生物质燃料工业锅炉设计、运行操作及管理要点

张智深，毛军，瞿自力，葛昕，胡志钢，郑进标，陈祖根，王耀宣

(杭州蓝禾新能源工程技术有限公司，浙江杭州310051)

　　摘要：说明生物质燃料锅炉设计、操作、管理必须符合所选生物质的燃烧特性。二次风份额大于50％。炉膛水冷度与燃料水分密切相关。烟气炉膛内停留时间2～3s。锅炉给料必须连续均匀、可调。运行中必须及时清除受热面粘结的焦渣、灰尘。

　　0概述

　　环保问题是摆在各级政府和全国人民面前的头等大事，2009年哥本哈根气候变化大会上，我国庄严承诺2020年中国单位GDP的CO₂排放量要比2005年减少40％～5％。这是一个不容易达到的指标。2014年国家环境保护部和国家质量监督检验检疫总局颁布的《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271-2014)规定锅炉大气污染物排放指标要求较《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271-2001)提高较多，颗粒物指标减少50mg／m³、二氧化硫减少600mg／m³，并新增了氮氧化物≤300mg／m³和汞及其化合物≤0.05mg／m³的要求。要实现上述目标需三大技术措施并举：一是严格实施国家发改委、环保部、国家能源局联合下发的“煤电节能升级与改造行动计划(2014～2020年)”，坚决对煤电机组实施关小上大、提效节能、减排改造的技术措施，努力使发电煤耗降低到310g／kWh以下，实现CO₂减排26％～30％；二是使用低碳能源和可再生能源；三是使用清洁化的化石能源。

　　可再生能源中生物质能源是较为清洁的可利用能源。据统计我国可利用的生物质能源折合标准煤约3～4亿t，而2014年我国耗煤量为37亿t，工业锅炉耗煤量为6.4亿t标准煤。如果将我国可利用的生物质能源全部用于工业锅炉燃料，可将54％的工业锅炉改为生物质燃料锅炉。我国待开发可用于能源植物种植的草原、边际土地面积近5亿公顷，可产生物质能源约13亿t。生物质能源开发潜力很大，发展生物质燃料锅炉是我国能源发展方向之一。

　　生物质作为燃料具有少硫或无硫、高挥发分易燃、灰分少、水分变化大、二氧化碳能在生命周期内完全吸收、可运输、可加工的特点。由于生物质少硫或无硫，燃烧后的烟气一般不需要装设脱硫设备；因其灰分少，同类燃烧方式下锅炉的原始灰尘排放浓度比煤低；高挥发分低燃点可使燃烧区温度低许多，减少热力型NO_x生成。

　　目前众多锅炉生产厂家都积极开发、设计、生产燃生物质锅炉。但其设计、生产、检验、安装、使用管理方面均未掌握其特殊要求，许多在用燃生物质的锅炉均未达到高效、环保的性能要求。

