生物質燃料鍋爐的設計和研發

任智銓1，張富勝1，段緒強2，張鄂嬰2

（1.江蘇省特種設備監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]生物質燃料用于鍋爐，既可處理能源短缺問題，又可減輕環境污染。通過對生物質和酒糟燃燒機理的研究，開發了生物質燃料鍋爐。文章闡述了該類型鍋爐的設計特點及運行情況。

隨著我國現代化進程的快速發展，煤炭、石油等一次能源被大量消耗，能源短缺問題日益嚴重。尋求新的可再生能源代替煤炭、石油等一次能源，成為一項緊要任務。生物質能源以農林等有機廢棄物和土地種植物為原料、以農作物淀粉油脂作為調劑加工的清潔能源及相關化工產品，系環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，生物質能源具有多項優點。生物質能源使用秸稈、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。若采用生物質作為燃料，則可實現真正意義的零排放。因此，生物質能源具有分明的優點。

鍋爐是一種能源消耗產品。提高鍋爐的效率，使之節能是今后發展的緊要方向。面對著能源短缺問題，按照國家節能環保的要求，發展生物質燃料鍋爐具有巨大的潛力[1]。

1生物質能源的燃燒機理

生物質能源作為鍋爐的燃料，與常規燃料（煤炭）相比，具有以下幾個分明特點：（1）發熱值低，水分含量大，且隨季節變化較大；（2）玉米秸稈灰中SiO2含量高，存在著床料易結團、尾部對流受熱面磨損嚴重的問題；（3）揮發分高、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；（5）秸稈灰中Na、K、Cl離子含量高，容易出現高低溫腐蝕；（6）密度小，質量輕，易懸浮[2]。

2生物質燃料鍋爐的設計特點

2.1燃料特性

以設計加工的75t/h中溫中壓循環流化床生物質燃料鍋爐為例。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計，鍋爐考核實驗時，按相關國家標準進行折算。設計的燃料成分見表1。

燃料入爐前的粒徑要求控制在長8cm、寬2cm、厚2cm以內。鍋爐運行時，依據實際的燃料情況進行運行調整。

2.2鍋爐設計參數

鍋爐汽水參數見表2，鍋爐效率參數見表3。鍋爐簡圖見圖1。

由于生物質燃料和常規燃料（煤炭）相比具有許多不同，為此，設計中采取了相應措施以保證鍋爐安全穩定經濟運行。

2.3鍋爐設計特點

（1）保證生物質燃料充足燃燒

由于生物質燃料具有揮發分高、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，設計中采用了足夠的爐膛高度和寬度，與相同參數的燃煤鍋爐相比，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，采用高效旋風分離器分級燃燒，合理布置二次風風口高度，選取較大過量空氣系數等措施，以保證碳粒的燃燒條件和在爐內的停留時間，提高鍋爐燃燒效率，減少CO排放。

（2）保證鍋爐參數穩定

由于生物質燃料質量輕，發熱量低，燃燒爐膛溫度低，為保證鍋爐參數即鍋爐的受熱面積，在設計中采用4通道布置，在煙氣出口位置增加一個通道，進行布置屏式過熱器，增加煙氣流程，保證鍋爐在設計參數下穩定運行。

（3）保證生物質燃料的流化循環穩定

由于生物質燃料具有密度小，質量輕，易懸浮的特點，在設計中通過選取合理的流化速度，設置床料補充系統，選用含Fe2O3較多的流化床鍋爐灰渣作為啟動床料，采用較高的風帽阻力，以避免床料結團和分層流化，保證流化平均。

（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，存在著床料易于結團、尾部對流受熱面磨損嚴重的問題。在設計中采用大節距、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，戒備沾污、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，容易出現高低溫腐蝕，在設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熱器，提高空氣預熱器冷端壁溫，克服低溫腐蝕。

