王仁地

（四川省宜賓五糧液集團有限公司，四川 宜賓 644000）

隨著國家環(huán)保政策的日益嚴格，根據(jù)相關(guān)文件精神和各地實際情況，各地政府紛紛出臺相應政策，大力開展鍋爐節(jié)能減排改造工作，利用天然氣、生物質(zhì)燃料、醇基燃料等清潔能源替代煤炭作為鍋爐用燃料。目前，在天然氣氣源不足的前提下，將天然氣作為煤炭的替代燃料的條件還不具備，生物質(zhì)顆粒燃料以其可再生性及CO2的近零排放特性開始受到廣泛的關(guān)注。因此，最有效、經(jīng)濟的措施就是采用新型燃料——生物質(zhì)顆粒成型燃料替代煤炭燃料［1］。

生物質(zhì)顆粒燃料是在一定溫度和壓力作用下，利用木質(zhì)素充當黏合劑，將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成長度為5～30 mm、緊湊的圓柱形燃料。生物質(zhì)顆粒燃料的直徑或橫截面尺寸一般小于等于25 mm。生物質(zhì)顆粒燃料是可再生碳源，具有來源廣泛、燃燒性能好、有害氣體排放少、價格相對低廉等特點。該燃料基本可實現(xiàn)CO2零排放，其NOx和SO2的排放量遠小于煤，顆粒物排放量降低，其燃燒特性明顯得到改善，利用效率顯著提高。因此，生物質(zhì)顆粒燃料技術(shù)是實現(xiàn)生物質(zhì)高效、清潔利用的有效途徑之一。

國外關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃料與燃燒技術(shù)設(shè)備的應用已趨于成熟化和普遍化。我國生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展還剛開始，與之相適應的燃燒技術(shù)及設(shè)備還處于滯后狀態(tài)。研究鍋爐的生物質(zhì)燃燒技術(shù)，開發(fā)生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐，對節(jié)約常規(guī)能源、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染具有積極意義。

經(jīng)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前一些生物質(zhì)顆粒燃料主要應用在現(xiàn)有燃燒設(shè)備上（直接應用或改造應用）。這種類型的生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐占現(xiàn)役的生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的比例達80%以上。在大多數(shù)鍋爐的改造過程中直接以生物質(zhì)顆粒燃料代替常規(guī)煤燃料，并未對鍋爐及燃燒系統(tǒng)進行相應的改造。由于生物質(zhì)顆粒燃料特性與煤燃料特性差別較大，因此改燃生物質(zhì)顆粒燃料后鍋爐存在運行不穩(wěn)定、燃燒不充分、結(jié)焦嚴重、受熱面被腐蝕等問題［2-4］。所以，以生物質(zhì)顆粒燃料代替常規(guī)煤燃料時，需對鍋爐本體及燃燒系統(tǒng)進行相應的改造。根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料特性，本文對燃煤鏈條鍋爐爐膛和燃燒系統(tǒng)進行改造，以實現(xiàn)鍋爐與生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的良好匹配，并以本公司的一臺鍋爐為實例對改造方案進行描述。

1 生物質(zhì)顆粒燃料與常規(guī)煤燃料性能對比

常規(guī)煤燃料與生物質(zhì)顆粒燃料大都采用層燃的燃燒方式［5］，但兩種燃料特性有較大的區(qū)別。目前我國南方工業(yè)鍋爐的常規(guī)煤燃料主要采用Ⅱ類煙煤［6］。抽?、蝾悷熋汉蜕镔|(zhì)顆粒燃料各20 份進行化驗分析，得出的兩種燃料特性的平均值如表1 所示。

表 1 燃煤料與生物質(zhì)顆粒燃料特性比較Tab. 1 Comparison of the properties between coal and pelletized biomass

由表1 中可見，與Ⅱ類煙煤相比，生物質(zhì)顆粒燃料具有揮發(fā)分高、灰分低、有害元素含量低、熱值稍低、著火點低、灰渣融化溫度低、密度低等特點，兩者理化性質(zhì)差異較大。因此，在將燃煤鍋爐改造為燃生物質(zhì)顆粒鍋爐時，對鍋爐燃燒系統(tǒng)不加任何改造而只改變?nèi)剂蠒斐蓢乐氐哪茉蠢速M和燃燒設(shè)備腐蝕問題。針對這些問題，本文就燃煤鍋爐改造為燃生物質(zhì)顆粒鍋爐時需對鍋爐爐膛及燃燒系統(tǒng)進行改造的方案進行探討。

