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范成龍
（廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，福建廈門361004）
摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求不斷提高，環(huán)境也不斷惡化，人們對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求日趨增高。目前多大中城市已禁止燃煤鍋爐的使用，取而代之的是燃油、燃?xì)饧半婂仩t，這三種鍋爐的運(yùn)行成本高，設(shè)備投資性大，使很多用戶不愿接受。生物質(zhì)鍋爐由于燃燒的生物質(zhì)是綠色能源的一種，能夠創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，有助于減排二氧化碳，緩解能源危機(jī)，越來越受到用戶的親睞。本文對(duì)生物質(zhì)鍋爐的設(shè)計(jì)、改造、使用管理提出不合理項(xiàng)，對(duì)生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保起到一定作用。
生物質(zhì)能源是一種源于太陽(yáng)、儲(chǔ)存于生物的清潔可再生能源，包括樹木、農(nóng)作物及有機(jī)肥料等。由于在生長(zhǎng)和燃燒中不增CO2的排放量，用其作為燃料發(fā)電還可以替代部分化石燃料，從而減少了溫室氣體的排放。我國(guó)生物質(zhì)能資源非常豐富，農(nóng)作物秸稈資源年產(chǎn)量超過7億噸（熱值相當(dāng)于3.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）。我國(guó)可供直燃發(fā)電的秸稈資源量每年至少達(dá)2億噸，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1億噸，如年利用秸稈4000萬噸，將增加農(nóng)民收入120億元，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2000萬噸。生物質(zhì)與化石燃料相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可再生性；（2)低污染性：SOx、NOx排放濃度低；（3）生物質(zhì)作為燃料時(shí)，在生長(zhǎng)周期內(nèi)，對(duì)大氣的SO2凈排放量近似于零，可有效地減輕溫室效應(yīng)[1]。
隨著鍋爐節(jié)能環(huán)保的發(fā)展，部分燃煤鍋爐面臨淘汰，部分企業(yè)為了節(jié)省生產(chǎn)成本及達(dá)到環(huán)保要求，生物質(zhì)燃料鍋爐應(yīng)用越來越多。但是經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)能效測(cè)試，生物質(zhì)鍋爐并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，甚至比燃煤鍋爐節(jié)能更差。
1生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)方面的不足
由于生物質(zhì)鍋爐為新興發(fā)展起來的鍋爐，沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。筆者經(jīng)過生物質(zhì)鍋爐能效測(cè)試和查找相關(guān)設(shè)計(jì)資料，發(fā)現(xiàn)大多鍋爐設(shè)計(jì)單位均采用燃煤鍋爐的設(shè)計(jì)方式、計(jì)算公式和一些燃煤鍋爐的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，然而燃煤鍋爐大多借鑒原蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)規(guī)范，比較滯后當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，造成設(shè)計(jì)燃生物質(zhì)鍋爐的一些不合理。
