摘要：介紹了生物質成型燃料的燃料特性及燃燒特性。對燃用生物質成型燃料鏈條爐排蒸汽鍋爐的設計進行探討，實測某型號鍋爐的熱效率、煙氣污染物排放質量濃度，與相同蒸發量燃煤蒸汽鍋爐(燃用Ⅱ類煙煤)的燃料成本進行了比較。該型號鍋爐的實測熱效率達88%，煙氣污染物排放質量濃度分別為：煙塵1.3 mg／m³、二氧化硫24.0 mg／m³、氮氧化物91.2 mg／m³，遠低于相關標準的限值。燃料成本比燃煤鍋爐低37%左右。

關鍵詞：生物質成型燃料；  工業鍋爐；  熱效率；  污染物排放量；  生物質燃料

Design and Measurement Result of Industrial Biomass Briquette-fired Boiler

Abstract: The property and combustion characteristics of biomass briquette are introduced. The design of chain-grate steam boiler that burns biomass briquette is discussed. The thermal efficiency and flue gas pollutant emission mass concentrations of a model boiler are measured, and its fuel cost is compared with that of a bituminous coal-fired steam boiler with the same evaporation capacity. The measured thermal efficiency of this boiler is 81%, and the mass concentrations of flue gas pollutant emissions are l.3 mg／m³ for dust, 24.0 mg／m³ for sulphur dioxide and 91.2 mg／m³ for nitrogen oxides respectively, which is far less than the limits in the relevant standard. The fuel cost of this boiler is 37% 1ess than that of coal-fired boiler.

Key words: biomass briquette；industrial boiler；thermal efficiency；pollutant emission：biomass fuel

生物質能是一種理想的可再生清潔能源，來源廣泛。目前，生物質能消耗占世界總能耗的14%，僅次于煤炭、石油和天然氣，在整個能源系統中占有重要地位。在我國，生物質能占全部能源消耗總量的20%，但主要是利用傳統爐灶直接燃燒，能源轉換效率僅為10%～20%，在商業用能結構中生物質能利用率極小，主要原因是生物質燃料燃燒設備相對滯后，制約了我國生物質燃料的推廣應用。分布在城市周邊及農村的大量工業鍋爐，是我國煤炭消費大戶，不但熱效率較低，而且是造成環境惡化的主要污染源。因此開發潔凈高效的生物質燃料工業鍋爐，是工業鍋爐技術發展的戰略方向，也是節能減排的迫切需要。近年來，國內相關人員對生物質燃料的應用進行了廣泛研究^[1-9]，其中生物質成型燃料在工業鍋爐應用是主要方面。本文對生物質成型燃料工業鍋爐的設計及技術經濟性進行探討。

1 燃料特性分析與完全燃燒影響因素

1.1 生物質成型燃料特性分析

①生物質燃料的元素分析

常見生物質燃料的元素分析(干燥無灰基)見表1。由表1可知，生物質燃料含碳量較少，質量分數一般小于50%，因此生物質燃料不耐燒，發熱量較低。生物質燃料含硫量很低，質量分數大多低于0.20%，甚至為零，因此燃用生物質燃料的燃燒設備不必設置脫硫裝置，以降低設備造價。

②生物質成型燃料的工業分析

常見生物質成型燃料工業分析(收到基)見表2。由表2可知，與煤相比，生物質成型燃料具有以下特點：水分較多，并與生物質原料品種有關，且差別較大。灰分較少，揮發分較高，固定碳含量較低，高位發熱量較低。

③生物質成型燃料的燃燒特性

生物質成型燃料的揮發分高于煤，灰分和含碳量小于煤，發熱量小于煤，生物質成型燃料的燃料特性決定了其燃燒特性。生物質成型燃料的燃燒過程分為預熱干燥(水分蒸發)階段、揮發分析出及燃燒階段、固定碳燃燒階段。主要特點為：

a.由于生物質成型燃料水分含量較高，且隨加工過程及儲存條件變化顯著，潮濕的生物質成型燃料入爐后需較高的干燥溫度及較長的干燥時間。因此當燃用生物質成型燃料時，爐內溫度偏低，要穩定燃燒比較困難，較多的水分增加了煙氣的體積，增大了排煙熱損失。

b.生物質成型燃料揮發分含量較高，燃料著火溫度較低，一般在溫度達到300～350℃時，揮發分就大量析出并開始劇烈燃燒。若空氣供應量不足，易增大燃料的不完全燃燒損失。

c.揮發分析出燃盡后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，妨礙了燃燒，易導致灰燼中殘留較多的余碳，增大機械不完全燃燒損失。為促進炭燃燒充分，應適當加以捅火或加強通風，但氣流易將部分炭粒送入煙道，形成黑絮，因此通風過強易導致燃燒效率降低。

目前市場上比較常見的生物質成型燃料是直徑為20～40 mm、長度為40～80 mm的柱狀顆粒，低位發熱量為l4.2～22.4 MJ／kg。影響生物質成型燃料完全燃燒的主要因素為：①送風量不足易導致生物質成型燃料燃燒不充分，灰渣中含碳量較高，還使得一部分CO在爐膛中沒有燃燒就隨煙氣排出。因此應增大一次風量，配置功率較大的送風機，并適當增加二次風量。②生物質成型燃料在爐膛中停留時間太短，導致燃料沒有足夠的時間燃燒，產生不完全燃燒。應適當增大爐膛容積，并采用爐拱配合二次送風，加強攪動混合。

