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齊小順1，賴春陽2
(1.鑫華新鍋爐制造有限公司，河北 高碑店 074000；2.黑龍江省特種設備檢驗研究院，黑龍江 哈爾濱 150036)
摘要：目前生物質工業鍋爐多采用層燃方式，生物質燃料灰熔點較低，灰成分堿金屬含量高，結渣、受熱面積灰、腐蝕等情況比較嚴重，制約層燃生物質鍋爐的發展。另外在工業鍋爐占很大份額的燃煤層燃爐爐渣含碳量普遍高于20%，造成能源浪費。本文根據生物質燃料以及層燃爐渣的特點，提出燃用生物質與層燃爐渣混合燃料循環流化床鍋爐的設計構想。通過合理的燃料配比提高生物質燃料灰熔點，穩定流化床循環物料，采取一定措施減少堿金屬的升華和尾部受熱面積灰、腐蝕。并對其在小型工業鍋爐應用的“節能減排”效果進行了預測。
0引言
隨著節能減排工作的廣泛開展，使用農作物秸稈、稻殼等生物質能源作為主要燃料的供熱設備日益增多。國家陸續出臺了相應的激勵政策，鼓勵燃用相對清潔的可再生生物質能源。國家發改委2007年8月公布的《可再生能源中長期發展規劃》中指出：全國農作物秸稈年產生量約6億噸，除部分作為造紙原料和畜牧飼料外，大約3億噸可作為燃料使用，折合約1.5億噸標準煤。秸稈燃燒利用前景廣闊。
目前生物質能的燃燒利用有氣化、層燃、流化床燃燒等方式。一般的生物質氣化過程中產生大量的水汽、焦油，清理困難，且整個氣化系統能耗較高、效率較低，而且生物質氣化產物主要為CO，使用過程中易造成事故；目前應用較多的層燃生物質鍋爐主要存在爐渣含碳量高、結渣、腐蝕等問題；循環流化床(CFB)鍋爐燃燒生物質時由于生物質燃料的灰分普遍較低，如果運行過程中輔助床料補充不及時會驟然降低爐膛內部物料濃度，使爐膛高度方向的溫差加大，灰循環被切斷，流化床將無法運行，所以在流化床中燃燒生物質時以適當摻加其他高灰分燃料混燒為宜。
鏈條爐排是工業鍋爐最常用的燃燒設備，國內已有相當豐富的制造和運行經驗，這種燃燒設備對負荷變化和間歇運行的適應性強，符合小型鍋爐房負荷多變的特點。但是鏈條爐排的著火條件不好和區段性燃燒，限制了它的煤種適應性和燃燒效率，當燃用難著火、難燃盡的燃料時，鏈條爐排上的燃燒工況就會惡化，造成爐渣含碳量高，爐渣含碳量高已成為制約層燃爐效率提高的瓶頸，一般層燃爐爐渣含碳量為20%~30%，甚至能達到30%以上。
本文提出一種新的構思，將層燃爐的爐渣和生物質燃料在同一循環流化床內燃燒。用層燃爐的爐渣幫助生物質燃料建立良好的循環，保證鍋爐的正常運行，同時又使層燃爐的爐渣進一步燃燒，降低爐渣含碳量。
1燃料特性
1.1生物質燃料特性
以北方地區常用的玉米秸稈成型燃料和稻殼為例，給出生物質燃料的特性，見表1。
2鍋爐結構
鍋爐主要由流化裝置、爐膛水冷壁、高溫旋風分離器、U型返料器、對流管束、省煤器等部件組成。鍋爐采用雙級配風，一次風從爐膛底部布風板風帽進入爐膛，二次風從衛燃帶下部進入爐膛，一、二次風配比為1：1。爐膛下部衛燃帶以及密相區覆蓋有耐火防磨材料，密相區無受熱面，稀相區除衛燃帶外的四周布置光管水冷壁，經旋風分離器的煙氣進入對流受熱面，鍋爐尾部豎井煙道布置鑄鐵省煤器。
3設計需要考慮的特殊問題
3.1防止結渣