　　设计生物质燃料锅炉必须符合生物质燃料的燃烧特点。生物质燃料具有如下燃烧特点：

　　(1)挥发分含量高于煤炭，达70％。燃点低、易着火。

　　(2)固定碳含量低，仅15％～20％。易燃尽。

　　(3)灰分少，除稻壳灰分15％，其他生物质灰分一般在1.5％～5％。所需要的炉排面积较小，即炉排面积热负荷可取较大值。

　　(4)水分变化较大，设计炉膛结构、空气温度和选用燃烧设备应符合设计燃料水分下燃料顺利充分燃烧的要求。须特别注意露点温度计算，以选择合适的排烟温度。

　　(5)燃料的尺寸和形状繁多，须选择合适的燃烧方式和给料方式与设备。

　　(6)草本植物一般含有氯元素，极易产生受热面腐蚀，尾部受热面区的烟气温度必须高于露点温度。

　　笔者现就生物质燃料工业锅炉设计、运行操作及管理中应注意的要点，进行探讨。

　　1生物质燃料的给料、进料

　　(1)生物质燃料的燃点低，一般只有270～300℃，燃烧速度快，加上挥发分含量高，极易爆燃。因此燃料供给必须做到连续均匀，尤其是低水分、细粒度的生物质燃料。

　　输料设备应考虑燃料尺寸大小、燃料密度、水分高低对其的要求。

　　①水分低于20％、尺寸小于15mm的生物质燃料应选择螺旋给料机或皮带机。

　　②水分大于20％、尺寸在15～100mm的生物质燃料应选择刮板输送机或无轴螺旋输送机。

　　③水分低于15％、尺寸小于5mm的生物质燃料除选择螺旋给料机、皮带机外还可选择气力输送。

　　④生物质除加工成Φ8～12×20～50颗粒状燃料外，以原生态或粉碎状态储存于料仓内，则会缠连搭桥，造成料仓排料困难，不能使料仓顺利排料。必须采取相应的技术措施，首先料仓的形状必须设计成上口小下底大的锥台体形状。搭桥严重的燃料需要设计破桥装置，该装置就是滚筒轴上均匀分布若干拨料齿，拨料齿的形状为三角形，其轴向和周向布置间距视燃料特性而定，对于片块状燃料其轴向间距应在200～400mm，周向300～500mm为宜。滚筒轴的转速必须可连续调节，可选择变频调速或电磁调速。对于缠绕性较强的秸秆类燃料其轴向间距应在300～600mm，周向间距400～800mm为宜。

　　笔者曾对配套16t／h蒸汽锅炉的木片料仓进行技术改造，改造前其破桥装置下方与螺旋输送机之间经常被燃料挤实而造成螺旋机无法输出燃料。经现场观察分析发现，问题的原因是破桥装置供料过大，与螺旋机输出量不平衡。改造时首先改进拨料齿的形状和尺寸，由原来的30mm高改为150mm，其轴向间距由原来的100mm改为400mm，周向间距由原来的200mm改为400mm。滚筒轴转速由原来的37r／min改为0.42r／min。改造后破桥顺利，螺旋机输料正常平稳。

　　(2)向炉膛内给料、进料的方式选择应考虑生物质燃料的挥发分含量高低、尺寸大小。给料方式和设备选择必须配合燃烧方式，给料方式和设备应具有防止燃料炉外着火的技术措施和装置，必须能顺利、连续、均匀、可调控供给燃料。

　　①挥发分含量高、尺寸小于3mm×5mm的可选择风力吹送、播撒。这样有利于燃料预热、干燥、着火和燃尽。

　　②挥发分低、尺寸≤50mm的生物质燃料应采用机械力送入，可使用行星给料机或螺旋给料机，50～150mm以下的生物质燃料可用刮板给料机或链带给料机。对于较长的具有缠绕性的燃料应使用防缠绕螺旋机送人。

　　③生物质燃料水分越低、粒度越细，燃烧速度越快，就越容易炉外着火(或称为回火)，这种燃料必须采用风力喷送播撒。为防止回火，其吹送风速应大于其悬浮风速外，还应该大于其火焰传播速度。火焰速度应由试验得出。

　　④尺寸大于5mm的生物质燃料火焰传播速度较慢，正常运行时在负压状态下不会回火，但临时停炉时由链条炉排或往复炉排送人燃料的锅炉其炉排前部设有料斗且斗内存料时易回火烧到料斗里。这种锅炉应采用给料机的给料量与炉排带入炉膛的燃料量平衡方式的技术措施，停炉时应先停给料机，待料斗内无存留燃料后再停炉排。

　　⑤对于密度较小的块、片、条丝状燃料，可采用两级给料机串联、电气联锁控制的技术措施防止回火。

　　2燃烧方式与燃烧设备选择

　　燃烧方式的选择应根据燃料的水分大小、尺寸大小、灰分高低及其结渣性选择。

　　(1)燃料的收到基水分低于15％、尺寸小于3mm、灰分小于3％时，应采用风力喷播的悬浮燃烧方式；如果其灰分结渣性R_z≤1.5可采用铸铁固定炉排，灰分结渣性R_z＞1.5可采用水冷固定炉排。

　　(2)燃料的收到基水分低于15％、尺寸在5～50mm、灰分在4％～20％时，应采用机械进料的层燃或沸腾燃烧方式，燃烧设备可选择链条炉排、灰分结渣性R_z＞2.0应选用往复炉排。锅炉容量大于14MW、负荷变化且灰分结渣性R_z＜1.5的可选择鼓泡流化床、循环流化床。

　　(3)燃料的收到基水分为20％～50％、尺寸≤10mm、灰分在1％一5％时，应采取风力喷播加层燃的方式。其燃烧设备可用铸铁固定炉排或链条炉排。锅炉容量大于14MW且负荷变化且灰分结渣性R_z<1.5的可选择鼓泡流化床、循环流化床。

