摘要：介绍了生物质成型燃料的燃料特性及燃烧特性。对燃用生物质成型燃料链条炉排蒸汽锅炉的设计进行探讨，实测某型号锅炉的热效率、烟气污染物排放质量浓度，与相同蒸发量燃煤蒸汽锅炉(燃用Ⅱ类烟煤)的燃料成本进行了比较。该型号锅炉的实测热效率达88%，烟气污染物排放质量浓度分别为：烟尘1.3 mg／m³、二氧化硫24.0 mg／m³、氮氧化物91.2 mg／m³，远低于相关标准的限值。燃料成本比燃煤锅炉低37%左右。

关键词：生物质成型燃料；  工业锅炉；  热效率；  污染物排放量；  生物质燃料

Design and Measurement Result of Industrial Biomass Briquette-fired Boiler

Abstract: The property and combustion characteristics of biomass briquette are introduced. The design of chain-grate steam boiler that burns biomass briquette is discussed. The thermal efficiency and flue gas pollutant emission mass concentrations of a model boiler are measured, and its fuel cost is compared with that of a bituminous coal-fired steam boiler with the same evaporation capacity. The measured thermal efficiency of this boiler is 81%, and the mass concentrations of flue gas pollutant emissions are l.3 mg／m³ for dust, 24.0 mg／m³ for sulphur dioxide and 91.2 mg／m³ for nitrogen oxides respectively, which is far less than the limits in the relevant standard. The fuel cost of this boiler is 37% 1ess than that of coal-fired boiler.

Key words: biomass briquette；industrial boiler；thermal efficiency；pollutant emission：biomass fuel

生物质能是一种理想的可再生清洁能源，来源广泛。目前，生物质能消耗占世界总能耗的14%，仅次于煤炭、石油和天然气，在整个能源系统中占有重要地位。在我国，生物质能占全部能源消耗总量的20%，但主要是利用传统炉灶直接燃烧，能源转换效率仅为10%～20%，在商业用能结构中生物质能利用率极小，主要原因是生物质燃料燃烧设备相对滞后，制约了我国生物质燃料的推广应用。分布在城市周边及农村的大量工业锅炉，是我国煤炭消费大户，不但热效率较低，而且是造成环境恶化的主要污染源。因此开发洁净高效的生物质燃料工业锅炉，是工业锅炉技术发展的战略方向，也是节能减排的迫切需要。近年来，国内相关人员对生物质燃料的应用进行了广泛研究^[1-9]，其中生物质成型燃料在工业锅炉应用是主要方面。本文对生物质成型燃料工业锅炉的设计及技术经济性进行探讨。

1 燃料特性分析与完全燃烧影响因素

1.1 生物质成型燃料特性分析

①生物质燃料的元素分析

常见生物质燃料的元素分析(干燥无灰基)见表1。由表1可知，生物质燃料含碳量较少，质量分数一般小于50%，因此生物质燃料不耐烧，发热量较低。生物质燃料含硫量很低，质量分数大多低于0.20%，甚至为零，因此燃用生物质燃料的燃烧设备不必设置脱硫装置，以降低设备造价。

②生物质成型燃料的工业分析

常见生物质成型燃料工业分析(收到基)见表2。由表2可知，与煤相比，生物质成型燃料具有以下特点：水分较多，并与生物质原料品种有关，且差别较大。灰分较少，挥发分较高，固定碳含量较低，高位发热量较低。

③生物质成型燃料的燃烧特性

生物质成型燃料的挥发分高于煤，灰分和含碳量小于煤，发热量小于煤，生物质成型燃料的燃料特性决定了其燃烧特性。生物质成型燃料的燃烧过程分为预热干燥(水分蒸发)阶段、挥发分析出及燃烧阶段、固定碳燃烧阶段。主要特点为：

a.由于生物质成型燃料水分含量较高，且随加工过程及储存条件变化显著，潮湿的生物质成型燃料入炉后需较高的干燥温度及较长的干燥时间。因此当燃用生物质成型燃料时，炉内温度偏低，要稳定燃烧比较困难，较多的水分增加了烟气的体积，增大了排烟热损失。

b.生物质成型燃料挥发分含量较高，燃料着火温度较低，一般在温度达到300～350℃时，挥发分就大量析出并开始剧烈燃烧。若空气供应量不足，易增大燃料的不完全燃烧损失。

c.挥发分析出燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，妨碍了燃烧，易导致灰烬中残留较多的余碳，增大机械不完全燃烧损失。为促进炭燃烧充分，应适当加以捅火或加强通风，但气流易将部分炭粒送入烟道，形成黑絮，因此通风过强易导致燃烧效率降低。

目前市场上比较常见的生物质成型燃料是直径为20～40 mm、长度为40～80 mm的柱状颗粒，低位发热量为l4.2～22.4 MJ／kg。影响生物质成型燃料完全燃烧的主要因素为：①送风量不足易导致生物质成型燃料燃烧不充分，灰渣中含碳量较高，还使得一部分CO在炉膛中没有燃烧就随烟气排出。因此应增大一次风量，配置功率较大的送风机，并适当增加二次风量。②生物质成型燃料在炉膛中停留时间太短，导致燃料没有足够的时间燃烧，产生不完全燃烧。应适当增大炉膛容积，并采用炉拱配合二次送风，加强搅动混合。

