酒糟锅炉周期性冒黑烟的原因分析及控制研究

李 德

（四川省宜宾五粮液集团有限公司 宜宾 644000）

为了无害化、效益化处理固废酒糟,笔者公司根据酒糟燃烧特性开发了SZS4-1.25-D 型锅炉。由于整个锅炉系统为首次开发,工艺设计与制造技术难度大,故在锅炉调整试运行过程中就出现了锅炉烟囱周期性冒黑烟的问题。

1 锅炉概况

1）锅炉燃料成分

由于原始酒糟水分高、热值低,难以直接入炉燃烧[1],故对锅炉所用酒糟进行了烘干处理。烘干处理后的酒糟成分及发热量见表1。

表1 锅炉所用酒糟成分及发热量

由表1 可知,锅炉所用酒糟具有发热量低、挥发分含量高的特点。

2）酒糟燃烧特性

由于酿酒采用了以稻壳为主要辅料的固态发酵工艺,故酒糟疏松透气,颗粒间具有很大间隙,加之稻壳横断面存在大量的孔道结构[2],其挥发分含量高,着火点低,温度超过250 ℃时就能着火燃烧[3],故酒糟挥发分气化速度特别快,在焦炭着火前就已基本析出完毕,这使得酒糟挥发分燃烧与焦炭燃烧成了2 个独立阶段。故酒糟锅炉所用酒糟具有着火容易、燃烬困难的特性[4]。

3）锅炉结构

根据酒糟燃烧特性研发的SZS4-1.25-D 型锅炉,为双锅筒纵置式自然循环水管锅炉,其由下部燃烧设备、中部绝热炉膛、上部受热面以及尾部空气预热器4 个部分构成。

4）锅炉燃烧方式及烟气流程

由于酒糟疏松透气,颗粒间具有很大间隙,故堆积密度小,迎风面积大,很容易被风吹起,加之酒糟明显具有着火容易、燃烬困难的特性,故酒糟锅炉设计时采用了“层燃+室燃”相结合的燃烧方式。即酒糟首先从炉前料仓经螺旋输送机输送至锅炉喷料装置,再从喷料口喷入炉内时,其挥发分迅速析出、快速着火并悬浮在炉膛内燃烧（室燃）；酒糟在燃烧过程中较大颗粒不断下落,最后落至炉排上断续燃烧（层燃）。

酒糟在炉内燃烧产生的高烟烟气,首先从炉膛上方引出并进入旋风燃烬室,在旋风燃烬室内旋转混合并强烈燃烧后,再经二回程横向冲刷对流管束后,从炉后进入锅炉尾部空气预热器,在将管外冷空气加热到150 ℃后,再经湿式除尘器（喷淋塔）对烟气进行净化除尘,最后经烟囱排出。

2 黑烟的产生及危害

燃料在燃烧的过程中,将会产生CO、H2、CH4、CmHn等大量的可燃气体。正常情况下,这些可燃气体能在炉内充分燃烧,将化学能转化为热能,从而被锅炉吸收利用；但在实际运行过程中,常常因为各种因素的影响,导致这些可燃气体并不能充分燃烧,此时,这些可燃气体中的碳原子便会在炉内高温还原的条件下,还原成粒径小于1 μm 的炭黑颗粒,由于其颜色很黑,当随烟气一起排出时便产生了黑烟[5]。

由于炭黑颗粒的形成通常是在燃料不完全燃烧时产生,故锅炉周期性冒黑烟实际上意味着燃烧效率的降低,同时黑烟中含有很多细小的炭黑颗粒,它能在大气中飘浮很远,既污染环境,又危害公众健康,故必须采取一定的控制措施。

3 锅炉烟囱周期性冒黑烟的原因分析

根据黑烟的产生及烟气除尘技术可知,锅炉烟囱周期性冒黑烟除了与燃料的不完全燃烧有关外,还与除尘设备的净化效率有关。

3.1 锅炉烟囱周期性冒黑烟的根本原因

●3.1.1 锅炉燃烧状况分析

根据黑烟的产生原理可知,炭黑颗粒通常是燃料中可燃气体在不完全燃烧的情况下产生。

于是打开看火门对锅炉燃烧状况进行仔细观察,发现炉内气压波动频繁,时“正”时“负”,同时锅炉燃烧极不稳定,形成了脉动燃烧现象[1]。当炉内气压为正时,锅炉燃烧强度强,炉内火焰及高温烟气直往外冒,危及操作人员安全,此时烟囱烟气颜色较深较黑；当炉内气压为负时,锅炉燃烧强度弱,锅炉漏风增加,导致锅炉效率降低,此时烟囱烟气颜色较浅,从而形成了锅炉烟囱周期性冒黑烟的现象。由于燃料在炉内燃烧时生成高温烟气,当不完全燃烧时便产生了黑烟,加之锅炉周期性冒黑烟的频率与锅炉脉动燃烧的频率一致,故锅炉周期性冒黑烟的现象与锅炉脉动燃烧有关。