2 鍋爐爐膛及燃燒系統(tǒng)改造

2.1 爐拱改造

爐拱改造主要是將原燃煤鍋爐前拱加高，后拱前移并加高，拱間的喉口間距減少。具體爐拱改造示意如圖1 所示，圖中：實線為改造前爐拱；虛線為改造后爐拱。

圖 1 爐拱改造示意圖Fig. 1 Schematic diagram of furnace arch transformation

本項目中前拱升高200 mm，后移300 mm；后拱升高300 mm，前移300 mm。前拱的覆蓋率為20%，后拱的覆蓋率為55%。爐膛的喉口尺寸由原來的2 000 mm × 2 000 mm改為1 400 mm ×2 000 mm。

與常規(guī)煤燃料相比，生物質(zhì)顆粒燃料具有揮發(fā)分高、密度低的特點。在前拱的前半部分揮發(fā)分析出階段，大量的揮發(fā)分析出。抬高前拱和改變其長度可以延長揮發(fā)分在爐膛的滯留時間，延長揮發(fā)分的燃燒時間，減少可燃氣體不完全燃燒損失。由于密度低，煙氣中飛灰所占的比例大大增加，前拱和后拱改變后可以使前、后拱間的喉口減小，煙氣流動得到更好的組織，旋流加強，有利于飛灰中碳的燃燼，減小了固體不完全燃燒損失。

另外，后拱加高、加長強化了火焰對生物質(zhì)顆粒燃料的引燃作用，使得生物質(zhì)顆粒燃燒在爐排上的著火線提前，前拱的輻射作用增強，從而保證原鍋爐的出力。

改造后的鍋爐采用水冷式煤閘板，改變煤斗形式及送料方式，抬高煤閘門的開啟高度（增加80 mm）。

2.2 爐排的改造

與常規(guī)煤燃料相同，生物質(zhì)顆粒燃料在爐排上的燃燒分為四個階段：干燥、揮發(fā)分析出、固定碳燃燒和燃燼階段。但兩者各階段在爐排上的停留時間不同。生物質(zhì)顆粒燃料的干燥階段短，揮發(fā)分析出階段長，固定碳燃燒階段短，燃燼階段短，所以生物質(zhì)顆粒燃料的整個燃燒過程較短。為了盡可能地保證鍋爐出力，爐排需作以下改動：一是改造爐排的變速齒輪箱；二是改造爐排的轉(zhuǎn)速電機（調(diào)快）；三是對爐排片的安裝間隙作調(diào)整，防止因爐排片運行速度加快而出現(xiàn)掉片現(xiàn)象。

2.3 風室的改造

由于在生物質(zhì)顆粒燃料干燥階段和揮發(fā)分析出階段不需要空氣，而固定碳燃燒階段需要空氣，但由于生物質(zhì)顆粒燃料的固定碳含量相對于常規(guī)煤燃料的要小得多，因此需要重新調(diào)整空氣量的供給，在燃燼階段供給少量空氣。

而目前燃煤鍋爐大多采用分風室送風方式，改燃生物質(zhì)顆粒燃料后可將干燥階段、揮發(fā)分析出階段和燃燼階段的分風室風門全閉（前部1 個，后部2 個），防止大量不參與燃燒的空氣進入爐膛并防止竄風。分風室風門保留了中間四個調(diào)風門，風量的配比從前到后基本為20∶30∶30∶20。嚴格控制過量空氣系數(shù)，可有效降低排煙熱損失，提高鍋爐熱效率。

2.4 增加二次風

由于生物質(zhì)顆粒密度低、揮發(fā)分高、飛灰含量大，從而造成氣體、固體不完全燃燒損失增大。燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)顆粒燃料時必須增加二次風，二次風一般布置在前、后拱的位置，起到補充氧氣和擾動煙氣流動的作用。二次風的風量約占空氣總量的30%。二次風布置示意圖如圖2 所示。

圖 2 二次風布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of secondary air arrangement

二次風的設(shè)計應根據(jù)爐膛的具體情況來定。二次風需具有一定的流速（控制在30～40 m·s-1）和一定的有效射程，才可有效減少飛灰中的可燃物，大大降低固體不完全燃燒損失，提高鍋爐熱效率。

