燃煤鍋爐改造燒生物燃料鍋爐對比
生物質燃料是世界上公認的清潔能源，它替代煤、油成為新的能源是必然趨勢。目前很多國家在中小型工業鍋爐上都有生物質顆粒燃料的應用，我國尚在起步階段，新的爐型較少，大部分都是燃煤鍋爐改燒生物質顆粒燃料。但是由于生物質顆粒燃料與煤的燃燒特性不同，所以原有鍋爐結構與操作工藝必須加以改造或改進，否則鍋爐出力、鍋爐熱效率將大幅下降，甚至鍋爐設備出現事故而造成損失，使這一新生事物無法正常推廣。 生物質成型燃料的燃燒過程是強烈的化學反應過程，又是燃料和空氣間的傳熱、傳質過程。生物質成型燃料在燃燒過程中有以下一些特點： (1)揮發分在350℃時就析出約80%，析出及燃燒時間短，只占燃燒時間的10%左右； (2)需保證適合的空氣量和空氣供給方式，以使燃料燃燒充分； (3)高密度大顆粒燃料與低密度的顆粒燃料相比，其在整個燃燒過程中的燃燒速度相對平穩一些。同煤一樣，粒度比較均勻，燃燒工況相對平穩，易于控制； (4)顆粒燃料的燃燒主要是揮發分的燃燒，通風量大使爐膛內的溫度降低，揮發分析出速度相對平穩。同時較低的爐膛溫度可使NOx的生成大大減少。 生物質顆粒燃料本身的灰分中含有Ca2+、Na+、K+等離子，這些離子在燃燒過程中容易形成渣層，且灰的軟化溫度較低，因此燃料本身的特性決定了結渣的特性和程度。與煤相比生物質顆粒燃料的灰熔點要低，更易結渣。燃燒過程中燃料層的溫度、爐膛溫度、燃料與空氣混合不充分以及鍋爐超負荷運行是造成結渣的重要因素。 2.1綜合性改造 (1)為了適應生物質顆粒燃料的燃燒，需對鼓、引風機增裝變頻調速裝置。它可以隨意調整供、引風量及風壓、煙壓，使燃料充分燃燒，經濟運行。風機變頻調速節能是眾所周知的，對燃用生物質顆粒燃料更有其獨到的作用。 (2)爐排運轉采用變頻調速。當燃料品種固定后，在負荷一定的情況下燃料層厚度無需經常調整，只需對爐排速度及配風進行調整。所以爐排為變頻調速方式能更好適應不同燃料的燃燒。 (3)增裝二次風系統。通常情況下，除拋煤機倒轉爐排鍋爐外，一般的中小型鍋爐只設有一次風系統就町以滿足燃料燃燒了。但生物質顆粒燃料的揮發分是煤的幾倍，析出和燃燒時間很短，只是整個燃燒時間的10%左右，且主要是在爐膛窄間燃燒，此時單靠從爐排下部供給的一次風是遠遠不夠且不及時的，必須及時向爐膛空間送入適量的空氣，保證燃料懸浮燃燒所需的足夠氧氣。 增裝二次風系統時，首先要計算好合適的風壓和風量，選用變頻調速風機會更加適應燃燒需求。要使二次風進風口布置在爐墻的不同位置，再以不同的角度向爐內供風的同時擾動氣流，保證燃燒區域有合適的溫度水平，延長可燃物與高溫煙氣在爐內的停留時間。伸入爐墻，靠近爐膛內壁的送風管，選擇陶瓷、鑄鐵材質的較好，該材質耐熱、耐磨，不易損壞。 2.2燃燒設備的選擇 適應生物質顆粒燃料燃燒特性的燃燒設備，為保證燃燒效率比較高，首選循環流化床，中小型工業鍋爐則首推拋煤機倒轉爐排。因為它具有層燃和懸浮燃的綜合特點。首先由爐前若干個燃料進口角度及推煤行程可調的機械風力拋煤機，將顆粒燃料拋入爐膛。大的顆粒落在爐排的后部，小的顆粒落在爐排的前部，爐排由爐后向爐前部行進，在一次風的配合下燃燒，燃盡的灰渣落入前部渣斗。較小的顆粒及粉狀燃料則在拋入爐膛內時就在空中迅速地呈懸浮狀燃燒，并由二次風供給足夠的氧氣。 供助于前墻二次風的托送，在后墻=次風的交叉擾動下，這種燃燒方式強化了燃燒，保證了生物質顆粒燃料的及時著火和充分燃盡，在合適的過量空氣系數時，氣體和固體未完全燃燒損失比燃煤大大減少，鍋爐熱效率明顯提高。瑞典Boras建造的兩臺出力90t/h的鍋爐就是采用拋煤機倒轉爐排，平時燒小木塊，也可以燒煤。 小容量的鏈條爐排鍋爐及往復爐排鍋爐，也可以采用增加風力進料裝置的辦法，即在鍋爐前部爐排上方布置若干個進口角度可調的進料口，分別向爐內均勻進料。同時通過布置在進料口下方的二次風將燃料送入爐膛前部，并在一次風的配合下，在爐膛內進行懸浮燃燒。在懸浮燃燒的過程中，較大的顆粒燃料落到爐排上，并隨著爐排的推動或行進來進行層狀燃燒，逐漸燃盡而落入灰渣斗。這種方式由于比拋煤機拋煤懸浮燃燒的燃料份額少，只需在爐膛前部布置二次風，后墻二次風不需布置或少量布置。這種方式也是適合生物質顆粒燃料強化燃燒的一種方式。 2.3增加燃燒室及燃燒設備 由于燃煤鍋爐燃燒室結構尺寸形狀，都是按照煤種設計確定的，所以要想完全改造成與燒生物質顆粒燃料相匹配，幾乎是不可能的。