徐火力，伏喜斌

(廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院福建廈門361004)

　　摘要：通過時(shí)典型生物質(zhì)顆粒燃料及鍋爐熱效率研究分析，提出了優(yōu)化生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐燃燒和提高鍋爐熱效率的措施。

　　生物質(zhì)作為燃料時(shí)。由于生物質(zhì)在生長(zhǎng)時(shí)需要的CO₂量相當(dāng)于它燃燒時(shí)排放的CO₂量，因而大氣中的CO₂凈排放量近似為零，而且，生物質(zhì)中硫的含量極低，基本上無硫化物的排放。所以，利用生物質(zhì)作為替代能源，對(duì)改善環(huán)境，減少大氣中的CO₂含量，從而減少“溫室效應(yīng)”都有極大的好處。

　　因此，將生物質(zhì)作為化石燃料的替代能源，便能向社會(huì)提供一種各方面都可被接受的可再生能源從礦物能源資源有限和因大量使用會(huì)造成環(huán)境狀態(tài)惡化的戰(zhàn)略觀點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合我國(guó)擁有豐富生物質(zhì)資源的現(xiàn)實(shí)，發(fā)展工業(yè)鍋爐生物質(zhì)的燃燒技術(shù)，對(duì)節(jié)約常規(guī)能源、優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，將有積極意義。

　　生物質(zhì)燃料燃燒作為一種成熟的技術(shù)，具有低成本、低風(fēng)險(xiǎn)和高效率等優(yōu)勢(shì)。生物質(zhì)燃料在鍋爐中燃燒，是最直接的生物質(zhì)能利用方式，與煤燃燒過程類似，生物質(zhì)燃料燃燒過程非常復(fù)雜，具有多相變、非穩(wěn)態(tài)的特點(diǎn)，影響因素較多。目前，國(guó)家已明文規(guī)定禁止使用燃煤手燒鍋爐，鼓勵(lì)改為燃燒生物質(zhì)燃料。

　　生物質(zhì)燃料替代煤炭作為鍋爐燃料是可行的，但生物質(zhì)燃料也有一些不利于燃燒利用的特性，比如：生物質(zhì)水分含量較多，且水分隨生物質(zhì)加工過程和儲(chǔ)存條件有顯著變化，生物質(zhì)入爐后需要較高的干燥溫度和較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，而且生物質(zhì)低位發(fā)熱量隨水分增大而急劇下降，爐內(nèi)溫度場(chǎng)偏低，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難，同時(shí)較多的水分也增加了煙氣體積，使排煙熱損失增加；生物質(zhì)燃料中大量的揮發(fā)分析出后，如果空氣不足或溫度較低，揮發(fā)分易裂解析出碳黑。使?fàn)t子冒黑煙等為此，國(guó)家環(huán)保部《關(guān)于劃分高污染燃料的規(guī)定》的通知(環(huán)發(fā)[2001]37號(hào))中規(guī)定將“直接燃用的生物質(zhì)燃料(樹木、秸桿、鋸末、稻殼、蔗渣等)”等列為高污染燃料。

　　同時(shí)，國(guó)家環(huán)保部《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》(環(huán)發(fā)[2001]130號(hào))“推動(dòng)生物質(zhì)成型燃料、液體燃料、發(fā)電、氣化等多種形式的生物質(zhì)能梯級(jí)綜合利用；使用生物質(zhì)成型燃料應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范，使用專用燃燒設(shè)備”。可見，國(guó)家大力推廣使用生物質(zhì)成型燃料，因此，需要針對(duì)生物質(zhì)鍋爐的燃燒特點(diǎn)，有針對(duì)性的優(yōu)化其燃燒工藝參數(shù)，以提高鍋爐的熱效率，同時(shí)為避免能源的浪費(fèi)，提高生物質(zhì)燃料的有效利用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制的目的。

　　1生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的燃燒特性

　　所謂燃燒性能包括著火特性、燃燒穩(wěn)定性、燃盡特性、結(jié)渣特性以及爐膛出口煙溫偏差和爐膛水冷壁高溫腐蝕等特性。

　　1.1生物質(zhì)顆粒燃料的特點(diǎn)

