生物質鍋爐設計思路與方法

韓休海

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

我國是農業大國，有著豐富的生物質能，隨著社會經濟快速發展，煤炭、石油、天然氣等化石能源消耗量快速增長，開發利用可再生能源，實現能源可持續利用，已經成為社會共識和能源發展方向。生物質能是重要的可再生能源，來源廣泛，產品豐富，發展較快，潛力很大。全國可做為能源利用的農作物秸稈、農產品加工剩余物、林業剩余物、能源作物、生活垃圾和有機廢棄物等生物質資源總量每年約4.6億t標準煤[1]，尚有大量資源未得以充分利用，發展生物質能供熱具有較好的資源條件，生物質能發展空間巨大，前景廣闊。生物質能源和其他再生能源相比較，群眾參與性更強、能夠轉換燃料乙醇、生物質柴油和生物質成型燃料多種能源形式，也是發展循環經濟的重要內容，綜合效益明顯。不同生物質工業分析成分見表1[2]。

表1 幾種生物質的工業分析成分

1 生物質鍋爐設計思路與方法

1.1 設計思路

對生物質成型燃料，通常易著火且易燃盡，并不需要很高的燃燒溫度來提高燃燒效率，過高的溫度不僅會造成氮氧化物升高，還有結渣、腐蝕加劇等風險；另一方面，溫度也不宜過低，否則會降低燃燒效率，并造成一氧化碳超標。兼顧高效與低氮，燃燒溫度不宜超過1 000 ℃，也不宜低于700 ℃，可以針對具體的生物質原料通過實驗及模擬，確定最佳溫度區間。總體上，高溫有利于燃盡，低溫有利于控氮。通常，生物質燃燒其氮氧化物的生成與排放不會很高，因其燃料型和熱力型氮氧化物都不會過高。但如果燃料特殊，設計、運行不當，也會出現氮氧化物排放高的問題。

1.2 設計方法

1.2.1 控溫方法

控溫主要是在燃料與空氣的配合以及受熱面的吸熱兩方面控制。空氣量要實現比較準確地控制，可以采用空氣分級技術，即一二次風分別送入爐膛，有利于高效低氮燃燒[3]。有條件時，可以采用夾套換熱，在合適的位置布置空冷或水冷受熱面。具體參數要通過實驗及模擬來確定一二次風比例及其布置，以及受熱面的布置。原則上，風量或空氣過剩系數不宜過大，偏小有利于節能，以爐膛出口過剩系數不超過1.5，排煙處過剩系數不超過2.0為宜。一次風比50%～70%，二次風比30%～50%，可以按一次風實現欠氧燃燒，二次風補燃的方式考慮，二次風比例偏上限時，應考慮二次風分層布置；一次風風速偏小為宜，不超過0.5 m·s-1，二次風風速偏大為宜，不低于10 m·s-1，也不宜過高。風壓要依系統煙風阻力，采用平衡或強制通風，通常都不會太高，不超過2～3 kPa。一二次風溫可以盡可能高，采用預熱空氣多點旋向配風，爐膛內火焰旋轉擾動式燃燒，將燃料中揮發成分充分轉化后進行高溫燃燒，使燃料中的可燃燒成分得以充分利用。風溫高特別是二次風風溫高，有利于燃燒燃盡，但預熱空氣需增加機器成本，應綜合考慮。

1.2.2 煙風參數的確定

煙風相關參數的具體數值應結合爐膛設計，特別是截面熱強度、容積熱負荷等，進行確定。合理溫度控制也是防結渣的關鍵，應控制好風燃比，防止整體超溫結渣；還應盡可能均勻布風布料，防止局部超溫結渣。另外，可以結合生物質成型燃料研究，添加煤粉和復合功能添加劑烘焙提質成型的生物質燃料的燃燒特性優于純秸稈成型燃料，燃料燃燒性能好，爐具的熱效率高，除了可以防止結渣外[4]，還可降低污染物包括顆粒物的排放，一舉多得，是生物質成型燃料未來發展方向。

1.2.3 提高鍋爐熱效率的方法

對生物質供暖熱水爐而言，受熱面金屬壁溫很低，不存在高溫腐蝕問題。如何提高爐具的熱效率，除了提高燃燒效率(降低固體和氣體的不完全燃燒損失)之外，還應該盡可能降低排煙溫度，減少排煙損失，可以采用合適的強化換熱措施(綜合考慮流動阻力和傳熱以及成本的影響)，如擾流子、鰭片管等，最大限度提高受熱面的換熱能力[5]。換熱的阻力主要在煙氣側或空氣側，水側和金屬壁面的傳熱系數足夠高，可及時帶走熱量，整個過程中的強化換熱的重點是氣側。