1.1對(duì)燃料性質(zhì)考慮不全面
鍋爐熱力計(jì)算是鍋爐設(shè)計(jì)重要計(jì)算，對(duì)鍋爐的安全和熱工性能有著直接的影響。由于大多生物質(zhì)鍋爐屬于層燃鍋爐，所以基本參照《工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算方法》進(jìn)行熱力計(jì)算，但是生物質(zhì)燃料特性與煤是有很大的差異，比如說生物質(zhì)燃料熱值、揮發(fā)分、灰分以及水分與煤都有很大的區(qū)別，對(duì)于生物質(zhì)鍋爐爐膛傳熱計(jì)算有很大的影響、所以采用《工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算方法》是不適合燃生物質(zhì)鍋爐的熱力計(jì)算的。例如：某企業(yè)設(shè)計(jì)一臺(tái)DZ14-1.6-T生物質(zhì)鍋爐，其固體未完全燃燒熱損失按燃煤的經(jīng)驗(yàn)值取10%，殊不知生物質(zhì)鍋爐的灰分只有百分之幾，揮發(fā)分較高，相對(duì)燃煤鍋爐比較容易燃盡，和燃煤鍋爐相差甚遠(yuǎn)，根本不可能達(dá)到10%，只有1%左右，從經(jīng)濟(jì)方面會(huì)增加鍋爐的鋼材消耗量，即增加鍋爐的造價(jià)也不利于生物質(zhì)鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：在排煙溫度和過量空氣系數(shù)方面也采用燃煤的標(biāo)準(zhǔn)，例如排煙溫度不超過170℃，過量空氣系數(shù)不超過1.65，但是小型的生物質(zhì)鍋爐，由于揮發(fā)分較高，燃料燃燒旺盛，燃料含氧量較高，燃料燃燒火苗在鼓風(fēng)的作用下拉的比較長(zhǎng)，在傳統(tǒng)燃煤鍋爐設(shè)計(jì)影響下造成排煙溫度和過量空氣系數(shù)偏高，額定蒸發(fā)量≤1t/h的生物質(zhì)鍋爐，有的排煙溫度能達(dá)到400℃，和設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn)；
因此，設(shè)計(jì)生物質(zhì)鍋爐應(yīng)該根據(jù)生物質(zhì)燃料的特性，合理的對(duì)生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保生物質(zhì)燃料的優(yōu)化燃燒。
1.2固定爐排生物質(zhì)鍋爐
由干固定爐排燃煤鍋爐現(xiàn)已經(jīng)不允許生產(chǎn)，部分鍋爐生產(chǎn)企業(yè)沒有經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，將原來燃煤固定爐排鍋爐的燃料代號(hào)改成T或S（生物質(zhì)）進(jìn)行生產(chǎn)，圖紙及生產(chǎn)工藝均沒有做多修改，所以這類的生物質(zhì)鍋爐沒有通過合理的設(shè)計(jì)。例如：煤與生物質(zhì)是不同的燃料，特別是生物質(zhì)顆粒燃料灰分低（1%~2%），揮發(fā)分含量很高（70%以上），所以燃生物質(zhì)鍋爐燃燒速度相比燃煤鍋爐要快得多，因此爐膛燃燒位置也比燃煤鍋爐靠前，很多固定爐排的生物質(zhì)鍋爐沒有考慮到這一點(diǎn)；其次由于這類固定爐排生物質(zhì)鍋爐燃料投放大部分屬于人工投放，爐門及爐排與燃煤鍋爐無異，比較單一，造成燃料投放時(shí)過于集中，由于燃料水分較高，加上壓塊本身密實(shí)性也不好，很容易造成水分含量多，所以燃燒初期，容易不完全燃燒，冒黑煙現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，排煙損失較高同時(shí)也污染環(huán)境；生物質(zhì)燃料燃燒的需氧量是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，燃燒初期需氧量較少，全面燃燒需要大量的空氣，燃燒殆盡時(shí)需要少量的氧氣，然而大多設(shè)計(jì)時(shí)沒有因?yàn)榭紤]到，而是選擇不可調(diào)節(jié)的鼓風(fēng)機(jī)。生物質(zhì)鍋爐的飛灰較高，容易照成煙管的磨損和積灰，對(duì)比燃煤鍋爐和燃生物質(zhì)鍋爐的設(shè)計(jì)，二者沒有任何區(qū)別，均采用同一經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，測(cè)試發(fā)現(xiàn)燃生物質(zhì)顆粒鍋爐，爐排底部固體不完全燃燒熱損失較嚴(yán)重，主要是由于爐排間隙過大，顆粒生物質(zhì)在燃燒過程中掉下底部出渣口，甚至在底部出渣口燃燒。
