|
石斌1，沈美華1，徐方洪2
(1.嘉興市特種設備檢測院 嘉興 314050；2.杭州華源前線能源設備有限公司 杭州 311106)
[摘要]生物質能是可再生能源，在能源日益短缺的今天，開發利用生物質能具有重大的能源戰略意義。為此，針對生物質成型燃料的燃燒特點，研究開發了生物質成型燃料鍋爐，通過解決燃燒技術，使生物質燃料點火易、升火快、不存在封火消耗，迅速形成高溫區，維持穩定燃燒狀態，煙氣在高溫爐膛內停留時間長，經多次配風，燃燒充分，燃料利用率高，不冒黑煙；與之配套的鍋爐煙塵排放原始濃度低；鍋爐出力可達到或超過燃煤狀態時的水平：燃料來源廣泛，成本低廉，綜合成本比燃煤還低；運行費用與燃煤比較，可節省20％-40％。鍋爐排放完全達標，可在I類地區使用。實測及運行經驗表明。生物質成型燃料鍋爐具有結構新穎、潔凈燃燒、高效節能、低排放、出力大和安全經濟等優點。
引言
目前，能源和環境問題已成為全球關注的焦點，雖然石油、煤和天然氣這些常規能源至今仍是燃料的主要來源，但是隨著化石能源的日益桔竭和環境問題的日趨嚴重，開發利用潔凈可再生能源已經成了緊迫的課題。在此背景下。生物質能作為唯一可儲存和運輸的可再生綠色能源。其高效轉換和潔凈利用日益受到重視。
生物質能源是利用綠色植物將太陽能通過光合作用儲存在植物體內的自然資源，它是太陽能的一種廉價儲存方式。利用生物質能的排放量不會超過其生長期間所吸收的碳量，能實現二氧化碳的零排放。從全國持續發展的戰略上看，發揮生物質能的能源潛力和環境潛力是極其重要的。我國是一個農業大國，生物質能源十分豐富，是農村的主要能源，然而存在利用率低、污染大等問題。
我國農村的秸稈是重要的生物質資源，秸稈燃燒值約為標準煤的55％。我國每年可生產農作物秸稈7億多噸，如全部用來燃燒，可折合約4億噸標準煤的熱值。生物質燃料的優勢為：生物質的熱值與我國一些地區的層燃爐用煤相當(約16500kJ/kg)。生物質的揮發分含量高達70％～85％。這些特性決定了它不僅有良好的代煤效果，也決定了生物質優良的著火燃燒性能。生物質燃料減排CO2和硫的效果十分明顯。且具有飛灰少、排渣少、NOx捧放低、降低重金屬污染物捧放和灰渣可還田等優良的環保特性。可稱之為綠色能源。由于生物質原料價格低廉，制造出的生物質成型燃料也比現在高漲的原煤及型煤具有較大的價格優勢，利于推廣使用。生物質能是可再生能源，在能源日益短缺的今天，開發利用生物質能也具有重大的能源戰略意義。
目前，我國擁有的燃煤工業鍋爐大都分布在城區內及城市周邊，由于燒的都是含硫量高的劣質煤，因鍋爐無脫硫裝置，加上操作等因素。冒黑煙、硫污染等直接影響了城市及周邊的空氣質量，為此，取消城市煤鍋爐及煤改氣、電的呼聲很高。但由于氣源緊張、電價昂貴，而城市熱力又達不到的區域，收效甚微。用清潔的生物質燃料替代煤，在城區內及城市周邊鍋爐內使用就成為首選。但目前大多數鍋爐的結構均不適合使用生物質燃料(仍有冒黑煙、粉塵污染等現象)，現有鍋爐均在原有層燃燃煤鏈條爐基礎上改用生物質燃料，使用中過剩空氣系數超標，正壓燃燒明顯，燃燒不徹底且運行中由于爐膛溫度太高，積灰導致受熱面磨損造成事故，對經濟運行和安全帶來隱患。通過生物質成型燃料鍋爐的研發，解決了生物質燃料在鍋爐中的燃燒問題，使生物質燃料燃燒完全，并解決冒黑煙的本質問題。
