尤俊 李人鑒

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院 福建福州 350008）

0 引言

據(jù)國務(wù)院《大氣污染防治行動計劃》（國發(fā)〔2013〕37號）要求，“到2017年，除必要保留以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰10 t/h及以下燃煤鍋爐，禁止新建20 t/h以下燃煤鍋爐；其他地區(qū)原則上不再新建10 t/h以下的燃煤鍋爐”。為貫徹落實 《大氣污染防治行動計劃》與國家發(fā)展改革委等七部委《關(guān)于印發(fā)“燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保綜合提升工程實施方案”的通知》（發(fā)改環(huán)資〔2014〕2451號）精神，福建省經(jīng)信委、省發(fā)改委、省環(huán)保廳等七部門聯(lián)合印發(fā)了 《福建省燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保綜合提升工程實施方案》，明確了推廣高效鍋爐、嚴(yán)格新建燃煤鍋爐準(zhǔn)入、淘汰落后鍋爐、開展節(jié)能減排技術(shù)改造、優(yōu)化燃料結(jié)構(gòu)、提升運行水平、推行集中供熱等措施，全面完成福建省燃煤鍋爐升級改造和淘汰整治任務(wù)。

生物質(zhì)燃料具有可再生性及CO2零排放特性而受到廣泛關(guān)注［1］。福建省政府鼓勵將燃煤工業(yè)鍋爐改燃生物質(zhì)。已有學(xué)者對燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)的案例、改造可行性及改造效果進(jìn)行了分析［2-4］。陳耿［5］對4 t/h鏈條爐排蒸汽鍋爐進(jìn)行生物質(zhì)顆粒燃料的環(huán)保節(jié)能改造，通過對燃煤鏈條爐排的加煤斗加裝長軸給料器、二次風(fēng)噴管、長形撥火門等，并采用水沖擊除塵系統(tǒng)，最終達(dá)到了環(huán)保排放達(dá)標(biāo)的目的。

燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)的改造技術(shù)，如給料系統(tǒng)、前后拱、配風(fēng)方式等，都是讓生物質(zhì)能更加充分燃燒而設(shè)計改造的，本質(zhì)上還是兩種燃料的特性差異。因此，本研究首先利用福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院的檢驗平臺數(shù)據(jù)，對福州地區(qū)燃煤改燃生物質(zhì)工業(yè)鍋爐進(jìn)行調(diào)查，并從煤與生物質(zhì)的燃料特性方面，分析燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)技術(shù)，為福州市燃煤改燃生物質(zhì)工業(yè)鍋爐的改造和運行提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 福州地區(qū)燃煤工業(yè)鍋爐改燃生物質(zhì)情況調(diào)查

基于福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院檢驗平臺的數(shù)據(jù)，對福州地區(qū)燃煤工業(yè)鍋爐改燃生物質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計工業(yè)鍋爐不同類型與不同容量鍋爐改燃情況。

圖1顯示了福州地區(qū)燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)的數(shù)量分布。福州地區(qū)改燃生物質(zhì)鍋爐總數(shù)為152臺，其中閩侯改燃鍋爐最多，為41臺，倉山與連江分別為33與32臺，三個地區(qū)的改燃數(shù)量占69.7%。分析原因，這是由于福州地區(qū)的中小企業(yè)多數(shù)集中在這三個地區(qū)，如連江縣的海產(chǎn)品加工廠居多，倉山區(qū)主要以鞋業(yè)、包裝與裝飾企業(yè)為主，閩侯縣集中了食品與建材等小型企業(yè)。

圖2顯示了有機(jī)熱載體鍋爐與蒸汽鍋爐改燃統(tǒng)計情況。從圖2可知，燃煤蒸汽鍋爐為123臺，占燃煤改燃鍋爐的81.4%，剩余為有機(jī)熱載體鍋爐。

圖3為福州地區(qū)不同容量鍋爐改燃生物質(zhì)數(shù)量分布。從圖3可知，改燃生物質(zhì)鍋爐的容量以4 t/h≤D≤10 t/h的為主，總共有71臺，占總數(shù)的47%；容量為1 t/h≤D≤2 t/h鍋爐改燃生物質(zhì)數(shù)量次之，占總數(shù)的38%；小容量（D＜1 t/h）和大容量（D＞10 t/h）的相對較少。

2 煤與生物質(zhì)的燃料特性分析

燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)的本質(zhì)是燃料特性變化。本文選取煙煤及福州市內(nèi)有代表性幾種生物質(zhì)燃料作為研究對象，考察燃料特性差異，從燃料特性方面分析燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)技術(shù)。

