焦落在炉排上进一步燃烧则具有层燃的特性。该技术基本切合了生物质燃烧的特性，通过合理的燃料给入方式、一二次风配比以及控制炉排振动频率实现生物质的高效燃烧。
针对生物质燃料的碱金属问题，主要通过在炉膛上部、后部增加低温蒸发受热面，使进入第一级对流受热面的烟气温度降低到相对安全的程度，缓解尾部受热面碱金属问题，其它的辅助措施包括降低高温烟气换热区域内管内工质的温度、采用耐腐蚀管材以及强化吹灰和检修制度等。对于落在炉排上的残余燃料和半焦，由于土部辐射加热和自身的燃烧放热，即使是在炉排采用水冷的情况下，依然存在高温下灰烬出现软化、黏粘的现象，针对该问题的解决主要依赖精心设计的炉排移动和振动方式。良好的设计必须考虑在炉排上不同部位燃烧灰烬的堆积、软化、黏粘或者脱落特性，以保证在较高燃烬率的前提下的正常排灰，设计不良的炉排可能在短短几天内就会因为排灰不畅造成停炉。
根据对丹麦的振动炉排燃烧麦秸秆技术的跟踪和文献研究，在长期工程经验的积累基础上，炉膛对流受热面沉积、高温受热面金属腐蚀以及炉膛区的熔渣现象得到了一定程度的缓解，但没有根本解决；另外，炉膛内高温区域的控制、炉排的移动和正常排灰等设计和组织需要细致考察燃料的特性，一旦实际运行时燃料的特性发生改变，炉排炉对燃料变动的适应性较差的缺点容易凸显，燃烧效率降低和碱金属问题恶化。
国内生物质燃料具有多样性、复杂性和季节性的特点，丹麦的这种抛料式的炉型不太适用。国内通过技术引进后创新或自行开发等途径实现振动炉床燃烧设备的国产化，设计出适合中国国情的振动炉排。与丹麦技术最大的不同处在于其炉排是由炉前向炉后倾斜，燃料在炉前落到炉排上后，随着炉排的振动向炉后方向移动，结构型式见图20这种型式的炉排在同时燃用多种类型燃料时有很大的优势，目前国内生产的炉排基本上都是这种型式，已有大量的运行业绩。
3.2流态化燃烧方式
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，其炉型可分为鼓泡床和循环流化床锅炉，目前电站锅炉应用较多的是循环流化床锅炉，其主要特点是低温燃烧、燃料适应性强、燃烧可控性能好等，近年来得到了快速的发展，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。
由于流态化燃烧的优点，越来越多的电站利用循环流化床炉型进行生物质燃料的燃烧，从燃烧方式的组织角度结合生物质燃料的燃烧特性进行分析，主要有以下几个特点：
(1)低温燃烧特性和炉膛温度均匀性。循环流化床锅炉炉膛内大量惰性的床料与燃料之间充分的混合使燃料燃烧放出的热量能均匀释放，不会形成层燃燃烧所难以避免的局部高温，有效降低炉内气相碱金属的浓度和熔体形成的速度，基本解决了生物质锅炉的碱金属问题，可以说流态化燃烧在该点上优于层燃。
(2)较好的燃料适应性。循环流化床锅炉密相区的床料温度在800℃左右，热容量较高，即使燃料的水分高达50%—60%，进入炉膛后也能稳定燃烧，加上密相区内燃料与空气接触良好，扰动剧烈，燃烧效率较高。流态化燃烧对燃料的强适应性在燃煤甚至生活垃圾的应用已得到充分的体现。流态化燃烧不但能适应生物质原料在种类、破碎条件、水分、杂质含量等方面的变动，维持良好的燃烧组织，更重要的是燃料变动时，依然能够根据改变配风顺利实现设计目的，对碱金属引发的各种问题加以有效控制。
国际上以流态化燃烧技术燃用生物质的公司很多，有代表性的有AE&E、Foster Wheeler、B＆W、Kvaerner等，其主要的应用都在欧洲和美国，烧的多是木片锯末、果园修剪枝条以及河道污泥等，容量都不大。国外生物质流化床锅炉见图3。
在国内，针对生物质燃烧灰熔点低、易结渣等特点进行研究，不断改进循环流化床燃烧技术，通过采用特殊的配风及组织方式保证生物质的流态化燃烧和顺畅排渣，优化受热面布置，降低碱金属的腐蚀，解决了一系列的难题，设计的锅炉（见图4）安装在江苏宿迁、广西柳城等电厂，目前已投入运行。
3.3生物质燃烧方式的对比
相比层燃方式，流化床燃烧具有低温燃烧特性、炉膛温度均匀、燃料适应性好等特点，更能适应生物质燃料品种复杂、水分高、热值低的特点，炉内温度控制和机组负荷控制上也具有一定的优势；另外，目前国内外炉排锅炉的容量大都是75 t/h和130 t/h等级，当锅炉容量为220 t/h甚至更高时，炉排炉的炉排面积将按锅炉容量成比例增大，炉排的加工制作、布风的均匀、炉排的密封和受热面的腐蚀、结焦等方面都存在很大的技术难题，国内外尚无成熟经验可供参考和借鉴。一般认为，生物质炉排炉的最大容量一般以130t/h等级为上限，开发更大容量锅炉，技术研发成本增加，技术和投资风险加大，须要慎重考虑。而目前国内循环流化床燃煤锅炉已经可以做到容量为1 025t/h等级，并正在进行2 000 t/h等级锅炉的技术攻关，在以生物质为燃料的循环流化床向大型化方向发展上，可以从燃煤锅炉上借鉴一些成熟的技术和经验。
4、结论
综合所述，循环流化床锅炉特别适合生物质燃料的特性，在生物质锅炉大型化发展方向上有着极大的优越性和潜力。可以预见，循环流化床锅炉将是今后大型纯生物质直燃锅炉中主要选择。