　　(4)尺寸为50～150mm的，灰分结渣性R_z＜1.5时采用链条炉排或倾斜水冷炉排，灰分结渣性R_z＞1.5采用往复炉排。

　　(5)秸秆类生物质应先行切碎，使其尺寸小于50mm，再投入锅炉燃烧；灰分结渣性R_z＜1.5时采用链条炉排，灰分结渣性R_z＞1.5时宜采用往复炉排。

　　3炉膛设计

　　设计生物质燃料锅炉前必须清楚知道拟燃生物质燃料的元素成分及灰的焦渣特征。

　　(1)炉膛出口温度的选择：炉膛出口温度应根据燃料灰的变形温度DT选择。燃煤锅炉一般应低于变形温度50℃。燃生物质锅炉炉膛出口温度应低于灰的变形100℃。为降低氮氧化物排放，炉膛出口温度应低于850℃。

　　(2)燃烧区温度：燃烧区温度的选择应根据燃料各成分活化能高低选取，以使其既顺利燃烧，又不大量形成NO_x。生物质挥发分中以甲烷CH₄和一氧化碳CO为主，其活化能50～125kJ／mol，远低于烟煤和无烟煤，而生物质燃料中固定碳含量极低，故燃烧区温度应控制在1200～800℃。首先应计算绝热燃烧温度，此时应取过量空气系数1.2～1.4，若绝热燃烧温度在此范围内，应将炉膛设计成绝热炉膛。绝热燃烧温度高于1400℃时应适当开降温窗，让火焰通过降温窗向上部水冷壁辐射散热降温，开窗面积与炉膛截面积之比与[(绝热燃烧温度-1400℃)／1400℃]成正比关系。即

　　笔者设计的DZL15-1.0-JZ燃菌渣蒸汽锅炉参数如表1。

　　该锅炉采用双拱绝热炉膛技术设计，完全适应菌渣燃料的燃烧。经试运行，效果符合设计要求，设计热效率83.11％，实测热效率84％。可以稳定、充分燃烧50％水分的菌渣燃料，用户非常满意。

　　(5)炉膛内配风设计：鉴于生物质燃料的燃烧特点，炉内配风应适应其燃烧段对氧气的需要量，即送料风、一次风和二次风必须以合理的比例配置。

　　送料风与二次风总量应满足燃料挥发分燃烧需要，燃烧生物质的二次风量约占总风量的60％～70％，二次风应从燃烧空间喷人，两个风应合理组织，与炉内烟气形成一定形状的流动形态并充分混合，闭式炉膛应组织成横向旋流，开式炉膛应组织切圆旋流。

　　二次风应分段送入，以控制NO_x的生成量。一次风则满足固定碳燃烧需要空气量，一般占总风量的30％～40％。炉内配风还应该与炉拱有效配合。炉拱覆盖面积须依燃料水分和灰分高低而定。

　　(6)移动炉排的移动速度：由于生物质燃料的灰分和固定碳含量较少，燃尽速度快，移动炉排的移动速度应相应提高，并且能够连续调节。

　　(7)炉膛仪表：生物质燃烧过程中需随时监控、调节炉膛及燃烧区的温度和压力，需要设置燃烧区温度表、压力表及烟气氧量计。

　　(8)炉墙设计：燃烧室的炉墙除应具有足够的耐火度和保温厚度外，尚应具有很好的结构强度，使其能耐受多次爆燃冲击。在适当位置应设置足够排泄面积的防爆门，防爆门应灵敏可靠。

　　(9)燃料水分≤15％的炉膛水冷壁，建议涂具有防结焦性能的涂料。保持水冷壁表面清洁。

　　4对流蒸发受热面设计

　　(1)热工参数取用：烟管受热面管内烟气流速一般取25～30m／s，燃烧稻壳的锅炉烟管内烟气流速应小于15rn／s(以防止烟管磨损)，水管对流管束区烟气流速一般取8～12m／s，燃烧稻壳的锅炉水管对流管束区烟气流速一般取5～6m／s。

　　(2)受热面型式选取：锅炉容量≤20t／h的锅炉对流受热面尽量采用螺纹烟管。螺纹烟管具有较好的防积灰性能，只是两端无螺纹段易积灰，但其长度不超过90mm，定期人工清灰即能满足运行要求。锅炉容量＞20t／h的对流受热面应采用水管式，但必须同时设计可靠有效的吹灰、清灰装置。连续运行的锅炉应装设在线吹灰装置。清放灰装置必须严密不漏风且操作灵活。

