生物质锅炉优化燃烧研究

徐火力，伏喜斌

(厦门市特种设备检验检测院福建厦门361004)

　　摘要：通过时典型生物质颗粒燃料及锅炉热效率研究分析，提出了优化生物质颗粒燃料锅炉燃烧和提高锅炉热效率的措施。

　　生物质作为燃料时。由于生物质在生长时需要的CO₂量相当于它燃烧时排放的CO₂量，因而大气中的CO₂净排放量近似为零，而且，生物质中硫的含量极低，基本上无硫化物的排放。所以，利用生物质作为替代能源，对改善环境，减少大气中的CO₂含量，从而减少“温室效应”都有极大的好处。

　　因此，将生物质作为化石燃料的替代能源，便能向社会提供一种各方面都可被接受的可再生能源从矿物能源资源有限和因大量使用会造成环境状态恶化的战略观点出发，结合我国拥有丰富生物质资源的现实，发展工业锅炉生物质的燃烧技术，对节约常规能源、优化我国能源结构，将有积极意义。

　　生物质燃料燃烧作为一种成熟的技术，具有低成本、低风险和高效率等优势。生物质燃料在锅炉中燃烧，是最直接的生物质能利用方式，与煤燃烧过程类似，生物质燃料燃烧过程非常复杂，具有多相变、非稳态的特点，影响因素较多。目前，国家已明文规定禁止使用燃煤手烧锅炉，鼓励改为燃烧生物质燃料。

　　生物质燃料替代煤炭作为锅炉燃料是可行的，但生物质燃料也有一些不利于燃烧利用的特性，比如：生物质水分含量较多，且水分随生物质加工过程和储存条件有显著变化，生物质入炉后需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，而且生物质低位发热量随水分增大而急剧下降，炉内温度场偏低，组织稳定的燃烧比较困难，同时较多的水分也增加了烟气体积，使排烟热损失增加；生物质燃料中大量的挥发分析出后，如果空气不足或温度较低，挥发分易裂解析出碳黑。使炉子冒黑烟等为此，国家环保部《关于划分高污染燃料的规定》的通知(环发[2001]37号)中规定将“直接燃用的生物质燃料(树木、秸杆、锯末、稻壳、蔗渣等)”等列为高污染燃料。

　　同时，国家环保部《重点区域大气污染防治“十二五”规划》(环发[2001]130号)“推动生物质成型燃料、液体燃料、发电、气化等多种形式的生物质能梯级综合利用；使用生物质成型燃料应符合相关技术规范，使用专用燃烧设备”。可见，国家大力推广使用生物质成型燃料，因此，需要针对生物质锅炉的燃烧特点，有针对性的优化其燃烧工艺参数，以提高锅炉的热效率，同时为避免能源的浪费，提高生物质燃料的有效利用，达到经济运行控制的目的。

　　1生物质颗粒燃料锅炉的燃烧特性

　　所谓燃烧性能包括着火特性、燃烧稳定性、燃尽特性、结渣特性以及炉膛出口烟温偏差和炉膛水冷壁高温腐蚀等特性。

　　1.1生物质颗粒燃料的特点

　　生物质成型燃料是将秸秆、稻壳、锯末、木屑等生物质废弃物，用机械加压的方法，使原来松散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料，其具有体积小、密度大、储运方便；燃烧稳定、周期长；燃烧效率高；灰渣及烟气中污染物含量小等优点。

　　生物质成型燃料由可燃质、无机物和水分组成。主要含有碳(C)、氢(H)、氧(0)、氮(N)及少量的硫(S)等元素，并含有灰分和水分。

　　生物质燃料中碳多数和氢结合成低分子的碳氢化合物，遇到一定的温度后热分解而析出挥发物。生物质成型燃料除具有生物质燃料的一般特点外，还具有以下优点：①密封塑料袋包装，装运方便，减少了运输成本；②固体颗粒，密度大、体积小，贮存方便，清洁安全，同时，投料方便，减少工人的劳动强度，极大地改善了劳动环境，减少了劳动力成本；③燃料挥发分高，易于燃烧；④燃料热值高，水份低，燃烧效果好；⑤CO₂可达到生态“零”排放，SO₂、NO_x优于柴油，排放完全达标，实现减排目标。

