浅析生物质成型燃料锅炉的研究及应用

石斌¹，沈美华¹，徐方洪²

(1.嘉兴市特种设备检测院 嘉兴 314050；2.杭州华源前线能源设备有限公司 杭州 311106)

　　[摘要]生物质能是可再生能源，在能源日益短缺的今天，开发利用生物质能具有重大的能源战略意义。为此，针对生物质成型燃料的燃烧特点，研究开发了生物质成型燃料锅炉，通过解决燃烧技术，使生物质燃料点火易、升火快、不存在封火消耗，迅速形成高温区，维持稳定燃烧状态，烟气在高温炉膛内停留时间长，经多次配风，燃烧充分，燃料利用率高，不冒黑烟；与之配套的锅炉烟尘排放原始浓度低；锅炉出力可达到或超过燃煤状态时的水平：燃料来源广泛，成本低廉，综合成本比燃煤还低；运行费用与燃煤比较，可节省20％-40％。锅炉排放完全达标，可在I类地区使用。实测及运行经验表明。生物质成型燃料锅炉具有结构新颖、洁净燃烧、高效节能、低排放、出力大和安全经济等优点。

　　引言

　　目前，能源和环境问题已成为全球关注的焦点，虽然石油、煤和天然气这些常规能源至今仍是燃料的主要来源，但是随着化石能源的日益桔竭和环境问题的日趋严重，开发利用洁净可再生能源已经成了紧迫的课题。在此背景下。生物质能作为唯一可储存和运输的可再生绿色能源。其高效转换和洁净利用日益受到重视。

　　生物质能源是利用绿色植物将太阳能通过光合作用储存在植物体内的自然资源，它是太阳能的一种廉价储存方式。利用生物质能的排放量不会超过其生长期间所吸收的碳量，能实现二氧化碳的零排放。从全国持续发展的战略上看，发挥生物质能的能源潜力和环境潜力是极其重要的。我国是一个农业大国，生物质能源十分丰富，是农村的主要能源，然而存在利用率低、污染大等问题。

　　我国农村的秸秆是重要的生物质资源，秸秆燃烧值约为标准煤的55％。我国每年可生产农作物秸秆7亿多吨，如全部用来燃烧，可折合约4亿吨标准煤的热值。生物质燃料的优势为：生物质的热值与我国一些地区的层燃炉用煤相当(约16500kJ/kg)。生物质的挥发分含量高达70％～85％。这些特性决定了它不仅有良好的代煤效果，也决定了生物质优良的着火燃烧性能。生物质燃料减排CO₂和硫的效果十分明显。且具有飞灰少、排渣少、NO_x捧放低、降低重金属污染物捧放和灰渣可还田等优良的环保特性。可称之为绿色能源。由于生物质原料价格低廉，制造出的生物质成型燃料也比现在高涨的原煤及型煤具有较大的价格优势，利于推广使用。生物质能是可再生能源，在能源日益短缺的今天，开发利用生物质能也具有重大的能源战略意义。

　　目前，我国拥有的燃煤工业锅炉大都分布在城区内及城市周边，由于烧的都是含硫量高的劣质煤，因锅炉无脱硫装置，加上操作等因素。冒黑烟、硫污染等直接影响了城市及周边的空气质量，为此，取消城市煤锅炉及煤改气、电的呼声很高。但由于气源紧张、电价昂贵，而城市热力又达不到的区域，收效甚微。用清洁的生物质燃料替代煤，在城区内及城市周边锅炉内使用就成为首选。但目前大多数锅炉的结构均不适合使用生物质燃料(仍有冒黑烟、粉尘污染等现象)，现有锅炉均在原有层燃燃煤链条炉基础上改用生物质燃料，使用中过剩空气系数超标，正压燃烧明显，燃烧不彻底且运行中由于炉膛温度太高，积灰导致受热面磨损造成事故，对经济运行和安全带来隐患。通过生物质成型燃料锅炉的研发，解决了生物质燃料在锅炉中的燃烧问题，使生物质燃料燃烧完全，并解决冒黑烟的本质问题。

