生物质燃料对循环流化床锅炉的影响

摘要：本文简要分析了生物质燃料对循环流化床锅炉的设计与运行的影响，并介绍了循环流化床锅炉更好适应生物质燃料的一些针对性解决措施。

关键词：生物质燃料；循环流化床锅炉；适应

煤、石油、天然气等化石燃料从20世纪70年代就开始大规模的开采，其存储量急剧减少。据预测，地球上蕴藏的可开发利用的煤和石油等化石能源将分别在200年和30～40年以内耗竭，而天然气按储采比也只能用60年。目前，尋找替代能源已经引起全社会的广泛关注。生物质能是一种可再生的清洁能源，来源十分丰富。它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源。当前，生物质燃料的消耗已占世界总能源消耗的14%，在发展中国家这一比例达到38%。据世界粮农组织（FAO）预测，到2050年，以生物质能源为主的可再生能源将提供全世界60%的电力和40%的燃料，其价格低于化石燃料。生物质燃料的开发利用已经成为全世界的共识。在众多的生物质能源转换技术中，直接燃烧是高效利用生物质资源最为切实可行的方式之一。

循环流化床CFB（Circulating Fluidized Bed）燃烧技术由于在替代燃料、处理各种废弃物和保护环境三方面具有其它燃烧技术无可比拟的独特优势而逐渐受到各国的关注。在我国能源与环境的双重压力下，近几年，循环流化床锅炉在我国得到了快速发展。了解生物质燃料对CFB锅炉的影响，采取有针对性的设计方案和相应的运行调整，对延长锅炉的使用寿命、提高锅炉的效率具有良好的促进作用。

1 生物质燃料种类

生物质能是植物通过光合作用将太阳能以化学能的形式存储在生物质中。我国拥有丰富的生物质资源，但目前可供开发利用的生物质资源主要为农业废弃物、林业废弃物、经济作物废弃物、牲畜粪便、城市和工业有机废弃物等。生物质燃料是一种清洁燃料，含硫量低，含碳量不高，燃烧后NOx和SO2的含量很低；生物质中灰分一般也很小，所以充分燃烧后烟尘含量很低。生物质燃料在燃烧过程中具有二氧化碳零排放的特点，这对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊的意义。随着能源危机的加剧，生物质能越来越受到人们的重视。目前国内已开发了单一生物质燃料和多种生物质燃料混合燃烧的系列化生物质锅炉，目前已经运行过的生物质燃料多达30多种，农业废弃物主要包括稻草、麦草、玉米秸秆、棉花杆、油菜杆、稻壳、花生壳、红薯藤等；林业废弃物主要包括树皮、树枝、树根、木材加工废料等；经济作物废弃物主要包括甘蔗渣、菌类作物的培养基等；牲畜粪便主要来源于养殖场。

2 燃料对锅炉的影响与适应措施

2.1生物质成型技术

实践已经证明，由于各种生物质燃料自身特性的原因，即使经过简单破碎的秸秆、废木材、稻壳等生物质废弃物仍然具有热值较低、形状很不规则的特点。因此，它的炉前热值经常发生很大的变化，若将其直接送入CFB锅炉里进行燃烧，会出现燃烧不稳定的现象。另外，由于空隙率很高，这些体积庞大的生物质废弃物也不利于长距离的运输。为了解决上述矛盾，生物质压缩成型技术应运而生。生物质压缩成型技术是把生物质与经过除氯的添加剂混合后被铸造模型制成具有统一尺寸、所含热值均匀并易于输送的衍生燃料。将生物质加工成成型燃料是利用CFB锅炉燃烧生物质的重要方式。成型燃料代替原生物质燃料进行燃烧，可以减少大量的化学不完全燃烧热损失与排烟热损失。而且燃烧速度均匀适中，燃烧相对稳定。在生物质压缩成型的过程中，一般都会加入一些添加剂（石灰石等）和其他辅助燃料（煤、污泥等）。这种方式充分发挥了生物质燃料易着火和其他辅助燃料燃烧稳定的优点，是当前生物质燃料进行燃烧利用的重点，各国学者的研究也大都集中于此。

2.2生物质含水量

目前国内在运行的生物质流化床锅炉其入炉生物质燃料普遍含水量高，特别是秸秆类和树皮类目前入炉水分在30%～50%之间，高水分燃料入炉后，着火相应延迟，炉内流化速度大，燃料在炉内的有效停留时间短，造成燃烧效率下降，燃料热值偏低，燃料消耗量更大；着火滞后引起的炉膛上部温度偏高使过热蒸汽超温，过热器管壁温度偏高，带来安全上的隐患；锅炉密相区床温控制变得困难，锅炉低负荷稳燃水平下降；另由于燃烧产生的烟气量增加，排烟温度升高，增加锅炉的排烟损失，降低锅炉效率。因此，要达到良好的效益必须尽量控制入炉燃料的水分在合理范围内，首先应控制收购的燃料含水率，杜绝人为加水，其次生物质流化床锅炉应建足够的防雨料库，从源头上控制燃料入炉含水率。

