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徐永前
(蘇州市特創鍋爐壓力容器服務所，江蘇蘇州215128)
摘要：根據生物質顆粒燃料的燃燒特性設計制造直燃式生物質工業鍋爐，對直燃式生物質工業鍋爐的常見燃燒方式、生物質層燃鍋爐的一些獨特結構進行分析探討，有助于燃生物質顆粒鍋爐性能的完善和提高。
0概述
生物質能作為煤、石油、天然氣以外的第四大能源，是一種既環保又可再生循環利用的潔凈能源，它將成為未來世界最為重要的能源之一。我國生物質能資源潛力折合7億噸標煤左右，而目前年實際使用量為2.2億噸標煤左右。因此，我國的生物質資源還有很大的開發潛力。
生物質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，生物質對生態環境的最大貢獻還在于其具有CO2零排放的特點。
生物質成型固體燃料在工業鍋爐上的應用已經相當普遍，近幾年，生物質顆粒燃料的生產和直燃式生物質工業鍋爐的開發都有了很大發展，尤其在木質生物質顆粒制造方面，在經濟發達地區已經形成了只要有資源就存在顆粒生產基地的格局。
1生物質成型燃料及生物質固化
生物質燃料中較為經濟的是生物質成型燃料，生物質成型顆粒就是利用秸稈、薪材、植物果殼等農林廢棄作物，經粉碎—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。原料經擠壓成型后，密度為0.8～1.4t/m3，能量密度與中質煤相當，燃燒特性明顯改善，火力持久黑煙小，爐膛溫度高，而且便于運輸和貯存。
用于生物質成型的方式主要有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和環模滾壓式等幾種。目前，國內生產的生物質成型機一般為螺旋擠壓式，生產能力多在0.2～0.4t/h，電機功率7.5～18kW，電加熱功率2～4kW，生產的成型燃料為棒狀，直徑50～70mm，單位產品電耗70～100kWh/t。曲柄活塞沖壓機通常不用電加熱，成型物密度稍低，容易松散。
環模滾壓成型方式生產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%，單機產量可達2t/h，產品電耗約為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木屑加工或造紙廠秸稈碎屑的加工。
工業鍋爐主要采用直徑為8～10mm、長度為25～35mm以木質為主的生物質顆粒作為燃料，其主要技術指標為：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燃料。
生物質顆粒的成型密度是生物質顆粒的一個重要指標，它關系到生物質顆粒的外形質量和自然堆積密度，目前國內許多地區生產的木質顆粒燃料的密度都在1.1～1.3，然而較高的成型密度會導致生物質顆粒生產成本的增高。為了使顆粒達到一定的密度，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過程中經常被堵塞，出料緩慢使顆粒的產量下降，模具損壞幾率增加。對于工業鍋爐使用的顆粒燃料，將顆粒密度確定在0.8～1.1最為經濟。
2直燃式生物質工業鍋爐
從燃燒機理分析，生物質固體燃料與煤的燃燒機理十分相似，但生物質的揮發分由于析出溫度低而易著火。實踐表明，直接采用燃煤鍋爐改燒生物質效果不好，會產生爐前熱量聚集且不穩定、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。
生物質燃料許多特有的燃燒特性，決定了直燃式生物質工業鍋爐的燃燒方式、供料方式及鍋爐的特有結構，表1列出了生物質固體燃料與煤的成分比較。從表1可見，生物質固體燃料的含碳量遠小于煤，揮發分遠高于煤，二者的化學成分含量、密度(尤其是自然堆積密度)都有著較大的不同。因此生物質的燃燒方式、供料方式、鍋爐結構等必須有別于燃煤鍋爐。
2.1生物質燃料的燃燒特性
生物質燃料含碳量較低，因此熱值較低，燃燒時間較短。
生物質燃料揮發分較高，且生物質燃料中碳多與氫結合成低分子量的碳氫化合物，遇熱即析出，所以生物質燃料易著火，需要采取攔火措施以防止爐前料斗內著火。燃料預燃段揮發分析出量較大，此處必須配給足夠的空氣方能保證充分燃燒，否則就會產生黑煙。
生物質燃料含氧量較高，燃燒時可適當減少供風量。
生物質灰分較低，且密度小易被吹起，但生物質灰熔點較低，爐膛內易結焦、掛渣。
未經固化的生物質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直燃式生物質工業鍋爐燃燒方式
國內直燃式生物質工業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爐排燃燒。
固定爐排燃燒主要解決燃料的自動連續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，會導致鍋爐冒黑煙情況出現，因此，布置合理的二次風對煙氣進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，因生物質的灰熔點較低，一定會出現結焦情況，結焦將導致爐床局部通風不暢，使得燃燒無法正常進行。
生物質易自燃，鍋爐停爐時，燃燒將在缺氧狀態下繼續進行并產生黑煙，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爐排燃燒形式相似，只是爐排不同而已。理論上講往復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。這個觀點在燃料為生物質顆粒情況下可以成立，但對于沒有進行固化的生物質燃料，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，往復爐排無法正常將料層向前推移，且高溫區爐排易燒壞;而鏈條爐排燃燒相對比較穩定，爐排在返程可以得到冷卻，因此目前鏈條爐排是生物質工業鍋爐最常見的燃燒設備。