　　生物質(zhì)成型燃料是將秸稈、稻殼、鋸末、木屑等生物質(zhì)廢棄物，用機(jī)械加壓的方法，使原來松散、無定形的原料壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料，其具有體積小、密度大、儲(chǔ)運(yùn)方便；燃燒穩(wěn)定、周期長(zhǎng)；燃燒效率高；灰渣及煙氣中污染物含量小等優(yōu)點(diǎn)。

　　生物質(zhì)成型燃料由可燃質(zhì)、無機(jī)物和水分組成。主要含有碳(C)、氫(H)、氧(0)、氮(N)及少量的硫(S)等元素，并含有灰分和水分。

　　生物質(zhì)燃料中碳多數(shù)和氫結(jié)合成低分子的碳?xì)浠衔铮龅揭欢ǖ臏囟群鬅岱纸舛龀鰮]發(fā)物。生物質(zhì)成型燃料除具有生物質(zhì)燃料的一般特點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①密封塑料袋包裝，裝運(yùn)方便，減少了運(yùn)輸成本；②固體顆粒，密度大、體積小，貯存方便，清潔安全，同時(shí)，投料方便，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地改善了勞動(dòng)環(huán)境，減少了勞動(dòng)力成本；③燃料揮發(fā)分高，易于燃燒；④燃料熱值高，水份低，燃燒效果好；⑤CO₂可達(dá)到生態(tài)“零”排放，SO₂、NO_x優(yōu)于柴油，排放完全達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。

　　與煤相比，生物質(zhì)顆粒燃料熱值基本和燃煤相當(dāng)，燃燒速度要比煤快，易于燃盡，燃燒充分且黑煙較少、排放的污染物很少，只包括少量的大氣污染物以及固體廢棄物。生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐排放的煙氣中包含有多種不同的物質(zhì)，其中，主要的污染物有不完全燃燒的顆粒C_xH_y和有害的氣體CO，這和生物質(zhì)顆粒燃料的組成成分有關(guān)系，但都是由于燃料的未充分燃燒而形成的。鍋爐的污染物氣體排放量相當(dāng)?shù)停⑶矣捎谏镔|(zhì)燃料中N、S等元素較少，所以最終排放的有毒氣體，如NO_x、SO_x較燃煤排放的要低的多，因此可延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命根據(jù)大量的數(shù)據(jù)分析可以認(rèn)為，生物質(zhì)燃料鍋爐燃燒后所釋放的大氣污染物濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)顆粒燃料燃燒后灰碴極少，極大地減少堆放煤碴的場(chǎng)地，降低出碴費(fèi)用：燃料燃燒后的灰燼是品位極高的優(yōu)質(zhì)有機(jī)鉀肥，可回收創(chuàng)利：生物質(zhì)顆粒燃料是大自然恩賜于我們的可再生的能源，作為一種新型的顆粒燃料以其特有的優(yōu)勢(shì)贏得了廣泛的認(rèn)可。

　　1.2生物質(zhì)顆粒燃料的著火特性和燃燒穩(wěn)定性

　　生物質(zhì)顆粒燃料一般都是經(jīng)過超高壓壓縮形成的微粒狀燃料，密度較原生物質(zhì)要大的多，這樣的結(jié)構(gòu)和組織特征使其可以很大程度上降低其的逸出速度和傳熱速度。該種燃料的點(diǎn)火溫度比較高，但是點(diǎn)火性能存在一定程度的下降，不過仍然要好于煤的點(diǎn)火性能。顆粒燃料的燃燒過程均可分為啟動(dòng)、預(yù)運(yùn)行、運(yùn)行、停止4個(gè)階段。顆粒燃料在燃燒開始階段會(huì)慢慢進(jìn)行分解，此時(shí)的燃燒主要處于動(dòng)力區(qū)，但是隨著燃燒進(jìn)入過渡區(qū)和擴(kuò)散區(qū)，燃燒的速度降低，就可以將大部分的熱量揮發(fā)傳遞到受熱面。從而使排煙的熱損失大大降低。同時(shí)，揮發(fā)分燃燒需要的氧氣和外界擴(kuò)散的氧氣比例適中。從而實(shí)現(xiàn)充分的燃燒，并進(jìn)一步減少了氣體不完全燃燒造成的損失和排煙造成的熱損失。燃燒充分完成以后，留下的焦炭骨架的結(jié)構(gòu)非常緊密。流動(dòng)的氣流無法分解骨架。從而使得骨架炭仍然能夠保持完好的層狀燃燒，并形成層狀的燃燒核心。