　　1技术分析

　　国际上对生物质能利用的基本内容是以生物质代替矿物燃料，如压缩固化、液化或气化为高品位燃料供发电和动力使用。目前世界各国在中小型工业锅炉上都有生物质燃料的应用，国内尚在起步阶段，新的炉型较少，大部分都是燃煤锅炉改烧生物质燃料，但是由于生物质燃料与煤的燃烧特性不同，所以原有锅炉结构与操作工艺必须加以改造和改进，否则将出现锅炉出力、锅炉热效率大幅下降。甚至出现锅炉设备事故造成损失。目前，制约我国生物质燃料成型燃料推广应用的关键问题是还没有与之相适应的燃烧设备。我国在生物质成型燃料燃烧方面的研究较少，关于生物质成型燃料燃烧设备的研究、设计及制造远不能满足日益增长的需求。生物质成型燃料具有它本身的燃烧及热工特性。这与化石燃料又有很大的区别。近几年，随着煤炭价格的不断上涨。

　　为了降低生产成本，许多企业直接利用原有的层燃燃煤锅炉改烧木屑、木柴、秸杆、稻壳等生物质废弃物，不仅减少了燃料费用，而且减少了502的捧放，同时解决了这些废弃物的处理难题。具有很好的节能环保效益。一些单位盲目地将燃煤设备改造成生物质成型燃料燃烧设备，但改造后的设备不符合生物质成型燃料的特性要求，致使燃烧恶化、热效率低下、传热差、换热面结渣、换热面经常堵塞以及污染大。根据生物质成型燃料的燃烧理论。实验研究来开发设计合理的燃烧设备及换热设备是非常重要和迫切的课题，这对于推广生物质能的利用工作意义重大。本文的目的是开发出高效节能、低排放、出力大、运行费用低、安全经济的生物质成型燃料工业锅炉。

　　2基础实验与研究

　　2.1燃烧特性实验研究

　　生物质成型燃料发热量、元素分析、工业分析和灰溶性研究等燃料特性，诸如着火过程、热解气化过程、燃烧速率等燃烧特性。

　　2.2锅炉改造实验研究

　　此研究在原有层燃燃煤链条炉基础上改造，锅炉改用生物质燃料进行燃烧、传热及排放性能的实验。最后得到具有实际价值的结果，作为优化设计的依据。

　　2.3优化设计模型和计算机优化程序

　　建立合理的数学模型，编写完整严谨的优化算法，并将优化思想灵活地应用在程序设计之中。开发的软件界面可视化效果好，人机对话窗口操作简单，使得设计人员在几分钟内就可以完成在以前几个星期都难以完成的计算，而且得到是经过比较的最优设计结果。这就大大缩短了锅炉新型开发的周期，提高了设计的质量。通过设计参数和实验结果的比较分析。得出优化设计软件的设计结果，为实际设计提供参考和依据。

　　3关键技术及设计特点

　　力求研制出高效节能生物质成型燃料工业锅炉。通过详尽地调研国内外同类的装置，找出其不足，确定目标。

　　项目目标：一是高热效率：二是低大气排放指标：三是创新燃烧方式及结构：四是改进换热结构：五是锅炉出力达到或超过燃煤状态时的水平：六是创新设计连续均匀的送料机构：七是优化锅炉(自动)示控操作系统。

　　3.1技术难点

　　由于生物质燃料燃烧过程与煤存在差异，所以生物质燃料锅炉的设计要结合生物质燃烧的特点。如炉膛容积要大，燃烧扰动要充分，炉膛内受热面布置要充分。为了保证锅炉运行的安全性和经济性，锅炉本体各部分形状、尺寸、相对位置都有一定要求，并且在受热面的某些部位还应保证一定的烟气和工质参数。如温度、压力、流速等，其中。炉膛形状和容积大小对锅炉安全经济运行有很大影响。目前，许多企业都直接利用DZL型层燃燃煤锅炉燃烧生物质燃料，由于其原有的结构设计不适应生物质燃料，会产生许多问题，如：炉膛容积过小，容积熟负荷过大；炉膛出口温度过高：烟气量增加、流速过快。热交换过强等。