1技術分析
國際上對生物質能利用的基本內容是以生物質代替礦物燃料，如壓縮固化、液化或氣化為高品位燃料供發電和動力使用。目前世界各國在中小型工業鍋爐上都有生物質燃料的應用，國內尚在起步階段，新的爐型較少，大部分都是燃煤鍋爐改燒生物質燃料，但是由于生物質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和改進，否則將出現鍋爐出力、鍋爐熱效率大幅下降。甚至出現鍋爐設備事故造成損失。目前，制約我國生物質燃料成型燃料推廣應用的關鍵問題是還沒有與之相適應的燃燒設備。我國在生物質成型燃料燃燒方面的研究較少，關于生物質成型燃料燃燒設備的研究、設計及制造遠不能滿足日益增長的需求。生物質成型燃料具有它本身的燃燒及熱工特性。這與化石燃料又有很大的區別。近幾年，隨著煤炭價格的不斷上漲。
為了降低生產成本，許多企業直接利用原有的層燃燃煤鍋爐改燒木屑、木柴、秸桿、稻殼等生物質廢棄物，不僅減少了燃料費用，而且減少了502的捧放，同時解決了這些廢棄物的處理難題。具有很好的節能環保效益。一些單位盲目地將燃煤設備改造成生物質成型燃料燃燒設備，但改造后的設備不符合生物質成型燃料的特性要求，致使燃燒惡化、熱效率低下、傳熱差、換熱面結渣、換熱面經常堵塞以及污染大。根據生物質成型燃料的燃燒理論。實驗研究來開發設計合理的燃燒設備及換熱設備是非常重要和迫切的課題，這對于推廣生物質能的利用工作意義重大。本文的目的是開發出高效節能、低排放、出力大、運行費用低、安全經濟的生物質成型燃料工業鍋爐。
2基礎實驗與研究
2.1燃燒特性實驗研究
生物質成型燃料發熱量、元素分析、工業分析和灰溶性研究等燃料特性，諸如著火過程、熱解氣化過程、燃燒速率等燃燒特性。
2.2鍋爐改造實驗研究
此研究在原有層燃燃煤鏈條爐基礎上改造，鍋爐改用生物質燃料進行燃燒、傳熱及排放性能的實驗。最后得到具有實際價值的結果，作為優化設計的依據。
2.3優化設計模型和計算機優化程序
建立合理的數學模型，編寫完整嚴謹的優化算法，并將優化思想靈活地應用在程序設計之中。開發的軟件界面可視化效果好，人機對話窗口操作簡單，使得設計人員在幾分鐘內就可以完成在以前幾個星期都難以完成的計算，而且得到是經過比較的最優設計結果。這就大大縮短了鍋爐新型開發的周期，提高了設計的質量。通過設計參數和實驗結果的比較分析。得出優化設計軟件的設計結果，為實際設計提供參考和依據。
3關鍵技術及設計特點
力求研制出高效節能生物質成型燃料工業鍋爐。通過詳盡地調研國內外同類的裝置，找出其不足，確定目標。