1.2.4 生物質鍋爐結構設計

開發以秸稈固化成型生物質塊為燃料的新型爐具，重點研究空氣深度分級低氮燃燒技術、狹小空間旋流二次風強化燃燒技術、給料布風自動協同調控技術、高效低阻強化換熱技術等關鍵技術。除上述關鍵技術外，其他若干重要的技術細節也應給予高度重視，在設計和運行中要統籌考慮處理好。主要包括：標準化模塊化設計；點火、壓火、運行操作便利；異常狀況處理方便；給料口防返串；爐門、看火孔、泄壓閥安全可靠；出灰排灰清灰便利；風門調節、風壓平衡易操控；受熱面防垢；水平煙道疏水；設備管道保溫及高溫防護；配套工具包括一氧化碳報警等。生物質鍋爐主要結構如圖1所示。

圖1 生物質熱水鍋爐結構示意圖

該種鍋爐是一種臥式快裝單鍋筒縱置式鏈條爐排鍋殼鍋爐，鍋筒采用單鍋筒結構，經濟易安裝，檢修方便。鍋筒底部有定期排污管，以便排出雜質和沉淀物。在鍋殼內布置煙管管束，爐膛兩側裝有水冷壁。既可以充分發揮輻射受熱面熱強度的特點，又可以保護爐墻免受高溫破壞，防止灰渣粘結在爐墻上，降低爐膛被沖刷磨損，過熱破壞。保溫分兩層，內層為耐火磚,外層為珍珠巖保溫砼。在前墻上分別在前集箱上、下方,前后煙箱均開有入孔，便于安裝維修，清除灰渣。在鍋殼后端和左右聯箱及前后聯箱的下面設有排污閥，以供停爐時排污用。燃料自煤斗落在爐排上，爐排有效燃燒面積為2.3 m2，在爐膛內燃燒后，在引風機作用下，煙氣進入下部煙管管束，由下部煙管管束進入前煙箱，由前煙箱進入上部煙管管束通往除塵器，然后通過煙囪排向大氣。

2 生物質能供熱的發展

生物質能供熱主要包括生物質熱電聯產和生物質鍋爐供熱，具有布局靈活、適用范圍廣等特點，適合城鎮居民生活供暖以及替代中小型工業燃煤、燃油鍋爐[6]。目前，我國利用生物質能供熱發展還處在初期，存在產業體系不健全、市場培育不完善、政策支持不夠等問題。為有效治理農村分散鍋爐造成的污染，以及為新型城鎮化建設提供清潔供熱，應加大政策支持力度，建立包括成型燃料產品加工、專用鍋爐和工程建設在內的生物質成型燃料供熱標準體系，并積極培育發展大型專業化生物質能供熱企業，不斷提高產業技術水平，實現生物質能供熱產業化可持續健康發展。目前，生物質成型燃料制備機械、專用爐具制造、燃料燃燒等技術日益成熟，生物質成型燃料已經初步具備較大規模產業化發展的條件。生物質能供熱作為應對大氣污染的重要措施，也是綠色低碳新型城鎮化建設的重要內容。研究新型生物質常壓熱水供暖爐，滿足鄉村棚室種養殖和村鎮企事業單位等生產生活取暖需求，對打通秸稈成型燃料作為村鎮主流清潔能源的“最后一公里”，建立綠色宜居村鎮現代清潔能源體系、創建生活炊事供暖與生產加溫新模式、驅動農村能源革命具有重要意義。我國現行生物質鍋爐排放標準見表2。

表2 我國現行生物質鍋爐排放標準(mg·m-3)

3 總結

根據生物質資源條件，建立秸稈等生物質原料收儲運加為一體的生物質塊狀燃料專業化生產體系和分布式村鎮生物質供熱消費體系，結合新型城鎮化進程，在局部地區形成生物質能供熱主導地位，對秸桿進行規模化消納利用，帶動秸稈禁燒和秸稈資源化利用[7]，有利于促進大氣污染治理，可實現“農林業—資源綜合利用—清潔供熱”循環發展。

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