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徐永前
(蘇州市特創(chuàng)鍋爐壓力容器服務(wù)所，江蘇蘇州215128)
摘要：根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性設(shè)計制造直燃式生物質(zhì)工業(yè)鍋爐，對直燃式生物質(zhì)工業(yè)鍋爐的常見燃燒方式、生物質(zhì)層燃鍋爐的一些獨(dú)特結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析探討，有助于燃生物質(zhì)顆粒鍋爐性能的完善和提高。
0概述
生物質(zhì)能作為煤、石油、天然氣以外的第四大能源，是一種既環(huán)保又可再生循環(huán)利用的潔凈能源，它將成為未來世界最為重要的能源之一。我國生物質(zhì)能資源潛力折合7億噸標(biāo)煤左右，而目前年實(shí)際使用量為2.2億噸標(biāo)煤左右。因此，我國的生物質(zhì)資源還有很大的開發(fā)潛力。
生物質(zhì)是一種清潔的低碳燃料，其含硫和含氮量均較低，同時灰分份額也很小，所以燃燒后SO2、NOx和灰塵排放量比化石燃料要小得多，生物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境的最大貢獻(xiàn)還在于其具有CO2零排放的特點(diǎn)。
生物質(zhì)成型固體燃料在工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，近幾年，生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)和直燃式生物質(zhì)工業(yè)鍋爐的開發(fā)都有了很大發(fā)展，尤其在木質(zhì)生物質(zhì)顆粒制造方面，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)形成了只要有資源就存在顆粒生產(chǎn)基地的格局。
1生物質(zhì)成型燃料及生物質(zhì)固化
生物質(zhì)燃料中較為經(jīng)濟(jì)的是生物質(zhì)成型燃料，生物質(zhì)成型顆粒就是利用秸稈、薪材、植物果殼等農(nóng)林廢棄作物，經(jīng)粉碎—混合—擠壓—烘干等工藝壓制而成，可以制成棒狀、粒狀、塊狀等各種形狀。原料經(jīng)擠壓成型后，密度為0.8～1.4t/m3，能量密度與中質(zhì)煤相當(dāng)，燃燒特性明顯改善，火力持久黑煙小，爐膛溫度高，而且便于運(yùn)輸和貯存。
用于生物質(zhì)成型的方式主要有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和環(huán)模滾壓式等幾種。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的生物質(zhì)成型機(jī)一般為螺旋擠壓式，生產(chǎn)能力多在0.2～0.4t/h，電機(jī)功率7.5～18kW，電加熱功率2～4kW，生產(chǎn)的成型燃料為棒狀，直徑50～70mm，單位產(chǎn)品電耗70～100kWh/t。曲柄活塞沖壓機(jī)通常不用電加熱，成型物密度稍低，容易松散。
環(huán)模滾壓成型方式生產(chǎn)的成型燃料為顆粒狀，直徑6～12mm，長度20～40mm，不用電加熱。物料水分可放寬至18%，單機(jī)產(chǎn)量可達(dá)2t/h，產(chǎn)品電耗約為60kW/t，原料粒徑要求小于1mm。該方式主要用于大型木材加工區(qū)木屑加工或造紙廠秸稈碎屑的加工。
工業(yè)鍋爐主要采用直徑為8～10mm、長度為25～35mm以木質(zhì)為主的生物質(zhì)顆粒作為燃料，其主要技術(shù)指標(biāo)為：直徑6～12mm，長度為直徑的2～4倍，堆積密度大于600kg/m3，破碎率小于1.5%～2.0%，干基含水量小于10%～15%，灰分含量小于1.5%，硫含量和氯含量均小于0.07%，氮含量小于0.5%，熱值大于16MJ/kg。小型固定爐排和半氣化生活鍋爐主要使用棒狀或塊狀的生物質(zhì)燃料。