2.3生物质含灰量

循环硫化床需要大量的床料颗粒在循环回路中循环，使炉膛的热量分布更均匀，传热更快，燃烧更充分，因此，生物质燃料的含灰量对循环流化床锅炉设计和运行非常重要。一般生物质燃料中本身含灰量在3%～10%之间，但由于生物质燃料的外带杂质较多，特别是农、林废弃物，在锅炉实际运行中尾部灰浓度实测值是理论值的3～5倍。应控制收购的燃料灰分，杜绝人为加沙加土。

炉膛的灰浓度对循环流化床锅炉的负荷和炉膛床温的均匀性影响较大。在燃烧木材加工废弃物等生物质燃料含灰量低时，靠自身的灰量无法满足床料的要求，则在运行中一般采取添加床料，所以床料成为循环物料的主体。在设计上采用可调试返料系统的循环灰量，保证物料循环系统的畅通，稳定炉膛温度。在运行上当燃料含灰量较高时，则需放灰，一般采取放底渣的方式。

生物质锅炉床层的高度受燃料的含灰量影响非常大，床层的过高、过低都会影响流化质量，引起结焦。燃料灰分和杂质影响尾部飞灰的浓度，尾部的吹灰装置应设置到位。

2.4炉内结渣、积灰、腐蚀

生物质因钾、氯含量较高，所以燃烧后灰中含有大量碱金属盐，作为肥料是很好的，但是在燃烧过程中因为这些碱金属盐熔点低，容易在炉排、水冷壁以及尾部受热面上结渣、积灰，应引起设计者和运行人员的高度重视。采用循环流化床燃烧方式时，这些钾盐会与砂床料或秸秆夹带的泥土（含砂子）反应生成硅酸钾一玻璃，容易造成床料结焦或颗粒长大，因此运行过程中应及时排除燃烧过程中形成的大颗粒物，补充合适的床料，维持炉内物料粒度的相对均匀。

由于灰中碱金属含量高，导致对流受热面的积灰严重，一方面需要采用合适的管子节距，同时需要选择合适的吹灰方式。从目前的运行效果来看，脉冲吹灰、蒸汽吹灰、机械振打方式是有效的清灰方式，效果较好，而超声波除灰效果不佳。

此外，生物质灰中富含钾和钠等碱金属，熔点低，在炉膛内为汽相，在500℃左右以灰污形式凝结于高温过热器受热面上，对过热器造成高温腐蚀。解决方法为可以将高温过热器放置在外置换热器中，也可像其他燃烧方式一样采用抗腐蚀材料如奥氏体不锈钢材料（0Cr17Ni12Mo2）或将过热器放置于650℃以内的烟气中，采用12CrlMoVG或表面喷涂耐腐蚀材料；解决省煤器腐蚀的方法是使省煤器人口水温高于HC1露点温度20～30℃。避免或减轻空气预热器腐蚀的方法是采用考登钢或热空气再循环，保证空预器人口温度在80～100℃；也可以采用暖风器将空气加热到80～100℃以上再送入空气预热器。

2.5辅机的选择

由于生物质燃料的灰量和水分的变化随季节性和地域的变化非常大以及生物质燃料实际外带灰量较多，在实际运行中许多生物质循环流化床锅炉因引风机和除尘器选小导致锅炉出力不足，炉膛冒正压等问题。因此，选择一次风机、引风机、布袋除尘器等设备时应充分考虑裕量。

3 结语

3.1生物质燃料对CFB锅炉的设计与运行有很大影响。生物质燃料不仅有效提高了CFB锅炉燃料供应的安全度，提高了CFB锅炉对燃料的定价权，也使当地的生物质资源得到充分利用。但由于不同生物质燃料有所差别，这对CFB锅炉设备和运行人员提出了更高要求。只有对生物质燃料的特殊性进行充分了解，在设计和运行中采取必要的措施，提高锅炉及其系统设备的适应性和可靠性，以使生物质流化床锅炉产生更高的社会和经济效益。

3.2采用CFB锅炉燃烧生物质燃料，独烧效果不如混烧好。但是，对各种生物质燃料与高热值燃料混烧的研究还不系统，应在混合比例和相应的污染物排放方面（特别是金属排放方面）进行全面的研究，最好能够形成生物质在CFB锅炉燃烧的数据库。

总上所述，在一系列目标的引导下，今后一个时期我国将迎来CFB锅炉燃烧生物质燃料的高潮，同时，随着国家对生物质能政策扶持力度的不断加大，只有对生物质燃料进行充分了解，在设计和运行中采取必要的措施，提高锅炉及其系统设备的适应性和可靠性。建议国家制定一定的方针政策，鼓励和促进生物质燃料对CFB锅炉的发展。