洪浩 王震坤 隋海然 陳壹杰 馮雨 許雪楠 田曉霞 劉菲 張志鑫

（1、吉林宏日新能源股份有限公司，吉林 長春 130000 2、吉林大學(xué)，吉林 長春 130000）

1 概述

熱風(fēng)爐在糧食等烘干作業(yè)中廣泛應(yīng)用，燃料多以燃煤為主。普遍存在環(huán)保排放不達(dá)標(biāo)問題。也有企業(yè)為了滿足環(huán)保排放要求，安裝環(huán)保設(shè)施，承受較大經(jīng)濟(jì)壓力。生物質(zhì)燃料作為可再生能源有其自身的優(yōu)勢，燃料本身含硫低，燃燒后無需經(jīng)過脫硫處理，采用科學(xué)合理的低氮燃燒技術(shù)，可有效控制氮氧化物的排放量。尤其在碳達(dá)峰、碳中和“3060”目標(biāo)的提出，對綠色低碳發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提出了更高的要求。這充分展示了我國為應(yīng)對全球氣候變化做出的新努力和新貢獻(xiàn)。為了適應(yīng)越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求且兼顧企業(yè)運營成本，燃煤改燃生物質(zhì)熱風(fēng)爐是未來使用熱風(fēng)爐的發(fā)展趨勢。

現(xiàn)有的燃煤改燃生物質(zhì)熱風(fēng)爐，都是在原有燃煤爐的結(jié)構(gòu)稍作改動，降氮效果并不明顯，仍會存在煙氣中氮氧化物排放超標(biāo)問題，制約了生物質(zhì)熱風(fēng)爐的市場推廣。因此有必要開發(fā)出一種以生物質(zhì)為燃料的熱風(fēng)爐低氮燃燒方法及裝置，有效降低氮氧化物的產(chǎn)生和排放，使生物質(zhì)熱風(fēng)爐同時能夠滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保排放要求和降低企業(yè)運營成本。

2 現(xiàn)有方案與存在的問題

2.1 現(xiàn)有技術(shù)方案

糧食烘干熱風(fēng)爐絕大部分的設(shè)計燃料為高熱值燃煤（傳統(tǒng)糧食烘干熱風(fēng)爐），通過提供較高過量空氣系數(shù)形成煙氣溫度約700℃，然后經(jīng)過對流煙管管束將空氣加熱至烘干溫度。用于糧食烘干的熱風(fēng)溫度有120℃、150℃、200℃三種熱風(fēng)溫度。有較少一部分熱風(fēng)爐改用生物質(zhì)燃料，通過對熱風(fēng)爐改燃生物質(zhì)用戶的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)用戶只是在原有燃煤熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)上加裝了一個煙氣再循環(huán)入口或是在爐膛側(cè)面布置一排二次風(fēng)管，降氮效果不明顯。為了使煙氣溫度能夠降到滿足后續(xù)烘干要求，通常采用向爐內(nèi)通入冷空氣，大大地增加了煙氣中的氧含量，使得煙氣污染物排放濃度的折算值升高，導(dǎo)致氮氧化物排放不達(dá)標(biāo)。

2.2 存在的問題

傳統(tǒng)糧食烘干熱風(fēng)爐對煤種要求高，一般熱值要在4500 kcal/kg 以上；燃燒效率較低，燃燒過程中摻混大量冷風(fēng)，導(dǎo)致排煙熱損失大，燃燒不經(jīng)濟(jì)；燃燒方式采用絕熱燃燒，氮氧化物、煙塵、二氧化硫等污染物排放值高，環(huán)保不達(dá)標(biāo)，正面臨關(guān)停整改的問題。

在已有改燃生物質(zhì)糧食烘干爐案例中，由于秸稈成型燃料熱值低（3000 kcal/kg），現(xiàn)有改造方法大多數(shù)并沒有進(jìn)行鍋爐燃燒空間及爐膛結(jié)構(gòu)改造，鍋爐出力不足，出現(xiàn)烘干溫度不達(dá)標(biāo)的情況；生物質(zhì)燃料熱值單價高于燃煤，普通改造后無法增加燃燒效率，烘糧成本高；現(xiàn)有的生物質(zhì)熱風(fēng)爐普遍存在燃燒過程中結(jié)焦結(jié)渣積灰等問題，燃燒狀態(tài)差，很難做到連續(xù)穩(wěn)定運行。

綜上所述，燃煤熱風(fēng)爐改燃生物質(zhì)，不是一個簡單改造問題，也不是把燃料直接替換為生物質(zhì)就可以解決的問題。而是需要針對生物質(zhì)燃料特性，糧食烘干爐所需要溫度、風(fēng)量進(jìn)行糧食烘干爐改燃生物質(zhì)專業(yè)設(shè)計，才能達(dá)到預(yù)期效果。