　　在工业锅炉中。炉膛容积熟负荷是燃烧设备的主要特性参数之一。所谓炉膛容积热负荷qv是指单位容积炉膛所能发出的功率，或单位炉膛容积在单位时间内燃料燃烧放出的热量。对于层燃炉来说。由于燃料的热量主要在炉捧面上放出，所以从燃烧的角度看。炉膛容积热负荷只是一个控制性的指标，炉膛容积大小并不是影响燃烧效率的主要因素。但是对于室燃炉来说，炉膛容积热负荷就十分重要。它影响着燃料在炉内的停留时间和炉膛的出口温度。炉膛容积热负荷取得过高即炉膛容积设计得过小，燃料就会来不及燃尽就捧出炉膛，过小的炉膛容积还会使受热面的布置产生困难，减小炉内的辐射换热量。导致炉膛出口温度过高。为了实现生物质燃料持续稳定、高效洁净燃烧的目标，针对此类燃料特点。解决配风、炉内消烟除尘结构、对流换热面的结渣以及高效传热等问题。

　　3.2技术关键

　　(1)通过理论研究和试验来验证燃料输送的稳定性和可靠性。

　　(2)通过理论分析和试验来确定一、二次风的输送量。以及送风位置，优化配风系统。

　　(3)通过热力计算和结构设计，合理布置炉膛内部受热面，实现炉膛和生物质燃料燃烧的良好配合。使得整套机组既取得很高的燃烧效率，又在炉内不发生结渣：

　　(4)设计一套逻辑保护系统，使得机组在启停或者变负荷工况下能安全稳定运行。

　　(5)由于生物质燃料品种的多样性，且产地及气候等因素影响也较大，其特性有较大差异。生物质燃料的灰熔点相对较低，其变形温度一股为850~900℃，因此灰渣容易在炉摊、炉墙及炉拱上结渣，使锅炉不能正常运行。综合考虑上述因素，克服结渣问题，提高锅炉效率，选取较低的锅炉炉膛容积热负荷。

　　(6)生物质锅炉采用国内较成熟的水火管结构，但进行了改进以适应生物质燃烧特点。锅炉本体由纵置锅筒、炉膛水冷壁膜式壁管、二回程烟管、三回程烟管、后水冷壁管、左右下集箱等部件组成。炉膛下部采用链条炉排，生物质燃料在炉排上燃烧。

　　3.3系统组成及整机特性

　　图3-1为燃用生物质高效环保工业锅炉系统.接套系统由锅炉本体、燃料送料机构、送引风系统、给水及水处理系统、除灰系统以及控制系统等组成.

　　实践表明。新颖的生物质成型燃料工业锅炉具有以下特性：

　　(1)热效率高，捧放指标达到环保要求，能在I类地区使用，具有良好的节能和环保效果。该项技术在国内外属于首创：

　　(2)送料机构连续均匀，炉膛结构和受热面优化。与生物质燃料燃烧特性高度适配：

　　(3)增加二次配风，优化系统配风，确保燃烧充分稳定；

　　(4)锅炉送料机构、给水泵、引风机、送风机、炉排均采用变频电机，运行中根据负荷及燃料品质变化及时调节风量，减少排烟热损失。燃料燃烧彻底充分，大大降低不完全燃烧损失，提高锅炉能效，杜绝冒黑烟。

　　4样机实验及应用推广

　　以DZL4-1.25一M生物质锅炉为例，设计计算的原始参数及计算结果如下：

　　额定蒸发量：4t/h

　　额定蒸汽压力：1.25MPa

　　额定蒸汽温度：194℃

　　燃料：生物质成型燃料

　　节能器出水温度：80℃

　　一次风温度：20℃

　　二次风温度：115℃：

　　燃料低位发热量：3940Kcal/kg(以秸秆为例)

