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肖惠平，徐荻萍
（南通萬(wàn)達(dá)鍋爐有限公司，南通226006）
摘要：從生物質(zhì)燃料的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及成分、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑等方面分析了燃料特性對(duì)生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行的影響，并對(duì)可控制的燃料特性或由燃料特性引起的鍋爐設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)給出一些參考性的建議。
生物質(zhì)能是一種可再生的清潔能源。合理地利用生物質(zhì)替代部分化石燃料，不僅可以緩解日益嚴(yán)重的能源緊缺問(wèn)題，而且可以降低CO2排放，有效地減少環(huán)境污染，因此開發(fā)生物質(zhì)能用于發(fā)電在我國(guó)具有重要意義。近幾年，國(guó)家出于節(jié)能減排、提高資源利用率的考慮，號(hào)召開發(fā)生物質(zhì)能源的再生利用技術(shù)，燃用生物質(zhì)燃料的循環(huán)流化床（CFB）鍋爐應(yīng)運(yùn)而生。如何使生物質(zhì)CFB鍋爐有效地降低成本、提高效率是不少科研院所和制造單位努力的方向。了解生物質(zhì)的燃料特性，采取有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，對(duì)保證生物質(zhì)CFB鍋爐的性能、延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命、提高鍋爐的效率具有深遠(yuǎn)的意義。
1生物質(zhì)燃料特性
燃料特性主要包括：水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、元素成分、發(fā)熱量、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其成分、顆粒粒徑的分布、破碎特性、密度等幾個(gè)方面。生物質(zhì)燃料的特殊性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
?。?）生物質(zhì)燃料揮發(fā)分高，析出溫度低，且析出過(guò)程短。
（2）水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)多變，高水分對(duì)燃燒的初始階段影響很大。
?。?）生物質(zhì)燃燒后灰分少，灰的質(zhì)地松軟。
?。?）生物質(zhì)燃料的半焦活性高，燃盡快。
（5）生物質(zhì)燃料的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，污染物排放質(zhì)量濃度低。
?。?）多數(shù)一年生草本類生物質(zhì)鉀、氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。
2生物質(zhì)燃料特性對(duì)鍋爐的影響
燃料特性對(duì)鍋爐的影響主要體現(xiàn)在：著火的難易、燃燒的穩(wěn)定性、結(jié)渣和黏結(jié)、成灰的特性及爐內(nèi)灰的質(zhì)量濃度分布、燃燒效率、污染物排放、受熱面布置、破碎系統(tǒng)的選取、輔機(jī)的選用。
生物質(zhì)CFB燃燒過(guò)程：首先是燃料顆粒得到高溫床料的加熱并干燥；然后是燃料熱解及揮發(fā)分燃燒；接著是某些顆粒會(huì)發(fā)生膨脹和一級(jí)破碎；最后是焦炭燃燒并伴隨磨損現(xiàn)象。
生物質(zhì)燃料特別易燃，揮發(fā)分燃燒在短時(shí)間內(nèi)完成（約3s）。半焦燃燒主要階段在燃料入爐后8～10s，半焦的基本燃盡需要45～50s，因此生物質(zhì)在爐膛的燃燒過(guò)程和煤的燃燒過(guò)程在發(fā)生時(shí)間、燃燒歷程等方面有著顯著的區(qū)別。
2.1灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
CFB需要大量的床料顆粒在循環(huán)回路中循環(huán)，使得熱量分布更加均勻，傳熱更快，燃燒更充分。
2.1.1對(duì)燃燒的影響
灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使鍋爐物料循環(huán)量增加，使?fàn)t膛燃燒溫度下降，特別對(duì)采用中溫分離的生物質(zhì)鍋爐尤為明顯。采用中溫分離的生物質(zhì)CFB鍋爐，一般情況下返料溫度在620℃左右，而當(dāng)含灰量大大增加時(shí)，會(huì)使返料溫度低于550℃，從而使?fàn)t膛溫度迅速降低，有時(shí)甚至造成爐膛滅火事故。
2.1.2對(duì)負(fù)荷的影響
