摘要：介紹了生物質(zhì)成型燃料的燃料特性及燃燒特性。對(duì)燃用生物質(zhì)成型燃料鏈條爐排蒸汽鍋爐的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，實(shí)測(cè)某型號(hào)鍋爐的熱效率、煙氣污染物排放質(zhì)量濃度，與相同蒸發(fā)量燃煤蒸汽鍋爐(燃用Ⅱ類(lèi)煙煤)的燃料成本進(jìn)行了比較。該型號(hào)鍋爐的實(shí)測(cè)熱效率達(dá)88%，煙氣污染物排放質(zhì)量濃度分別為：煙塵1.3 mg／m³、二氧化硫24.0 mg／m³、氮氧化物91.2 mg／m³，遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值。燃料成本比燃煤鍋爐低37%左右。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)成型燃料；  工業(yè)鍋爐；  熱效率；  污染物排放量；  生物質(zhì)燃料

Design and Measurement Result of Industrial Biomass Briquette-fired Boiler

Abstract: The property and combustion characteristics of biomass briquette are introduced. The design of chain-grate steam boiler that burns biomass briquette is discussed. The thermal efficiency and flue gas pollutant emission mass concentrations of a model boiler are measured, and its fuel cost is compared with that of a bituminous coal-fired steam boiler with the same evaporation capacity. The measured thermal efficiency of this boiler is 81%, and the mass concentrations of flue gas pollutant emissions are l.3 mg／m³ for dust, 24.0 mg／m³ for sulphur dioxide and 91.2 mg／m³ for nitrogen oxides respectively, which is far less than the limits in the relevant standard. The fuel cost of this boiler is 37% 1ess than that of coal-fired boiler.

Key words: biomass briquette；industrial boiler；thermal efficiency；pollutant emission：biomass fuel

生物質(zhì)能是一種理想的可再生清潔能源，來(lái)源廣泛。目前，生物質(zhì)能消耗占世界總能耗的14%，僅次于煤炭、石油和天然氣，在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位。在我國(guó)，生物質(zhì)能占全部能源消耗總量的20%，但主要是利用傳統(tǒng)爐灶直接燃燒，能源轉(zhuǎn)換效率僅為10%～20%，在商業(yè)用能結(jié)構(gòu)中生物質(zhì)能利用率極小，主要原因是生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備相對(duì)滯后，制約了我國(guó)生物質(zhì)燃料的推廣應(yīng)用。分布在城市周邊及農(nóng)村的大量工業(yè)鍋爐，是我國(guó)煤炭消費(fèi)大戶(hù)，不但熱效率較低，而且是造成環(huán)境惡化的主要污染源。因此開(kāi)發(fā)潔凈高效的生物質(zhì)燃料工業(yè)鍋爐，是工業(yè)鍋爐技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，也是節(jié)能減排的迫切需要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)人員對(duì)生物質(zhì)燃料的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究^[1-9]，其中生物質(zhì)成型燃料在工業(yè)鍋爐應(yīng)用是主要方面。本文對(duì)生物質(zhì)成型燃料工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探討。

1 燃料特性分析與完全燃燒影響因素

1.1 生物質(zhì)成型燃料特性分析

①生物質(zhì)燃料的元素分析

常見(jiàn)生物質(zhì)燃料的元素分析(干燥無(wú)灰基)見(jiàn)表1。由表1可知，生物質(zhì)燃料含碳量較少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于50%，因此生物質(zhì)燃料不耐燒，發(fā)熱量較低。生物質(zhì)燃料含硫量很低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多低于0.20%，甚至為零，因此燃用生物質(zhì)燃料的燃燒設(shè)備不必設(shè)置脫硫裝置，以降低設(shè)備造價(jià)。

②生物質(zhì)成型燃料的工業(yè)分析

常見(jiàn)生物質(zhì)成型燃料工業(yè)分析(收到基)見(jiàn)表2。由表2可知，與煤相比，生物質(zhì)成型燃料具有以下特點(diǎn)：水分較多，并與生物質(zhì)原料品種有關(guān)，且差別較大?；曳州^少，揮發(fā)分較高，固定碳含量較低，高位發(fā)熱量較低。