　　与煤相比，生物质颗粒燃料热值基本和燃煤相当，燃烧速度要比煤快，易于燃尽，燃烧充分且黑烟较少、排放的污染物很少，只包括少量的大气污染物以及固体废弃物。生物质颗粒燃料锅炉排放的烟气中包含有多种不同的物质，其中，主要的污染物有不完全燃烧的颗粒C_xH_y和有害的气体CO，这和生物质颗粒燃料的组成成分有关系，但都是由于燃料的未充分燃烧而形成的。锅炉的污染物气体排放量相当低，并且由于生物质燃料中N、S等元素较少，所以最终排放的有毒气体，如NO_x、SO_x较燃煤排放的要低的多，因此可延长锅炉的使用寿命根据大量的数据分析可以认为，生物质燃料锅炉燃烧后所释放的大气污染物浓度要远远低于相应的国家标准颗粒燃料燃烧后灰碴极少，极大地减少堆放煤碴的场地，降低出碴费用：燃料燃烧后的灰烬是品位极高的优质有机钾肥，可回收创利：生物质颗粒燃料是大自然恩赐于我们的可再生的能源，作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可。

　　1.2生物质颗粒燃料的着火特性和燃烧稳定性

　　生物质颗粒燃料一般都是经过超高压压缩形成的微粒状燃料，密度较原生物质要大的多，这样的结构和组织特征使其可以很大程度上降低其的逸出速度和传热速度。该种燃料的点火温度比较高，但是点火性能存在一定程度的下降，不过仍然要好于煤的点火性能。颗粒燃料的燃烧过程均可分为启动、预运行、运行、停止4个阶段。颗粒燃料在燃烧开始阶段会慢慢进行分解，此时的燃烧主要处于动力区，但是随着燃烧进入过渡区和扩散区，燃烧的速度降低，就可以将大部分的热量挥发传递到受热面。从而使排烟的热损失大大降低。同时，挥发分燃烧需要的氧气和外界扩散的氧气比例适中。从而实现充分的燃烧，并进一步减少了气体不完全燃烧造成的损失和排烟造成的热损失。燃烧充分完成以后，留下的焦炭骨架的结构非常紧密。流动的气流无法分解骨架。从而使得骨架炭仍然能够保持完好的层状燃烧，并形成层状的燃烧核心。

　　通过观察，生物质颗粒启动阶段开始时，烟气呈白色，主要是由水蒸汽组成，烟气黑度较高；待点火成功后，火焰颜色较红且宽。温度较低，烟气黑度变淡，呈灰色或黑色，主要是由于燃烧过程中助燃空气不足造成的。预运行阶段，火焰变成了橘黄色，温度逐渐升高，烟气黑度更低。进入运行阶段后，火焰由橘黄色变成了浅黄色，烟气变成一缕淡淡的青烟。停止阶段，烟气黑度加大，火焰逐渐熄灭。不同生物质颗粒燃料的C、H、O元素的含量不同，其所需的理论空气量也不同，如果燃烧器的风量是一定的，就会造成了过量空气系数的不匹配。

　　各种颗粒燃料的NO_x排放质量浓度与其N含量基本成正比关系，N元素含量高，其NO_x排放质量浓度亦高；生物质颗粒燃料在燃烧器中正常燃烧时的SO₂、NO_x等污染物排放浓度远低于国家标准。生物质颗粒的灰分含量对燃烧器的正常运行时间有显著影响。如果颗粒燃料的灰分含量过大，会导致燃烧器因无法及时排出灰分而难以持续运行。此外，底灰结渣率对燃烧器的正常运行时间也有较大影响。

　　生物质颗粒燃料所需的点火时问与燃料的挥发分、含水率密切相关，挥发分越高，含水率越低，点火时间越短。燃生物质颗粒燃料锅炉燃烧比较稳定，炉温也相对较高。可以很大程度上减少固体和排烟的热损失。