煙氣中灰分質(zhì)量濃度對(duì)CFB鍋爐爐膛的傳熱系數(shù)影響很大，當(dāng)灰分質(zhì)量濃度增加時(shí)，水冷壁的對(duì)流和輻射傳熱系數(shù)都將增加，因此灰分質(zhì)量濃度作為調(diào)節(jié)負(fù)荷與床溫的手段被廣泛采用。
2.1.3對(duì)料層的影響
在CFB鍋爐運(yùn)行中維持床高的相對(duì)穩(wěn)定十分重要。床層過(guò)高、過(guò)低都會(huì)影響流化質(zhì)量，引起結(jié)焦。
2.1.4對(duì)尾部受熱面布置的影響
燃料灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響煙氣中飛灰質(zhì)量濃度，從而影響尾部受熱面的積灰和磨損。由于生物質(zhì)燃料外帶灰量的影響，使尾部省煤器積灰嚴(yán)重，因此省煤器結(jié)構(gòu)由原來(lái)的錯(cuò)列布置改為順列布置。
為了盡量減少燃料中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化產(chǎn)生的不利影響，當(dāng)燃料含灰多時(shí)，一般采取放底渣的方式。當(dāng)生物質(zhì)燃料含灰少時(shí)，靠自身的灰量無(wú)法滿足床料循環(huán)的要求，則在運(yùn)行中一般需要添加床料。所加床料成為循環(huán)物料的主體，且應(yīng)不易被磨損，如采用石英砂、河砂等。表1以75t/h鍋爐為例，給出了燃用不同生物質(zhì)燃料時(shí)的床料補(bǔ)給量，因各種燃料夾帶的砂土量不同，所以補(bǔ)料量也不同。
2.2灰成分的影響
秸稈灰750℃開始熔融，1000℃后熔融質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30％，1200℃徹底處于融化狀態(tài)。灰的成分不同，則灰的熔點(diǎn)和燒結(jié)溫度也不同，對(duì)流化床運(yùn)行的結(jié)團(tuán)、結(jié)渣和高溫腐蝕的影響也不同，碳酸化、硫鹽化產(chǎn)物易引起黏結(jié)，灰的硬度也不同。表2是對(duì)秸稈原料灰熔點(diǎn)及灰成分分析。
從表2中可以看出：秸稈具有很高的堿金屬含量，燃盡后草灰中的鉀與床料中的相互作用生成低熔點(diǎn)的化合物，因而容易在高溫爐膛內(nèi)結(jié)焦。在流態(tài)化燃燒過(guò)程中主要表現(xiàn)在床層聚團(tuán)和水冷壁及爐膛內(nèi)受熱面結(jié)焦等方面。床層聚團(tuán)發(fā)生的主要原因是局部熔融的生物質(zhì)半焦或者灰顆粒黏附在床料顆粒之后降低了流化質(zhì)量，導(dǎo)致局部流化不充分引起局部高溫，高溫又加劇了灰顆粒的熔融，從而強(qiáng)化了床料顆粒之間的黏結(jié)，使流化進(jìn)一步惡化，最終使流化失敗。因此，作為燃用生物質(zhì)的CFB鍋爐，要解決燃料在鍋爐中燃燒容易引起結(jié)團(tuán)、結(jié)焦的問(wèn)題。
對(duì)流受熱面易形成高溫黏結(jié)灰，積灰則是由生物質(zhì)中易揮發(fā)物質(zhì)（主要是堿金屬鹽）在高溫下?lián)]發(fā)進(jìn)入氣相后，與煙氣、飛灰一起流過(guò)煙道和受熱面（主要是過(guò)熱器和再熱器）等設(shè)備時(shí)，會(huì)通過(guò)一系列的氣固相之間的復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，以不同的形態(tài)在對(duì)流受熱面上發(fā)生凝結(jié)、黏附或者沉降。積灰容易產(chǎn)生高溫堿金屬腐蝕、鍋爐尾部低溫氯腐蝕和飛灰搭橋等問(wèn)題，在鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行中須引起注意。
針對(duì)流態(tài)化過(guò)程的結(jié)焦聚團(tuán)導(dǎo)致流化失敗和堿金屬導(dǎo)致的高溫腐蝕、低溫腐蝕問(wèn)題，可以從以下幾個(gè)方面加以解決：
?。?）利用生物質(zhì)易燃特性，控制燃燒回路溫度。由于生物質(zhì)灰熔點(diǎn)普遍較低，爐膛采用750～850℃（根據(jù)燃料的灰熔點(diǎn)確定）能有效抑制堿金屬的結(jié)渣，減少腐蝕的發(fā)生。
?。?）密相區(qū)選擇合適的流化速度，通過(guò)調(diào)整循環(huán)倍率，通過(guò)循環(huán)物料把合適的熱量攜帶到爐膛上部。
?。?）采用足夠的爐膛換熱面積，或在爐膛上部布置自然循環(huán)水冷屏，以降低爐膛出口煙氣溫度。
?。?）中溫循環(huán)灰保證密相區(qū)穩(wěn)定的運(yùn)行溫度（700℃以下），同時(shí)保持密相區(qū)一定的溫度。
?。?）設(shè)計(jì)獨(dú)特的高效分離裝置和較大的返料通徑，保證循環(huán)回路通暢。
（6）高溫級(jí)受熱面布置在較低煙氣區(qū)域，控制金屬壁面溫度。
?。?）依據(jù)工質(zhì)溫度選擇合適的材料。中溫中壓參數(shù)的高溫過(guò)熱器的材質(zhì)一般選用12Cr1MoVG，高溫高壓參數(shù)鍋爐的高溫過(guò)熱器用耐腐蝕的不銹鋼，如TP347或SUS316等，甚至可以采用臨界參數(shù)鍋爐才用的SA-213T91[1]。