生物質(zhì)顆粒的成型密度是生物質(zhì)顆粒的一個重要指標(biāo)，它關(guān)系到生物質(zhì)顆粒的外形質(zhì)量和自然堆積密度，目前國內(nèi)許多地區(qū)生產(chǎn)的木質(zhì)顆粒燃料的密度都在1.1～1.3，然而較高的成型密度會導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)成本的增高。為了使顆粒達(dá)到一定的密度，必須提高模具成型孔的壓縮比，而較高的壓縮比使得成型孔在生產(chǎn)過程中經(jīng)常被堵塞，出料緩慢使顆粒的產(chǎn)量下降，模具損壞幾率增加。對于工業(yè)鍋爐使用的顆粒燃料，將顆粒密度確定在0.8～1.1最為經(jīng)濟(jì)。
2直燃式生物質(zhì)工業(yè)鍋爐
從燃燒機(jī)理分析，生物質(zhì)固體燃料與煤的燃燒機(jī)理十分相似，但生物質(zhì)的揮發(fā)分由于析出溫度低而易著火。實(shí)踐表明，直接采用燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)效果不好，會產(chǎn)生爐前熱量聚集且不穩(wěn)定、爐前料斗易著火、鍋爐停爐和啟動時冒黑煙、熱效率低等問題。
生物質(zhì)燃料許多特有的燃燒特性，決定了直燃式生物質(zhì)工業(yè)鍋爐的燃燒方式、供料方式及鍋爐的特有結(jié)構(gòu)，表1列出了生物質(zhì)固體燃料與煤的成分比較。從表1可見，生物質(zhì)固體燃料的含碳量遠(yuǎn)小于煤，揮發(fā)分遠(yuǎn)高于煤，二者的化學(xué)成分含量、密度(尤其是自然堆積密度)都有著較大的不同。因此生物質(zhì)的燃燒方式、供料方式、鍋爐結(jié)構(gòu)等必須有別于燃煤鍋爐。
2.1生物質(zhì)燃料的燃燒特性
生物質(zhì)燃料含碳量較低，因此熱值較低，燃燒時間較短。
生物質(zhì)燃料揮發(fā)分較高，且生物質(zhì)燃料中碳多與氫結(jié)合成低分子量的碳?xì)浠衔?，遇熱即析出，所以生物質(zhì)燃料易著火，需要采取攔火措施以防止?fàn)t前料斗內(nèi)著火。燃料預(yù)燃段揮發(fā)分析出量較大，此處必須配給足夠的空氣方能保證充分燃燒，否則就會產(chǎn)生黑煙。
生物質(zhì)燃料含氧量較高，燃燒時可適當(dāng)減少供風(fēng)量。
生物質(zhì)灰分較低，且密度小易被吹起，但生物質(zhì)灰熔點(diǎn)較低，爐膛內(nèi)易結(jié)焦、掛渣。
未經(jīng)固化的生物質(zhì)燃料自然堆積密度很小，一般在100～300kg/m3，因此燃料供給必須考慮足夠的供料速度、供料體積及燃燒室容積。
2.2直燃式生物質(zhì)工業(yè)鍋爐燃燒方式
國內(nèi)直燃式生物質(zhì)工業(yè)鍋爐常見的燃燒方式有層燃式(包括固定爐排燃燒、下飼式燃燒、鏈條爐排燃燒、往復(fù)爐排燃燒等)、室燃式(粉體燃燒)、懸浮式(流化床燃燒)。對于顆粒燃料，主要燃燒方式為層燃式。
(1)層燃式
在層燃爐中，熱功率≤0.7MW的鍋爐常采用固定爐排和下飼式燃燒，熱功率＞0.7MW的鍋爐較多采用鏈條爐排或往復(fù)爐排燃燒。
固定爐排燃燒主要解決燃料的自動連續(xù)供給且保證燃料在爐排上的均勻分布，因此配置合理的供料方式尤為重要。固定爐排四周一般為水冷受熱面，生物質(zhì)燃燒著火溫度較低，且析出氣體較多，這些氣體一旦未燃盡就與水冷面接觸，會導(dǎo)致鍋爐冒黑煙情況出現(xiàn)，因此，布置合理的二次風(fēng)對煙氣進(jìn)行擾動助燃可以很好地解決燃燒冒黑煙的問題。
下飼式燃燒適合于顆粒狀生物質(zhì)燃料，下飼式燃燒需要解決好灰渣的排除和停爐燃料自燃冒煙的問題。由于下飼式燃燒時燃料自下而上供給，灰渣在燃燒層表面，如果不能及時排除，因生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)較低，一定會出現(xiàn)結(jié)焦情況，結(jié)焦將導(dǎo)致爐床局部通風(fēng)不暢，使得燃燒無法正常進(jìn)行。
生物質(zhì)易自燃，鍋爐停爐時，燃燒將在缺氧狀態(tài)下繼續(xù)進(jìn)行并產(chǎn)生黑煙，因此，下飼式燃燒必須具備停爐攔火功能，以防止停爐時鍋爐冒黑煙。
鏈條爐排燃燒與往復(fù)爐排燃燒形式相似，只是爐排不同而已。理論上講往復(fù)爐排在供給燃料推動的同時，還能使火床上的燃料受到撥動，對碳的燃盡十分有利。這個觀點(diǎn)在燃料為生物質(zhì)顆粒情況下可以成立，但對于沒有進(jìn)行固化的生物質(zhì)燃料，由于自然堆積密度較小，爐床上料層厚度很厚，爐排面沒有足夠的傾斜度，往復(fù)爐排無法正常將料層向前推移，且高溫區(qū)爐排易燒壞;而鏈條爐排燃燒相對比較穩(wěn)定，爐排在返程可以得到冷卻，因此目前鏈條爐排是生物質(zhì)工業(yè)鍋爐最常見的燃燒設(shè)備。
