生物质燃料锅炉的设计和研发

任智铨¹，张富胜¹，段绪强²，张鄂婴²

（1.江苏省特种设备监督检验研究院徐州分院，江苏徐州221000）

（2.江苏四方锅炉有限公司，江苏徐州221000）

　　[摘要]生物质燃料用于锅炉，既可解决能源短缺问题，又可减轻环境污染。通过对生物质和酒糟燃烧机理的研究，开发了生物质燃料锅炉。文章阐述了该类型锅炉的设计特点及运行情况。

　　随着我国现代化进程的快速发展，煤炭、石油等一次能源被大量消耗，能源短缺问题日益严重。寻求新的可再生能源代替煤炭、石油等一次能源，成为一项重要任务。生物质能源以农林等有机废弃物和土地种植物为原料、以农作物淀粉油脂作为调剂生产的清洁能源及相关化工产品，系环境友好型可再生能源，如多种燃料乙醇、生物柴油和沼气等。相比其它可再生能源，生物质能源具有多项优势。生物质能源使用秸秆、稻壳等废弃物，这些废弃物即便不用，在腐化过程中同样会释放温室气体。若采用生物质作为燃料，则可实现真正意义的零排放。因此，生物质能源具有明显的优势。

　　锅炉是一种能源消耗产品。提高锅炉的效率，使之节能是今后发展的重要方向。面对着能源短缺问题，按照国家节能环保的要求，发展生物质燃料锅炉具有巨大的潜力^[1]。

　　1生物质能源的燃烧机理

　　生物质能源作为锅炉的燃料，与常规燃料（煤炭）相比，具有以下几个明显特点：（1）发热值低，水分含量大，且随季节变化较大；（2）玉米秸秆灰中SiO₂含量高，存在着床料易结团、尾部对流受热面磨损严重的问题；（3）挥发分高、含氧量高、灰量偏少、燃料及灰密度低。具有易着火（300℃左右）、燃尽率低、CO排放量较大；（4）灰熔点低，易粘结；（5）秸秆灰中Na、K、Cl离子含量高，容易出现高低温腐蚀；（6）密度小，质量轻，易悬浮^[2]。

　　2生物质燃料锅炉的设计特点

　　2.1燃料特性

　　以设计生产的75t/h中温中压循环流化床生物质燃料锅炉为例。此型锅炉的燃料主要为稻壳和秸杆，为保证锅炉具有良好的适用性，锅炉按玉米秆的成分设计，锅炉考核试验时，按相关国家标准进行折算。设计的燃料成分见表1。

　　燃料入炉前的粒径要求控制在长8cm、宽2cm、厚2cm以内。锅炉运行时，根据实际的燃料情况进行运行调整。

　　2.2锅炉设计参数

　　锅炉汽水参数见表2，锅炉效率参数见表3。锅炉简图见图1。

　　由于生物质燃料和常规燃料（煤炭）相比具有许多不同，为此，设计中采取了相应措施以保证锅炉安全稳定经济运行。

　　2.3锅炉设计特点

　　（1）保证生物质燃料充分燃烧

　　由于生物质燃料具有挥发分高、含氧量高、灰量偏少、燃料及灰密度低容易着火（300℃左右）、燃尽率低、CO排放量较大的特点，设计中采用了足够的炉膛高度和宽度，与相同参数的燃煤锅炉相比，炉膛的宽度方向增加了3m左右，炉膛深度方向增加了1m左右，炉膛高度增高了1m左右。同时采用合理的炉膛出口温度，采用高效旋风分离器分级燃烧，合理布置二次风风口高度，选取较大过量空气系数等措施，以保证碳粒的燃烧条件和在炉内的停留时间，提高锅炉燃烧效率，减少CO排放。

　　（2）保证锅炉参数稳定

　　由于生物质燃料质量轻，发热量低，燃烧炉膛温度低，为保证锅炉参数即锅炉的受热面积，在设计中采用4通道布置，在烟气出口位置增加一个通道，进行布置屏式过热器，增加烟气流程，保证锅炉在设计参数下稳定运行。

　　（3）保证生物质燃料的流化循环稳定

　　由于生物质燃料具有密度小，质量轻，易悬浮的特点，在设计中通过选取合理的流化速度，设置床料补充系统，选用含Fe2O3较多的流化床锅炉灰渣作为启动床料，采用较高的风帽阻力，以避免床料结团和分层流化，保证流化均匀。

　　（4）采取有效措施减轻磨损及积灰

　　由于玉米秸秆灰中的SiO₂含量高，存在着床料易于结团、尾部对流受热面磨损严重的问题。在设计中采用大节距、顺列布置、低烟速（约5～6m/s）、布置高效吹灰器等手段，以减轻磨损，防止沾污、堵灰和积灰。

　　（5）采取有效措施减轻高低温腐蚀

　　由于秸秆灰中Na、K、Cl离子含量高，容易出现高低温腐蚀，在设计中合理控制高温过热器入口烟温，减少汽温偏差，以减轻过热器高温腐蚀。同时采用热管式空气预热器，提高空气预热器冷端壁温，克服低温腐蚀。

