煙梗—煤雙燃料流化床鍋爐設計和運行研究

摘 要：煙梗是煙葉復烤企業(yè)生產(chǎn)過程中主要的副產(chǎn)品，是一種生物質(zhì)能源，具有極高的利用價值。在國家大力倡導“節(jié)能減排”的形勢下，對煙梗等廢棄物展開綜合性利用，有利于煙葉復烤企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。文章提出以煙梗作為一種燃料，通過直接燃燒將其生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為蒸汽熱能供烤煙生產(chǎn)車間使用。由煙梗基礎物性和燃燒特性分析可知，以煙梗為主燃料鍋爐在實際運行過程中存在受熱面易積灰和結(jié)渣等問題，通過對鍋爐本體針對性的設計和運行方式的靈活調(diào)度，保證了煙梗燃料完全燃燒、避免了煙梗不完全燃燒時所帶來的焦油危害，同時有效減輕了受熱面的積灰和結(jié)渣、提高了鍋爐運行可靠性，實現(xiàn)了資源可循環(huán)利用。

關鍵詞：煙梗；資源可循環(huán)利用；煙梗-煤雙燃料鍋爐

1 概述

煙草固廢（包括：各規(guī)格的煙梗、煙沫、煙葉粉塵、青霉雜煙葉）是煙葉復烤企業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，由于行業(yè)專賣特性，煙草固廢不能采用常規(guī)的堆肥或填埋方法進行處理，是困擾打葉復烤企業(yè)發(fā)展的一大難題。自2006年以來，貴州煙葉復烤有限責任公司下屬遵義復烤廠和貴陽復烤廠分別對煙梗進行了氣化燃燒和直接燃燒的深入研究并取得了顯著的成效。2014年，貴州煙葉復烤有限責任公司下屬黔西南復烤廠提出以煙草固廢作為主燃料，通過直接燃燒，將其生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為蒸汽熱能供烤煙生產(chǎn)車間使用。根據(jù)該公司生產(chǎn)車間蒸汽負荷使用特點，貴州迪鑫工業(yè)設備工程有限公司公司聯(lián)合鄭州鍋爐股份有限公司設計了煙梗-煤雙燃料循環(huán)流化床鍋爐。

2 煙梗基礎物性分析及煙梗燃燒特性分析

2.1 煙梗基礎物性分析

燃料的燃燒穩(wěn)定性和燃燼特性是鍋爐設計及運行過程中最為關注的問題。燃料基礎物性參數(shù)主要包括燃料的工業(yè)分析、元素分析、灰成分和灰熔融特性。文章主要對煙梗、煙末和典型動力用煤基礎物性進行分析和比較，煙梗、煙末、典型動力用煤工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量、灰熔融特性和灰成分分析分別如表1、表2、表3、表4所示。

（1）從各燃料工業(yè)分析和元素分析結(jié)果可知，煙梗、煙末和動力用煤干燥基灰分（Ad）含量分別為14.96%、13.43%和38.23%，干燥基揮發(fā)分（Vd）含量分別為69.07%、73.02%、20.27%，干燥基低位發(fā)熱量（Qnet，d）分別為13.66MJ/Kg、19.72MJ/Kg、19.86MJ/Kg。與動力用煤相比，煙梗具有典型的生物質(zhì)燃料特性，其發(fā)熱量和灰分含量均比煤低、而揮發(fā)分含量遠高于煤，易于著火和燃燒。

（2）從灰熔融特性和灰成分分析結(jié)果可知，煙梗、煙末和動力用煤灰變形溫度（DT）分別為1210℃、1210℃、>1350℃，煙梗、煙末灰成分中堿金屬鉀含量分別為20.95%、12.74%。與動力用煤相比，煙梗、煙末灰成分中堿金屬鉀含量較高，燃燒時堿金屬鉀與氯反應生成KCL，其熔點較低且易以氣溶膠的形式在管壁表面大量析出，并黏附飛灰形成結(jié)渣，因此燃用煙梗、煙末的鍋爐尾部受熱面更易結(jié)渣，對于以煙梗為主燃料的鍋爐本體設計時，應控制較低的爐膛出口排煙溫度。