　　通過觀察，生物質(zhì)顆粒啟動(dòng)階段開始時(shí)，煙氣呈白色，主要是由水蒸汽組成，煙氣黑度較高；待點(diǎn)火成功后，火焰顏色較紅且寬。溫度較低，煙氣黑度變淡，呈灰色或黑色，主要是由于燃燒過程中助燃空氣不足造成的。預(yù)運(yùn)行階段，火焰變成了橘黃色，溫度逐漸升高，煙氣黑度更低。進(jìn)入運(yùn)行階段后，火焰由橘黃色變成了淺黃色，煙氣變成一縷淡淡的青煙。停止階段，煙氣黑度加大，火焰逐漸熄滅。不同生物質(zhì)顆粒燃料的C、H、O元素的含量不同，其所需的理論空氣量也不同，如果燃燒器的風(fēng)量是一定的，就會(huì)造成了過量空氣系數(shù)的不匹配。

　　各種顆粒燃料的NO_x排放質(zhì)量濃度與其N含量基本成正比關(guān)系，N元素含量高，其NO_x排放質(zhì)量濃度亦高；生物質(zhì)顆粒燃料在燃燒器中正常燃燒時(shí)的SO₂、NO_x等污染物排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。生物質(zhì)顆粒的灰分含量對(duì)燃燒器的正常運(yùn)行時(shí)間有顯著影響。如果顆粒燃料的灰分含量過大，會(huì)導(dǎo)致燃燒器因無法及時(shí)排出灰分而難以持續(xù)運(yùn)行。此外，底灰結(jié)渣率對(duì)燃燒器的正常運(yùn)行時(shí)間也有較大影響。

　　生物質(zhì)顆粒燃料所需的點(diǎn)火時(shí)問與燃料的揮發(fā)分、含水率密切相關(guān)，揮發(fā)分越高，含水率越低，點(diǎn)火時(shí)間越短。燃生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐燃燒比較穩(wěn)定，爐溫也相對(duì)較高。可以很大程度上減少固體和排煙的熱損失。

　　2典型生物質(zhì)顆粒燃料及鍋爐熱效率分析

　　2.1生物質(zhì)燃料化驗(yàn)分析

　　生物質(zhì)顆粒燃料各種成分的含量高低主要是由生物質(zhì)顆粒原料的成分所決定的部份使用單位的生物質(zhì)顆粒燃料的成份和發(fā)熱量見表1。其中：碳(C)含量少(約為45％～50％)，尤其固定碳的含量低，易于燃燒；氫(H)含量多(約為6％～10％)：氧(O)含量35％左右；氮含量大多數(shù)少于1％；硫(S)含量少于0，02％，燃燒時(shí)不必設(shè)置煙氣脫硫裝置，降低了成本，又有利于環(huán)境的保護(hù)；灰分含量低，1.5％左右；水分含量7％～10％；揮發(fā)分高，約為80％～85％；生物質(zhì)成型燃料的密度一般為1.1～1.4t／m³，熱值約為(19926±100)kJ／kg。