2 生物質成型燃料工業鍋爐的設計

2.1 鍋爐房系統流程

生物質成型燃料鍋爐房系統流程見圖l。鍋爐房由鍋爐本體、燃料送料裝置、送引風機、軟水處理器、除塵器等組成。鍋爐房的燃料(生物質成型燃料)、水、煙氣、空氣的流程與常規燃煤鏈條爐排鍋爐房近似。

2.2 鍋爐本體設計

鍋爐本體采用水火管結構，爐膛下部采用鏈條爐排，生物質成型燃料在爐排上燃燒。鍋爐本體結構見圖2。

①爐膛總體結構

生物質成型燃料點火溫度在300 ℃以上，燃燒速度比煤快，火焰比煤長。因此，爐膛結構設計應綜合考慮上述因素，適當提高爐膛高度，增加爐膛的容積，加強通風，克服結渣問題。正常運行時，過剩空氣系數控制在1.4-1.6，有利于提高燃燒效率。

②爐拱布置

爐拱的主要作用是加強爐內氣流的混合，儲蓄熱量，調整燃燒中心，提高爐膛溫度，加速燃料著火。為了改善生物質成型燃料燃燒狀況，鍋爐設置了前拱、中拱、后拱。

前拱主要功能是通過以再輻射為主、鏡反射為輔的方式，將燃燒火床面的輻射熱和部分火焰輻射熱傳遞到新燃料的著火區。前拱由傾斜引燃拱和較高的水平拱組成，傾斜引燃拱的位置較低，靠近生物質成型燃料閘板，水平拱應具有足夠的敞開度。

中拱的作用是將主燃燒區的高溫煙氣引導到爐膛前部，促使燃料迅速著火，應呈前高后低傾斜布置。傾角越大，從主燃燒區導入著火區的煙氣量越多，越有利于引燃，但傾角過大，則中拱前部出口端過高，使煙氣流速降低，不利于傳熱，一般設置為5°左右。

后拱的設計應使火床的強烈燃燒區處于后拱的拱區內，并具有足夠的覆蓋率、容積高度，其長度和高度比燃煤鍋爐有所增加，后拱出口應有一個水平或向下的拱段。

③二次風布置

在加強一次風的同時，在前拱、中拱及爐膛兩側合理地設置二次風，二次風布置位置和噴射方向很重要。為不使氣流對沖，前后噴口相互錯開，雙面布置，既可降低所要求的二次風射程，又可通過控制噴口高度，實現氣流旋轉，提高空氣混合的有效性。

鍋爐送風機的風量和風壓比燃煤鍋爐要大，引風機的風量也比燃煤鍋爐大，空氣與燃料充分混合燃燒，煙氣經各受熱面吸熱冷卻后，最終經引風機排入煙囪，鍋爐爐膛始終處于微負壓狀態。

3 測試結果

3.1 鍋爐性能測試

鍋爐外形尺寸(長×寬×高)為6.8 m×2.7 m×3.8 m，所燃用的生物質成型燃料低位發熱量為16.4 MJ／kg。鍋爐主要技術參數見表3。在鍋爐蒸發量達到設計能力的工況下，經權威部門測試，其熱效率達88%以上，排煙溫度為120～135℃，達到設計要求。測試依據為TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》、TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》。

3.2 環保性測試

經環保部門檢測，鍋爐污染物排放實測值及規定上限見表4。執行標準為GB l3271-2001《鍋爐大氣污染物排放標準》。由表4可知，各項污染物排放指標符合要求。

3.3 燃料成本測試

該生物質成型燃料鍋爐用于浙江某針織有限公司提供生產工藝用蒸汽。在正常工況下，與相同蒸發量燃煤鍋爐的燃料成本進行比較。燃煤鍋爐實際熱效率為67%，燃用Ⅱ類煙煤，低位發熱量為l8.76MJ／kg，價格為900 元／t，燃料消耗量為0.8 t／h。生物質成型燃料鍋爐實際熱效率為88%，生物質成型燃料低位發熱量為l6.4 MJ／kg，價格為600元／t，燃料消耗量為0.76 t／h。每月按30日計算，每天運行16 h，燃煤鍋爐、生物質成型燃料鍋爐的月燃料成本分別為34.5×10⁴、21.9×10⁴元/月。因此，燃用生物質成型燃料，月燃料成本約降低37%。

4 結論

①根據生物質成型燃料的燃燒特性，改進鍋爐的結構，提高爐膛高度，增加爐膛容積，調整爐拱位置及反射面角度，合理布置爐膛內部受熱面，提高輻射傳熱面積。能實現爐膛與生物質成型燃料燃燒的良好匹配，確保鍋爐具有良好的著火穩燃性能，燃料的燃盡率高，降低爐膛出口煙氣溫度，既提高了鍋爐的熱效率，又不發生爐膛結渣現象。

②該生物質成型燃料鍋爐結構簡單，對生物質成型燃料適應性好，熱效率高，排放符合標準，燃料成本低。

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本文作者：沈美華 石斌

作者單位：嘉興市特種設備檢測院