3生物質燃料鍋爐設計分解

75t/h中溫中壓循環流化床生物質燃料鍋爐設計中采取的一些措施經過實際運行驗證，效果較好，分解如下：

（1）生物質燃料鍋爐的爐膛尺寸在燃煤的基礎上進行了加大加高，爐拱相應進行了改造，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，采用分級燃燒，風量供給充分，燃燒完全。飛灰含碳量小于12%，底渣含碳量小于2%，聲明生物質在爐膛內燃燒效果較為理想。

（2）高效旋風分離器在燃煤循環流化床上采用后分離效果分明，使機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）鏈條式生物質燃料鍋爐的主要運行參數達到設計要求。

4酒糟燃料鍋爐解析

目前，除開發了稻殼、棉桿、秸桿等生物質燃料的鍋爐以外，還開發了酒糟燃料鍋爐。

4.1酒糟的燃料特性

酒糟作為燃料，具有以下特性：

（1）發熱量低，只相當于煙煤發熱量的2/3；

（2）水分含量高；

（3）揮發分含量高；

（4）質量輕、粒細、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酒糟鍋爐的設計特點

針對酒糟燃料的燃燒特點，設計開發了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構

由于酒糟發熱量低、水份高，爐內絕熱燃燒溫度低，為保證燃料充足燃燒，設計時采用下部絕熱爐膛，以減少爐內吸熱量，保證燃燒區域的溫度，有利著火和燃盡。

（2）采用較高的空氣預熱溫度

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，設計時采用空氣預熱器，保證有較高的送風溫度（約160℃），送料風同時采用熱風。

（3）前拱壓低加長，讓傾覆率加大；后拱壓低減短，讓傾覆率減小（相對于燃煤鍋爐）雖然酒糟的揮發份較高，但由于含水量大，需進行干燥預熱。故設計前拱時將前拱壓低加長，使傾覆率約為0.3左右，后拱壓低減短，使傾覆率約為0.4左右，有利于酒糟著火燃燒。

（4）在后拱出口處采用熱風二次風，組織合理的爐內空氣動力場

由于酒糟揮發份高析出速度快，加上一部分酒糟處于懸浮燃燒，局部可能出現空氣量不足或空氣與酒糟混合不平均的現象，在后拱出口處采用熱風二次風，可強化燃燒及酒糟與空氣的充足混合，以利燃盡。

（5）在前拱上部增加酒糟進料口

由于酒糟質輕、粒細，發熱值低，進料量大，僅由料斗進料無法滿足燃燒需求，要另行增加進料口。進料口設在前拱上部，利于燃料在下落過程中進行干燥，在落至爐排上即可著火。

（6）在進料口位置增加播料、送料風。酒糟的水份多，在進料口位置增加播料風和送料風，以防酒糟堆積。

4.3酒糟燃料鍋爐運行狀況

依據以上設計理念，我公司為一些酒精制造廠在原燃煤鏈條鍋爐的基礎上進行了改造，使其可以燃用酒糟及酒糟＋沼氣混燒，效果良好，為用戶節約了大量費用。

5生物質燃料鍋爐的經濟效益和社會效益

無論是以稻殼、棉桿、秸桿等生物質為燃料的鍋爐，還是以酒糟為燃料的鍋爐，其經濟效益和社會效益相當可觀。

我國是一個農業大國，每年稻殼、棉桿、秸桿等產量巨大，這些廢棄物如不進行解決，在其腐化過程中會釋放大量溫室氣體，若將其作為燃料，用于加工工程或采用生物質發電，可實現真正意義的零排放。同時我國也是一個產酒大國，酒糟是酒廠的主要副產品，產量可觀。近年來隨著燃料乙醇旺盛需求，全球酒精產量強勁增長，使酒糟的產量大增。酒糟堆放占用很大空間，且萌生的廢氣和廢水對周圍環境造成污染。將酒糟通過解決作為鍋爐燃料，所萌生的蒸汽既可以用于加工工程，也可以用于發電，且燃燒后的灰渣還可以作為提取橡膠工業添加劑白炭黑的原料，節能潛力巨大，同時減少了環境污染，達到環保要求。

參考文獻

[1]蔣高明，莊會永.生物質直燃發電：將來能源發展新趨勢[J].發明與創新（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.

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