采用分段供料的往復爐排，可以讓各燃燒區域推料速度不同，利用這個特性提高爐排前段運行速度，保證生物質燃料快速進入爐膛，解決了生物質易燃著火、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層燃鍋爐中，采用分段供料的往復爐排比較常見。
鏈條爐排、往復爐排鍋爐燃燒生物質燃料必須根據生物質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，并設置合理的啟、停爐順序，方能保證生物質燃燒正常進行。
(2)室燃式(粉體燃燒)
粉體燃燒爐是專為燃燒家具、地板等企業生產過程中產生的大量粉體廢料設計的，粉體燃燒爐采用類似煤粉爐的燃燒技術，將粉體與空氣混合后噴入爐膛，粉體在爐膛內懸浮燃燒。
粉體隨空氣一同噴入爐膛，在爐膛內滯留時間較短，很可能未充分燃燒就進入水冷受熱面，導致部分未燃盡的顆粒得不到完全燃燒、受熱面上產生大量積灰。因此粉體燃燒爐如何延長粉體在爐膛內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性較廣，生物質燃料無需固化就能在流化床上充分燃燒，一般應用于鍋爐容量較大且燃料品種較雜的工業鍋爐，目前國內流化床鍋爐最小容量為7MW。
2.3直燃式生物質層燃鍋爐獨特結構
由于生物質的燃燒特性與燃煤比較相似，因此大部分生物質鍋爐結構都與燃煤鍋爐類似，層燃鍋爐依然是生物質工業鍋爐的最基本爐型。根據生物質特性設計的生物質層燃鍋爐具有一些獨特的結構。
(1)鍋爐本體
與燃煤鍋爐相同，生物質層燃鍋爐本體主要有水管、水火管兩種結構，一般情況下2.8MW以下的鍋爐大多采用水火管結構，4.2MW及以上的鍋爐主要采用水管結構。但實際應用情況表明，由于水管鍋爐對流管束易積灰且不易清理，生物質燃料的粉塵比較疏松，附著力比煤灰要強許多，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，因此國外的生物質鍋爐主要采用水火管爐型。國內新型的單回程煙管水火管鍋爐，在減少煙管數量、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，由于生物質燃料非常易燃，為了防止燃料提前著火或在爐前料斗內燃燒和蔓延，生物質鍋爐爐前料斗內應當設置較完善的燃料隔斷和密封設施，生物質顆粒燃料鍋爐常采用關風機式鎖料裝置或滾動式撥料裝置進行燃料的隔斷，如圖1所示。
(3)鍋爐熱效率
目前的生物質層燃鍋爐熱效率往往較低，主要原因是生物質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，因此生物質爐床的配風處理比較困難。為了保證充分燃燒，生物質鍋爐的過量空氣系數普遍較高，造成鍋爐的排煙損失大為上升。此外，生物質鍋爐較易積灰，使得鍋爐傳熱效果下降，這些都造成了生物質鍋爐熱效率下降。因此合理配置一次風和二次風，控制好風量、風壓和進風位置，是提高生物質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，生物質鍋爐爐膛容積需要增加很多，以適應生物質燃料高揮發分的特征，降低爐膛溫度，防止爐內結焦掛渣，減少NOx的產生。由于生物質固定碳含量較低、易燃盡，生物質鍋爐爐排面積可適量減小。
(5)爐墻、配風
生物質燃燒一般可以分為三個區域———氣化區、燃燒區和燃盡區，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分析出、揮發分燃盡、固定碳燃燒及固定碳燃盡的區域。一般來說，生物質燃料易著火，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的燃燒時間，保證煙氣的充分燃盡。
合理配風是燒好生物質的基本條件，由于揮發分高且析出迅速，通過二次風進行爐膛煙氣擾動是使揮發分完全燃燒的有力措施。常見生物質燃料的理論空氣量為4～5m3/kg，過量空氣系數控制在1.4左右為佳，二次風約占總風量的25%～30%，二次風應當布置在燃料氣化區的出口或上部。
(6)爐排速度
爐排速度是燃料供應量的保證。一般生物質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中固定碳的完全燃燒，這也是造成生物質鍋爐熱效率低的一個原因。將生物質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，為了防止大顆粒火星進入布袋，可以離心除塵和布袋除塵聯合使用。一般來說，鍋爐除塵可根據當地環保要求配置水膜除塵器或布袋除塵器，在環保要求高的地區可配置布袋除塵裝置。
由于木質生物質燃料的灰分含量很低(2%左右)，因此鍋爐排渣系統可采用水力沖刷、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直燃式生物質層燃鍋爐實例
表3、表4分別列出了一臺DZL4—1.25—T燃生物質顆粒燃料蒸汽鍋爐(見圖2)的熱力計算匯總和能效測試結果匯總。由測試數據可以看出，根據生物質燃料特性以及生物質層燃鍋爐特殊結構進行設計的燃生物質顆粒燃料蒸汽鍋爐，已經可以滿足正常使用的要求。
3結論
生物質燃料在環保、經濟性等方面有許多優點，生物質工業鍋爐的應用也越來越普及。然而我國生物質燃料的利用起步較晚，生物質顆粒的生產、生物質工業鍋爐技術還不太成熟。目前市場常見的鍋爐大都是由燃煤鍋爐改型而來，實踐證明，保留燃煤特征的鍋爐要燒好生物質是有難度的，但是可以相信，生物質燃料和生物質工業鍋爐在不遠的將來一定會有一個更大的發展。 |