1.3生物質(zhì)燃料的腐蝕和受熱面
生物質(zhì)燃料的主要特點(diǎn)之一是堿金屬的含量很高，而堿金屬在燃料燃燒的過輕中會(huì)以氯化物鹽等形式進(jìn)人氣相，當(dāng)與換熱面接觸后會(huì)發(fā)生冷凝井最終附著在換熱管表面形成積灰[2]。而且，與硫氧化物發(fā)生反應(yīng)后還會(huì)形成難以清除的硫酸鹽類硬沉積物，特別是在爐膛出口的受熱面部位尤其嚴(yán)重。堿金屬沉積物的存在和不斷生成不但會(huì)嚴(yán)重地影響換熱效率，而且還會(huì)加大煙道流通阻力甚至阻塞管束，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)能耗增加，此外，沉積物對(duì)換管也會(huì)造成腐蝕[2]。
2燃油鍋爐改造成燃生物質(zhì)鍋爐
目前節(jié)能環(huán)保要求較高，部分企業(yè)為了節(jié)省生產(chǎn)成本和達(dá)到環(huán)保要求，將原有的燃油鍋爐改燒燃生物質(zhì)燃料鍋爐如圖1所示。
但這類改造的生物質(zhì)鍋爐未能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，主要原因在于：
（1）該類型鍋爐由燃油鍋爐改造成燒生物質(zhì)燃料鍋爐，但是由于生物質(zhì)飛灰較多，容易造成煙管和后管板的磨損，同時(shí)不同于燃油鍋爐，該類型鍋爐也容易在受熱面積灰，特別是在爐膽內(nèi)，影響傳熱效果。
（2）生物質(zhì)燃料的發(fā)熱量低，爐內(nèi)的溫度水平低，不能有固定爐排的壓火現(xiàn)象，組織穩(wěn)定燃燒較困難，受到生產(chǎn)條件的限制（壓力到停爐，壓力低啟動(dòng)），鍋爐燒燒停停，不完全燃燒熱損失加大。
（3）自動(dòng)控制差于燃油鍋爐，大多數(shù)這類企業(yè)的生產(chǎn)工藝是當(dāng)壓力到達(dá)設(shè)定值時(shí)停爐，當(dāng)壓力低于設(shè)定值時(shí)點(diǎn)火起爐，鍋爐沒有持續(xù)燃燒，燃油鍋爐可以反應(yīng)迅速，適合符合波動(dòng)較大的場(chǎng)合，但是燃燒生物質(zhì)鍋爐由于受燃燒狀況的影響，往往升壓較慢，影響生產(chǎn)工藝，為了達(dá)到快速上升的目的，點(diǎn)火初期會(huì)加大燃料投放和加大鼓風(fēng)機(jī)來加大燃燒，往往會(huì)造成飛灰未完全燃燒便吹進(jìn)鍋爐，加大鍋爐的磨損和積灰，鍋爐冒黑煙現(xiàn)象也常有發(fā)生。
（4）由于生物質(zhì)鍋爐的燃料水分大，在爐膛內(nèi)不能完全燃燒，以致在除塵器中發(fā)生燃燒，導(dǎo)致除塵器因高溫而燒損。
3使用管理
生物質(zhì)鍋爐相對(duì)于燃煤鍋爐燃料比較復(fù)雜多樣，加上運(yùn)行人員對(duì)生物質(zhì)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，往往會(huì)出現(xiàn)問題，筆者進(jìn)行了大量的生物質(zhì)鍋爐能效測(cè)試，目前生物質(zhì)鍋爐使用管理方面主要的問題如下：
3.1沒有按設(shè)計(jì)的燃料燃燒，由于各種燃料熱值不一樣，揮發(fā)分、灰分、水分等成分也不一樣，燃燒起來特性也不一樣，而生物質(zhì)鍋爐的入爐燃料多以混合料的形式為主，加之燃料摻配人員責(zé)任心不強(qiáng)，因此，入爐燃料的燃料品種比例隨時(shí)都在變化，運(yùn)行調(diào)整工作較復(fù)雜。由于追求經(jīng)濟(jì)利益最大化，因此一旦燃料入場(chǎng)把關(guān)不嚴(yán)或稍有松懈，就會(huì)在燃料中摻有泥土、細(xì)沙，這些細(xì)顆粒的物體進(jìn)入到爐膛中在燃燒后隨煙氣流動(dòng)，在鍋爐煙氣流速較快的省煤器彎頭部位形成局部磨損，由于鍋爐設(shè)計(jì)人員一般認(rèn)為，草木灰的硬度遠(yuǎn)小于粉煤灰，且質(zhì)地輕不易造成磨損，因而多數(shù)不設(shè)防磨裝置。