流化床可控制在800~850℃的較低溫度范圍高效燃燒，且爐膛內溫度場分布較均勻，大大減少了熔渣生成量，從而避免生物質由于燃燒溫度高而燒結。另外，層燃爐渣中有大量Al2O3、MgO等高熔點物質，生物質與爐渣按一定配比混燃可以改善混合燃料中的Si、Al配比，可以在一定程度上提高生物質燃料灰熔點，有利于控制床內聚團、結渣。
3.2組織燃燒
由表1可知秸稈類生物質燃料普遍的特點是揮發分很高，一般情況下植物秸稈、木材干燥無灰基揮發分(Vdaf)可達70%~80%，所以生物質秸稈燃料比較容易著火，一般情況下在250~350℃溫度下揮發分就大量析出并開始劇烈燃燒[4]，此時若空氣供應量不足或不能與空氣充分混合，將會增大不完全燃燒損失，并且缺氧條件下容易產生大量不易燃盡并且分離器很難有效分離的炭黑，造成鍋爐冒黑煙的現象。所以應適當加高密相區直段，使分別進入流化床的爐渣和秸稈成型顆粒充分混合，并提高二次風速，保證二次風穿透力，強化煙氣擾動。
混合燃料燃燒過程中容易產生大量CO，而實驗證明當煙氣溫度較低(≤700℃時)即便CO與空氣充分混合也很難充分燃盡[1]，為保證大量揮發分和焦炭在有限的爐膛高度范圍內充分燃盡，避免在高溫旋風分離器、返料器出現再燃，造成灰循環回路局部結焦，爐膛稀相區空截面風速可控制在3~4m/s左右的較低范圍內，延長碳粒在爐膛停留時間，并減輕分離器負荷。所以燃用生物質、爐渣混合燃料的循環流化床宜選取較低的爐膛截面熱負荷(1.5~2MW/m2)。
3.3分離器效率的選擇
生物質燃料析出揮發分同時產生的固定碳由于灰燼包裹、空氣滲透困難、爐膛溫度較低等因素的影響，燃燒速度比較緩慢，而且混合燃料中的層燃爐渣大部分是燃燒緩慢的焦炭，為提高燃燒效率，并減少對流受熱面的積灰，因此應達到一定的灰循環倍率，使焦炭充分燃盡。
當混合燃料折算灰分為30%時，一般分離器效率達到98%以上(灰循環倍率可達20以上)即可獲得較高的燃燒效率，分離器效率對灰循環倍率的影響趨勢如圖3所示。
為了保證流化床在較低溫度下穩定運行，并減少低溫床料入爐份額，也要求分離器有較高的分離效率。一般情況下臨界分離粒徑越小，分離效率越高，目前高溫旋風分離器在工業鍋爐應用時其臨界分離粒徑一般為70~80μm，設計時可以通過提高分離器入口煙氣速度(20~25m/s)、減小分離器喉管直徑等多種方法進一步提高分離效果[3]，把包裹灰殼未燃盡的碳、含有堿金屬的灰粒捕集下來，降低尾部受熱面的積灰和腐蝕。
3.4防止積灰、腐蝕
生物質爐渣化學成分、灰粒特性等方面均與燃煤爐渣不同。由于生物質燃料灰分中K、Na等堿性金屬含量大大高于燃煤灰分堿金屬的含量，在鍋爐對流管束煙氣溫度高于500℃區域容易形成高溫粘結灰[2]。層燃方式的生物質鍋爐面臨的對流受熱面積灰、腐蝕等問題不易解決。而燃生物質流化床由于床溫較低，升華堿金屬的量比層燃方式少，采用與燃煤爐渣混燒的方式還可以改變生物質灰分配比，減少粘結灰的形成，并且高溫旋風分離器可以將一部分升華堿金屬隨灰粒捕集下來以爐渣形式排出。另外，通過控制爐膛出口煙溫在850℃左右、采用適當拉大管束橫向節距、結合沖刷方式合理設計的受熱面結構，并選擇10m/s左右較高的煙氣速度等措施，流化床燃燒生物質比層燃方式更容易有效減輕高溫粘結灰的形成。
生物質燃料干燥程度較好的情況下，可不用布置空氣預熱器，為節省對流受熱面鋼耗而布置省煤器。只要設計時合理選擇排煙溫度，避免尾部受熱面結露形成硫酸液，一般不會出現堵灰、腐蝕。生物質燃料中S的含量較少，循環流化床燃燒方式可實現燃燒過程中高效脫硫，并且一部分S與堿金屬生成化合物被飛灰捕集，可以減少尾部受熱面的低溫腐蝕。