項目目標：一是高熱效率：二是低大氣排放指標：三是創新燃燒方式及結構：四是改進換熱結構：五是鍋爐出力達到或超過燃煤狀態時的水平：六是創新設計連續均勻的送料機構：七是優化鍋爐(自動)示控操作系統。
3.1技術難點
由于生物質燃料燃燒過程與煤存在差異，所以生物質燃料鍋爐的設計要結合生物質燃燒的特點。如爐膛容積要大，燃燒擾動要充分，爐膛內受熱面布置要充分。為了保證鍋爐運行的安全性和經濟性，鍋爐本體各部分形狀、尺寸、相對位置都有一定要求，并且在受熱面的某些部位還應保證一定的煙氣和工質參數。如溫度、壓力、流速等，其中。爐膛形狀和容積大小對鍋爐安全經濟運行有很大影響。目前，許多企業都直接利用DZL型層燃燃煤鍋爐燃燒生物質燃料，由于其原有的結構設計不適應生物質燃料，會產生許多問題，如：爐膛容積過小，容積熟負荷過大；爐膛出口溫度過高：煙氣量增加、流速過快。熱交換過強等。
在工業鍋爐中。爐膛容積熟負荷是燃燒設備的主要特性參數之一。所謂爐膛容積熱負荷qv是指單位容積爐膛所能發出的功率，或單位爐膛容積在單位時間內燃料燃燒放出的熱量。對于層燃爐來說。由于燃料的熱量主要在爐捧面上放出，所以從燃燒的角度看。爐膛容積熱負荷只是一個控制性的指標，爐膛容積大小并不是影響燃燒效率的主要因素。但是對于室燃爐來說，爐膛容積熱負荷就十分重要。它影響著燃料在爐內的停留時間和爐膛的出口溫度。爐膛容積熱負荷取得過高即爐膛容積設計得過小，燃料就會來不及燃盡就捧出爐膛，過小的爐膛容積還會使受熱面的布置產生困難，減小爐內的輻射換熱量。導致爐膛出口溫度過高。為了實現生物質燃料持續穩定、高效潔凈燃燒的目標，針對此類燃料特點。解決配風、爐內消煙除塵結構、對流換熱面的結渣以及高效傳熱等問題。
3.2技術關鍵
(1)通過理論研究和試驗來驗證燃料輸送的穩定性和可靠性。
(2)通過理論分析和試驗來確定一、二次風的輸送量。以及送風位置，優化配風系統。
(3)通過熱力計算和結構設計，合理布置爐膛內部受熱面，實現爐膛和生物質燃料燃燒的良好配合。使得整套機組既取得很高的燃燒效率，又在爐內不發生結渣：
(4)設計一套邏輯保護系統，使得機組在啟停或者變負荷工況下能安全穩定運行。
(5)由于生物質燃料品種的多樣性，且產地及氣候等因素影響也較大，其特性有較大差異。生物質燃料的灰熔點相對較低，其變形溫度一股為850~900℃，因此灰渣容易在爐攤、爐墻及爐拱上結渣，使鍋爐不能正常運行。綜合考慮上述因素，克服結渣問題，提高鍋爐效率，選取較低的鍋爐爐膛容積熱負荷。
(6)生物質鍋爐采用國內較成熟的水火管結構，但進行了改進以適應生物質燃燒特點。鍋爐本體由縱置鍋筒、爐膛水冷壁膜式壁管、二回程煙管、三回程煙管、后水冷壁管、左右下集箱等部件組成。爐膛下部采用鏈條爐排，生物質燃料在爐排上燃燒。
3.3系統組成及整機特性
圖3-1為燃用生物質高效環保工業鍋爐系統.接套系統由鍋爐本體、燃料送料機構、送引風系統、給水及水處理系統、除灰系統以及控制系統等組成.
