生物质锅炉设计思路与方法

韩休海

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

我国是农业大国，有着丰富的生物质能，随着社会经济快速发展，煤炭、石油、天然气等化石能源消耗量快速增长，开发利用可再生能源，实现能源可持续利用，已经成为社会共识和能源发展方向。生物质能是重要的可再生能源，来源广泛，产品丰富，发展较快，潜力很大。全国可做为能源利用的农作物秸秆、农产品加工剩余物、林业剩余物、能源作物、生活垃圾和有机废弃物等生物质资源总量每年约4.6亿t标准煤[1]，尚有大量资源未得以充分利用，发展生物质能供热具有较好的资源条件，生物质能发展空间巨大，前景广阔。生物质能源和其他再生能源相比较，群众参与性更强、能够转换燃料乙醇、生物质柴油和生物质成型燃料多种能源形式，也是发展循环经济的重要内容，综合效益明显。不同生物质工业分析成分见表1[2]。

表1 几种生物质的工业分析成分

1 生物质锅炉设计思路与方法

1.1 设计思路

对生物质成型燃料，通常易着火且易燃尽，并不需要很高的燃烧温度来提高燃烧效率，过高的温度不仅会造成氮氧化物升高，还有结渣、腐蚀加剧等风险；另一方面，温度也不宜过低，否则会降低燃烧效率，并造成一氧化碳超标。兼顾高效与低氮，燃烧温度不宜超过1 000 ℃，也不宜低于700 ℃，可以针对具体的生物质原料通过实验及模拟，确定最佳温度区间。总体上，高温有利于燃尽，低温有利于控氮。通常，生物质燃烧其氮氧化物的生成与排放不会很高，因其燃料型和热力型氮氧化物都不会过高。但如果燃料特殊，设计、运行不当，也会出现氮氧化物排放高的问题。

1.2 设计方法

1.2.1 控温方法

控温主要是在燃料与空气的配合以及受热面的吸热两方面控制。空气量要实现比较准确地控制，可以采用空气分级技术，即一二次风分别送入炉膛，有利于高效低氮燃烧[3]。有条件时，可以采用夹套换热，在合适的位置布置空冷或水冷受热面。具体参数要通过实验及模拟来确定一二次风比例及其布置，以及受热面的布置。原则上，风量或空气过剩系数不宜过大，偏小有利于节能，以炉膛出口过剩系数不超过1.5，排烟处过剩系数不超过2.0为宜。一次风比50%～70%，二次风比30%～50%，可以按一次风实现欠氧燃烧，二次风补燃的方式考虑，二次风比例偏上限时，应考虑二次风分层布置；一次风风速偏小为宜，不超过0.5 m·s-1，二次风风速偏大为宜，不低于10 m·s-1，也不宜过高。风压要依系统烟风阻力，采用平衡或强制通风，通常都不会太高，不超过2～3 kPa。一二次风温可以尽可能高，采用预热空气多点旋向配风，炉膛内火焰旋转扰动式燃烧，将燃料中挥发成分充分转化后进行高温燃烧，使燃料中的可燃烧成分得以充分利用。风温高特别是二次风风温高，有利于燃烧燃尽，但预热空气需增加机器成本，应综合考虑。

1.2.2 烟风参数的确定

烟风相关参数的具体数值应结合炉膛设计，特别是截面热强度、容积热负荷等，进行确定。合理温度控制也是防结渣的关键，应控制好风燃比，防止整体超温结渣；还应尽可能均匀布风布料，防止局部超温结渣。另外，可以结合生物质成型燃料研究，添加煤粉和复合功能添加剂烘焙提质成型的生物质燃料的燃烧特性优于纯秸秆成型燃料，燃料燃烧性能好，炉具的热效率高，除了可以防止结渣外[4]，还可降低污染物包括颗粒物的排放，一举多得，是生物质成型燃料未来发展方向。