試驗燃煤選用煙煤，生物質(zhì)選用福州市內(nèi)有代表性的稻桿、松木與成型顆粒作為研究對象。分別對試驗燃料的工業(yè)成分、元素組成及熱解特性進(jìn)行分析。主要儀器設(shè)備：工業(yè)分析儀 （長沙開元5E-MAG6700）、元素分析儀 （長沙開元5ECHN2000）、測硫儀（長沙三德SDS516）、同步熱分析儀（德國耐馳 STA 449 F3）。

表1顯示了福州市內(nèi)有代表性的稻桿、松木、成型顆粒與煤的元素分析和工業(yè)分析。

從表1可以看出，成型顆?；曳趾康陀?%，稻稈揮灰分比例高，為14.09%；所有生物質(zhì)揮發(fā)分含量超過了60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煙煤的28.26%；生物質(zhì)的固炭定含量均在14%～17%，而煙煤固定炭在50%以上。可以看出，生物質(zhì)燃料各種成分含量有所不同，較煙煤也有較大區(qū)別，導(dǎo)致燃料特性有顯著差異。生物質(zhì)主要以揮發(fā)分燃燒為主，更易引燃；煤主要以焦炭燃燒為主。同時煤的S元素比例比生物質(zhì)高，更易生成SO2等污染物。

分別對生物質(zhì)成型燃料與煙煤的熱解過程進(jìn)行分析。

圖4顯示了生物質(zhì)成型燃料的熱解失重曲線?？梢钥闯鰺峤庵饕譃槿齻€階段［6］：

（1）預(yù)熱干燥階段（＜140℃），此階段主要是水分的干燥過程，并無化學(xué)變化；

（2）揮發(fā)分析出階段（200～400 ℃），主要發(fā)生熱解反應(yīng)，成型燃料中所含的主要組分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，三組分熱解生成大量的氣相產(chǎn)物，主要包括小分子氣體和大分子的揮發(fā)性焦油，此階段質(zhì)量急劇減少，剩下的固相產(chǎn)物主要是焦炭。

（3）炭化階段（＞400℃），燃料進(jìn)入炭化階段，殘留的物質(zhì)仍有少量的揮發(fā)分析出，生成的焦炭進(jìn)一步縮聚，芳香程度增加。圖5顯示了煙煤的熱解過程。

由上述分析可知，與煙煤的失重曲線對比（圖5），生物質(zhì)燃料的熱解起始溫度較低，在200～250℃范圍內(nèi)，即當(dāng)溫度達(dá)到此范圍內(nèi)，大量揮發(fā)分開始析出；而煙煤在400℃左右才開始析出揮發(fā)分，同時由于揮發(fā)分含量少，析出揮發(fā)分質(zhì)量也只占到總質(zhì)量的25%。根據(jù)這些特性，在實際工業(yè)鍋爐的燃燒過程中，生物質(zhì)更易著火，同時會在爐排前段析出大量的揮發(fā)分。從爐型設(shè)計和運行方面考慮，生物質(zhì)鍋爐需要有更大的均相燃燒空間和停留時間，同時要調(diào)整配風(fēng)以滿足揮發(fā)分燃燒所需要的氧量，否則，僅僅是對進(jìn)料裝置作簡單改造，直接用鏈條爐排燃燒生物質(zhì)的話，就會出現(xiàn)揮發(fā)分不能充分燃燒而冒黑煙、CO增多等現(xiàn)象。對于不同燃料特性的生物質(zhì)，還應(yīng)采取相應(yīng)的爐型結(jié)構(gòu)和污染物控制措施，才能實現(xiàn)清潔高效燃燒，保證設(shè)備的安全運行，減少對環(huán)境的污染物排放。

表1 生物質(zhì)和煤的元素分析和工業(yè)分析 單位：wt%

由此可見，在燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)的改造與運行應(yīng)該從不同種類生物質(zhì)的燃燒特性出發(fā)，才能保證鍋爐改燃的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，提高生物質(zhì)開發(fā)利用的效率，保證燃生物質(zhì)鍋爐的正常運行。

3 結(jié)論

本文對福州地區(qū)燃煤改燃生物質(zhì)鍋爐情況進(jìn)行了統(tǒng)計，并對燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)中的燃料特性差異進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）福州地區(qū)燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)為152臺，其中大部分為燃煤蒸汽鍋爐，改燃的鍋爐容量以4 t/h≤D≤10 t/h和1 t/h≤D≤2 t/h為主。

（2）生物質(zhì)揮發(fā)分遠(yuǎn)大于煙煤；生物質(zhì)固定碳含量均遠(yuǎn)低于煙煤，這導(dǎo)致生物質(zhì)主要以揮發(fā)分燃燒為主；煤主要以焦炭燃燒為主。

本文對燃煤鍋爐改燃生物質(zhì)的燃料特性差異進(jìn)行分析，為福州市燃煤改燃生物質(zhì)工業(yè)鍋爐的改造和運行提供理論基礎(chǔ)。