2.2 煙梗燃燒特性分析

煙梗的高焦特性以及燃燒產(chǎn)物中堿金屬鉀含量較高是制約煙梗作為替代燃料的兩個主要因素。煙梗熱解氣化過程中，在溫度較低和局部缺氧的情況下，煙梗受熱裂解析出揮發(fā)分后不完全燃燒而析出焦油，帶來焦油危害。焦油是由多種烴類及烴的氧化物、硫化物和氮化物組成的復雜混合物，在低溫時會凝結(jié)成液態(tài)且易與水和灰塵結(jié)合，造成鍋爐受熱面結(jié)渣而堵塞，惡化傳熱特性，影響鍋爐的正常工作。煙梗直燃方式下，在氧量充足且燃燒穩(wěn)定時，煙梗析出揮發(fā)分并迅速燃燒，焦油組分在爐內(nèi)完全燃燒，不會帶來焦油危害。但在鍋爐實際運行過程中，以下兩種情況均較易帶來焦油危害：

（1）低溫啟動過程。鍋爐低溫啟動時，由于燃料量少、配風不均勻、爐膛溫度低、燃燒較不穩(wěn)定，煙梗揮發(fā)分不完全燃燒，產(chǎn)生的焦油可能未燃燒完全就離開爐膛并在鍋爐尾部受熱面凝結(jié)。

（2）燃燒不穩(wěn)定。打葉復烤企業(yè)生產(chǎn)過程中需要的蒸汽負荷并不穩(wěn)定，當鍋爐負荷有較大波動時，可能會由于汽壓變化過大、燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)相對滯后而引起鍋爐燃燒不穩(wěn)定，煙氣中焦油成分未完全燃燒離開爐膛，其之后的受熱面受到危害。

3 煙梗-流化床雙燃料鍋爐設計和運行特點

3.1 采用雙燃料鍋爐技術

貴州煙葉復烤有限責任公司黔西南復烤廠每年僅能提供6000噸左右的煙草固廢，以煙梗作為唯一燃料所生產(chǎn)的蒸汽量不能滿足企業(yè)正常生產(chǎn)用汽需求，因此在該企業(yè)鍋爐選型上，選用煙梗-煤雙燃料鍋爐，采用雙燃料聯(lián)合運行方式。同時，由煙梗燃料基礎物性分析可知，燃用煙梗的鍋爐其受熱面易積灰和結(jié)渣，采用煙梗-煤雙燃料燃燒方式，根據(jù)實際負荷情況靈活調(diào)整燃料比例，利用煤基燃料的飛灰沖刷煙梗積灰可以有效緩解煙梗純燒方式下尾部受熱面易積灰和結(jié)渣的現(xiàn)象，減少吹灰周期，避免過度吹灰對鍋爐受熱面產(chǎn)生不利影響，提高鍋爐運行的可靠性。

3.2 鍋爐本體針對性設計及運行優(yōu)化

保證煙梗完全燃燒對減少鍋爐不完全燃燒損失、提高鍋爐運行經(jīng)濟性具有重要意義，主要受到以下三個因素影響：（1）合理的爐膛溫度；（2）合理的燃料預熱時間；（3）充足的燃燒時間。因此，為提高鍋爐運行的經(jīng)濟性和安全性，對煙梗-煤雙燃料循環(huán)流化床鍋爐本體采取了以下針對性設計：

（1）合理的爐膛溫度。鍋爐在運行過程中應嚴格控制其爐膛溫度。爐膛溫度過高或過低，均會影響鍋爐的正常運行。爐膛溫度過低，煙梗不完全燃燒易析出焦油，引起尾部受熱面結(jié)渣而堵塞。爐膛溫度過高，煙梗燃燒后產(chǎn)物中灰容易軟化結(jié)焦，惡化鍋爐受熱面?zhèn)鳠嵝阅埽焕阱仩t安全性和經(jīng)濟性運行。

在爐膛本體設計中，通過對主燃燒室和燃燼室受熱面合理布置，確保了較高的爐膛溫度，保證了燃料完全燃燒。

鍋爐運行優(yōu)化：不同運行工況下，采取煤和煙梗切換投入方式——主要以爐膛溫度700℃以上才投入煙梗燃料為原則，保證了燃料完全燃燒，避免焦油的產(chǎn)生。針對鍋爐運行中兩種典型不利工況，采取以下操作：a.鍋爐冷態(tài)啟動時，先投入煤，將爐膛溫度加熱到700℃以上后，再投入煙梗，防止煙梗低溫條件下不完全燃燒析出焦油；b.鍋爐壓火停爐時，先停止投入煙梗燃料，待蒸汽壓力和爐膛溫度逐漸降低并穩(wěn)定后再停止投煤，也能有效減少煙梗不完全燃燒損失、減輕鍋爐受熱面的積灰和結(jié)渣。

