生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)思路與方法

韓休海

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，有著豐富的生物質(zhì)能，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，煤炭、石油、天然氣等化石能源消耗量快速增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)利用可再生能源，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)利用，已經(jīng)成為社會(huì)共識(shí)和能源發(fā)展方向。生物質(zhì)能是重要的可再生能源，來(lái)源廣泛，產(chǎn)品豐富，發(fā)展較快，潛力很大。全國(guó)可做為能源利用的農(nóng)作物秸稈、農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物、能源作物、生活垃圾和有機(jī)廢棄物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]，尚有大量資源未得以充分利用，發(fā)展生物質(zhì)能供熱具有較好的資源條件，生物質(zhì)能發(fā)展空間巨大，前景廣闊。生物質(zhì)能源和其他再生能源相比較，群眾參與性更強(qiáng)、能夠轉(zhuǎn)換燃料乙醇、生物質(zhì)柴油和生物質(zhì)成型燃料多種能源形式，也是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要內(nèi)容，綜合效益明顯。不同生物質(zhì)工業(yè)分析成分見(jiàn)表1[2]。

表1 幾種生物質(zhì)的工業(yè)分析成分

1 生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)思路與方法

1.1 設(shè)計(jì)思路

對(duì)生物質(zhì)成型燃料，通常易著火且易燃盡，并不需要很高的燃燒溫度來(lái)提高燃燒效率，過(guò)高的溫度不僅會(huì)造成氮氧化物升高，還有結(jié)渣、腐蝕加劇等風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，溫度也不宜過(guò)低，否則會(huì)降低燃燒效率，并造成一氧化碳超標(biāo)。兼顧高效與低氮，燃燒溫度不宜超過(guò)1 000 ℃，也不宜低于700 ℃，可以針對(duì)具體的生物質(zhì)原料通過(guò)實(shí)驗(yàn)及模擬，確定最佳溫度區(qū)間?？傮w上，高溫有利于燃盡，低溫有利于控氮。通常，生物質(zhì)燃燒其氮氧化物的生成與排放不會(huì)很高，因其燃料型和熱力型氮氧化物都不會(huì)過(guò)高。但如果燃料特殊，設(shè)計(jì)、運(yùn)行不當(dāng)，也會(huì)出現(xiàn)氮氧化物排放高的問(wèn)題。

1.2 設(shè)計(jì)方法

1.2.1 控溫方法

控溫主要是在燃料與空氣的配合以及受熱面的吸熱兩方面控制?？諝饬恳獙?shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確地控制，可以采用空氣分級(jí)技術(shù)，即一二次風(fēng)分別送入爐膛，有利于高效低氮燃燒[3]。有條件時(shí)，可以采用夾套換熱，在合適的位置布置空冷或水冷受熱面。具體參數(shù)要通過(guò)實(shí)驗(yàn)及模擬來(lái)確定一二次風(fēng)比例及其布置，以及受熱面的布置。原則上，風(fēng)量或空氣過(guò)剩系數(shù)不宜過(guò)大，偏小有利于節(jié)能，以爐膛出口過(guò)剩系數(shù)不超過(guò)1.5，排煙處過(guò)剩系數(shù)不超過(guò)2.0為宜。一次風(fēng)比50%～70%，二次風(fēng)比30%～50%，可以按一次風(fēng)實(shí)現(xiàn)欠氧燃燒，二次風(fēng)補(bǔ)燃的方式考慮，二次風(fēng)比例偏上限時(shí)，應(yīng)考慮二次風(fēng)分層布置；一次風(fēng)風(fēng)速偏小為宜，不超過(guò)0.5 m·s-1，二次風(fēng)風(fēng)速偏大為宜，不低于10 m·s-1，也不宜過(guò)高。風(fēng)壓要依系統(tǒng)煙風(fēng)阻力，采用平衡或強(qiáng)制通風(fēng)，通常都不會(huì)太高，不超過(guò)2～3 kPa。一二次風(fēng)溫可以盡可能高，采用預(yù)熱空氣多點(diǎn)旋向配風(fēng)，爐膛內(nèi)火焰旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)式燃燒，將燃料中揮發(fā)成分充分轉(zhuǎn)化后進(jìn)行高溫燃燒，使燃料中的可燃燒成分得以充分利用。風(fēng)溫高特別是二次風(fēng)風(fēng)溫高，有利于燃燒燃盡，但預(yù)熱空氣需增加機(jī)器成本，應(yīng)綜合考慮。