　　3生物质燃料锅炉设计分析

　　75t/h中温中压循环流化床生物质燃料锅炉设计中采取的一些措施经过实际运行验证，效果较好，分析如下：

　　（1）生物质燃料锅炉的炉膛尺寸在燃煤的基础上进行了加大加高，炉拱相应进行了改造，燃料入炉膛后，干燥着火及时，在炉膛中呈悬浮＋层状燃烧，布置二次风，采用分级燃烧，风量供给充足，燃烧完全。飞灰含碳量小于12%，底渣含碳量小于2%，表明生物质在炉膛内燃烧效果较为理想。

　　（2）高效旋风分离器在燃煤循环流化床上采用后分离效果明显，使机械不完全燃烧损失中的飞灰热损失减少2.5%～3.5%左右。既提高了飞灰中碳的燃尽率和煤的燃烧效率，又进一步降低了烟尘排放黑度，还有效地提高了锅炉的出力。

　　（3）链条式生物质燃料锅炉的主要运行参数达到设计要求。

　　4酒糟燃料锅炉介绍

　　目前，除开发了稻壳、棉杆、秸杆等生物质燃料的锅炉以外，还开发了酒糟燃料锅炉。

　　4.1酒糟的燃料特性

　　酒糟作为燃料，具有以下特性：

　　（1）发热量低，只相当于烟煤发热量的2/3；

　　（2）水分含量高；

　　（3）挥发分含量高；

　　（4）质量轻、粒细、易悬浮。

　　这就使得酒糟燃烧具有了以下特点：

　　（1）干燥过程时间长，需要较高的干燥温度；

　　（2）水分含量高，发热量低，绝热燃烧温度低；

　　（3）焦炭燃尽困难；

　　（4）悬浮燃烧的比例较大。

　　4.2酒糟锅炉的设计特点

　　针对酒糟燃料的燃烧特点，设计开发了DHL10-1.25-S型角管式燃酒糟锅炉，该锅炉具有以下特点：

　　（1）炉膛下部采用绝热炉膛结构

　　由于酒糟发热量低、水份高，炉内绝热燃烧温度低，为保证燃料充分燃烧，设计时采用下部绝热炉膛，以减少炉内吸热量，保证燃烧区域的温度，有利着火和燃尽。

　　（2）采用较高的空气预热温度

　　为提高炉膛温度，满足干燥酒糟的需要并保证燃料完全燃烧，设计时采用空气预热器，保证有较高的送风温度（约160℃），送料风同时采用热风。

　　（3）前拱压低加长，让覆盖率加大；后拱压低减短，让覆盖率减小（相对于燃煤锅炉）虽然酒糟的挥发份较高，但由于含水量大，需进行干燥预热。故设计前拱时将前拱压低加长，使覆盖率约为0.3左右，后拱压低减短，使覆盖率约为0.4左右，有利于酒糟着火燃烧。

　　（4）在后拱出口处采用热风二次风，组织合理的炉内空气动力场

　　由于酒糟挥发份高析出速度快，加上一部分酒糟处于悬浮燃烧，局部可能出现空气量不足或空气与酒糟混合不均匀的现象，在后拱出口处采用热风二次风，可强化燃烧及酒糟与空气的充分混合，以利燃尽。

　　（5）在前拱上部增加酒糟进料口

　　由于酒糟质轻、粒细，发热值低，进料量大，仅由料斗进料无法满足燃烧需求，要另行增加进料口。进料口设在前拱上部，利于燃料在下落过程中进行干燥，在落至炉排上即可着火。

　　（6）在进料口位置增加播料、送料风。酒糟的水份多，在进料口位置增加播料风和送料风，以防酒糟堆积。

　　4.3酒糟燃料锅炉运行状况

　　根据以上设计理念，我公司为一些酒精制造厂在原燃煤链条锅炉的基础上进行了改造，使其可以燃用酒糟及酒糟＋沼气混烧，效果良好，为用户节约了大量费用。

　　5生物质燃料锅炉的经济效益和社会效益

　　无论是以稻壳、棉杆、秸杆等生物质为燃料的锅炉，还是以酒糟为燃料的锅炉，其经济效益和社会效益相当可观。

　　我国是一个农业大国，每年稻壳、棉杆、秸杆等产量巨大，这些废弃物如不进行处理，在其腐化过程中会释放大量温室气体，若将其作为燃料，用于生产工程或采用生物质发电，可实现真正意义的零排放。同时我国也是一个产酒大国，酒糟是酒厂的主要副产品，产量可观。近年来随着燃料乙醇旺盛需求，全球酒精产量强劲增长，使酒糟的产量大增。酒糟堆放占用很大空间，且产生的废气和废水对周围环境造成污染。将酒糟通过处理作为锅炉燃料，所产生的蒸汽既可以用于生产工程，也可以用于发电，且燃烧后的灰渣还可以作为提取橡胶工业添加剂白炭黑的原料，节能潜力巨大，同时减少了环境污染，达到环保要求。

　　参考文献

　　[1]蒋高明，庄会永.生物质直燃发电：未来能源发展新趋势[J].发明与创新（综合版），2009，(2).

　　[2]别如山，李炳熙，陆慧林，杨励丹.燃生物废料流化床锅炉[J].热能动力工程，2000，15（4）：344-347.