燃煤锅炉改燃生物质的节能技术改造

贾楠 卞金飞 刘丹阳 刘景新 路晓雯

河北省特种设备监督检验研究院唐山分院 唐山 063000

摘要：生物质作为当前储量丰富且最具开发潜力的可再生资源，是可以代替煤炭的清洁能源。通过对生物质燃料进行理化特性分析，分析生物质代替煤炭的可行性。根据生物质燃烧机理和锅炉工作原理对燃煤锅炉进行节能改造，结合能效测试的方法对改造后锅炉进行测评，论证改造成果的节能减排效果。

关键词：燃煤锅炉；生物质颗粒；节能改造

工业锅炉及其设备是能源生产和消费中的一个关键环节。它的总能量供应能力已是电站锅炉的一倍，而且涉及生产领域多、与人民生活密切相关。但是，工业燃煤锅炉，这种燃料以煤炭为主，单机容量偏小，平均运行效率只有65%左右，这种高耗能低效率的使用现状，既破坏能源消费结构，又造成严峻的环境污染。我国作为一个农业生产大国，生物质资源丰富，年产农作物废弃物约7亿t。通过压缩的生物质燃料，密度相当于中质烟煤，火力持久，燃烧性能好，是可以代替煤炭作为家庭生活燃料、工业或生物质电厂发电的可再生清洁能源。

一、生物质燃料特点

生物质燃料由可燃质、无机物和水分组成，主要成分为碳、氢、氧、少量的氮和硫，并含有灰分和水分。通过实验室分析化验对生物质成分进行测定，实验结果见表1 ^[1]。

表1 生物质元素分析

样品名称	Car/%	Har/%	Nar/%	Sar/%
生物质压块	42.04	6.83	0.73	0.03
生物质颗粒	39.36	5.62	0.58	0.02

由实验结果可知：通过元素分析，发现生物质燃料硫和氮含量较低，属于低硫、低氮燃料，具有低硫、低氮、低二氧化碳排放的特点，符合环保要求。实验室通过工业分析对生物质进行测定，实验结果见表2^[1]。

表2 生物质工业分析

样品名称	Mad/%	Aar/%	FCd/%	Vdaf/%	Qar，net/MJ·kg-1	折标煤/kgce
生物质压块	5.62	13.98	23.72	74.27	13.52	0.46
生物质颗粒	5.27	13.25	15.27	76.60	13.23	0.45

通过工业分析，可知生物质燃料热值属于典型的中热值农作物废料，且灰分含量较低，属于低灰分燃料；挥发分约为原煤的2倍，均在70%以上，在燃烧过程中大部分挥发组分可以充分释放，并且生物质灰分较少，燃烧后不易结焦，对燃烧系统的除灰设备要求较低。

但是，现运行的燃煤工业锅炉的结构，不能直接燃用生物质颗粒，否则将出现严重冒黑烟、效率低、及粉尘污染的现象。因此，需要对在用燃煤锅炉进行改造，根据生物质燃料燃烧机理和燃烧装置工作原理，根据锅炉的具体结构及型式对锅炉燃烧室进行改造，以适应生物质的特性，并减少一氧化碳和烟尘排放及热量损失。

二、燃煤锅炉节能改造方案

2.1炉膛前拱部分

燃料在炉排上依次发生着火、燃烧、燃烬各阶段，燃烧是沿着炉排长度方向分阶段、分区进行的。燃烧生物质时，燃点较低，所以需要将前拱阻燃段部分加长，将生物质的燃烧时间主要分布在高温段，并提高利用率。主要改造措施包括：清理炉膛内部积灰、检查；在前拱阻燃段处制作一个加长的模板；对模板进行砌筑及浇筑，使阻燃段加长。

2.2炉膛后拱部分

因生物质燃料燃烧时间短，所以在炉膛后拱加装隔烟隔灰墙，使未燃烬的生物质在燃烬区的高温烟气和过剩的空气引导下，进入炉膛中部和前部，延长烟气流程，保证主燃烧区所需要的热量，使未燃烬的烟尘充分燃烧。主要改造措施包括：在后拱尾部处砌筑一面隔灰墙；对隔灰墙进行浇筑固定。

2.3炉排部分

炉排下部的第一引风室处上部加装挡风板，可使生物质燃料在进入炉排时，减少风量，使燃烧时间滞后，集中燃烧在高温段，提高燃烧效率。主要改造措施包括：炉排片拆除，炉排大梁拆除；炉排下方风室用钢板将风口挡住，进行浇筑固定；炉排片及炉排大梁安装恢复。

三、节能效果评价

锅炉燃煤改燃生物质改造完成后，进行锅炉运行期间能效测试，评价锅炉热效率和污染物排放效果。测试期间，锅炉处于热工况稳定的安全运行状态；辅机运行正常，测试系统不存在跑、冒、滴、漏现象，测试期间使用同一品种和质量的燃料，测试结果见表3^[2]。

表3锅炉能效测试数据统计

项目类别	数据
燃料收到基低位发热量（Qnet,v,ar，MJ/kg）	13.52
炉渣可燃物含量 (Clz,%)	4.17
飞灰可燃物含量 (Cfh,%)	15.07
排烟温度 (tpy,℃)	115.40
排烟热损失(q2,%)	7.09
气体未完全燃烧热损失 (q3,%)	0.26
固体未完全燃烧热损失 (q4,%)	3.65
散热损失(q5,%)	2.70
灰渣物理热损失 (q6,%)	0.76
锅炉测试热效率(ηcs,%)	85.54
排烟处SO2 mg/m3	0.0045
排烟处NOx mg/m3	0.0017

由表可知：燃煤锅炉改燃生物质后热效率为85.54%，较燃煤锅炉平均热效率提高至少10%以上。同时生物质锅炉尾部烟气SO₂为0.0045mg/m³，NO_X排放为0.0017 mg/m³，符合环保要求。由于，生物质燃料燃烧过程中，挥发分会快速析出，在燃烧室内迅速形成高温区，经多次配氧，补充所需量的氧气，为炉膛出口的燃烧助燃，更利于充分燃烧。燃料利用率高，从根本上解决了冒黑烟的难题，也可有效地抑制“热力型NOx”的产生，使燃烧后SO₂和NO_X排放较低。完全燃烧后的高温烟气通往锅炉受热面被吸收后，再经除尘后排往大气。

四、结语

综上所述，生物质作为唯一一种可再生的碳源，继煤、石油、天然气之后的可再生的第四大能源，是一种符合环保要求、可替代煤的清洁燃料。燃煤锅炉改生物质的技术改造，可以改善我国“富煤、贫油、少气”的能源短板，调整能源利用结构，还能达到绿色环保、低耗高效的节能效果。

参考文献：

[1] 贾楠.分布式可再生能源站多联产系统研究[D].唐山:河北联合大学,2012.

[2] 中国特种设备安全与节能促进会组织编写.锅炉能效测试技术[M].1版.北京:化学工业出版社,2016.

[3] 黄俭.工业燃煤锅炉热效率与节能技术改造[J].能源与节能,2013（5）：107-109.

作者简介： 贾楠（ 1987） ， 女， 河北石家庄，工程师， 硕士研究生，2013年毕业于华北理工大学， 热能工程专业，主要从事特种设备安全检验、管理及节能研究工作。

通讯地址：唐山市高新区大庆道37号唐山特检；贾楠：15230561020；邮编：063000

科研项目计划：《燃煤锅炉改造工程节能技术研究和经济性分析》（2019ZC12）