2 生物质成型燃料工业锅炉的设计

2.1 锅炉房系统流程

生物质成型燃料锅炉房系统流程见图l。锅炉房由锅炉本体、燃料送料装置、送引风机、软水处理器、除尘器等组成。锅炉房的燃料(生物质成型燃料)、水、烟气、空气的流程与常规燃煤链条炉排锅炉房近似。

2.2 锅炉本体设计

锅炉本体采用水火管结构，炉膛下部采用链条炉排，生物质成型燃料在炉排上燃烧。锅炉本体结构见图2。

①炉膛总体结构

生物质成型燃料点火温度在300 ℃以上，燃烧速度比煤快，火焰比煤长。因此，炉膛结构设计应综合考虑上述因素，适当提高炉膛高度，增加炉膛的容积，加强通风，克服结渣问题。正常运行时，过剩空气系数控制在1.4-1.6，有利于提高燃烧效率。

②炉拱布置

炉拱的主要作用是加强炉内气流的混合，储蓄热量，调整燃烧中心，提高炉膛温度，加速燃料着火。为了改善生物质成型燃料燃烧状况，锅炉设置了前拱、中拱、后拱。

前拱主要功能是通过以再辐射为主、镜反射为辅的方式，将燃烧火床面的辐射热和部分火焰辐射热传递到新燃料的着火区。前拱由倾斜引燃拱和较高的水平拱组成，倾斜引燃拱的位置较低，靠近生物质成型燃料闸板，水平拱应具有足够的敞开度。

中拱的作用是将主燃烧区的高温烟气引导到炉膛前部，促使燃料迅速着火，应呈前高后低倾斜布置。倾角越大，从主燃烧区导入着火区的烟气量越多，越有利于引燃，但倾角过大，则中拱前部出口端过高，使烟气流速降低，不利于传热，一般设置为5°左右。

后拱的设计应使火床的强烈燃烧区处于后拱的拱区内，并具有足够的覆盖率、容积高度，其长度和高度比燃煤锅炉有所增加，后拱出口应有一个水平或向下的拱段。

③二次风布置

在加强一次风的同时，在前拱、中拱及炉膛两侧合理地设置二次风，二次风布置位置和喷射方向很重要。为不使气流对冲，前后喷口相互错开，双面布置，既可降低所要求的二次风射程，又可通过控制喷口高度，实现气流旋转，提高空气混合的有效性。

锅炉送风机的风量和风压比燃煤锅炉要大，引风机的风量也比燃煤锅炉大，空气与燃料充分混合燃烧，烟气经各受热面吸热冷却后，最终经引风机排入烟囱，锅炉炉膛始终处于微负压状态。

3 测试结果

3.1 锅炉性能测试

锅炉外形尺寸(长×宽×高)为6.8 m×2.7 m×3.8 m，所燃用的生物质成型燃料低位发热量为16.4 MJ／kg。锅炉主要技术参数见表3。在锅炉蒸发量达到设计能力的工况下，经权威部门测试，其热效率达88%以上，排烟温度为120～135℃，达到设计要求。测试依据为TSG G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》、TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》。

3.2 环保性测试

经环保部门检测，锅炉污染物排放实测值及规定上限见表4。执行标准为GB l3271-2001《锅炉大气污染物排放标准》。由表4可知，各项污染物排放指标符合要求。

3.3 燃料成本测试

该生物质成型燃料锅炉用于浙江某针织有限公司提供生产工艺用蒸汽。在正常工况下，与相同蒸发量燃煤锅炉的燃料成本进行比较。燃煤锅炉实际热效率为67%，燃用Ⅱ类烟煤，低位发热量为l8.76MJ／kg，价格为900 元／t，燃料消耗量为0.8 t／h。生物质成型燃料锅炉实际热效率为88%，生物质成型燃料低位发热量为l6.4 MJ／kg，价格为600元／t，燃料消耗量为0.76 t／h。每月按30日计算，每天运行16 h，燃煤锅炉、生物质成型燃料锅炉的月燃料成本分别为34.5×10⁴、21.9×10⁴元/月。因此，燃用生物质成型燃料，月燃料成本约降低37%。

4 结论

①根据生物质成型燃料的燃烧特性，改进锅炉的结构，提高炉膛高度，增加炉膛容积，调整炉拱位置及反射面角度，合理布置炉膛内部受热面，提高辐射传热面积。能实现炉膛与生物质成型燃料燃烧的良好匹配，确保锅炉具有良好的着火稳燃性能，燃料的燃尽率高，降低炉膛出口烟气温度，既提高了锅炉的热效率，又不发生炉膛结渣现象。

②该生物质成型燃料锅炉结构简单，对生物质成型燃料适应性好，热效率高，排放符合标准，燃料成本低。

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本文作者：沈美华 石斌

作者单位：嘉兴市特种设备检测院