如果鍋爐旁有足夠的空間位置，經過經濟分析比較可行的話，可以給鍋爐增加一個新的燃燒室，主要任務是發生可燃氣體并初步燃燒，原有的燃燒室（爐膛）做為燃盡室。這樣新的燃燒室就完全可以按照生物質顆粒燃料設計，盡可能達到高效燃燒。據國外資料介紹，這種改造方式對于小型鍋爐來說，成功率很高，成功的例子也很多。如果爐膛容積足夠大，則將固定爐排改為移動爐排則是方便的選擇。選擇小型爐排時，應優先選用傾斜式往復爐排，更適合于生物質顆粒燃料燃燒，尤其是不易結渣。 綜上所述，控制燃料結渣的措施主要有： (1)控制爐膛過量空氣系數a=1.5時為好。 (2)控制爐膛溫度不超過900℃，避免超負荷運行。 (3)可混燒一些灰熔點較高的燃料，例如燃用灰熔點低的玉米秸桿顆粒時可摻燒一些木屑顆粒燃料，甚至可以摻燒一些煤粉。 (4)燃料層厚度應均勻，在100~ 200mm之間為宜。 (5)如果有條件可改為流化床。由于流化床的燃燒溫度相對較低（大約850℃），則生物質顆粒燃料就不存在灰渣熔化和結渣問題。 3、燃用生物質顆粒燃料鍋爐熱損失的分析與對策 3.1固體不完全燃燒熱損失 固體不完全燃燒熱損失，隨著爐膛過量空氣系數a的增大逐漸減小，當達到一定值后，隨著a的增大，固體不完全燃燒熱損失又隨著增大。應控制a在1.5左右為宜，此時的固體不完全燃燒熱損失在3%左右，遠遠小于燃煤的固體不完全燃燒熱損失，這是由生物質顆粒燃料特性所決定的。 3.2氣體不完全燃燒熱損失 氣體不完全燃燒熱損失隨過量空氣系數a呈相應變化規律。即氣體不完全燃燒熱損失隨著a由小到大，逐漸減少，當減少到一定值時，隨著“的增大又開始增大。但是生物質成型顆粒燃料的特性決定了它的氣體不完全燃燒熱損失遠遠小于煤的氣體不完全燃燒熱損失。由文獻[5]可知，當a=1.5左右時，只有1%左右。 3.3散熱損失 散熱損失主要取決于鍋爐散熱表面積的大小及表面溫度，當表面積一定后，只與表面溫度有關，而表面溫度的高低則取決于爐內燃燒的工況。所以要在保證爐內燃燒工況正常的前提下，來確定散熱損失是否在允許的范圍內。正常情況丁生物質顆粒燃料燃燒時爐膛溫度在900℃左右，比燃煤鍋爐的爐膛溫度要低150℃左右。所以燃生物質顆粒燃料的鍋爐散熱損失要比燃煤鍋爐的少。 3.4排煙熱損失 排煙熱損失主要取決于排煙量的多少與排煙溫度的高低。在空氣過量系數適當、燃燒工況正常的情況下，燃生物質顆粒燃料的鍋爐排煙熱損失要小于燃煤鍋爐。 燃生物質顆粒燃料的鍋爐當爐膛過量空氣系數合適（大約在1.5時）燃燒工況穩定，要比燃煤鍋爐的熱損失小10%左右，這主要是由燃料特性決定的。 依照鍋爐設計規范，當鍋爐的額定出力和傳熱介質的進出口參數確定后，要確定燃料品種及相關特性參數，然后先進行爐膛設計。爐膛形狀大小要通過爐膛體積熱負荷、過量空氣系數等參數計算確定。其次是燃燒設備的設計。爐排種類、爐排面積的設計，依據爐排面積熱負荷和單位有效燃料體積熱負荷的大小而計算確定；而鍋爐受熱面的設計則要依據傳熱系數、排煙處的過量空氣系數和排煙溫度的大小。另外尚要確定鍋爐熱效率的大小，從而決定鍋爐的設計水平。當燃料發生變化后，現有的鍋爐即使改造的措施再完善，與按新燃料重新設計的鍋爐也要有一定的差別，這是客觀現實。雖然生物質顆粒燃料從燃燒特性上比較接近煤，燃燒效率較高，但發熱量較低，與低質煤的發熱量相近，若想達到原設計出力，就必須加大燃料的投入和燃燒。但是應該認識到改造后的鍋爐燃燒設備雖然采取了多種措施，但是也不可能與生物質顆粒燃料燃燒完全匹配。由于燃燒強度降低，傳熱溫差減小等因素，可能要造成鍋爐出力的減小（有待實驗確定）。如果增大燃燒設備的負荷而強制燃燒，就會造成鍋爐熱損失的增加，使鍋爐熱效率下降。為此在鍋爐進行改造前，就一定要充分認識到這一點，采取必要的措施加以應對。 燃煤鍋爐改燒生物質顆粒燃料是可行的。采取必要的改造措施后，原鍋爐可以做到對燃煤和燃生物質顆粒均適應。兩種燃料摻合混燒也是可行的，國外文獻多有介紹。鍋爐燃生物質顆粒后熱效率可提高10%左右，大大減少了粉塵，S02和NOx的排放，節能減排，利國利民。如果一旦生物質顆粒燃料出現短缺，可以馬上更換燒煤，只需調整操作方式，而不必對設備進行改動（包括輸煤和除渣系統）。唯一需要注意的是鍋爐出力有可能降低，有待實驗
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