采用分段供料的往復(fù)爐排，可以讓各燃燒區(qū)域推料速度不同，利用這個特性提高爐排前段運(yùn)行速度，保證生物質(zhì)燃料快速進(jìn)入爐膛，解決了生物質(zhì)易燃著火、燃燒過快的問題，將爐排后部速度降低，有利于燃料中固定碳的充分燃燒。在熱功率較大的生物質(zhì)層燃鍋爐中，采用分段供料的往復(fù)爐排比較常見。
鏈條爐排、往復(fù)爐排鍋爐燃燒生物質(zhì)燃料必須根據(jù)生物質(zhì)種類確定爐排速度和料層厚度，合理布置前后拱、爐墻、爐膛容積及配風(fēng)，并設(shè)置合理的啟、停爐順序，方能保證生物質(zhì)燃燒正常進(jìn)行。
(2)室燃式(粉體燃燒)
粉體燃燒爐是專為燃燒家具、地板等企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量粉體廢料設(shè)計的，粉體燃燒爐采用類似煤粉爐的燃燒技術(shù)，將粉體與空氣混合后噴入爐膛，粉體在爐膛內(nèi)懸浮燃燒。
粉體隨空氣一同噴入爐膛，在爐膛內(nèi)滯留時間較短，很可能未充分燃燒就進(jìn)入水冷受熱面，導(dǎo)致部分未燃盡的顆粒得不到完全燃燒、受熱面上產(chǎn)生大量積灰。因此粉體燃燒爐如何延長粉體在爐膛內(nèi)燃燒時間是該爐型主要解決的問題，同時由于粉體易燃易爆，燃燒安全也是主要考慮的因素。
(3)懸浮式(流化床燃燒)
流化床燃燒對燃料的適應(yīng)性較廣，生物質(zhì)燃料無需固化就能在流化床上充分燃燒，一般應(yīng)用于鍋爐容量較大且燃料品種較雜的工業(yè)鍋爐，目前國內(nèi)流化床鍋爐最小容量為7MW。
2.3直燃式生物質(zhì)層燃鍋爐獨(dú)特結(jié)構(gòu)
由于生物質(zhì)的燃燒特性與燃煤比較相似，因此大部分生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)都與燃煤鍋爐類似，層燃鍋爐依然是生物質(zhì)工業(yè)鍋爐的最基本爐型。根據(jù)生物質(zhì)特性設(shè)計的生物質(zhì)層燃鍋爐具有一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。
(1)鍋爐本體
與燃煤鍋爐相同，生物質(zhì)層燃鍋爐本體主要有水管、水火管兩種結(jié)構(gòu)，一般情況下2.8MW以下的鍋爐大多采用水火管結(jié)構(gòu)，4.2MW及以上的鍋爐主要采用水管結(jié)構(gòu)。但實(shí)際應(yīng)用情況表明，由于水管鍋爐對流管束易積灰且不易清理，生物質(zhì)燃料的粉塵比較疏松，附著力比煤灰要強(qiáng)許多，所以常常因清灰而造成停爐，且停爐時間較長。相比之下，水火管鍋爐的煙管束不易積灰，易清理，因此國外的生物質(zhì)鍋爐主要采用水火管爐型。國內(nèi)新型的單回程煙管水火管鍋爐，在減少煙管數(shù)量、降低鍋爐耗鋼量的同時，保留了水火管鍋爐的特征，是一種比較適合燃用生物質(zhì)燃料的爐型。
(2)爐前料斗
層燃鍋爐一般通過爐前料斗對爐膛供料，由于生物質(zhì)燃料非常易燃，為了防止燃料提前著火或在爐前料斗內(nèi)燃燒和蔓延，生物質(zhì)鍋爐爐前料斗內(nèi)應(yīng)當(dāng)設(shè)置較完善的燃料隔斷和密封設(shè)施，生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐常采用關(guān)風(fēng)機(jī)式鎖料裝置或滾動式撥料裝置進(jìn)行燃料的隔斷，如圖1所示。
(3)鍋爐熱效率
目前的生物質(zhì)層燃鍋爐熱效率往往較低，主要原因是生物質(zhì)易燃且固定碳很少的特征，造成爐床局部燃燒激烈，大部分爐床只有少量固定碳在燃燒，因此生物質(zhì)爐床的配風(fēng)處理比較困難。為了保證充分燃燒，生物質(zhì)鍋爐的過量空氣系數(shù)普遍較高，造成鍋爐的排煙損失大為上升。此外，生物質(zhì)鍋爐較易積灰，使得鍋爐傳熱效果下降，這些都造成了生物質(zhì)鍋爐熱效率下降。因此合理配置一次風(fēng)和二次風(fēng)，控制好風(fēng)量、風(fēng)壓和進(jìn)風(fēng)位置，是提高生物質(zhì)鍋爐熱效率的有效措施。此外，通過爐墻的合理布置，延長煙氣在爐膛的滯留時間，保證揮發(fā)分得到充分燃盡。
