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层燃锅炉燃煤改烧生物质颗粒燃料的探讨
发布时间：2012-11-26 16:55 来源：未知
0、引言
生物质燃料是世界上公认的清洁能源，它替代煤、油成为新的能源是必然趋势。目前很多国家在中小型工业锅炉上都有生物质颗粒燃料的应用，我国尚在起步阶段，新的炉型较少，大部分都是燃煤锅炉改烧生物质颗粒燃料。但是由于生物质颗粒燃料与煤的燃烧特性不同，所以原有锅炉结构与操作工艺必须加以改造或改进，否则锅炉出力、锅炉热效率将大幅下降，甚至锅炉设备出现事故而造成损失，使这一新生事物无法正常推广。本文试从以下几个方面做分析探讨。
1、生物质颗粒燃料的燃烧特性
生物质成型燃料的燃烧过程是强烈的化学反应过程，又是燃料和空气间的传热、传质过程。生物质成型燃料在燃烧过程中有以下一些特点：
(1)挥发分在350℃时就析出约80%，析出及燃烧时间短，只占燃烧时间的10%左右；
(2)需保证适合的空气量和空气供给方式，以使燃料燃烧充分；
(3)高密度大颗粒燃料与低密度的颗粒燃料相比，其在整个燃烧过程中的燃烧速度相对平稳一些。同煤一样，粒度比较均匀，燃烧工况相对平稳，易于控制；
(4)颗粒燃料的燃烧主要是挥发分的燃烧，通风量大使炉膛内的温度降低，挥发分析出速度相对平稳。同时较低的炉膛温度可使NOx的生成大大减少。
生物质颗粒燃料本身的灰分中含有Ca2+、Na+、K+等离子，这些离子在燃烧过程中容易形成渣层，且灰的软化温度较低，因此燃料本身的特性决定了结渣的特性和程度。与煤相比生物质颗粒燃料的灰熔点要低，更易结渣。燃烧过程中燃料层的温度、炉膛温度、燃料与空气混合不充分以及锅炉超负荷运行是造成结渣的重要因素。
2、燃煤层燃锅炉的改造与操作运行工艺改进
2.1综合性改造
(1)为了适应生物质颗粒燃料的燃烧，需对鼓、引风机增装变频调速装置。它可以随意调整供、引风量及风压、烟压，使燃料充分燃烧，经济运行。风机变频调速节能是众所周知的，对燃用生物质颗粒燃料更有其独到的作用。
(2)炉排运转采用变频调速。当燃料品种固定后，在负荷一定的情况下燃料层厚度无需经常调整，只需对炉排速度及配风进行调整。所以炉排为变频调速方式能更好适应不同燃料的燃烧。
(3)增装二次风系统。通常情况下，除抛煤机倒转炉排锅炉外，一般的中小型锅炉只设有一次风系统就町以满足燃料燃烧了。但生物质颗粒燃料的挥发分是煤的几倍，析出和燃烧时间很短，只是整个燃烧时间的10%左右，且主要是在炉膛窄间燃烧，此时单靠从炉排下部供给的一次风是远远不够且不及时的，必须及时向炉膛空间送入适量的空气，保证燃料悬浮燃烧所需的足够氧气。
增装二次风系统时，首先要计算好合适的风压和风量，选用变频调速风机会更加适应燃烧需求。要使二次风进风口布置在炉墙的不同位置，再以不同的角度向炉内供风的同时扰动气流，保证燃烧区域有合适的温度水平，延长可燃物与高温烟气在炉内的停留时间。伸入炉墙，靠近炉膛内壁的送风管，选择陶瓷、铸铁材质的较好，该材质耐热、耐磨，不易损坏。
2.2燃烧设备的选择
适应生物质颗粒燃料燃烧特性的燃烧设备，为保证燃烧效率比较高，首选循环流化床，中小型工业锅炉则首推抛煤机倒转炉排。因为它具有层燃和悬浮燃的综合特点。首先由炉前若干个燃料进口角度及推煤行程可调的机械风力抛煤机，将颗粒燃料抛入炉膛。大的颗粒落在炉排的后部，小的颗粒落在炉排的前部，炉排由炉后向炉前部行进，在一次风的配合下燃烧，燃尽的灰渣落入前部渣斗。较小的颗粒及粉状燃料则在抛入炉膛内时就在空中迅速地呈悬浮状燃烧，并由二次风供给足够的氧气。
供助于前墙二次风的托送，在后墙=次风的交叉扰动下，这种燃烧方式强化了燃烧，保证了生物质颗粒燃料的及时着火和充分燃尽，在合适的过量空气系数时，气体和固体未完全燃烧损失比燃煤大大减少，锅炉热效率明显提高。瑞典Boras建造的两台出力90t/h的锅炉就是采用抛煤机倒转炉排，平时烧小木块，也可以烧煤。
小容量的链条炉排锅炉及往复炉排锅炉，也可以采用增加风力进料装置的办法，即在锅炉前部炉排上方布置若干个进口角度可调的进料口，分别向炉内均匀进料。同时通过布置在进料口下方的二次风将燃料送入炉膛前部，并在一次风的配合下，在炉膛内进行悬浮燃烧。在悬浮燃烧的过程中，较大的颗粒燃料落到炉排上，并随着炉排的推动或行进来进行层状燃烧，逐渐燃尽而落入灰渣斗。这种方式由于比抛煤机抛煤悬浮燃烧的燃料份额少，只需在炉膛前部布置二次风，后墙二次风不需布置或少量布置。这种方式也是适合生物质颗粒燃料强化燃烧的一种方式。
2.3增加燃烧室及燃烧设备