　　2.2能效測(cè)試分析

　　在近滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃生物質(zhì)顆粒鍋爐熱效率在74.3％～80.69％之間；從熱損失上看，主要是排煙熱損失q2。影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度與過量空氣系數(shù)。其中排煙溫度的高低與鍋爐的受熱面的布置以及尾部余熱回收裝置安裝與否有關(guān)：而過量空氣系數(shù)與TSGG0002—2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》要求的不大于1.65相差較遠(yuǎn)，有的甚至達(dá)到4.71，主要原因是大部分鍋爐尾部沒有安裝過量空氣系數(shù)檢測(cè)設(shè)備，調(diào)整風(fēng)量盲目。往往以煙囪不冒黑煙為調(diào)整依據(jù)，因此造成過量空氣系數(shù)偏高。部份使用鍋爐生物質(zhì)顆粒燃料成份及其燃燒特性見表2，鍋爐額定出力與鍋爐效率、排煙溫度、過量空氣系數(shù)的關(guān)系見圖1、圖2、圖3。

　　3優(yōu)化生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐燃燒，提高鍋爐熱效率的措施

　　根據(jù)燃燒方式不同，生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐分為固定爐排層狀燃燒、機(jī)械爐排層狀燃燒、流化床燃燒3種：燃料類型根據(jù)DB35／T1398—2013《生物質(zhì)固體成型燃料》，劃分為一級(jí)品、二級(jí)品和三級(jí)品，一級(jí)品發(fā)熱量最高。通過以下措施，優(yōu)化鍋爐燃燒，提高鍋爐熱效率。

　　(1)改善鍋爐結(jié)構(gòu)，以提升爐膛內(nèi)溫度(至少達(dá)600℃，為燃料充分燃燒提供燃燒基礎(chǔ)根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的燃燒特性，優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)，主要采用3室的燃燒結(jié)構(gòu)：即氣相燃燒室、固相燃燒室和燃盡除塵室。固相燃燒室的主要作用是為生物質(zhì)顆粒燃料供應(yīng)大量熱解的氣化熱量，從而產(chǎn)生大量的生物質(zhì)燃?xì)膺@部分生物質(zhì)燃?xì)馔ㄟ^底部的吸式結(jié)構(gòu)過濾凈化，并最終被導(dǎo)人氣相燃燒室中從而實(shí)現(xiàn)均相的動(dòng)力燃燒。氣相燃燒室的尾部主要采用旋流結(jié)構(gòu)制造，這樣可以讓燃?xì)獾幕鹧孢M(jìn)行充分的擾流，進(jìn)而促進(jìn)燃?xì)獾耐耆紵６急M除塵室一般采用降塵、燃盡、凝渣以及輻射傳熱等組合結(jié)構(gòu)，從而可以實(shí)現(xiàn)潔凈燃燒和輻射換熱等多重效果。

　　(2)增加二次進(jìn)風(fēng)口，補(bǔ)充膛內(nèi)燃料燃燒所需氧氣，并與燃料接觸充分。

　　(3)從顆粒燃料生產(chǎn)源頭抓起，保證燃料低水分，控制顆粒機(jī)出粒大小均勻。

　　(4)安裝過量空氣系數(shù)檢測(cè)設(shè)備，及時(shí)調(diào)整風(fēng)量，避免過大和過小的過量空氣系數(shù)。

　　(5)結(jié)合爐膛實(shí)際燃燒狀況，合理設(shè)置上料機(jī)上料速度和投料量。保證燃燒的時(shí)間。避免燃料層過厚，氣體和燃料達(dá)不到良性混合，蓄熱能力達(dá)不到充分燃燒的要求。

　　通過以上措施和控制，促進(jìn)生物質(zhì)燃料在鍋爐中的完全燃燒。燃料充分完全燃燒才能提升鍋爐熱效率。保證生物質(zhì)鍋爐的節(jié)能效益最大化。生物質(zhì)顆粒燃燒鍋爐的推廣和使用符合我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的基本要求和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本國(guó)策，具有十分突出的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，為緩解我國(guó)以及世界范圍內(nèi)的能源緊張問題和環(huán)境污染問題提供了解決的思路和方法，對(duì)于環(huán)境的保護(hù)和資源的有效利用具有重要的意義。

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