燃煤锅炉生物质燃料改造中的问题及对策

李永红

（甘肃省特种设备检验检测研究院,甘肃 兰州 730050）

生物质成型燃料锅炉供暖是低碳的分布式可再生能源供热方式，在民用热水、建筑采暖和工业热力等领域中的应用规模不断增大。近年来，国家发改委、财政部、农业农村部以及生态环境部等相继推出了一系列政策，肯定了生物质的作用，并鼓励和支持包括生物质成型燃料等生物质利用技术的能源产业化发展，我国部分城市在燃煤锅炉改造过程中，由于天然气等清洁能源的供应和成本问题，选择使用了生物质成型燃料来代替煤炭，因此生物质成型燃料锅炉的使用范围和使用量不断增加，且已初步形成了一定的规模。

2017 年4 月2 日，在生态环境部（原环保部）印发的《高污染燃料目录》（国环规大气〔2017〕2 号）中，对于生物质成型燃料，仅在第Ⅲ类最严格的管控要求下，对生物质成型燃料的燃用方式进行了规范，即“非专用锅炉或未配置高效除尘设施的专用锅炉燃用的生物质成型燃料进行管控”。明确在第Ⅲ类最严格的管控要求下，不是要禁止或限制使用成型燃料，相反，在规范的燃用方式下，是要鼓励发展的，其目标就是要按照《生物质能发展“十三五”规划》的要求，促进生物质成型燃料行业的健康有序发展。在国家层面上针对生物质固体成型燃料有了明确的鼓励发展态度。行业标准NB/T 47062—2017 《生物质成型燃料锅炉》[1]及NB/T 34024—2015《生物质成型燃料质量分级》[2]的发布，对生物质成型燃料及生物质成型燃料锅炉设计进行了规范和完善，将有力促进生物质成型燃料及锅炉的专业化、产业化发展，同时起到引导行业健康发展的作用。

1 燃煤锅炉生物质燃料改造中存在的问题及解决方案

生物质成型燃料锅炉主要的燃烧方式有流化床燃烧锅炉和层燃锅炉，层状燃烧是最常见的燃烧方式，炉排形式主要有往复炉排、联合炉排、水冷振动炉排及链条炉排等。采用层状燃烧技术开发的生物质锅炉，结构简单、操作方便、投资及运行维护费用都相对较低。链条炉排是燃煤锅炉生物质成型燃料改造的主要炉型。层燃锅炉的炉内温度可以达到1 000 ℃以上，由于生物质燃料的灰熔点较低，很容易结渣。同时，在燃烧过程中对锅炉配风的要求比较高，实际运行中难以保证生物质燃料的充分燃烧，从而影响锅炉的燃烧效率，正是由于生物质层燃锅炉这几个特点，导致在改造中存在着不少问题，影响着生物质成型燃料锅炉的发展。

按照《质检总局办公厅关于承压特种设备安全监察工作有关问题意见的通知》（质检办特函〔2017〕1336 号），燃煤链条炉排锅炉的生物质成型燃料改造，由于燃烧方式未发生改变，不列为改造范围，且其改造过程不在监督检验范围内，导致其改造过程及质量处于自由发展阶段，因此燃煤锅炉生物质燃料改造过程及质量亟需规范。

1.1 改造方案粗放简单

行业标准NB/T 47062—2017《生物质成型燃料锅炉》于2017 年12 月27 日发布，2018 年6 月1 日实施，承担改造方案的锅炉厂家应该按照该标准的要求，制定详细的改造方案，方案应涉及的系统主要包括：输料系统，料仓播料滚定量给料的方式在负荷1 t/h 以上的成型燃料锅炉中应用最广泛，这种布料方式在沿链条炉排宽度方向的料层厚度较均匀，其他方式的布料装置目前不如播料滚定量给料方式，由炉前料仓、给料机和下料管等组成的给料系统应能保证连续、均匀、可调控给料，同时具有封闭、防回火等特性；二次风系统，锅炉采用的一次风、二次风风机应相互独立，且可根据燃料特性、负荷变化情况调节送风量，保证风量和风压满足锅炉稳定运行的需要；此外还包括吹灰系统、除渣系统、除尘系统（旋风加布袋的两级除尘装置等）和脱硫脱硝系统。方案一定要考虑整个锅炉系统，不能只考虑输料系统、二次风系统，忽视其他环节，而这正是目前改造中的薄弱环节。改造应保证锅炉运行安全可靠且高效环保。

1.2 改造方案缺乏必需的技术支撑

改造方案编制前，应到现场了解改造锅炉的详细情况，并与业主多沟通，确定燃料类型。行业标准NB/ T 3 4024—2015 《生物质成型燃料质量分级》中，按原材料来源将生物质成型燃料分为林业生物质成型燃料、混合生物质成型燃料、农业生物质成型燃料，每类又分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ小类，低位发热量依次降低，代号为SCⅠ、SCⅡ、SCⅢ，这是改造完成后变更产品型号的依据，生物质成型燃料分类如图1所示。燃料类型确定后，必须进行热力和烟风阻力的计算校核，为编制改造方案提供依据，同时作为竣工资料的必要组成部分。改造方案缺乏必需的技术支撑，可能导致改造方案效能下降，针对性不强。