③生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性

生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)分高于煤，灰分和含碳量小于煤，發(fā)熱量小于煤，生物質(zhì)成型燃料的燃料特性決定了其燃燒特性。生物質(zhì)成型燃料的燃燒過(guò)程分為預(yù)熱干燥(水分蒸發(fā))階段、揮發(fā)分析出及燃燒階段、固定碳燃燒階段。主要特點(diǎn)為：

a.由于生物質(zhì)成型燃料水分含量較高，且隨加工過(guò)程及儲(chǔ)存條件變化顯著，潮濕的生物質(zhì)成型燃料入爐后需較高的干燥溫度及較長(zhǎng)的干燥時(shí)間。因此當(dāng)燃用生物質(zhì)成型燃料時(shí)，爐內(nèi)溫度偏低，要穩(wěn)定燃燒比較困難，較多的水分增加了煙氣的體積，增大了排煙熱損失。

b.生物質(zhì)成型燃料揮發(fā)分含量較高，燃料著火溫度較低，一般在溫度達(dá)到300～350℃時(shí)，揮發(fā)分就大量析出并開(kāi)始劇烈燃燒。若空氣供應(yīng)量不足，易增大燃料的不完全燃燒損失。

c.揮發(fā)分析出燃盡后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，妨礙了燃燒，易導(dǎo)致灰燼中殘留較多的余碳，增大機(jī)械不完全燃燒損失。為促進(jìn)炭燃燒充分，應(yīng)適當(dāng)加以捅火或加強(qiáng)通風(fēng)，但氣流易將部分炭粒送入煙道，形成黑絮，因此通風(fēng)過(guò)強(qiáng)易導(dǎo)致燃燒效率降低。

目前市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的生物質(zhì)成型燃料是直徑為20～40 mm、長(zhǎng)度為40～80 mm的柱狀顆粒，低位發(fā)熱量為l4.2～22.4 MJ／kg。影響生物質(zhì)成型燃料完全燃燒的主要因素為：①送風(fēng)量不足易導(dǎo)致生物質(zhì)成型燃料燃燒不充分，灰渣中含碳量較高，還使得一部分CO在爐膛中沒(méi)有燃燒就隨煙氣排出。因此應(yīng)增大一次風(fēng)量，配置功率較大的送風(fēng)機(jī)，并適當(dāng)增加二次風(fēng)量。②生物質(zhì)成型燃料在爐膛中停留時(shí)間太短，導(dǎo)致燃料沒(méi)有足夠的時(shí)間燃燒，產(chǎn)生不完全燃燒。應(yīng)適當(dāng)增大爐膛容積，并采用爐拱配合二次送風(fēng)，加強(qiáng)攪動(dòng)混合。

2 生物質(zhì)成型燃料工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)

2.1 鍋爐房系統(tǒng)流程

生物質(zhì)成型燃料鍋爐房系統(tǒng)流程見(jiàn)圖l。鍋爐房由鍋爐本體、燃料送料裝置、送引風(fēng)機(jī)、軟水處理器、除塵器等組成。鍋爐房的燃料(生物質(zhì)成型燃料)、水、煙氣、空氣的流程與常規(guī)燃煤鏈條爐排鍋爐房近似。

2.2 鍋爐本體設(shè)計(jì)

鍋爐本體采用水火管結(jié)構(gòu)，爐膛下部采用鏈條爐排，生物質(zhì)成型燃料在爐排上燃燒。鍋爐本體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

①爐膛總體結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)成型燃料點(diǎn)火溫度在300 ℃以上，燃燒速度比煤快，火焰比煤長(zhǎng)。因此，爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮上述因素，適當(dāng)提高爐膛高度，增加爐膛的容積，加強(qiáng)通風(fēng)，克服結(jié)渣問(wèn)題。正常運(yùn)行時(shí)，過(guò)?？諝庀禂?shù)控制在1.4-1.6，有利于提高燃燒效率。

②爐拱布置

爐拱的主要作用是加強(qiáng)爐內(nèi)氣流的混合，儲(chǔ)蓄熱量，調(diào)整燃燒中心，提高爐膛溫度，加速燃料著火。為了改善生物質(zhì)成型燃料燃燒狀況，鍋爐設(shè)置了前拱、中拱、后拱。

前拱主要功能是通過(guò)以再輻射為主、鏡反射為輔的方式，將燃燒火床面的輻射熱和部分火焰輻射熱傳遞到新燃料的著火區(qū)。前拱由傾斜引燃拱和較高的水平拱組成，傾斜引燃拱的位置較低，靠近生物質(zhì)成型燃料閘板，水平拱應(yīng)具有足夠的敞開(kāi)度。