3.2燃燒設(shè)備為固定爐排的手燒爐，此類鍋爐普遍設(shè)計(jì)效率都偏低，受熱面面積較少，并且尾部均未安裝受熱面（如省煤器、空氣預(yù)熱器）。
3.3鍋爐容易結(jié)焦與積灰，沒有得到及時(shí)的清理。據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)：積灰層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0581~0.116w/m2·℃，而鍋爐受熱面金屬管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為46.5~58.lw/m2·℃，導(dǎo)熱系數(shù)相差500～800倍。大多企業(yè)均忽視了清灰處理，造成能源的浪費(fèi)叫。
3.4鍋爐的燃燒狀況均不理想，沒有按設(shè)計(jì)的工況燃燒，在使用過程中，運(yùn)行負(fù)荷、運(yùn)行參數(shù)、燃用燃料是變動(dòng)的，造成鍋爐的各類熱損失偏大。
3.5生物質(zhì)鍋爐為最近幾年興起的鍋爐，燃燒方式及節(jié)能方法均有別于傳統(tǒng)燃煤鍋爐，然而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，極少有企業(yè)鍋爐操作人員懂得生物質(zhì)燃料鍋爐的相關(guān)知識(shí)，燃燒過中造成無謂的浪費(fèi)[3]。
3.6目前生物質(zhì)鍋爐普遍較小，這類鍋爐普遍生存于小型企業(yè)及家庭作坊中，節(jié)能意識(shí)淡薄，管理人員參差不起甚至讓一個(gè)毫無鍋爐知識(shí)的人員燒鍋爐，這樣必定會(huì)導(dǎo)致鍋爐的燃燒效率低下。
3.7由于環(huán)保要求較為嚴(yán)格，以及燃油氣鍋爐燃燒成本較高，部分企業(yè)將原有燃煤鍋爐，燃油氣鍋爐，改造成燃生物鍋爐，由于改造及調(diào)試不到位，導(dǎo)致改造后的生物質(zhì)鍋爐燃燒效率不高。
3.8鍋爐水質(zhì)日常管理不到位，靠水一側(cè)也比較容易滋生水垢，造成傳熱面積減少及傳熱系數(shù)降低，從而導(dǎo)致鍋爐效率偏低。
4結(jié)語(yǔ)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求不斷提高，環(huán)境也不斷惡化，人們對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求日趨增高。目前多大中城市已禁止燃煤鍋爐的使用，取而代之的是燃油、燃?xì)饧半婂仩t，這三種鍋爐的運(yùn)行成本高，設(shè)備投資性大，使很多用戶不愿接受，因此生物質(zhì)鍋爐由于燃燒的生物質(zhì)是綠色能源的一種，能夠創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，有助于減排二氧化碳，緩解能源危機(jī)，越來越受到用戶的親睞。生物質(zhì)鍋爐不但助于我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、解決環(huán)境問題，同時(shí)可以部分解決企業(yè)的能源供應(yīng)，節(jié)省企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的贏利能力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是生物質(zhì)鍋爐應(yīng)該有合理的設(shè)計(jì)、改造、以及使用管理，才能發(fā)揮它應(yīng)有的作用，促進(jìn)社會(huì)節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。
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