　　燃料消耗量：760kg/h

　　设计热效率：81/％

　　炉捧有效面积：5.4m²

　　炉膛容积：7.5m³

　　捧烟温度：135℃

　　有效辐射受热面积：10.8m²

　　水管管柬受热面积：16.6m²

　　烟管管束受热面积：101.5m²

　　烟气总流量：8600m³

　　2010年10月，对二台DZL4一10-AII的层燃燃煤链条炉改造。锅炉改用生物质燃料进行燃烧，用于西江服装后整理(嘉兴)有限公司和伊诺华橡胶(平湖)有限公司的工业用汽。替代了原来的4-10t/h燃煤蒸汽锅炉。2011年1月，研究开发DZL4—1.25一M生物质燃料锅炉，用于浙江文娜针织有限公司提供工业热源。实际应用表明，生物质燃料工业锅炉具有一系列独特的优点，结构简单且新颖，容易制造，性能可靠，热效率高，环保指标优良。浙江省特种设备检验研究院对DZL4-1.25-M生物质燃料锅炉进行了热工性能测试，其热效率达到88.3％，高于TSGG0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》型煤锅炉热效率限定值10.3％。嘉兴市环保测试站对DZL4-1.25-M生物质燃料锅炉大气排放污染物进行了环境监测。其检测结果为：DZL4-1.25-M生物质锅炉的烟气林格曼黑度达到I级，原始出口烟尘浓度为1.3mg/m³，二氧化硫浓度24mg/m³，氮氧化物91.2mg/m³；环境指标远优于国家锅炉大气排放污染物排放标准。秸秆热值比型煤热值高。大约在16500kJ/kg。秸秆收购价约为130元/吨。成型燃料价格在350-450元/吨，而型煤的价格已经上涨到1000元/吨。

　　浙江省每年可能源化利用的秸秆资源量约1000多万吨，生物质能源过剩，丽煤炭短缺。若完全能源化利用，节能潜力相当巨大。本文的生物质燃料锅炉运行费用与燃煤比较，可节省20％一40％：而且没有型煤锅炉的煤渣污染，其灰渣能够还田改良土壤。保持生态平衡。

　　5结论

　　1)本文对生物质燃料锅炉进行了基础性研究，研究成果具有一定的创新性和实用性。建立了该形式生物质锅炉的数学模型，编制了优化设计程序。

　　2)利用计算机优化设计软件进行了设计计算，研制出系列规格的锅炉样机。具有结构新颖、高效节能、大气捧放指标低和价格低廉等特点。

　　3)经浙江省特种设备检验研究院热工检测和嘉兴市环保测试站测试的结果表明，锅炉各项指标已超过国内其它类型锅炉的指标，特别是与当前市场上燃煤锅炉相比。其优点：一是更加优异的环保指标，优于型煤锅炉，达到国家Ⅰ类地区排放标准，可在Ⅰ类地区使用：二是突出的节能效果，运行费用与燃煤比较。可节省20％-40％；三是更加低廉的燃料价格：四是锅炉出力可达到或超过燃煤状态时的水平：五是炉灰变宝，还田改良土壤，保持生态平衡。综上所述，本文论述的生物质锅炉符合国家的能源政策和环保政策，推广应用前景广阔。经济效益和社会效益显著。

　　参考文献：

　　[1]骆仲泱。周劲松。王树荣.中国生物质能利用技术评价.

　　[2]维鲁.瓦雷斯.生物质燃料用户手册[M].王革华。原译.北京：化学工业出版社。2007.

　　[3]林宗虎，徐通模.实用锅炉手册[M].北京：化学工业出版社.1996.

　　[4]徐华东.层燃炉燃烧特性及低NOX燃烧机理的试验研究[D].上海：上海交通大学。2001.