中拱的作用是將主燃燒區(qū)的高溫?zé)煔庖龑?dǎo)到爐膛前部，促使燃料迅速著火，應(yīng)呈前高后低傾斜布置。傾角越大，從主燃燒區(qū)導(dǎo)入著火區(qū)的煙氣量越多，越有利于引燃，但傾角過(guò)大，則中拱前部出口端過(guò)高，使煙氣流速降低，不利于傳熱，一般設(shè)置為5°左右。

后拱的設(shè)計(jì)應(yīng)使火床的強(qiáng)烈燃燒區(qū)處于后拱的拱區(qū)內(nèi)，并具有足夠的覆蓋率、容積高度，其長(zhǎng)度和高度比燃煤鍋爐有所增加，后拱出口應(yīng)有一個(gè)水平或向下的拱段。

③二次風(fēng)布置

在加強(qiáng)一次風(fēng)的同時(shí)，在前拱、中拱及爐膛兩側(cè)合理地設(shè)置二次風(fēng)，二次風(fēng)布置位置和噴射方向很重要。為不使氣流對(duì)沖，前后噴口相互錯(cuò)開(kāi)，雙面布置，既可降低所要求的二次風(fēng)射程，又可通過(guò)控制噴口高度，實(shí)現(xiàn)氣流旋轉(zhuǎn)，提高空氣混合的有效性。

鍋爐送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓比燃煤鍋爐要大，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也比燃煤鍋爐大，空氣與燃料充分混合燃燒，煙氣經(jīng)各受熱面吸熱冷卻后，最終經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入煙囪，鍋爐爐膛始終處于微負(fù)壓狀態(tài)。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 鍋爐性能測(cè)試

鍋爐外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為6.8 m×2.7 m×3.8 m，所燃用的生物質(zhì)成型燃料低位發(fā)熱量為16.4 MJ／kg。鍋爐主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。在鍋爐蒸發(fā)量達(dá)到設(shè)計(jì)能力的工況下，經(jīng)權(quán)威部門(mén)測(cè)試，其熱效率達(dá)88%以上，排煙溫度為120～135℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測(cè)試依據(jù)為TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》、TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》。

3.2 環(huán)保性測(cè)試

經(jīng)環(huán)保部門(mén)檢測(cè)，鍋爐污染物排放實(shí)測(cè)值及規(guī)定上限見(jiàn)表4。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB l3271-2001《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。由表4可知，各項(xiàng)污染物排放指標(biāo)符合要求。

3.3 燃料成本測(cè)試

該生物質(zhì)成型燃料鍋爐用于浙江某針織有限公司提供生產(chǎn)工藝用蒸汽。在正常工況下，與相同蒸發(fā)量燃煤鍋爐的燃料成本進(jìn)行比較。燃煤鍋爐實(shí)際熱效率為67%，燃用Ⅱ類(lèi)煙煤，低位發(fā)熱量為l8.76MJ／kg，價(jià)格為900 元／t，燃料消耗量為0.8 t／h。生物質(zhì)成型燃料鍋爐實(shí)際熱效率為88%，生物質(zhì)成型燃料低位發(fā)熱量為l6.4 MJ／kg，價(jià)格為600元／t，燃料消耗量為0.76 t／h。每月按30日計(jì)算，每天運(yùn)行16 h，燃煤鍋爐、生物質(zhì)成型燃料鍋爐的月燃料成本分別為34.5×10⁴、21.9×10⁴元/月。因此，燃用生物質(zhì)成型燃料，月燃料成本約降低37%。

4 結(jié)論

①根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性，改進(jìn)鍋爐的結(jié)構(gòu)，提高爐膛高度，增加爐膛容積，調(diào)整爐拱位置及反射面角度，合理布置爐膛內(nèi)部受熱面，提高輻射傳熱面積。能實(shí)現(xiàn)爐膛與生物質(zhì)成型燃料燃燒的良好匹配，確保鍋爐具有良好的著火穩(wěn)燃性能，燃料的燃盡率高，降低爐膛出口煙氣溫度，既提高了鍋爐的熱效率，又不發(fā)生爐膛結(jié)渣現(xiàn)象。

②該生物質(zhì)成型燃料鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)生物質(zhì)成型燃料適應(yīng)性好，熱效率高，排放符合標(biāo)準(zhǔn)，燃料成本低。

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本文作者：沈美華 石斌

作者單位：嘉興市特種設(shè)備檢測(cè)院