图1 生物质成型燃料分类

1.3 改造过程质量监督的缺失

锅炉改造是一个专业性很强的工作，燃煤锅炉生物质成型燃料改造过程不在监督检验范围，改造过程中的质量监督只能由建设单位自己负责，专业技术人员的缺失，使得建设单位对工程质量难以控制。目前比较好的解决办法是邀请专家对改造方案进行评审，针对锅炉实际情况，依据规范和标准制定合理验收标准，改造完成后由第三方检测机构进行详细能效测试和污染物排放检测，对改造质量进行评价。详细能效测试也是TSG G0002—2010《锅炉节能技术监督管理规程》 对锅炉改造后能效指标考核的要求，污染物排放检测合格是锅炉投用的条件。

1.4 改造与使用脱节

生物质成型燃料锅炉和普通的链条炉排燃煤锅炉在原理、结构和使用上的确有很多相似处，但直接将燃煤锅炉的使用管理套用在生物质成型燃料锅炉管理上，这种认识是不全面的。生物质成型燃料的燃烧特点（与煤比较）为挥发分高、含氧量高、固定碳低、发热量低、灰分低（除稻壳外）、含硫量低、含氮量与煤相近、堆积密度低、灰软化温度低、氯腐蚀倾向大。

生物质燃料挥发分含量高，一般收到基挥发分超过60%，炉膛空间燃烧的份额增加，足够的二次风比率可以强化炉膛烟气混合及促进挥发分的燃尽，提高锅炉效率。同时，对于层燃锅炉，恰当的一、二次风比率是控制床层结渣的措施之一。不同制造厂家对一次风、二次风率控制有差别，也没有明确的标准，二次风推荐值见表1。合理组织燃烧风量分配,保证不在炉内形成缺氧燃烧。因为还原性气氛，容易使碱性氯化合物高浓度聚集，形成高温氯腐蚀。在改造方案设计上合理配置二次风，二次风喷管的位置和数量应根据燃料特性和炉膛结构确定，二次风喷管风速应保证二次风的穿透性，确保炉膛内燃料的充分燃烧。

表1 生物质成型料锅炉空气二次风推荐值

炉前料仓应设计断料观察口和缺料报警功能，断料感应点的设计应保证锅炉在额定负荷下继续运行不少于20 min。采用自动控制给料时，还应该增加料位报警功能。

生物质成型燃料锅炉一般采用压缩空气脉冲吹灰、燃气激波吹灰较多。生物质灰分中的组分导致其粘性大，对流受热面积灰较严重，采用清灰措施后，从受热面上清理下来的灰流动性较差，难以像煤灰那样通过落灰管路排放出来，因此在改造过程中应重点考虑这一问题，清灰效果及清下来的灰排放同样重要。

生物质成型燃料飞灰堆积密度很小，一般在0.18～0.5 t/m2。造成输灰设备的容量增大。灰分含有焦油等物质，炉膛温度降低到一定程度，就可能产生堵塞现象。生物质成型燃料锅炉不能进行压火操作，与之配套设备必须稳定可靠，锅炉停炉时不应用生物质燃料压火。

层燃生物质锅炉燃烧区间温度变化剧烈，导致锅炉出口初始氮氧化物排放浓度波动大。SCR 脱硝技术应用最广泛，农业废弃生物质燃料碱金属含量高，主要是钾元素含量高，容易出现常规催化剂中毒失活等问题，不利于生物质锅炉NOx 稳定可靠达到超低排放标准。有关资料研究表明，目前国外催化剂脱硝连续运行时间最长为三个月，因此，如果采用SCR 脱硝技术必须要解决好催化剂中毒失活的问题。

生物质燃料中S 元素的含量一般都比较低，但在废气排放中仍然可以监测到有部分SO2气体。但在生物质燃烧过程中，HCl 的排放则远远高于煤的燃烧，这主要归咎于生物质燃料中的高氯含量。这些排放物进一步与生物质燃料中的钾元素反应，就很容易形成气溶胶，气溶胶排放到大气中会造成环境污染，而且也容易粘着在催化剂（SCR）表面，影响催化剂效能。从质量分数标准来看，生物质燃料中的N 含量要小于煤，但由于生物质燃料的低热值，以发热值为标准，生物质燃料的N 含量与煤同在一个数量级上。

针对生物质成型燃料的燃烧特点，改造方案完成后，应着手编写规范详尽的使用说明书，指导锅炉正确运行操作。这是一份很重要的文件，建设单位在合同条款中应加进这部分内容，为最终技术资料的一部分。

2 应用前景

生物质能的特征是可再生、可储存性和巨大的储存量、碳平衡。生物质能就其能量当量而言，仅次于煤、石油、天然气而位列第4。在世界能源消耗中,生物质能占总能耗的14%。我国每年生物质能资源理论上达50 亿吨标准煤，是我国目前总能耗的4 倍以上，其中秸秆量每年约有7.26 亿吨，相当于5亿吨标准煤。生物质能是重要的可再生能源，具有可持续性、低污染等特点。生物质能源的开发利用既能改善中国能源供需结构，又符合保护环境、实现可持续发展的要求。根据《中国工业锅炉行业年鉴》（2015），生物质成型燃料可替代燃煤进行供热，生物质供热市场空间达4000 亿元，市场发展潜力巨大。

3 结束语

目前生物质能源开发利用技术日趋成熟，生物质能源发展配套法规政策不断完善，为我国生物质能源发展提供了动力和保障；燃煤链条炉排生物质成型燃料改造是生物质成型燃料锅炉应用的一个重要方面，存在的问题要引起建设单位，改造相关方、管理部门重视，确保改造项目发挥应有的经济效益和社会效益，维护行业健康发展，共同促进节能减排事业。