提高燃煤锅炉改造燃生物质颗粒锅炉能效研究分析

江华，陈佳丽，李勇强

（江西抚州市特种设备监督检验中心，江西 抚州 344000）

我国长期以煤炭作为首要能源，在大量利用煤炭的同时，也造成了较为严重的的环境污染问题。使用煤炭作为原材料存在诸多的不燃煤的能量利用率低，排放有毒有害物质，如颗粒粉尘、二氧化硫以及氮氧化物等。为打赢蓝天保卫战，优化能源结构，全国各地陆续出台了全面禁煤专项整治行动。各地将有大量35T/H以下燃煤锅炉面临强制淘汰或接受改造，强制淘汰现有燃煤锅炉更换为燃气锅炉，企业不堪重负。因此，在满足环保要求和不降低能效的前提下，积极推动将35T/H以下燃煤锅炉改造成燃生物质锅炉是非常必要的。

1 燃煤锅炉改造方式

目前，改造方式通常有三种做法：（1）淘汰原有35T/h以下燃煤锅炉改为燃气锅炉；（2）如果原有锅炉接近35T/h，通过增加受热面，给原有锅炉增容以满足要求；（3）将原有锅炉改造成燃生物质颗粒锅炉。

燃煤锅炉改燃气锅炉优势在于锅炉效率可达85%～92%，清洁、热效率高、无须脱硫脱硝除尘等，但该种方式存在最大的不足在于运行成本过高，比生物质层燃锅炉高出近1倍。

燃煤锅炉改造为燃生物质颗粒锅炉，具有明显的经济成本优势，是目前较为理想的选择。生物质颗粒燃料容易获取，热值高，灰分小，基本无硫磷排放。且这种锅炉可通过对现有的燃煤锅炉改造获得，有利于降低企业投资。所以生物质颗粒燃料在目前是最佳的备用能源及过渡性能源。

2 燃煤锅炉改燃生物质颗粒锅炉现状

目前，国内常见燃煤锅炉改造主要有两种方式：

第一种方式是改变层燃燃烧方式，取消鼓风、炉排，在炉门前端设置生物质燃烧机，将火焰直接喷入炉膛，同时为延长火焰在炉膛的留滞时间，在炉拱上方设置间隔不等的数堵挡焰墙，火焰在挡焰墙的作用下改变方向，其运行轨迹呈现出三级跳模式。这种改造方式在政策出台初期被广泛采用。但其微正压的燃烧方式与燃煤锅炉的炉墙系统严重不匹配，烟风系统、热力场不平衡，极易造成锅炉受热部件因热应力不均而产生缺陷，现被果断“叫停”。

另一种方式是保持原有的层燃方式不变，通过在煤斗中下部加装压料喂料机，在两侧水冷壁护坡内埋设二次风管，或在炉拱前端增加二次风管设置。这种方式，很大程度上改善了燃烧工况，但并不一定有效地提高能效。并且容易产生不利于锅炉安全运行的副作用，破坏锅炉受压部件的热平衡，其原因有三：（1）次风量极难控制，在一次风和引风的共同作用下，二次风在水冷壁两侧及炉拱运动轨迹呈曲线向上后方的，在水冷壁近表面易形成风幕，虽不影响辐射传热，但对水冷壁表面和锅筒底部后端却存在持续冷却作用，增加了热应力同时降低换热效果；（2）降低炉温，二次风为冷风，注入炉膛会降低炉温影响热效率；（3）因为二次风的加入，改变了锅炉整体的燃烧布局。随着火焰温度的提高，在引风的作用下，火焰极易吸入烟管，增加锅炉后部的热载荷，提升了排烟温度，加大了热损失。基于第三点曹峰提出增设二次风来保护后管板，虽然在一定程度上保护了后管板，也只是治标不治本。

3 研究内容

由上述分析，锅炉要想提高效能的运行，应解决生物质颗粒燃烧工况控制和烟气循环控制，关键在于提高炉膛容积率和适当降低烟气流速。由此，本文针对锅炉本体炉拱设置方面改造进行了进一步研究，提出了双层炉拱研究方案。

