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任智銓1，張富勝1，段緒強(qiáng)2，張鄂嬰2
（1.江蘇省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院徐州分院，江蘇徐州221000）
（2.江蘇四方鍋爐有限公司，江蘇徐州221000）
[摘要]生物質(zhì)燃料用于鍋爐，既可解決能源短缺問題，又可減輕環(huán)境污染。通過對生物質(zhì)和酒糟燃燒機(jī)理的研究，開發(fā)了生物質(zhì)燃料鍋爐。文章闡述了該類型鍋爐的設(shè)計特點及運(yùn)行情況。
隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，煤炭、石油等一次能源被大量消耗，能源短缺問題日益嚴(yán)重。尋求新的可再生能源代替煤炭、石油等一次能源，成為一項重要任務(wù)。生物質(zhì)能源以農(nóng)林等有機(jī)廢棄物和土地種植物為原料、以農(nóng)作物淀粉油脂作為調(diào)劑生產(chǎn)的清潔能源及相關(guān)化工產(chǎn)品，系環(huán)境友好型可再生能源，如多種燃料乙醇、生物柴油和沼氣等。相比其它可再生能源，生物質(zhì)能源具有多項優(yōu)勢。生物質(zhì)能源使用秸稈、稻殼等廢棄物，這些廢棄物即便不用，在腐化過程中同樣會釋放溫室氣體。若采用生物質(zhì)作為燃料，則可實現(xiàn)真正意義的零排放。因此，生物質(zhì)能源具有明顯的優(yōu)勢。
鍋爐是一種能源消耗產(chǎn)品。提高鍋爐的效率，使之節(jié)能是今后發(fā)展的重要方向。面對著能源短缺問題，按照國家節(jié)能環(huán)保的要求，發(fā)展生物質(zhì)燃料鍋爐具有巨大的潛力[1]。
1生物質(zhì)能源的燃燒機(jī)理
生物質(zhì)能源作為鍋爐的燃料，與常規(guī)燃料（煤炭）相比，具有以下幾個明顯特點：（1）發(fā)熱值低，水分含量大，且隨季節(jié)變化較大；（2）玉米秸稈灰中SiO2含量高，存在著床料易結(jié)團(tuán)、尾部對流受熱面磨損嚴(yán)重的問題；（3）揮發(fā)分高、含氧量高、灰量偏少、燃料及灰密度低。具有易著火（300℃左右）、燃盡率低、CO排放量較大；（4）灰熔點低，易粘結(jié)；（5）秸稈灰中Na、K、Cl離子含量高，容易出現(xiàn)高低溫腐蝕；（6）密度小，質(zhì)量輕，易懸浮[2]。
2生物質(zhì)燃料鍋爐的設(shè)計特點
2.1燃料特性
以設(shè)計生產(chǎn)的75t/h中溫中壓循環(huán)流化床生物質(zhì)燃料鍋爐為例。此型鍋爐的燃料主要為稻殼和秸桿，為保證鍋爐具有良好的適用性，鍋爐按玉米稈的成分設(shè)計，鍋爐考核試驗時，按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折算。設(shè)計的燃料成分見表1。
燃料入爐前的粒徑要求控制在長8cm、寬2cm、厚2cm以內(nèi)。鍋爐運(yùn)行時，根據(jù)實際的燃料情況進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整。
2.2鍋爐設(shè)計參數(shù)
鍋爐汽水參數(shù)見表2，鍋爐效率參數(shù)見表3。鍋爐簡圖見圖1。
由于生物質(zhì)燃料和常規(guī)燃料（煤炭）相比具有許多不同，為此，設(shè)計中采取了相應(yīng)措施以保證鍋爐安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
2.3鍋爐設(shè)計特點
（1）保證生物質(zhì)燃料充分燃燒
