提高燃煤鍋爐改造燃生物質顆粒鍋爐能效研究分析

江華，陳佳麗，李勇強

（江西撫州市特種設備監督檢驗中心，江西 撫州 344000）

我國長期以煤炭作為首要能源，在大量利用煤炭的同時，也造成了較為嚴重的的環境污染問題。使用煤炭作為原材料存在諸多的不燃煤的能量利用率低，排放有毒有害物質，如顆粒粉塵、二氧化硫以及氮氧化物等。為打贏藍天保衛戰，優化能源結構，全國各地陸續出臺了全面禁煤專項整治行動。各地將有大量35T/H以下燃煤鍋爐面臨強制淘汰或接受改造，強制淘汰現有燃煤鍋爐更換為燃氣鍋爐，企業不堪重負。因此，在滿足環保要求和不降低能效的前提下，積極推動將35T/H以下燃煤鍋爐改造成燃生物質鍋爐是非常必要的。

1 燃煤鍋爐改造方式

目前，改造方式通常有三種做法：（1）淘汰原有35T/h以下燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐；（2）如果原有鍋爐接近35T/h，通過增加受熱面，給原有鍋爐增容以滿足要求；（3）將原有鍋爐改造成燃生物質顆粒鍋爐。

燃煤鍋爐改燃氣鍋爐優勢在于鍋爐效率可達85%～92%，清潔、熱效率高、無須脫硫脫硝除塵等，但該種方式存在最大的不足在于運行成本過高，比生物質層燃鍋爐高出近1倍。

燃煤鍋爐改造為燃生物質顆粒鍋爐，具有明顯的經濟成本優勢，是目前較為理想的選擇。生物質顆粒燃料容易獲取，熱值高，灰分小，基本無硫磷排放。且這種鍋爐可通過對現有的燃煤鍋爐改造獲得，有利于降低企業投資。所以生物質顆粒燃料在目前是最佳的備用能源及過渡性能源。

2 燃煤鍋爐改燃生物質顆粒鍋爐現狀

目前，國內常見燃煤鍋爐改造主要有兩種方式：

第一種方式是改變層燃燃燒方式，取消鼓風、爐排，在爐門前端設置生物質燃燒機，將火焰直接噴入爐膛，同時為延長火焰在爐膛的留滯時間，在爐拱上方設置間隔不等的數堵擋焰墻，火焰在擋焰墻的作用下改變方向，其運行軌跡呈現出三級跳模式。這種改造方式在政策出臺初期被廣泛采用。但其微正壓的燃燒方式與燃煤鍋爐的爐墻系統嚴重不匹配，煙風系統、熱力場不平衡，極易造成鍋爐受熱部件因熱應力不均而產生缺陷，現被果斷“叫停”。

另一種方式是保持原有的層燃方式不變，通過在煤斗中下部加裝壓料喂料機，在兩側水冷壁護坡內埋設二次風管，或在爐拱前端增加二次風管設置。這種方式，很大程度上改善了燃燒工況，但并不一定有效地提高能效。并且容易產生不利于鍋爐安全運行的副作用，破壞鍋爐受壓部件的熱平衡，其原因有三：（1）次風量極難控制，在一次風和引風的共同作用下，二次風在水冷壁兩側及爐拱運動軌跡呈曲線向上后方的，在水冷壁近表面易形成風幕，雖不影響輻射傳熱，但對水冷壁表面和鍋筒底部后端卻存在持續冷卻作用，增加了熱應力同時降低換熱效果；（2）降低爐溫，二次風為冷風，注入爐膛會降低爐溫影響熱效率；（3）因為二次風的加入，改變了鍋爐整體的燃燒布局。隨著火焰溫度的提高，在引風的作用下，火焰極易吸入煙管，增加鍋爐后部的熱載荷，提升了排煙溫度，加大了熱損失?；诘谌c曹峰提出增設二次風來保護后管板，雖然在一定程度上保護了后管板，也只是治標不治本。

3 研究內容

由上述分析，鍋爐要想提高效能的運行，應解決生物質顆粒燃燒工況控制和煙氣循環控制，關鍵在于提高爐膛容積率和適當降低煙氣流速。由此，本文針對鍋爐本體爐拱設置方面改造進行了進一步研究，提出了雙層爐拱研究方案。