2.5 改造衛(wèi)燃帶

生物質(zhì)顆粒燃料相對于常規(guī)煤燃料具有著火點低、易燃燒的特點，且由于其灰渣融化溫度較低，也容易產(chǎn)生燃燒結(jié)焦問題，從而導致鏈條損壞和增加燃料的泄漏量，同時也增大了固體不完全燃燒損失。

因此，燃燒生物質(zhì)顆粒燃料時爐膛不必保持高溫，溫度在900 ℃左右較適宜。在此溫度下，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒充分，既能降低結(jié)渣率，又能有效減少氮氧化物的產(chǎn)生，減少大氣污染物的排放。原燃煤鍋爐爐膛敷設(shè)的衛(wèi)燃帶一般較多，在燃燒生物質(zhì)顆粒燃料時衛(wèi)燃帶起到保溫作用，從而使爐膛的溫度較高。因此，在燃燒生物質(zhì)顆粒燃料時應根據(jù)實際情況合理布置衛(wèi)燃帶。

2.6 改造上料系統(tǒng)

由于生物質(zhì)顆粒燃料與常規(guī)煤燃料的物理特征不同，在改燃生物質(zhì)顆粒燃料時，必須更換上料皮帶機的形式。生物質(zhì)顆粒燃料較為松散，形狀呈圓柱形，容易滑動。物料輸送的方式要適應生物質(zhì)顆粒燃料的輸送。爐前進料斗（裝置）的進料方式發(fā)生了變化，因此進料斗要作相應的改變。原燃煤鍋爐的出渣方式也不太適應生物質(zhì)顆粒燃料的出灰要求，出渣方式改為水力加管道的方式比較可靠、合理。

2.7 改造燃燒控制系統(tǒng)

雖然生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒性能接近于常規(guī)煤燃料，且燃燒效率更高，但熱值與煤相比要低得多。改造前原鍋爐所有熱力參數(shù)都是按照設(shè)計燃料設(shè)計，因此雖然采取了多種改造措施，但改造后的鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)也不可能與改造后的鍋爐完全匹配。

因改造后生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的燃燒強度降低、傳熱溫差減小等因素，在燃燒生物質(zhì)顆粒燃料后往往會達不到原燃煤鍋爐的額定出力。所以，要通過控制煤閘板的高度和爐排速度使鍋爐達到最佳的燃燒狀況，盡可能地向額定工況靠近。

3 鍋爐改造前、后效果對比

本公司兩臺型號為SZL8-1.25-AII 的鍋爐改燃生物質(zhì)顆粒燃料后，通過爐拱改造、增加二次風、風室改造、衛(wèi)燃帶改造等措施，并通過調(diào)節(jié)煤閘板和爐排速度等措施實現(xiàn)了鍋爐與生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的良好匹配。鍋爐改造前、后的運行情況如表2 所示。該鍋爐由燃燒常規(guī)煤燃料改燃生物質(zhì)顆粒燃料后每年可節(jié)省燃料費用30 萬元。該鍋爐改造的總投資費用為12 萬元，投資回報周期為0.4 年。

由表2 中可知，改造后鍋爐的平均熱效率為85.5%，平均排煙溫度為158 ℃，達到改造設(shè)計的要求。經(jīng)環(huán)保部門檢測，鍋爐改造后污染物排放實測值如表2 所示，各項污染物的排放指標均符合改造要求。

表 2 鍋爐改造前、后性能對比Tab. 2 Comparison of the boiler performance before and after transformation

4 結(jié) 論

根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料特性，對鏈條燃煤鍋爐爐拱、爐排、風室、衛(wèi)燃帶、上料系統(tǒng)及燃燒控制系統(tǒng)等進行改造。經(jīng)過調(diào)試和運行，鍋爐改燃生物質(zhì)顆粒燃料能夠?qū)崿F(xiàn)爐膛與生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的良好匹配，具有良好的著火穩(wěn)定性能，燃料燃燼率高，且沒有發(fā)生爐膛結(jié)渣現(xiàn)象。

鍋爐改燃生物質(zhì)顆粒燃料后其熱效率和污染物排放均符合相關(guān)要求，且燃料成本較低。通過對鍋爐進行上述改造，有效地解決了在生物質(zhì)顆粒燃料替代燃煤燃料過程中存在的較多問題。此次改造案例可為其他類型的鍋爐改燃生物質(zhì)顆粒燃料及設(shè)計燃生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐提供借鑒。