由于生物質(zhì)燃料具有揮發(fā)分高、含氧量高、灰量偏少、燃料及灰密度低容易著火（300℃左右）、燃盡率低、CO排放量較大的特點，設(shè)計中采用了足夠的爐膛高度和寬度，與相同參數(shù)的燃煤鍋爐相比，爐膛的寬度方向增加了3m左右，爐膛深度方向增加了1m左右，爐膛高度增高了1m左右。同時采用合理的爐膛出口溫度，采用高效旋風(fēng)分離器分級燃燒，合理布置二次風(fēng)風(fēng)口高度，選取較大過量空氣系數(shù)等措施，以保證碳粒的燃燒條件和在爐內(nèi)的停留時間，提高鍋爐燃燒效率，減少CO排放。
（2）保證鍋爐參數(shù)穩(wěn)定
由于生物質(zhì)燃料質(zhì)量輕，發(fā)熱量低，燃燒爐膛溫度低，為保證鍋爐參數(shù)即鍋爐的受熱面積，在設(shè)計中采用4通道布置，在煙氣出口位置增加一個通道，進(jìn)行布置屏式過熱器，增加煙氣流程，保證鍋爐在設(shè)計參數(shù)下穩(wěn)定運(yùn)行。
（3）保證生物質(zhì)燃料的流化循環(huán)穩(wěn)定
由于生物質(zhì)燃料具有密度小，質(zhì)量輕，易懸浮的特點，在設(shè)計中通過選取合理的流化速度，設(shè)置床料補(bǔ)充系統(tǒng)，選用含F(xiàn)e2O3較多的流化床鍋爐灰渣作為啟動床料，采用較高的風(fēng)帽阻力，以避免床料結(jié)團(tuán)和分層流化，保證流化均勻。
（4）采取有效措施減輕磨損及積灰
由于玉米秸稈灰中的SiO2含量高，存在著床料易于結(jié)團(tuán)、尾部對流受熱面磨損嚴(yán)重的問題。在設(shè)計中采用大節(jié)距、順列布置、低煙速（約5～6m/s）、布置高效吹灰器等手段，以減輕磨損，防止沾污、堵灰和積灰。
（5）采取有效措施減輕高低溫腐蝕
由于秸稈灰中Na、K、Cl離子含量高，容易出現(xiàn)高低溫腐蝕，在設(shè)計中合理控制高溫過熱器入口煙溫，減少汽溫偏差，以減輕過熱器高溫腐蝕。同時采用熱管式空氣預(yù)熱器，提高空氣預(yù)熱器冷端壁溫，克服低溫腐蝕。
3生物質(zhì)燃料鍋爐設(shè)計分析
75t/h中溫中壓循環(huán)流化床生物質(zhì)燃料鍋爐設(shè)計中采取的一些措施經(jīng)過實際運(yùn)行驗證，效果較好，分析如下：
（1）生物質(zhì)燃料鍋爐的爐膛尺寸在燃煤的基礎(chǔ)上進(jìn)行了加大加高，爐拱相應(yīng)進(jìn)行了改造，燃料入爐膛后，干燥著火及時，在爐膛中呈懸浮＋層狀燃燒，布置二次風(fēng)，采用分級燃燒，風(fēng)量供給充足，燃燒完全。飛灰含碳量小于12%，底渣含碳量小于2%，表明生物質(zhì)在爐膛內(nèi)燃燒效果較為理想。
（2）高效旋風(fēng)分離器在燃煤循環(huán)流化床上采用后分離效果明顯，使機(jī)械不完全燃燒損失中的飛灰熱損失減少2.5%～3.5%左右。既提高了飛灰中碳的燃盡率和煤的燃燒效率，又進(jìn)一步降低了煙塵排放黑度，還有效地提高了鍋爐的出力。
（3）鏈條式生物質(zhì)燃料鍋爐的主要運(yùn)行參數(shù)達(dá)到設(shè)計要求。
4酒糟燃料鍋爐介紹
目前，除開發(fā)了稻殼、棉桿、秸桿等生物質(zhì)燃料的鍋爐以外，還開發(fā)了酒糟燃料鍋爐。
4.1酒糟的燃料特性
酒糟作為燃料，具有以下特性：
（1）發(fā)熱量低，只相當(dāng)于煙煤發(fā)熱量的2/3；
（2）水分含量高；
（3）揮發(fā)分含量高；
（4）質(zhì)量輕、粒細(xì)、易懸浮。
這就使得酒糟燃燒具有了以下特點：
（1）干燥過程時間長，需要較高的干燥溫度；
（2）水分含量高，發(fā)熱量低，絕熱燃燒溫度低；
（3）焦炭燃盡困難；
（4）懸浮燃燒的比例較大。
4.2酒糟鍋爐的設(shè)計特點
針對酒糟燃料的燃燒特點，設(shè)計開發(fā)了DHL10-1.25-S型角管式燃酒糟鍋爐，該鍋爐具有以下特點：