1.2.2 煙風(fēng)參數(shù)的確定

煙風(fēng)相關(guān)參數(shù)的具體數(shù)值應(yīng)結(jié)合爐膛設(shè)計(jì)，特別是截面熱強(qiáng)度、容積熱負(fù)荷等，進(jìn)行確定。合理溫度控制也是防結(jié)渣的關(guān)鍵，應(yīng)控制好風(fēng)燃比，防止整體超溫結(jié)渣；還應(yīng)盡可能均勻布風(fēng)布料，防止局部超溫結(jié)渣。另外，可以結(jié)合生物質(zhì)成型燃料研究，添加煤粉和復(fù)合功能添加劑烘焙提質(zhì)成型的生物質(zhì)燃料的燃燒特性優(yōu)于純秸稈成型燃料，燃料燃燒性能好，爐具的熱效率高，除了可以防止結(jié)渣外[4]，還可降低污染物包括顆粒物的排放，一舉多得，是生物質(zhì)成型燃料未來(lái)發(fā)展方向。

1.2.3 提高鍋爐熱效率的方法

對(duì)生物質(zhì)供暖熱水爐而言，受熱面金屬壁溫很低，不存在高溫腐蝕問(wèn)題。如何提高爐具的熱效率，除了提高燃燒效率(降低固體和氣體的不完全燃燒損失)之外，還應(yīng)該盡可能降低排煙溫度，減少排煙損失，可以采用合適的強(qiáng)化換熱措施(綜合考慮流動(dòng)阻力和傳熱以及成本的影響)，如擾流子、鰭片管等，最大限度提高受熱面的換熱能力[5]。換熱的阻力主要在煙氣側(cè)或空氣側(cè)，水側(cè)和金屬壁面的傳熱系數(shù)足夠高，可及時(shí)帶走熱量，整個(gè)過(guò)程中的強(qiáng)化換熱的重點(diǎn)是氣側(cè)。

1.2.4 生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)以秸稈固化成型生物質(zhì)塊為燃料的新型爐具，重點(diǎn)研究空氣深度分級(jí)低氮燃燒技術(shù)、狹小空間旋流二次風(fēng)強(qiáng)化燃燒技術(shù)、給料布風(fēng)自動(dòng)協(xié)同調(diào)控技術(shù)、高效低阻強(qiáng)化換熱技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。除上述關(guān)鍵技術(shù)外，其他若干重要的技術(shù)細(xì)節(jié)也應(yīng)給予高度重視，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中要統(tǒng)籌考慮處理好。主要包括：標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)；點(diǎn)火、壓火、運(yùn)行操作便利；異常狀況處理方便；給料口防返串；爐門、看火孔、泄壓閥安全可靠；出灰排灰清灰便利；風(fēng)門調(diào)節(jié)、風(fēng)壓平衡易操控；受熱面防垢；水平煙道疏水；設(shè)備管道保溫及高溫防護(hù)；配套工具包括一氧化碳報(bào)警等。生物質(zhì)鍋爐主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)熱水鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