●3.1.2 给料对燃烧的影响

根据燃烧强度的定义,燃烧强度表示单位容积内单位时间完全燃烧的燃料量,故燃烧强度极易受给料量大小的影响。打开炉前观料孔,观察炉前喷料装置喷入炉内给料量的情况,发现入炉给料量随着时间会呈现出大小相间的周期性变化,即形成了脉动给料现象,从而导致锅炉脉动燃烧现象的产生。当入炉给料量大时,锅炉燃烧强度强；当入炉给料量小时,锅炉燃烧强度弱。

●3.1.3 螺旋给料机给料试验

锅炉燃料是从炉前料仓经螺旋输送机输送至锅炉喷料装置,再从喷料口直接喷入炉内燃烧的。因此,入炉给料量的大小是由螺旋给料机给料的大小决定的。螺旋给料机示意图如图1 所示。

图1 螺旋给料机示意图

当螺旋给料机运行时,螺旋叶片将会对料筒内的酒糟产生挤压,迫使酒糟沿筒体向前移动。由于酒糟疏松透气,具有很好的可压缩性,从而使得螺旋叶片前端的酒糟因受到挤压而变得密实,后端的酒糟因物料的减少而形成空隙。故在一个螺距的给料过程中,便会产生卸料的差异[6]。

为了分析螺旋给料机卸料的差异情况,现场对其进行了酒糟给料量大小的试验。试验方法为螺旋轴每旋转30°角时,依序测出螺旋给料机卸料量,共旋转了3 周即1 080°,绘制出的螺旋给料机给料曲线图如图2 所示。

图2 螺旋给料机给料曲线图

由图2 可知,螺旋给料机给料时,存在明显的脉动给料现象。

●3.1.4 总结分析

由于酒糟疏松透气,颗粒间具有很大空隙,故其可压缩性大,这样便造成了螺旋给料机在给料过程中,发生了明显的脉动给料现象；同时酒糟喷入锅炉后,挥发分瞬间就能析出并着火燃烧,其燃烧强度便会随着给料的周期性变化而变化,即形成了炉内酒糟的脉动燃烧现象；同时酒糟的脉动燃烧将会对周围气体形成明显的挤压作用,随之造成炉内气压的频繁波动。当给料量大时,挥发分瞬间、大量析出,不能及时与周围空气混合,从而造成挥发分燃烧不完全,产生大量黑烟。故酒糟锅炉运行时,锅炉烟囱周期性冒黑烟的根本原因就是螺旋给料机脉动给料。

3.2 锅炉烟囱周期性冒黑烟的间接原因

由于酒糟锅炉采用了“层燃+室燃”相结合的燃烧技术,故炉膛出口烟尘浓度特别大,为8 ～16 g/m3。同时酒糟燃烧时产生的烟尘极细,粒径小于5 μm 的颗粒物占绝大多数,其中尤其是炭黑颗粒,其粒径小于1 μm。由于现场锅炉烟气除尘采用了喷淋塔,根据不同粒径颗粒在除尘器内的分级效率[7]可知,喷淋塔对5 μm 以下的烟尘分级效率较低,仅为72%,其中特别是炭黑颗粒,其粒径小于1 μm,亲水性极差,很难被水捕捉。故喷淋塔烟气净化效率较差,是锅炉烟囱周期性冒黑烟的间接原因。

4 控制措施

根据锅炉烟囱周期性冒黑烟的原因分析,现场通过综合考虑,采取了如下控制措施。

4.1 将螺旋给料机改成同轴双螺旋结构

为了有效解决螺旋给料机给料的脉冲问题,现场对螺旋给料机进行了技术改造,即将原来的单螺旋结构给料机改成同轴双螺旋结构给料机,这样当其正常工作时,就相当于在一个圆周内有2 次螺旋给料的机会,且2 次螺旋给料的谷值与峰值正好互补,故大大提高给料的均匀性。改为同轴双螺旋结构给料机的给料曲线图如图3 所示。

图3 同轴双螺旋结构给料机的给料曲线图

4.2 用袋式除尘器对锅炉进行消烟除尘

根据不同粒径颗粒在除尘器内的分级效率可知,袋式除尘器对不大于5 μm 的颗粒分级效率为99.5%；对大于5 μm 的颗粒分级效率为100%。故现场拆除了原有的喷淋塔,改为袋式除尘器对烟气进行净化。袋式除尘器属成熟设备,且不受烟气成分、粉尘性质的影响,同时采用布袋除尘器对烟尘进行干法净化,不存在后续废水处理问题,能大大节约锅炉循环用水。现场袋式除尘器采用了长袋低压脉冲布袋除尘器,布袋为戈尔（GORE）薄膜滤袋。

5 效果检查

通过采取上述控制措施后,酒糟能及时着火,稳定燃烧,并充分燃烬,锅炉烟囱周期性冒黑烟的问题得到了有效解决,通过对锅炉排烟口烟气进行检测,烟气颗粒物排放浓度≤20 mg/m3,低于GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》中规定的“大气污染物特别排放限值”（参照燃煤锅炉执行,限值为30 mg/m3）。同时,这也为类似锅炉技术改造提供了参考。