3.1 上层烟风道

本研究内容针对燃烧方式不改变的锅炉进行改造，以一台DZL2-125-AⅡ型锅炉为例，去除传统二次风的设置，对锅炉进行炉拱上层烟风道设计，如下图1所示。

图1 上层烟风道改造及烟气流通示意图

炉拱改造方案：

（1）因生物质颗粒特性挥发物挥发点较低，炉拱的作用弱化，在炉拱下方加装了烟程隔板，将炉拱一分为二，适当提高炉拱高度。目的是在炉拱作用弱化的前提下将一次风阻断为前后两个部分，前部风量小只起到点燃作用，炉膛后部一次风在传统二次风炉膛改造中作用十分有限，且富氧及高温的炉拱后补一次风能效被损失掉了。

（2）将煤斗出口上方前拱高度下降并设置折焰角，目的是在原有的设计中火焰着火后直接沿着前拱后前墙快速到达锅筒底部，这也就是二次风设计中将火焰压制住的原因，通过降低前拱和设置折焰角将火焰引导至炉膛前部的燃烧中心区，更有利于燃烧以及和后文所述的补风进行对冲和混合。

（3）在炉拱隔板后部补风区的顶部设置一个补风孔，在补风孔出口设置密闭的导流罩，在导流罩炉前方向引出数根管状烟风道敷设在炉拱上部，烟风道出口与炉拱齐平，炉拱上部的烟风道也可理解为源自一次风的二次风。其目的是将炉排后部的一次风进行收集，这部分一次风高温且富氧，利于燃烧，收集后，通过补风孔及烟风道引导至炉前，与火焰进行对冲燃烧，其目的是针对炉排后部对锅炉能效贡献较小的一次风引导至炉前对火焰进行补氧，同时相对压制在火焰燃烧中心区避免火焰靠后，考虑到补风流程较长，截面积较小，会导致炉拱后部风压过大，可以考虑在引流罩的上方再设置一密闭腔体，在腔体及引流罩中设置一同轴加速风扇，腔体内风扇由炉外设置的风机驱动，带动腔体内风扇转动并驱动引流罩加速风扇转动，加快补风，但在引流罩及烟流流道布置合理且风速满足的前提下，加速风扇使结构复杂化的设置不建议使用。

3.2 上烟风道炉拱改造能效达到优化

上烟风道炉拱改造能效得到优化的原理在于烟气流通。从如图1上烟风道改造及烟气流通示意图1中，1为前墙（前拱），在前拱转前处设置折焰角8，目的将火焰的运行方向由向上引导为向后，增加火焰滞留时间，利于与7补风烟气形成对冲，2为下拱，通过设置下拱烟道程隔板9将下拱一分为二，前半部分为一次燃烧区，该区为干馏燃烧区，耗氧量大，形成的一次烟气6含有大量不完全燃烧产物一氧化碳等，后半部分补风区3为尽燃区，该区燃料基本燃尽，耗氧量大，锅炉鼓风通过炉床进入补风区3经炉床加热后的富氧热风通过补风孔5进入上炉拱4，该补风孔4内部设置为蜗壳形状，利于离心加速，补风经过上炉拱至前墙形成补风烟气7与一次烟气6对冲混合，再次将火焰相对控制在炉膛前部，防止火焰进入对流换热段，在此需要指出的是，图中4即上炉拱虽名叫炉拱，但并不是按传统锅炉炉拱设计，烟气自补风孔5出口后拉稀为数根管状导流管道，延伸至下炉拱边缘。

通过双层炉拱装置设计，可解决传统燃生物质颗粒锅炉改造方法的不足之处，有效提高燃生物质颗粒改造锅炉的能效。首先，有效利用炉膛灰渣层的余温，对送风进行加温处理，使二次送风从传统的冷风转变为热风输送，提高热效率；第二，消除二次风进入流换热段的可能，而造成增加锅炉本体的热载荷，产生裂纹，埋下安全隐患的可能。

4 结语

通过本文改造燃煤锅炉方式，使之可满足环保要求和不降低能效的前提下，积极推动企业将35T/h以下燃煤锅炉改造成燃生物质锅炉，避免大量燃煤锅炉被当作废旧钢材处理，造成社会经济的浪费。同时，充分利用生物颗粒这种可再生资源，减轻天然气供给压力。综上所述，本文改造燃煤锅炉方式完全符合我国能源政策和环保要求，具有良好的经济效益和社会效益。