3 生物質(zhì)熱風(fēng)爐糧食烘干工藝與熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)

3.1 改進(jìn)烘干工藝

基于生物質(zhì)燃料的燃燒特性，生物質(zhì)熱風(fēng)爐糧食烘干改進(jìn)采取如圖1 所示的工藝流程。

圖1 糧食烘干工藝流程

生物質(zhì)熱風(fēng)爐糧食烘干工藝由料倉、生物質(zhì)熱風(fēng)爐、凝渣器、管式換熱器、除塵器、煙囪、烘干塔及向烘干塔輸送糧食的輸送系統(tǒng)等組成。生物質(zhì)燃料從料倉經(jīng)過給料機(jī)送入生物質(zhì)專用熱風(fēng)爐，通過空氣分段供給，既能保證熱風(fēng)爐內(nèi)燃料充分燃燒，又可控制爐內(nèi)合理的過量空氣系數(shù)。充分燃燒后的煙氣進(jìn)入凝渣器，煙氣經(jīng)過換熱冷凝，使煙氣中具有熔融性的灰分在不銹鋼管外表面凝結(jié)析出，有效避免了熔融性灰分阻塞后續(xù)的管式換熱面。經(jīng)過管式換熱后的煙氣經(jīng)除塵器處理后排出。滿足溫度要求的空氣從管式換熱器出來，分段通入烘干塔進(jìn)行糧食烘干作業(yè)。

3.2 改進(jìn)熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)

為了解決現(xiàn)有生物質(zhì)熱風(fēng)爐燃燒不充分、燃燒效率低、尾部煙氣NOx 濃度高、煙塵堵塞換熱面等問題，本生物質(zhì)熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)作如下改進(jìn)：

3.2.1 加寬爐排面積。在傳統(tǒng)烘干爐理論設(shè)定的爐排寬度基礎(chǔ)上進(jìn)行加寬，保證單位時間內(nèi)燃料床的燃料能夠燃盡，保證鍋爐出力及熱效率，降低爐排面積熱負(fù)荷，降低單位面積燃燒強(qiáng)度，避免因燃料床局部溫度過高產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象，降低了燃料床NO 的生成。在運行過程中保持“薄料層，快轉(zhuǎn)動”的運行狀態(tài)，可以使秸稈顆粒、秸稈壓塊等這樣低熱值的燃料在有限空間內(nèi)發(fā)揮充足的熱量。

3.2.2 增加爐膛內(nèi)部空間。爐膛內(nèi)部主要由主燃區(qū)、上升區(qū)、再燃區(qū)、旋流燃盡區(qū)組成。對爐膛內(nèi)部空間進(jìn)行合理分配，使揮發(fā)分與氧氣充分接觸，降低爐膛內(nèi)氧含量，降低氮氧化物排放濃度。

3.2.3 鍋爐系統(tǒng)密封。鍋爐本體外墻采用不低于5mm 厚度的鋼板進(jìn)行滿焊密封保溫；煙道連接處一律采用滿焊形式焊接；除塵器落灰口避免使用插板等簡易漏灰方式，改用密閉卸灰閥。降低了系統(tǒng)過量空氣系數(shù)，改善排放情況。

3.2.4 合理設(shè)置煙氣再循環(huán)。再循環(huán)煙氣分別設(shè)置在主燃區(qū)下方爐排前部，以及再燃區(qū)上部，采用全口徑煙氣再循環(huán)技術(shù)，即未加裝煙氣再循環(huán)系統(tǒng)前與加裝后的煙氣總量比率為1:2。再循環(huán)煙氣（1）可以降低主燃區(qū)燃燒溫度，循環(huán)煙氣量可控，控制程度以不影響主燃區(qū)的正常燃燒情況下，盡可能多的通入煙氣循環(huán)量。這樣避免了主燃區(qū)局部燃燒溫度過高，降低了熱力型氮氧化物的生成。循環(huán)煙氣中殘余的氧氣在循環(huán)的過程中再次參與燃燒，這樣降低尾部煙氣氧含量的作用。從而降低了氮氧化物的排放濃度。再循環(huán)煙氣（2）可以控制熱風(fēng)爐出口煙溫，無需從外部通入冷空氣即可滿足烘干工藝溫度的需求。

3.2.5 合理配置二次風(fēng)位置及風(fēng)量。二次風(fēng)設(shè)置在主燃區(qū)的兩側(cè)及上升區(qū)的中部。一次風(fēng)與二次風(fēng)的比率為6:4，通過合理控制一二次風(fēng)的比率，使揮發(fā)分充分燃盡的同時，使過量空氣系數(shù)降低，降低氮氧化物的排放濃度。

3.2.6 爐膛底部布置二氧化碳脈沖噴氣管，降低燃料N的生成。在聯(lián)合風(fēng)箱內(nèi)安裝二氧化碳脈沖管，通過還原反應(yīng)，制造還原性氣氛，降低原料層溫度，為減少NO 創(chuàng)造有利條件。