（2）合理燃料預熱時間。煙梗揮發(fā)分含量較高，在爐內(nèi)燃燒過程中，如果不能保證合理的空氣量以及煙梗與空氣充分的接觸面積，易造成燃料局部缺氧，不完全燃燒析出焦油，引起尾部受熱面的堵塞。該系統(tǒng)采用氣力方式對煙梗粉末進行輸送并通過較好的配引風手段保證燃料與空氣充分的接觸面積，輸送氣體經(jīng)空氣預熱器加熱后，能有效去除煙梗中的水分，防止給料機堵塞，加快煙梗燃燒速度，保證煙梗的完全燃燒。

（3）充足的燃燒時間。盡量延長煙梗燃料在爐內(nèi)的停留時間是減少燃料不完全燃燒損失，提高鍋爐效率的重要措施之一。為保證煙梗充足的燃燒時間，采取以下針對性設計：a.在爐膛后部布置兩級燃燼室，相當于增加了爐膛高度，延長了焦油及其他揮發(fā)分燃燒時間；b.利用合理的二次風布置，通過將后墻的二次風口上移和前墻的二次風口下移，形成一個高度差，使爐內(nèi)煙梗盡可能向爐膛下部壓制，減緩揮發(fā)分上移速度，以延長煙梗在爐內(nèi)停留時間；c.在床料選擇方面，選擇石英細砂等熱容量較大且粒徑相對較小的床料，保證了足夠的蓄熱并降低了流化速度，也有效延長了煙梗在爐內(nèi)停留時間。

（4）吹灰布置。鍋爐受熱面的所積的灰、渣不僅會惡化傳熱，甚至還會腐蝕設備，嚴重時造成停機停爐等惡性事故。因此，為盡量減輕煙梗燃燒后鍋爐受熱面積灰而堵塞，增強換熱效果，保證鍋爐安全經(jīng)濟性運行，本鍋爐在尾部受熱面、省煤器和空氣預熱器處共安裝有六組燃氣脈沖方式自動吹灰裝置。

4 結(jié)束語

2015年1月10日該項目建成，實際運行數(shù)據(jù)表明：采用煙梗-煤雙燃料鍋爐，一年減少煤耗5000噸標煤以上，二氧化硫年減排500噸以上，減少固體廢物1000噸以上，年處理煙梗固廢6000噸以上，同時其二氧化硫、氮氧化物、煙塵等煙氣污染物排放量遠低于鍋爐大氣污染物排放標準相關規(guī)定，既實現(xiàn)了資源的可循環(huán)利用，又達到國家相關環(huán)保的要求，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和社會效益的雙豐收。

文章主要對煙梗-煤雙燃料流化床鍋爐設計和運行展開分析和研究，但打葉復烤企業(yè)對運行環(huán)境要求較高，為有效緩解生產(chǎn)過程中的物料揚塵造成的固廢污染，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，從整個鍋爐系統(tǒng)方面考慮，還增設了全封閉物料循環(huán)系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)。運行結(jié)果表明：有效地避免了細小物料揚塵造成的固廢污染，外排廢氣含塵濃度低于30mg/m3。

參考文獻

[1]周國生，崔建軍，等.燃煙梗臥式循環(huán)流化床蒸汽鍋爐BOT運作模式[J].可持續(xù)能源，2013（3）：116-120.

[2]王錫春，郭軍，等.煙葉復烤廢棄物煙梗灰在烤煙生產(chǎn)上的應用研究[J].中國農(nóng)學通報，2015，31（22）：256-262.

[3]王先義，郭漢華，宋翠英，等.煙草廢棄物環(huán)保處理、生物能利用技術研究開發(fā)與應用[J].現(xiàn)代企業(yè)文化，2010（12）.

[4]李軍，李吉昌，吳曉華，等.煙草廢棄物利用研究[J].云南化工，2010（4）：37-2.

[5]唐天寬，汪意湘，彭邱強，等.煙草廢棄物利用研究概況[J].煙草廢棄物利用研究概況，2012（8）：32-8.

[6]介曉中，任龍飛，牛講偉.一種燃燒煙梗的低速流化床鍋爐介紹[J].科技創(chuàng)新與應用，2015.

作者簡介：張寧（1975，12-），男，漢族，云南曲靖，本科，貴州煙葉復烤有限責任公司，工程師。