生物質燃料中普遍含有一定量的C，l容易在金屬管壁溫度較高的部位造成嚴重的高溫腐蝕，經驗證明在受熱面管壁溫度低于400(時高溫腐蝕并不明顯[4]。而Cl燃燒過程中生成的HCl容易沉積在低溫受熱面，所以即便選擇較高的排煙溫度，也有可能出現尾部受熱面腐蝕的情況，為此選用耐腐蝕的鑄鐵省煤器。
3.5燃料粒徑
本鍋爐適合燃用成型生物質燃料或稻殼等粒徑比較均勻的生物質燃料。由于成型生物質燃料揮發分很高，并且含一定水分，其在爐膛燃燒時，水分、揮發分的大量析出會使秸稈成型顆粒不斷爆裂，所以成型顆粒的粒徑要求可放寬到0~25mm左右，由螺旋給煤機送入流化床燃燒。灰渣的粒度應控制在10mm以下。采用層燃爐渣生物質分級入爐方式，由不同的給煤機送入流化床，爐渣燃料給料口靠近布風板，生物質在爐渣給料口和二次風之間送入。
4節能環保效果預測
以7MW熱水鍋爐為例進行比較。如SHL7.0-1.0/95/70-AⅡ熱水鍋爐，設計燃燒效率84%(q4為15%，q3為1%)，滿負荷運行4000小時消耗Ⅱ類煙煤8552噸(按600元/噸)。由式1、式2估算，最少可產生3933噸含碳量20%的爐渣，并向環境排放約12261噸CO2溫室氣體。如果使用SHX7.0-1.0/95/70-T循環流化床熱水鍋爐，玉米秸稈成型燃料與層燃爐渣(含碳量20%)混合燃料的配比為5：3，由式4估算混合燃料折算熱值可達到12510kJ/kg，設計燃燒效率95%(q4為4%，q3為1%)，滿負荷運行4000小時消耗玉米秸稈成型燃料6561噸(按350元/噸)，燃燒層燃爐渣3937噸(按100元/噸)，向環境排放約2740噸CO2溫室氣體。對比計算表明，燃用生物質與爐渣混合燃料可比普通層燃爐節省購置燃料資金40%以上，另外可以減少溫室氣體CO2排放約9500噸以上，節能減排效益可觀。
5結論
(1)燃用生物質的循環流化床設計運行時盡量采用較低床溫，并合理設計爐膛結構，選用多級送風，采用較低的爐膛截面熱負荷，進而控制燃燒溫度，均勻分布溫度場防止結渣，并使燃料充分燃盡。
(2)采用與層燃煤爐爐渣混燒方式不但可以穩定灰循環，而且可以提高灰熔點，改善灰分配比，減輕堿金屬對較高煙溫區受熱面的高溫粘結積灰，并減少能源浪費。
(3)設計時適當提高旋風分離器的分離效率，合理布置管束，減輕對流受熱面積灰、腐蝕。
(4)從燃料收集存放、以及運行過程中結渣、積灰、腐蝕等方面綜合考慮，燃燒生物質燃料鍋爐采用低倍率小型循環流化床，與層燃煤爐爐渣混燒整體經濟效益較好，減少溫室氣體排放優勢明顯。
參考文獻
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[2]車得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐(第2版)[M].西安：西安交通大學出版社，2008.
[3]孫獻斌，黃中.大型循環流化床鍋爐技術與工程應用[M].北京：中國電力出版社，2009.
[4]荷蘭，雅克#范魯(SjaakvanLoo)，耶普#克佩耶(JaapKoppejan)主編，田宜水，姚向君譯.生物質燃燒與混合燃燒技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2008. |
