生物質顆粒燃燒機在臥式內燃鍋爐上的應用研究

周慧強

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢測研究院九江檢測分院，江西 九江 332000）

我國是農林業大國，每年農業生產產生的秸稈、林業廢棄物不計其數，其中的很大一部分被隨意丟棄或就地焚燒，造成環境污染的同時也留下了極大的火災隱患，將這些廢棄物收集、破碎、烘干、擠壓成型制成生物質顆粒燃料，可替代煤、石油、天然氣等化石燃料，是理想的替代能源，且生物質燃燒過程中排放的碳只是其生長期間所吸收的碳量的一部分，基本實現碳的零排放，是一種非常有潛能的碳中和能源。

1 生物質顆粒燃燒機

生物質顆粒燃燒機以生物質顆粒為燃料的燃燒機，因冷卻方法的不同，可分為水冷卻和風冷卻結構，常見的為水冷式的，因此本文重點介紹水冷式的。生物質顆粒燃燒機主要由燃燒室、上料機、送風系統、電控系統組成。結構如圖1 所示。

圖1

生物質顆粒通過人工或傳送帶送至料倉，顆粒在料倉中通過進料系統（絞龍）進入燃燒室，燃燒室為夾套式結構，夾套內通循環冷卻水給燃燒室外殼降溫，在高溫燃燒室里燃料與送風系統的配風混合，干燥、著火、燃燒，在此過程中析出大量揮發分，劇烈燃燒，產生的高溫煙氣從出火口噴出。整個過程可以實現全自動控制，可根據負荷的要求調整進料速度及進風量，被廣泛應用于工業鍋爐、窯爐、焚燒爐、糧食烘干設備等各種熱能系統中。

2 臥式內燃鍋爐

鍋爐是利用燃料燃燒釋放的熱能或其他熱能加熱水或其他工質，以生產規定參數（溫度、壓力）和品質的蒸汽、熱水或其他工質的設備。工業鍋爐是工業生產、日常生活所用的鍋爐，通常熱功率小，壓力低，溫度低，使用地點分散，使用的燃料也不盡相同，有煤、柴油、天然氣、木屑、生物質顆粒等，近年來，隨著環保要求日益嚴格，全國大部分地區已淘汰蒸發量D ＜10t/h 的燃煤鍋爐，取而代之的則是臥式內燃鍋爐，這類鍋爐通常使用燃料為0#柴油或天然氣，匹配相對應的價格高昂的國外產燃油、氣燃燒機，自動化程度高，節能環保，但是使用成本過高，很多小微企業難以承受，因此，很多用戶嘗試用生物質顆粒燃燒機取代燃油（氣）燃燒機，來降低生產成本。

3 經濟性對比

為了分析對比各種燃料的使用成本，我們對同一臺型號為WNS2-1.25 的鍋爐在燃油、氣、生物質成型顆粒的情況下進行能效測試。

3.1 燃料成分分析

在能效測試前，對3 種燃料進行化驗，化驗數據見表1 ～3。

表1 0#柴油主要參數

表2 天然氣主要參數

表3 生物質顆粒燃料主要參數

3.2 鍋爐能效測試

本次能效測試按照TSG91-2021《鍋爐節能環保技術規程》及GB/T10180-2017《工業鍋爐熱工性能試驗規程》要求進行，采用簡單測試、反平衡法，η2=q1=100 －(q2+q3+q4+q5+q6)，在測試出鍋爐運行工況熱效率的同時查漏補缺，找出鍋爐各項熱損失。測試中鍋爐運行平穩，輔機運轉正常。測試結果見表4。

表4 各種燃料能效測試結果表

3.3 噸汽成本

（1）我們先計算WNS2-1.25 型號鍋爐產1 噸壓力為1.25MPa 的飽和蒸汽需要多少熱量。查水及水蒸汽的熱焓表可知，20℃的水焓值為85.36kJ/kg，1.25MPa飽和蒸汽對應的焓值為2787.2kJ/kg，故所需熱量為