?。?）尾部受熱面管組一般采用順列布置，橫向節(jié)距要比燃煤鍋爐大，可以防止飛灰搭橋。采用合適的吹灰手段有效控制灰沉積。
（9）低溫區(qū)域（空氣預(yù)熱器）常選擇09CuPCrNi-A（考登鋼），或搪瓷管等防腐蝕材料，以減少低溫氯腐蝕對(duì)鍋爐的不利影響。
2.3水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
生物質(zhì)燃料中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含水量）普遍較高，因此對(duì)鍋爐爐膛運(yùn)行的影響很大，主要體現(xiàn)在：
?。?）燃料入爐后水分大量吸熱，導(dǎo)致密相床溫降低，影響燃料的著火、燃燒。
?。?）使得燃燒中心上移，爐膛上部溫度過(guò)高。
（3）燃盡度降低，增加了不完全燃燒損失。
（4）煙氣量增加，尾部受熱面吸熱份額增加。
?。?）鍋爐排煙溫度提高，熱損失增加，降低了鍋爐效率（見表3）。
從表3中看出：隨著含水量的增加，排煙溫度和熱損失明顯增加，因此含水量是燃料利用效率降低的主要因素。同時(shí)燃料含水量還對(duì)其穩(wěn)定燃燒有著不利的影響。因此，生物質(zhì)CFB鍋爐雖然對(duì)水分波動(dòng)的適應(yīng)性較強(qiáng)，但要達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)盡量控制入爐燃料的水分在合理范圍內(nèi)。
2.4燃料顆粒粒徑的影響
CFB燃燒對(duì)燃料的適應(yīng)性較廣，對(duì)入爐燃料粒徑要求并不嚴(yán)格。但生物質(zhì)燃料密度小、質(zhì)地柔軟、有韌性，破碎難度大，大部分易纏繞，流動(dòng)性極差，過(guò)大或過(guò)小的顆粒粒徑都不太合適。
2.4.1對(duì)爐前處理設(shè)備及給料設(shè)備的影響
生物質(zhì)有兩類燃料：硬桿和軟桿。硬桿密度大，一般采用鏈板輸送；軟桿密度小，體積膨松，一般采用螺旋鉸龍輸送。顆粒小，破碎要求相應(yīng)提高，成本增加；顆粒大，會(huì)帶來(lái)纏繞、堵塞等問(wèn)題，影響燃料輸送。
2.4.2對(duì)鍋爐燃燒的影響
生物質(zhì)燃料一般較輕，其燃燒一般是揮發(fā)分析出和焦炭的燃燒。顆粒太小，爐內(nèi)停留時(shí)間太短，不能燃盡，增加尾部受熱面積灰及飛灰含碳量；顆粒太大，爐內(nèi)顆粒分布不均，揮發(fā)分析出慢，焦炭顆粒大，燃燒不充分，影響鍋爐正常運(yùn)行。因此，生物質(zhì)燃料顆粒粒徑應(yīng)加以控制，對(duì)于秸稈類的燃料破碎后尺寸控制在2～3cm為宜，最大尺寸小于10cm。
3設(shè)計(jì)示例
1臺(tái)75t/h生物質(zhì)CFB鍋爐，設(shè)計(jì)燃料為麥草，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)25％，灰熔點(diǎn)755℃，熱值11531kJ/kg。設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮到麥草桿軟質(zhì)輕，體積膨松，采用螺旋鉸龍輸送，利用螺旋擠壓能力進(jìn)行給料（見圖1）；其次考慮到麥草灰量少，含灰量只有8.9％，該鍋爐采用河砂進(jìn)行補(bǔ)料，正常情況下補(bǔ)料量為100kg/h，以便充分保證鍋爐循環(huán)灰的高度（圖2為補(bǔ)料裝置）；第三考慮到麥草水分大及灰熔點(diǎn)低的情況，會(huì)使得爐膛中上部溫度過(guò)高，因此在爐膛中上部設(shè)計(jì)了水冷屏，既保證了燃料的充分燃燒，又保證了整個(gè)循環(huán)回路的溫度，減少受熱面積灰，抑制堿金屬的結(jié)渣，從而減少腐蝕的發(fā)生（見圖3）。
4結(jié)語(yǔ)
生物質(zhì)燃料含灰量對(duì)CFB鍋爐的穩(wěn)定燃燒、爐膛的傳熱系數(shù)、尾部受熱面的積灰和磨損都有很大的影響，維持相對(duì)穩(wěn)定的床高在運(yùn)行中十分重要。生物質(zhì)燃料中的堿金屬含量高，容易引起結(jié)團(tuán)、結(jié)焦，從而引起受熱面腐蝕。控制燃燒區(qū)域溫度，選擇合適的流化速度也很重要。生物質(zhì)燃料大都含有很多水分，影響其著火、燃燒，降低鍋爐效率，因此應(yīng)盡量控制入爐燃料的水分。太大的燃料顆粒會(huì)使得燃燒不充分，影響鍋爐正常運(yùn)行，也必須適當(dāng)加以控制。
只有對(duì)生物質(zhì)燃料的特殊性充分掌握，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中才能更好地加以利用，提高鍋爐及其系統(tǒng)設(shè)備的適應(yīng)性和可靠性，以使生物質(zhì)直燃技術(shù)產(chǎn)生更高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
［1］韋江華.我國(guó)生物質(zhì)循環(huán)流化床的技術(shù)特點(diǎn)［J］.中國(guó)科技縱橫，2010（22）：19－20. |