實踐表明。新穎的生物質成型燃料工業鍋爐具有以下特性：
(1)熱效率高，捧放指標達到環保要求，能在I類地區使用，具有良好的節能和環保效果。該項技術在國內外屬于首創：
(2)送料機構連續均勻，爐膛結構和受熱面優化。與生物質燃料燃燒特性高度適配：
(3)增加二次配風，優化系統配風，確保燃燒充分穩定；
(4)鍋爐送料機構、給水泵、引風機、送風機、爐排均采用變頻電機，運行中根據負荷及燃料品質變化及時調節風量，減少排煙熱損失。燃料燃燒徹底充分，大大降低不完全燃燒損失，提高鍋爐能效，杜絕冒黑煙。
4樣機實驗及應用推廣
以DZL4-1.25一M生物質鍋爐為例，設計計算的原始參數及計算結果如下：
額定蒸發量：4t/h
額定蒸汽壓力：1.25MPa
額定蒸汽溫度：194℃
燃料：生物質成型燃料
節能器出水溫度：80℃
一次風溫度：20℃
二次風溫度：115℃：
燃料低位發熱量：3940Kcal/kg(以秸稈為例)
燃料消耗量：760kg/h
設計熱效率：81/％
爐捧有效面積：5.4m2
爐膛容積：7.5m3
捧煙溫度：135℃
有效輻射受熱面積：10.8m2
水管管柬受熱面積：16.6m2
煙管管束受熱面積：101.5m2
煙氣總流量：8600m3
2010年10月，對二臺DZL4一10-AII的層燃燃煤鏈條爐改造。鍋爐改用生物質燃料進行燃燒，用于西江服裝后整理(嘉興)有限公司和伊諾華橡膠(平湖)有限公司的工業用汽。替代了原來的4-10t/h燃煤蒸汽鍋爐。2011年1月，研究開發DZL4—1.25一M生物質燃料鍋爐，用于浙江文娜針織有限公司提供工業熱源。實際應用表明，生物質燃料工業鍋爐具有一系列獨特的優點，結構簡單且新穎，容易制造，性能可靠，熱效率高，環保指標優良。浙江省特種設備檢驗研究院對DZL4-1.25-M生物質燃料鍋爐進行了熱工性能測試，其熱效率達到88.3％，高于TSGG0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》型煤鍋爐熱效率限定值10.3％。嘉興市環保測試站對DZL4-1.25-M生物質燃料鍋爐大氣排放污染物進行了環境監測。其檢測結果為：DZL4-1.25-M生物質鍋爐的煙氣林格曼黑度達到I級，原始出口煙塵濃度為1.3mg/m3，二氧化硫濃度24mg/m3，氮氧化物91.2mg/m3；環境指標遠優于國家鍋爐大氣排放污染物排放標準。秸稈熱值比型煤熱值高。大約在16500kJ/kg。秸稈收購價約為130元/噸。成型燃料價格在350-450元/噸，而型煤的價格已經上漲到1000元/噸。
浙江省每年可能源化利用的秸稈資源量約1000多萬噸，生物質能源過剩，麗煤炭短缺。若完全能源化利用，節能潛力相當巨大。本文的生物質燃料鍋爐運行費用與燃煤比較，可節省20％一40％：而且沒有型煤鍋爐的煤渣污染，其灰渣能夠還田改良土壤。保持生態平衡。
5結論
1)本文對生物質燃料鍋爐進行了基礎性研究，研究成果具有一定的創新性和實用性。建立了該形式生物質鍋爐的數學模型，編制了優化設計程序。
2)利用計算機優化設計軟件進行了設計計算，研制出系列規格的鍋爐樣機。具有結構新穎、高效節能、大氣捧放指標低和價格低廉等特點。
3)經浙江省特種設備檢驗研究院熱工檢測和嘉興市環保測試站測試的結果表明，鍋爐各項指標已超過國內其它類型鍋爐的指標，特別是與當前市場上燃煤鍋爐相比。其優點：一是更加優異的環保指標，優于型煤鍋爐，達到國家Ⅰ類地區排放標準，可在Ⅰ類地區使用：二是突出的節能效果，運行費用與燃煤比較。可節省20％-40％；三是更加低廉的燃料價格：四是鍋爐出力可達到或超過燃煤狀態時的水平：五是爐灰變寶，還田改良土壤，保持生態平衡。綜上所述，本文論述的生物質鍋爐符合國家的能源政策和環保政策，推廣應用前景廣闊。經濟效益和社會效益顯著。
參考文獻：
[1]駱仲泱。周勁松。王樹榮.中國生物質能利用技術評價.
[2]維魯.瓦雷斯.生物質燃料用戶手冊[M].王革華。原譯.北京：化學工業出版社。2007.
[3]林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊[M].北京：化學工業出版社.1996.
[4]徐華東.層燃爐燃燒特性及低NOX燃燒機理的試驗研究[D].上海：上海交通大學。2001. |