布置合理的清灰裝置，及時清理換熱面的積灰，都可以大大提高鍋爐的熱效率。
(4)爐膛容積、爐排面積
與燃煤鍋爐相比，生物質(zhì)鍋爐爐膛容積需要增加很多，以適應(yīng)生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分的特征，降低爐膛溫度，防止?fàn)t內(nèi)結(jié)焦掛渣，減少NOx的產(chǎn)生。由于生物質(zhì)固定碳含量較低、易燃盡，生物質(zhì)鍋爐爐排面積可適量減小。
(5)爐墻、配風(fēng)
生物質(zhì)燃燒一般可以分為三個區(qū)域———氣化區(qū)、燃燒區(qū)和燃盡區(qū)，可以通過爐墻將爐膛劃分出這3個部分，分別為燃料干燥和揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃盡、固定碳燃燒及固定碳燃盡的區(qū)域。一般來說，生物質(zhì)燃料易著火，所以爐膛的絕熱度相對可以低些，前拱可以高且短，后拱覆蓋面也可以減少很多，但合理布置中隔墻可以延長煙氣在爐膛內(nèi)的燃燒時間，保證煙氣的充分燃盡。
合理配風(fēng)是燒好生物質(zhì)的基本條件，由于揮發(fā)分高且析出迅速，通過二次風(fēng)進(jìn)行爐膛煙氣擾動是使揮發(fā)分完全燃燒的有力措施。常見生物質(zhì)燃料的理論空氣量為4～5m3/kg，過量空氣系數(shù)控制在1.4左右為佳，二次風(fēng)約占總風(fēng)量的25%～30%，二次風(fēng)應(yīng)當(dāng)布置在燃料氣化區(qū)的出口或上部。
(6)爐排速度
爐排速度是燃料供應(yīng)量的保證。一般生物質(zhì)燃料的自然堆積密度都很小，為了滿足鍋爐出力的需要，必須具有足夠快的爐排速度作為支撐。表2列出了幾種常見生物質(zhì)燃料燃燒時的料層厚度和爐排速度。
從表2可見，由于生物質(zhì)自然堆積密度過小及熱值偏低，需要提高料層厚度和爐排速度方能滿足燃燒量的需求，但過高的爐排速度會直接影響生物質(zhì)中固定碳的完全燃燒，這也是造成生物質(zhì)鍋爐熱效率低的一個原因。將生物質(zhì)固化成成型顆粒可以很好地解決這一問題。
(7)鍋爐除渣、除塵
生物質(zhì)燃料鍋爐的煙塵中硫氧化物、氮氧化物的含量較低，但粉塵含量相對較大，且粉塵密度、粒徑都很小，離心式除塵裝置效率較低，比較有效的方法是采用布袋除塵器，為了防止大顆?；鹦沁M(jìn)入布袋，可以離心除塵和布袋除塵聯(lián)合使用。一般來說，鍋爐除塵可根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求配置水膜除塵器或布袋除塵器，在環(huán)保要求高的地區(qū)可配置布袋除塵裝置。
由于木質(zhì)生物質(zhì)燃料的灰分含量很低(2%左右)，因此鍋爐排渣系統(tǒng)可采用水力沖刷、氣力吹掃或人工清理，一般狀況下，容量10t/h以下的鍋爐可采用人工清理，每班清理1～2次。
2.4直燃式生物質(zhì)層燃鍋爐實(shí)例
表3、表4分別列出了一臺DZL4—1.25—T燃生物質(zhì)顆粒燃料蒸汽鍋爐(見圖2)的熱力計算匯總和能效測試結(jié)果匯總。由測試數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)生物質(zhì)燃料特性以及生物質(zhì)層燃鍋爐特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的燃生物質(zhì)顆粒燃料蒸汽鍋爐，已經(jīng)可以滿足正常使用的要求。
3結(jié)論
生物質(zhì)燃料在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性等方面有許多優(yōu)點(diǎn)，生物質(zhì)工業(yè)鍋爐的應(yīng)用也越來越普及。然而我國生物質(zhì)燃料的利用起步較晚，生物質(zhì)顆粒的生產(chǎn)、生物質(zhì)工業(yè)鍋爐技術(shù)還不太成熟。目前市場常見的鍋爐大都是由燃煤鍋爐改型而來，實(shí)踐證明，保留燃煤特征的鍋爐要燒好生物質(zhì)是有難度的，但是可以相信，生物質(zhì)燃料和生物質(zhì)工業(yè)鍋爐在不遠(yuǎn)的將來一定會有一個更大的發(fā)展。 |
