燃煤、油工业锅炉改燃生物质产生的问题分析

[摘 要]随着不可再生能源（煤、油、气）的不断减少以及价格和环保要求等因素，作为可再生能源的生物质越来越多地应用到锅炉的燃烧当中，同时生物质作为一种清洁能源，在节能减排的大环境下，很多原来燃煤的锅炉改为燃生物质的锅炉，但是锅炉的结构没有加以改进，因此产生很多问题。

中图分类号：TK229 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0338-021、生物质颗粒的燃烧与结渣特性

生物质成型颗粒燃料是经过压制粘合而成的，其密度远大于原生物质。成型燃料的结构与组织特征决定了挥发分的析出速度与传热速度都很低。生物质成型燃料的燃烧过程可分为干燥脱水、挥发分析出、挥发分燃烧、焦炭燃烧和燃烬几个阶段。其燃烧过程是：1）燃料进入燃烧室内，在高温热量（由前期燃烧形成）作用下，燃料被加热和析出水分。当温度达到约250℃左右，热分解开始，析出挥发分，形成焦炭。气态的挥发分和周围高温空气掺混首先被引燃而燃烧，进行可燃气体和氧气的放热化学反应，形成火焰。2）成型燃料表层部分的碳处于过度燃烧区，形成较长火焰。3）焦炭扩散燃烧，燃烧产物CO2、CO及其气体向外扩散，CO与O2结合成CO2，在表面进行CO的燃烧，在层内主要进行碳燃烧，在表面形成灰壳，并随着燃烧，燃烬壳不断加厚。当可燃物基本燃尽，在没有强烈干扰的情况下，形成整体的灰球，灰球变暗红色成为灰渣，完成整个燃烧过程。在炉内强烈气流的干扰下，则有一部分细碎燃料，以飞灰形态随烟气逸出炉内。

生物质颗粒燃料本身的灰分中含有钙、钠、钾等离子，这些离子在燃烧过程中容易形成渣层，且灰的软化温度较低，因此燃料本身的特性决定了结渣的特性和程度。燃烧过程中燃料层的温度，炉膛温度，燃料与空气混合不充分以及锅炉超负荷运行是造成结渣的重要因素。生物质颗粒中还含有氯、硫等元素，对钢材有腐蚀作用。

2、固定炉排燃煤锅炉改燃木柴、生物质颗粒等

2.1 改燃木柴

在节能和环保要求日益严格的今天，部分地区已不准许安装蒸发量较小的固定炉排燃煤锅炉，而原燃煤的固定炉排锅炉也要进行改造。因此，新装的固定炉排燃煤锅炉有部分直接燃用木柴、木板等，出现的问题有：

1）木柴燃烧过快，添加燃料时间短。木柴一般呈块状，开始燃烧时需要大量空气，后一阶段需要空气量减少，过量空气变多。

2）多数炉门处于常开状态，增加了漏风和散热。

3）炉膛容积小，火焰较高，烟气流速快，烟气流程短，排烟温度较高。在进行测试时发现，燃烧时排烟温度常超过300℃。

4）燃烧过程扰动不足，烟气中CO含量高，未燃尽的碳颗粒较多。

5）燃烧中空气分布不均匀，对水冷壁的冲刷严重。

这些问题一方面给锅炉带来了安全隐患，严重时会使锅炉积灰结焦甚至出现受热面变形的情况，另一方面，锅炉的热效率低下，燃烧不稳定，锅炉出力达不到使用要求。由于木柴、木板均为人工送料，锅炉运行的自动化程度较低，现场粉尘较大，操作环境差。

2.2 改燃生物质颗粒

这种锅炉改燃生物质颗粒一般要增加送料器，改变人工送料的方式。下面通过一个案例说明这种改造存在的缺陷。

在对某企业的锅炉能效测试中发现：锅炉经过改造，由固定炉排手烧燃煤炉改为给料机输送燃料的燃生物质颗粒炉，在测试中发现尾部烟气氧含量超过17%，并且经过多次调节也无法降下来，锅炉的配风设计不合理，炉内燃烧状况极差。经过观察燃烧过程，发现锅炉燃烧不佳的原因：

如图1示，燃料由锅炉前端位于炉排上方约0.6m高的送料口给入，为实现燃料均匀分布在炉排上，送料风风管鼓入大量热风将燃料颗粒吹撒在炉排上，而这一部分热风未能有效地参与燃烧反应，反而增加了过量空气，缩短了飞灰和可燃气体成分的停留时间，使其不能充分参与燃烧，降低了锅炉的热效率。