1.2.3 提高锅炉热效率的方法

对生物质供暖热水炉而言，受热面金属壁温很低，不存在高温腐蚀问题。如何提高炉具的热效率，除了提高燃烧效率(降低固体和气体的不完全燃烧损失)之外，还应该尽可能降低排烟温度，减少排烟损失，可以采用合适的强化换热措施(综合考虑流动阻力和传热以及成本的影响)，如扰流子、鳍片管等，最大限度提高受热面的换热能力[5]。换热的阻力主要在烟气侧或空气侧，水侧和金属壁面的传热系数足够高，可及时带走热量，整个过程中的强化换热的重点是气侧。

1.2.4 生物质锅炉结构设计

开发以秸秆固化成型生物质块为燃料的新型炉具，重点研究空气深度分级低氮燃烧技术、狭小空间旋流二次风强化燃烧技术、给料布风自动协同调控技术、高效低阻强化换热技术等关键技术。除上述关键技术外，其他若干重要的技术细节也应给予高度重视，在设计和运行中要统筹考虑处理好。主要包括：标准化模块化设计；点火、压火、运行操作便利；异常状况处理方便；给料口防返串；炉门、看火孔、泄压阀安全可靠；出灰排灰清灰便利；风门调节、风压平衡易操控；受热面防垢；水平烟道疏水；设备管道保温及高温防护；配套工具包括一氧化碳报警等。生物质锅炉主要结构如图1所示。

图1 生物质热水锅炉结构示意图

该种锅炉是一种卧式快装单锅筒纵置式链条炉排锅壳锅炉，锅筒采用单锅筒结构，经济易安装，检修方便。锅筒底部有定期排污管，以便排出杂质和沉淀物。在锅壳内布置烟管管束，炉膛两侧装有水冷壁。既可以充分发挥辐射受热面热强度的特点，又可以保护炉墙免受高温破坏，防止灰渣粘结在炉墙上，降低炉膛被冲刷磨损，过热破坏。保温分两层，内层为耐火砖,外层为珍珠岩保温砼。在前墙上分别在前集箱上、下方,前后烟箱均开有入孔，便于安装维修，清除灰渣。在锅壳后端和左右联箱及前后联箱的下面设有排污阀，以供停炉时排污用。燃料自煤斗落在炉排上，炉排有效燃烧面积为2.3 m2，在炉膛内燃烧后，在引风机作用下，烟气进入下部烟管管束，由下部烟管管束进入前烟箱，由前烟箱进入上部烟管管束通往除尘器，然后通过烟囱排向大气。

2 生物质能供热的发展

生物质能供热主要包括生物质热电联产和生物质锅炉供热，具有布局灵活、适用范围广等特点，适合城镇居民生活供暖以及替代中小型工业燃煤、燃油锅炉[6]。目前，我国利用生物质能供热发展还处在初期，存在产业体系不健全、市场培育不完善、政策支持不够等问题。为有效治理农村分散锅炉造成的污染，以及为新型城镇化建设提供清洁供热，应加大政策支持力度，建立包括成型燃料产品加工、专用锅炉和工程建设在内的生物质成型燃料供热标准体系，并积极培育发展大型专业化生物质能供热企业，不断提高产业技术水平，实现生物质能供热产业化可持续健康发展。目前，生物质成型燃料制备机械、专用炉具制造、燃料燃烧等技术日益成熟，生物质成型燃料已经初步具备较大规模产业化发展的条件。生物质能供热作为应对大气污染的重要措施，也是绿色低碳新型城镇化建设的重要内容。研究新型生物质常压热水供暖炉，满足乡村棚室种养殖和村镇企事业单位等生产生活取暖需求，对打通秸秆成型燃料作为村镇主流清洁能源的“最后一公里”，建立绿色宜居村镇现代清洁能源体系、创建生活炊事供暖与生产加温新模式、驱动农村能源革命具有重要意义。我国现行生物质锅炉排放标准见表2。

表2 我国现行生物质锅炉排放标准(mg·m-3)

3 总结

根据生物质资源条件，建立秸秆等生物质原料收储运加为一体的生物质块状燃料专业化生产体系和分布式村镇生物质供热消费体系，结合新型城镇化进程，在局部地区形成生物质能供热主导地位，对秸杆进行规模化消纳利用，带动秸秆禁烧和秸秆资源化利用[7]，有利于促进大气污染治理，可实现“农林业—资源综合利用—清洁供热”循环发展。

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