3.1 上層煙風道

本研究內容針對燃燒方式不改變的鍋爐進行改造，以一臺DZL2-125-AⅡ型鍋爐為例，去除傳統二次風的設置，對鍋爐進行爐拱上層煙風道設計，如下圖1所示。

圖1 上層煙風道改造及煙氣流通示意圖

爐拱改造方案：

（1）因生物質顆粒特性揮發物揮發點較低，爐拱的作用弱化，在爐拱下方加裝了煙程隔板，將爐拱一分為二，適當提高爐拱高度。目的是在爐拱作用弱化的前提下將一次風阻斷為前后兩個部分，前部風量小只起到點燃作用，爐膛后部一次風在傳統二次風爐膛改造中作用十分有限，且富氧及高溫的爐拱后補一次風能效被損失掉了。

（2）將煤斗出口上方前拱高度下降并設置折焰角，目的是在原有的設計中火焰著火后直接沿著前拱后前墻快速到達鍋筒底部，這也就是二次風設計中將火焰壓制住的原因，通過降低前拱和設置折焰角將火焰引導至爐膛前部的燃燒中心區，更有利于燃燒以及和后文所述的補風進行對沖和混合。

（3）在爐拱隔板后部補風區的頂部設置一個補風孔，在補風孔出口設置密閉的導流罩，在導流罩爐前方向引出數根管狀煙風道敷設在爐拱上部，煙風道出口與爐拱齊平，爐拱上部的煙風道也可理解為源自一次風的二次風。其目的是將爐排后部的一次風進行收集，這部分一次風高溫且富氧，利于燃燒，收集后，通過補風孔及煙風道引導至爐前，與火焰進行對沖燃燒，其目的是針對爐排后部對鍋爐能效貢獻較小的一次風引導至爐前對火焰進行補氧，同時相對壓制在火焰燃燒中心區避免火焰靠后，考慮到補風流程較長，截面積較小，會導致爐拱后部風壓過大，可以考慮在引流罩的上方再設置一密閉腔體，在腔體及引流罩中設置一同軸加速風扇，腔體內風扇由爐外設置的風機驅動，帶動腔體內風扇轉動并驅動引流罩加速風扇轉動，加快補風，但在引流罩及煙流流道布置合理且風速滿足的前提下，加速風扇使結構復雜化的設置不建議使用。

3.2 上煙風道爐拱改造能效達到優化

上煙風道爐拱改造能效得到優化的原理在于煙氣流通。從如圖1上煙風道改造及煙氣流通示意圖1中，1為前墻（前拱），在前拱轉前處設置折焰角8，目的將火焰的運行方向由向上引導為向后，增加火焰滯留時間，利于與7補風煙氣形成對沖，2為下拱，通過設置下拱煙道程隔板9將下拱一分為二，前半部分為一次燃燒區，該區為干餾燃燒區，耗氧量大，形成的一次煙氣6含有大量不完全燃燒產物一氧化碳等，后半部分補風區3為盡燃區，該區燃料基本燃盡，耗氧量大，鍋爐鼓風通過爐床進入補風區3經爐床加熱后的富氧熱風通過補風孔5進入上爐拱4，該補風孔4內部設置為蝸殼形狀，利于離心加速，補風經過上爐拱至前墻形成補風煙氣7與一次煙氣6對沖混合，再次將火焰相對控制在爐膛前部，防止火焰進入對流換熱段，在此需要指出的是，圖中4即上爐拱雖名叫爐拱，但并不是按傳統鍋爐爐拱設計，煙氣自補風孔5出口后拉稀為數根管狀導流管道，延伸至下爐拱邊緣。

通過雙層爐拱裝置設計，可解決傳統燃生物質顆粒鍋爐改造方法的不足之處，有效提高燃生物質顆粒改造鍋爐的能效。首先，有效利用爐膛灰渣層的余溫，對送風進行加溫處理，使二次送風從傳統的冷風轉變為熱風輸送，提高熱效率；第二，消除二次風進入流換熱段的可能，而造成增加鍋爐本體的熱載荷，產生裂紋，埋下安全隱患的可能。

4 結語

通過本文改造燃煤鍋爐方式，使之可滿足環保要求和不降低能效的前提下，積極推動企業將35T/h以下燃煤鍋爐改造成燃生物質鍋爐，避免大量燃煤鍋爐被當作廢舊鋼材處理，造成社會經濟的浪費。同時，充分利用生物顆粒這種可再生資源，減輕天然氣供給壓力。綜上所述，本文改造燃煤鍋爐方式完全符合我國能源政策和環保要求，具有良好的經濟效益和社會效益。