由一次热风管送入的热风不足，因而在右侧添加了一台鼓风机从底部供风，降低了风温，不利于燃烧。燃料在炉排上堆积过厚（图2示），难以燃尽并产生较多CO。因此这种设计极大的影响了锅炉的热效率。同时，该锅炉的尾部还增加了空气预热器，由于引风机的功率不足，导致炉膛呈微正压燃烧，炉内烟气冒出，导致炉墙部分位置出现烧黑的现象。

同时，由于固定炉排不是专门针对生物质颗粒进行设计和制作的，往往会出现生物质颗粒从炉排漏下去的情况，这样也增加了燃料的固体未完全燃烧热损失。

3、链条炉排锅炉改燃生物质颗粒的问题

链条炉排锅炉作为一种常见的锅炉结构形式，由于其运行稳定可靠、操作方便，使用中较为常见，这种类型的锅炉较多设计为燃烧烟煤的锅炉，燃烧形式为层燃。在实际运行中，有部分设计燃料为煤的链条

（1）当直接改燃生物质颗粒后，由于生物质颗粒密度小于煤，且挥发份含量远高于煤，其燃烧主要在炉排上部的空间发生，因此燃料在炉内的停留时间变短，许多焦粒和炭黑无法燃尽，还会造成整个火界后移，甚至引起尾部受热面部位二次燃烧。（2）链条炉排燃煤锅炉一般只有在炉排下方鼓入一次风，不设置二次风，而生物质颗粒挥发份的燃烧需要大量空气，因此会造成燃烧区缺氧的情况，产生较多CO。（3）受热面布置与生物质颗粒的燃烧情况不相符，造成换热效果变差，炉膛出口烟气温度高。（4）生物质颗粒的热值较煤低，燃烧温度低，燃烧强度小，不适宜较大的炉排面积，因此直接改燃生物质颗粒的煤炉会出现出力不足的情况。（5）由于鼓风一般偏高，而且生物质颗粒的灰分较轻，飞灰量变大。

结合生物质颗粒的特点及以上情况，改造要考虑到燃烧、积灰、结焦等众多问题，而不宜直接将燃料更换为生物质颗粒。

4、固定炉排锅炉改燃粉状生物质

在某些企业中，粉状生物质如锯末较易获得，于是将固定炉排锅炉改为燃粉状生物质锅炉。这种改造一般是在前端的人孔接上给料管，生物质粉末通过风力输送到炉膛中进行燃烧。通过分析，这种改造会存在以下问题：

1）燃烧方式由层燃变为室燃，烟气流程变短，烟气中未燃尽碳颗粒和CO增多；

2）粉状生物质燃烧系统点火程序不完善，存在点火爆燃现象，且木粉加料仓没有防火防爆装置；

3）燃烧中的颗粒和生物质中的杂质冲刷水冷壁，易造成较大磨损；

4）容易结焦。

5、燃油锅炉改燃生物质

这种改造的燃油锅炉一般为卧式三回程结构（图3），然后在锅炉前端加装采用水冷的生物质颗粒燃烧机，燃烧机采用固定炉排，生物质颗粒通过螺旋给料机给入，燃烧后产生的高匮唐进入锅炉炉膛和烟管换热，接着进入省煤器换热。这种锅炉存在的问题包括：

1）部分生物质颗粒燃烧机不成熟，无相关的型式试验即投入使用。生物质颗粒在燃烧机内气化后产生的可燃气体携带大量的生物质粉尘进入炉胆，对炉胆造成不同程度的磨损，当引风机和鼓风机匹配不佳时，生物质灰分容易在烟管里沉积。

2）炉胆前部布置过多的卫燃带，燃烧机出来的气流温度高，容易烧塌卫燃带，加上气流温度达到灰分的熔点，灰分容易粘附在受热面上，燃料含硫量大时，长期作用对受热面造成腐蚀损坏，同时灰分中含有的碱金属离子也会对受热面造成腐蚀。

3）燃烧机与锅炉不匹配，锅炉不能全部吸收燃烧机产生的高温气流，使锅炉及其辅机长期处于超负荷状态，造成烟管越堵、风机越大、积灰越多的恶性循环。

4）生物质燃料与油不同，灰分含量大，燃烧后的烟气传热特性与油燃烧后的烟气传热特性存在不同。改造的锅炉未经科学的热力计算，多凭经验估算。

5、总结

由于燃料特性存在较大不同，无论什么型式的燃煤、油锅炉直接改为燃生物质锅炉而不进行设计或相应改造，一般都不能取得较好的效果。要克服以上存在的问题，要针对燃料的特点对燃烧系统、烟风系统、除尘系统等进行改造，才能实现锅炉安全、经济地运行。

作者简介

姓名：杜明坤（1986.06--）；性别：男，籍贯：安徽省淮北人，学历：研究生，毕业于哈尔滨工业大学；现有职称：中级工程师；研究方向：特种设备检验检测。