由于燃煤锅炉燃烧室结构尺寸形状，都是按照煤种设计确定的，所以要想完全改造成与烧生物质颗粒燃料相匹配，几乎是不可能的。如果锅炉旁有足够的空间位置，经过经济分析比较可行的话，可以给锅炉增加一个新的燃烧室，主要任务是发生可燃气体并初步燃烧，原有的燃烧室（炉膛）做为燃尽室。这样新的燃烧室就完全可以按照生物质颗粒燃料设计，尽可能达到高效燃烧。据国外资料介绍，这种改造方式对于小型锅炉来说，成功率很高，成功的例子也很多。如果炉膛容积足够大，则将固定炉排改为移动炉排则是方便的选择。选择小型炉排时，应优先选用倾斜式往复炉排，更适合于生物质颗粒燃料燃烧，尤其是不易结渣。
综上所述，控制燃料结渣的措施主要有：
(1)控制炉膛过量空气系数a=1.5时为好。
(2)控制炉膛温度不超过900℃，避免超负荷运行。
(3)可混烧一些灰熔点较高的燃料，例如燃用灰熔点低的玉米秸杆颗粒时可掺烧一些木屑颗粒燃料，甚至可以掺烧一些煤粉。
(4)燃料层厚度应均匀，在100~ 200mm之间为宜。
(5)如果有条件可改为流化床。由于流化床的燃烧温度相对较低（大约850℃），则生物质颗粒燃料就不存在灰渣熔化和结渣问题。
3、燃用生物质颗粒燃料锅炉热损失的分析与对策
3.1固体不完全燃烧热损失
固体不完全燃烧热损失，随着炉膛过量空气系数a的增大逐渐减小，当达到一定值后，随着a的增大，固体不完全燃烧热损失又随着增大。由文献[5]可知，应控制a在1.5左右为宜，此时的固体不完全燃烧热损失在3%左右，远远小于燃煤的固体不完全燃烧热损失，这是由生物质颗粒燃料特性所决定的。
3.2气体不完全燃烧热损失
气体不完全燃烧热损失随过量空气系数a呈相应变化规律。即气体不完全燃烧热损失随着a由小到大，逐渐减少，当减少到一定值时，随着“的增大又开始增大。但是生物质成型颗粒燃料的特性决定了它的气体不完全燃烧热损失远远小于煤的气体不完全燃烧热损失。由文献[5]可知，当a=1.5左右时，只有1%左右。
3.3散热损失
散热损失主要取决于锅炉散热表面积的大小及表面温度，当表面积一定后，只与表面温度有关，而表面温度的高低则取决于炉内燃烧的工况。所以要在保证炉内燃烧工况正常的前提下，来确定散热损失是否在允许的范围内。正常情况丁生物质颗粒燃料燃烧时炉膛温度在900℃左右，比燃煤锅炉的炉膛温度要低150℃左右。所以燃生物质颗粒燃料的锅炉散热损失要比燃煤锅炉的少。
3.4排烟热损失
排烟热损失主要取决于排烟量的多少与排烟温度的高低。在空气过量系数适当、燃烧工况正常的情况下，燃生物质颗粒燃料的锅炉排烟热损失要小于燃煤锅炉。
由文献[5]实验得出的结论：燃生物质颗粒燃料的锅炉当炉膛过量空气系数合适（大约在1.5时）燃烧工况稳定，要比燃煤锅炉的热损失小10%左右，这主要是由燃料特性决定的。
4、改造后的锅炉出力变化
依照锅炉设计规范，当锅炉的额定出力和传热介质的进出口参数确定后，要确定燃料品种及相关特性参数，然后先进行炉膛设计。炉膛形状大小要通过炉膛体积热负荷、过量空气系数等参数计算确定。其次是燃烧设备的设计。炉排种类、炉排面积的设计，依据炉排面积热负荷和单位有效燃料体积热负荷的大小而计算确定；而锅炉受热面的设计则要依据传热系数、排烟处的过量空气系数和排烟温度的大小。另外尚要确定锅炉热效率的大小，从而决定锅炉的设计水平。当燃料发生变化后，现有的锅炉即使改造的措施再完善，与按新燃料重新设计的锅炉也要有一定的差别，这是客观现实。虽然生物质颗粒燃料从燃烧特性上比较接近煤，燃烧效率较高，但发热量较低，与低质煤的发热量相近，若想达到原设计出力，就必须加大燃料的投入和燃烧。但是应该认识到改造后的锅炉燃烧设备虽然采取了多种措施，但是也不可能与生物质颗粒燃料燃烧完全匹配。由于燃烧强度降低，传热温差减小等因素，可能要造成锅炉出力的减�。ㄓ写笛槿范ǎ�。如果增大燃烧设备的负荷而强制燃烧，就会造成锅炉热损失的增加，使锅炉热效率下降。为此在锅炉进行改造前，就一定要充分认识到这一点，采取必要的措施加以应对。
5、结论和建议
燃煤锅炉改烧生物质颗粒燃料是可行的。采取必要的改造措施后，原锅炉可以做到对燃煤和燃生物质颗粒均适应。两种燃料掺合混烧也是可行的，国外文献多有介绍。锅炉燃生物质颗粒后热效率可提高10%左右，大大减少了粉尘，S02和NOx的排放，节能减排，利国利民。如果一旦生物质颗粒燃料出现短缺，可以马上更换烧煤，只需调整操作方式，而不必对设备进行改动（包括输煤和除渣系统）。唯一需要注意的是锅炉出力有可能降低，有待实验
确定。法库辽河经济开发区热源厂的7MW链条锅炉已计划于2009年进行燃用生物质颗粒燃料的实践运行。