　　(3)对流受热区炉墙应与受热面紧密牢固连接，整体性要好。要能耐受爆燃冲击。

　　(4)燃生物质锅炉的水管对流受热面比螺纹烟管更易积灰，设计时必须采取有效的吹灰、清灰措施和装置。但目前尚无既安全又有效的吹灰技术，特别是无既安全又有效的在线吹灰技术，现有的在线吹灰设备均存在安全性差、吹灰存在死角、全受热面清灰程度不一致等问题。期待高效、安全的吹灰技术、设备出现。

　　5锅炉尾部受热面设计

　　(1)首先应根据燃料水分确定是否布置空气预热器。燃料水分低于15％时可不布置空气预热器；燃料水分在15％～30％，先少量布置省煤器受热面再布置适量空气预热器受热面；当燃料水分＞30％可只布置空气预热器；当燃料水分＞45％时应适量减少对流蒸发受热面，加大空气预热器受热面积，以提高热风温度，使湿燃料顺利燃烧。

　　(2)尾部受热面传热温差小，必须取用较高的烟气流速：横向冲刷管束的应为10～12m／s，管内烟气流速W应为25～30m／s。因需要很多受热面积，一般采用扩展受热面，如翅片管、螺旋鳍片管。

　　(3)尾部受热面区应设置可靠有效的吹灰、清灰装置。连续运行的锅炉应装设在线吹灰装置。

　　(4)尾部受热面下应设置烟灰沉降池，初步分离粗颗粒灰尘，降低烟尘初始排放浓度。

　　6辅机配置

　　燃生物质的锅炉配置风机需要增大裕量，因生物质燃料水分变化大，低位发热量变化大，需要较大的风量、风压裕量储备，否则不能满足运行要求。出渣设备必须选用干式的且密封性能好的设备，不能用水封式。电控系统的功能必须有启炉、停炉的顺序连锁功能，确保启炉时给料机最后开启，停炉时最先停给料机。料仓设计必须采用防搭桥技术措施。

　　7运行操作与管理

　　(1)实际使用燃料必须符合设计规定，特别注意其水分、灰分及灰的结焦特性。水分、灰分变化会引起燃料的发热量变化，当发热量变化较大时将严重影响燃烧安全性，甚至会造成安全事故。燃料发热量升高较大时会大幅度提高燃烧区温度，造成结焦、耐火材料超温损坏；燃料发热量降低较多时会严重降低燃烧区温度，燃烧速度大幅度降低，轻者燃烧不充分、降低锅炉出力，重者则熄火、爆燃。灰的结焦性变强，会造成炉排面上结焦影响通风，炉排得不到有效的冷却而超温损坏，同时会在受热面上粘结灰壳，严重影响传热。据观察，对流受热面每增加1mm灰层则排烟温度将升高150～200℃，热效率相应下降7～10个百分点。建议燃料水分变化幅度不要超过5％，灰分变化不要超过2％。灰的结焦性要保持稳定，否则要采取有效的吹灰和清灰措施。

　　(2)运行调节要做到平稳过渡、连续均匀。锅炉由一种状态变化到另一种状态时要平稳，燃料量、鼓引风量增减要缓慢平稳，小幅慢调，尽量使风料比保持一致，并且与燃烧区温度(即燃烧速度)协调一致，即炉内不要积存大量燃料。燃料供给必须连续均匀，不得忽大忽小。

　　(3)停炉时不得用生物质燃料压火。生物质挥发分含量高，如在炉内存有较多燃料停炉压火，会析出大量挥发分，当达到爆炸极限浓度时会产生爆燃，损坏炉墙。所以停炉时不得在炉内积存大量生物质燃料，当需要短暂停炉时可以留少量生物质燃料保持火种，但要开启炉门及所有烟道门通风，防止挥发分聚集。较长时间停炉应用煤炭压火。

　　8结语

　　笔者多年从事生物质锅炉研究，经验证明，生物质锅炉的输料、给料、燃烧方式选择，炉膛设计、对流受热面设计、尾部受热面设计，辅机配置，运行操作、管理各环节均必须符合生物质燃料的物理特性、燃烧特性、灰渣特性。设计前必须充分了解燃料的特性，必要时必须通过实验得出燃料特性，否则将会影响锅炉的安全、经济运行。