該種鍋爐是一種臥式快裝單鍋筒縱置式鏈條爐排鍋殼鍋爐，鍋筒采用單鍋筒結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)易安裝，檢修方便。鍋筒底部有定期排污管，以便排出雜質(zhì)和沉淀物。在鍋殼內(nèi)布置煙管管束，爐膛兩側(cè)裝有水冷壁。既可以充分發(fā)揮輻射受熱面熱強(qiáng)度的特點(diǎn)，又可以保護(hù)爐墻免受高溫破壞，防止灰渣粘結(jié)在爐墻上，降低爐膛被沖刷磨損，過(guò)熱破壞。保溫分兩層，內(nèi)層為耐火磚,外層為珍珠巖保溫砼。在前墻上分別在前集箱上、下方,前后煙箱均開(kāi)有入孔，便于安裝維修，清除灰渣。在鍋殼后端和左右聯(lián)箱及前后聯(lián)箱的下面設(shè)有排污閥，以供停爐時(shí)排污用。燃料自煤斗落在爐排上，爐排有效燃燒面積為2.3 m2，在爐膛內(nèi)燃燒后，在引風(fēng)機(jī)作用下，煙氣進(jìn)入下部煙管管束，由下部煙管管束進(jìn)入前煙箱，由前煙箱進(jìn)入上部煙管管束通往除塵器，然后通過(guò)煙囪排向大氣。

2 生物質(zhì)能供熱的發(fā)展

生物質(zhì)能供熱主要包括生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)和生物質(zhì)鍋爐供熱，具有布局靈活、適用范圍廣等特點(diǎn)，適合城鎮(zhèn)居民生活供暖以及替代中小型工業(yè)燃煤、燃油鍋爐[6]。目前，我國(guó)利用生物質(zhì)能供熱發(fā)展還處在初期，存在產(chǎn)業(yè)體系不健全、市場(chǎng)培育不完善、政策支持不夠等問(wèn)題。為有效治理農(nóng)村分散鍋爐造成的污染，以及為新型城鎮(zhèn)化建設(shè)提供清潔供熱，應(yīng)加大政策支持力度，建立包括成型燃料產(chǎn)品加工、專用鍋爐和工程建設(shè)在內(nèi)的生物質(zhì)成型燃料供熱標(biāo)準(zhǔn)體系，并積極培育發(fā)展大型專業(yè)化生物質(zhì)能供熱企業(yè)，不斷提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能供熱產(chǎn)業(yè)化可持續(xù)健康發(fā)展。目前，生物質(zhì)成型燃料制備機(jī)械、專用爐具制造、燃料燃燒等技術(shù)日益成熟，生物質(zhì)成型燃料已經(jīng)初步具備較大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的條件。生物質(zhì)能供熱作為應(yīng)對(duì)大氣污染的重要措施，也是綠色低碳新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要內(nèi)容。研究新型生物質(zhì)常壓熱水供暖爐，滿足鄉(xiāng)村棚室種養(yǎng)殖和村鎮(zhèn)企事業(yè)單位等生產(chǎn)生活取暖需求，對(duì)打通秸稈成型燃料作為村鎮(zhèn)主流清潔能源的“最后一公里”，建立綠色宜居村鎮(zhèn)現(xiàn)代清潔能源體系、創(chuàng)建生活炊事供暖與生產(chǎn)加溫新模式、驅(qū)動(dòng)農(nóng)村能源革命具有重要意義。我國(guó)現(xiàn)行生物質(zhì)鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)現(xiàn)行生物質(zhì)鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)(mg·m-3)

3 總結(jié)

根據(jù)生物質(zhì)資源條件，建立秸稈等生物質(zhì)原料收儲(chǔ)運(yùn)加為一體的生物質(zhì)塊狀燃料專業(yè)化生產(chǎn)體系和分布式村鎮(zhèn)生物質(zhì)供熱消費(fèi)體系，結(jié)合新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程，在局部地區(qū)形成生物質(zhì)能供熱主導(dǎo)地位，對(duì)秸桿進(jìn)行規(guī)?；{利用，帶動(dòng)秸稈禁燒和秸稈資源化利用[7]，有利于促進(jìn)大氣污染治理，可實(shí)現(xiàn)“農(nóng)林業(yè)—資源綜合利用—清潔供熱”循環(huán)發(fā)展。

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