（2）0#柴油的低位發熱量是41520kj/kg，燃0#柴油鍋爐的熱效率經測試為91.23%，目前柴油價格為8500 元/t，故產1 噸1.25MPa 飽和蒸汽需：

天然氣的低位發熱量是33151kJ/m3，燃天然氣鍋爐的熱效率經測試為92.18%，目前天然氣價格為4.0 元/m3， 故 產1 噸1.25MPa 飽 和 蒸 汽 需：

生物質顆粒的低位發熱量是16460kJ/kg，燃生物質顆粒鍋爐的熱效率經測試為85.18%，目前生物質顆粒價格為1000 元/t，故產1 噸1.25MPa 飽和蒸汽需：

從上面的計算結果不難得出，生物質顆粒作為鍋爐的燃料，相對于0#柴油可降低約65%的噸蒸汽成本，相對于天然氣可降低約45%的噸蒸汽成本，具有顯著的經濟效益。

4 生物質顆粒鍋爐運行中出現的問題

4.1 燃燒機運行狀況差

由于目前無相關的國家強制標準，市場上的生物質燃燒機生產廠家眾多，生產出來的產品自然也是良莠不齊，隨意標注型號、虛標出力等，普通用戶及司爐工也無相關的知識，導致很多生物質顆粒燃燒機與鍋爐不匹配，使用過程中結焦、冒黑煙，還有使用的循環冷卻水未經過軟化處理，運行一段時間，水冷夾套內表面結垢，燃燒機得不到及時的冷卻，極大地縮短了使用壽命。

4.2 鍋爐受熱面積灰、磨損、腐蝕

生物質顆粒燃料的原料來源廣泛，有秸稈、木材及其邊角料，甚至還有建筑用模板等，在生產制備過程中還混入不少雜質，成分復雜。生物質燃料中含有鉀、鈉等堿金屬，在高溫燃燒環境下，在燃燒室內形成熔渣或形成氣相，以蒸汽和飛灰顆粒的形式沉積于受熱面，影響鍋爐的熱效率，同時對換熱面造成嚴重腐蝕，其中的CL 在燃燒過程中以HCL 形式揮發出來，與鍋爐的金屬壁面的保護膜（FeO、Fe2O3、Fe3O4）發生反應，對保護膜的破壞較為嚴重。建筑模板中的膠水燃燒后產生大量的NOx 對鍋爐受熱面也有嚴重的腐蝕，未清理干凈的建筑模板表面附著有砂石、水泥，燃燒后隨煙氣進入鍋爐，沖刷、磨損鍋爐受熱面。

4.3 燃燒機無聯鎖保護

很多用戶只是簡單地將燃油（氣）燃燒機更換成燃生物質顆粒燃燒機，輔機并無改動。生物質顆粒燃料中灰分較高，燃燒后煙氣中帶有不少粉塵。使用生物質顆粒燃料機，尾部必須配備除塵器，煙氣排放才能達標，這造成生物質顆粒燃燒機出口的被壓不足以克服尾部煙道及除塵器的阻力，造成燃燒機及鍋爐內正壓太高，火焰從爐門及未密封好的部位噴出，損壞設備，惡化鍋爐房環境，損害司爐工身體健康，因此必須安裝相匹配的引風機，且引風機須與燃燒機聯鎖，開啟燃燒機之前，須先開引風機。另燃燒機未與鍋爐水位聯鎖，鍋爐在運行中，一旦缺水，燃燒機不能及時熄火，繼續燃燒可能造成嚴重的爆炸事故。

5 結語

從上面的分析不難看出，使用生物質顆粒燃燒機的鍋爐噸汽成本相比油、氣大為降低，具有非常可觀的經濟效益，但在實際生產運行中還是有不少問題的，本人認為可以從以下方面解決。（1）聘請專業的公司對鍋爐燃燒機進行安裝，從設備選型、輔機匹配入手，在源頭上把好關；（2）選用雜質少、灰分少、灰熔點高的優質生物質顆粒燃料；（3）加強對司爐工的實操和理論培訓，增強其責任心，及時調整運行參數,使鍋爐保持平穩高效運行；（4）完善鍋爐房管理的各項規章制度，對設備定期維護保養。