　　2典型生物质颗粒燃料及锅炉热效率分析

　　2.1生物质燃料化验分析

　　生物质颗粒燃料各种成分的含量高低主要是由生物质颗粒原料的成分所决定的部份使用单位的生物质颗粒燃料的成份和发热量见表1。其中：碳(C)含量少(约为45％～50％)，尤其固定碳的含量低，易于燃烧；氢(H)含量多(约为6％～10％)：氧(O)含量35％左右；氮含量大多数少于1％；硫(S)含量少于0，02％，燃烧时不必设置烟气脱硫装置，降低了成本，又有利于环境的保护；灰分含量低，1.5％左右；水分含量7％～10％；挥发分高，约为80％～85％；生物质成型燃料的密度一般为1.1～1.4t／m³，热值约为(19926±100)kJ／kg。

　　2.2能效测试分析

　　在近满负荷运行时，燃生物质颗粒锅炉热效率在74.3％～80.69％之间；从热损失上看，主要是排烟热损失q2。影响排烟热损失的主要因素是排烟温度与过量空气系数。其中排烟温度的高低与锅炉的受热面的布置以及尾部余热回收装置安装与否有关：而过量空气系数与TSGG0002—2010《锅炉节能技术监督管理规程》要求的不大于1.65相差较远，有的甚至达到4.71，主要原因是大部分锅炉尾部没有安装过量空气系数检测设备，调整风量盲目。往往以烟囱不冒黑烟为调整依据，因此造成过量空气系数偏高。部份使用锅炉生物质颗粒燃料成份及其燃烧特性见表2，锅炉额定出力与锅炉效率、排烟温度、过量空气系数的关系见图1、图2、图3。

　　3优化生物质颗粒燃料锅炉燃烧，提高锅炉热效率的措施

　　根据燃烧方式不同，生物质颗粒燃料锅炉分为固定炉排层状燃烧、机械炉排层状燃烧、流化床燃烧3种：燃料类型根据DB35／T1398—2013《生物质固体成型燃料》，划分为一级品、二级品和三级品，一级品发热量最高。通过以下措施，优化锅炉燃烧，提高锅炉热效率。

　　(1)改善锅炉结构，以提升炉膛内温度(至少达600℃，为燃料充分燃烧提供燃烧基础根据生物质颗粒燃料锅炉的燃烧特性，优化锅炉结构，主要采用3室的燃烧结构：即气相燃烧室、固相燃烧室和燃尽除尘室。固相燃烧室的主要作用是为生物质颗粒燃料供应大量热解的气化热量，从而产生大量的生物质燃气这部分生物质燃气通过底部的吸式结构过滤净化，并最终被导人气相燃烧室中从而实现均相的动力燃烧。气相燃烧室的尾部主要采用旋流结构制造，这样可以让燃气的火焰进行充分的扰流，进而促进燃气的完全燃烧。而燃尽除尘室一般采用降尘、燃尽、凝渣以及辐射传热等组合结构，从而可以实现洁净燃烧和辐射换热等多重效果。

　　(2)增加二次进风口，补充膛内燃料燃烧所需氧气，并与燃料接触充分。

　　(3)从颗粒燃料生产源头抓起，保证燃料低水分，控制颗粒机出粒大小均匀。

　　(4)安装过量空气系数检测设备，及时调整风量，避免过大和过小的过量空气系数。

　　(5)结合炉膛实际燃烧状况，合理设置上料机上料速度和投料量。保证燃烧的时间。避免燃料层过厚，气体和燃料达不到良性混合，蓄热能力达不到充分燃烧的要求。

　　通过以上措施和控制，促进生物质燃料在锅炉中的完全燃烧。燃料充分完全燃烧才能提升锅炉热效率。保证生物质锅炉的节能效益最大化。生物质颗粒燃烧锅炉的推广和使用符合我国建设节约型社会的基本要求和实现可持续发展战略的基本国策，具有十分突出的经济效益、社会效益和环境效益，为缓解我国以及世界范围内的能源紧张问题和环境污染问题提供了解决的思路和方法，对于环境的保护和资源的有效利用具有重要的意义。

　　参考文献

　　1罗娟，候书林，典型生物质颗粒燃料燃烧特性试验，农业工程学报，2010，26(5)

　　2于洪生，燃用生物质颗粒燃料锅炉的燃烧及排放特性探究，科技致富向导，2012，(5)