改進(jìn)熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)包括進(jìn)料斗、給料機(jī)、加寬鏈條爐排、前拱、后拱、再循環(huán)煙氣（1）、再循環(huán)煙氣（2）、聯(lián)合風(fēng)箱、二氧化碳脈沖管、主燃區(qū)、上升區(qū)、再燃區(qū)、旋流燃盡區(qū)、一次風(fēng)、二次風(fēng)等，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)示意圖

4 案例應(yīng)用分析

根據(jù)上述技術(shù)改進(jìn)，對吉林省某糧食收儲公司的燃煤糧食烘干塔項目進(jìn)行改造，改造后使用糧食烘干塔專用生物質(zhì)鍋爐替換原有燃煤鍋爐，鍋爐烘干塔配備PLC 自動控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，便于統(tǒng)一管理。鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)設(shè)計，采用多級配風(fēng)、煙氣回流技術(shù)，全口徑利用回流煙氣，燃燒效率達(dá)到85%以上，比原燃煤鍋爐提升超20%，對烘干塔側(cè)進(jìn)行余熱回收再利用設(shè)計節(jié)能30%。改造后的熱風(fēng)爐適用于秸稈壓塊，秸稈顆粒，稻殼壓塊，稻殼顆粒等各種生物質(zhì)成型燃料。以燃燒秸稈壓塊燃料為例，經(jīng)過2 個多月運行，對運行進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)整理，進(jìn)行以下效益分析。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

以烘干同樣重量（12400 噸）糧食為分析對象，烘干時間18 天，燃料單價、人工日工資等以2020 年實際市場價格為計算依據(jù)。經(jīng)分析比較，使用生物質(zhì)秸稈壓塊的熱風(fēng)爐在燃料、人工、電費均要比改造前要節(jié)約許多，僅燃料使用費用就降低了24.6%。如表1 經(jīng)濟(jì)性對比分析表。結(jié)果表明：采用傳統(tǒng)燃煤糧食烘干熱風(fēng)爐的烘糧費用為39 元/噸，采用改進(jìn)后的秸稈壓塊熱風(fēng)爐烘糧費用在29 元/噸。

表1 經(jīng)濟(jì)性對比分析表 單位：元

4.2 環(huán)境效益分析

改造后保障正常烘干工況下，環(huán)保排放測試結(jié)果為：顆粒物25.2mg/m3，二氧化硫36mg/m3，氮氧化物237mg/m3。檢測排放達(dá)到(DB22/T2581-2016)《生物質(zhì)成型燃料鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》限值的要求，排放限值如表2。

表2 大氣污染物排放指標(biāo)

采用技術(shù)改造后，鍋爐效率達(dá)到85%，與傳統(tǒng)燃煤糧食烘干熱風(fēng)爐相比提升了20%以上；燃料適應(yīng)性廣，適用于秸稈壓塊，秸稈顆粒，稻殼壓塊，稻殼顆粒等各種生物質(zhì)成型燃料。

5 運行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

熱風(fēng)爐、烘干塔均配備PLC 自動控制系統(tǒng)，對設(shè)備進(jìn)行精確控制，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)傳可視化集中管理，全部電機(jī)進(jìn)行變頻升級改造。圖3（a）為熱風(fēng)爐控制畫面，圖3（b）為烘干塔系統(tǒng)控制畫面。

圖3

在運行過程中，監(jiān)測排煙氧含量在9.6-9.9%時，一次風(fēng)機(jī)的頻率在13-14 HZ 范圍內(nèi)。二次風(fēng)機(jī)的頻率在20-22HZ范圍內(nèi)，可將引風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)至40-45Hz，鏈條爐排運轉(zhuǎn)的頻率在23-26 Hz，給料機(jī)的頻率在13-15 Hz 左右，爐排機(jī)的頻率在25-26 Hz 左右，引風(fēng)機(jī)的頻率在40-45 Hz 范圍內(nèi)。此時的爐膛溫度在1300℃范圍內(nèi)，通過對煙氣回流風(fēng)機(jī)控制，將回流風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)至35-40 Hz 范圍內(nèi)，管式換熱器入口煙氣溫度可控制在700℃范圍內(nèi)。爐側(cè)余熱回收精準(zhǔn)控制換熱管束入口溫度，提升鍋爐效率，塔側(cè)熱風(fēng)回收提高換熱器入口溫度節(jié)能30%，變頻設(shè)計節(jié)電10%，上傳遠(yuǎn)程平臺，方便集中統(tǒng)一管理，相比于傳統(tǒng)燃煤鍋爐及生物質(zhì)改造方案，技術(shù)、成本、環(huán)保、安全優(yōu)勢明顯。