（1）爐膛下部采用絕熱爐膛結(jié)構(gòu)
由于酒糟發(fā)熱量低、水份高，爐內(nèi)絕熱燃燒溫度低，為保證燃料充分燃燒，設(shè)計時采用下部絕熱爐膛，以減少爐內(nèi)吸熱量，保證燃燒區(qū)域的溫度，有利著火和燃盡。
（2）采用較高的空氣預(yù)熱溫度
為提高爐膛溫度，滿足干燥酒糟的需要并保證燃料完全燃燒，設(shè)計時采用空氣預(yù)熱器，保證有較高的送風(fēng)溫度（約160℃），送料風(fēng)同時采用熱風(fēng)。
（3）前拱壓低加長，讓覆蓋率加大；后拱壓低減短，讓覆蓋率減小（相對于燃煤鍋爐）雖然酒糟的揮發(fā)份較高，但由于含水量大，需進(jìn)行干燥預(yù)熱。故設(shè)計前拱時將前拱壓低加長，使覆蓋率約為0.3左右，后拱壓低減短，使覆蓋率約為0.4左右，有利于酒糟著火燃燒。
（4）在后拱出口處采用熱風(fēng)二次風(fēng)，組織合理的爐內(nèi)空氣動力場
由于酒糟揮發(fā)份高析出速度快，加上一部分酒糟處于懸浮燃燒，局部可能出現(xiàn)空氣量不足或空氣與酒糟混合不均勻的現(xiàn)象，在后拱出口處采用熱風(fēng)二次風(fēng)，可強(qiáng)化燃燒及酒糟與空氣的充分混合，以利燃盡。
（5）在前拱上部增加酒糟進(jìn)料口
由于酒糟質(zhì)輕、粒細(xì)，發(fā)熱值低，進(jìn)料量大，僅由料斗進(jìn)料無法滿足燃燒需求，要另行增加進(jìn)料口。進(jìn)料口設(shè)在前拱上部，利于燃料在下落過程中進(jìn)行干燥，在落至爐排上即可著火。
（6）在進(jìn)料口位置增加播料、送料風(fēng)。酒糟的水份多，在進(jìn)料口位置增加播料風(fēng)和送料風(fēng)，以防酒糟堆積。
4.3酒糟燃料鍋爐運(yùn)行狀況
根據(jù)以上設(shè)計理念，我公司為一些酒精制造廠在原燃煤鏈條鍋爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，使其可以燃用酒糟及酒糟＋沼氣混燒，效果良好，為用戶節(jié)約了大量費(fèi)用。
5生物質(zhì)燃料鍋爐的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益
無論是以稻殼、棉桿、秸桿等生物質(zhì)為燃料的鍋爐，還是以酒糟為燃料的鍋爐，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益相當(dāng)可觀。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年稻殼、棉桿、秸桿等產(chǎn)量巨大，這些廢棄物如不進(jìn)行處理，在其腐化過程中會釋放大量溫室氣體，若將其作為燃料，用于生產(chǎn)工程或采用生物質(zhì)發(fā)電，可實現(xiàn)真正意義的零排放。同時我國也是一個產(chǎn)酒大國，酒糟是酒廠的主要副產(chǎn)品，產(chǎn)量可觀。近年來隨著燃料乙醇旺盛需求，全球酒精產(chǎn)量強(qiáng)勁增長，使酒糟的產(chǎn)量大增。酒糟堆放占用很大空間，且產(chǎn)生的廢氣和廢水對周圍環(huán)境造成污染。將酒糟通過處理作為鍋爐燃料，所產(chǎn)生的蒸汽既可以用于生產(chǎn)工程，也可以用于發(fā)電，且燃燒后的灰渣還可以作為提取橡膠工業(yè)添加劑白炭黑的原料，節(jié)能潛力巨大，同時減少了環(huán)境污染，達(dá)到環(huán)保要求。
參考文獻(xiàn)
[1]蔣高明，莊會永.生物質(zhì)直燃發(fā)電：未來能源發(fā)展新趨勢[J].發(fā)明與創(chuàng)新（綜合版），2009，(2).
[2]別如山，李炳熙，陸慧林，楊勵丹.燃生物廢料流化床鍋爐[J].熱能動力工程，2000，15（4）：344-347. |
