0、引言
    生物質(zhì)燃料是世界上公認(rèn)的清潔能源，它替代煤、油成為新的能源是必然趨勢。目前很多國家在中小型工業(yè)鍋爐上都有生物質(zhì)顆粒燃料的應(yīng)用，我國尚在起步階段，新的爐型較少，大部分都是燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)顆粒燃料。但是由于生物質(zhì)顆粒燃料與煤的燃燒特性不同，所以原有鍋爐結(jié)構(gòu)與操作工藝必須加以改造或改進(jìn)，否則鍋爐出力、鍋爐熱效率將大幅下降，甚至鍋爐設(shè)備出現(xiàn)事故而造成損失，使這一新生事物無法正常推廣。本文試從以下幾個(gè)方面做分析探討。
1、生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性
    生物質(zhì)成型燃料的燃燒過程是強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)過程，又是燃料和空氣間的傳熱、傳質(zhì)過程。生物質(zhì)成型燃料在燃燒過程中有以下一些特點(diǎn)：
    (1)揮發(fā)分在350℃時(shí)就析出約80%，析出及燃燒時(shí)間短，只占燃燒時(shí)間的10%左右；
    (2)需保證適合的空氣量和空氣供給方式，以使燃料燃燒充分；
    (3)高密度大顆粒燃料與低密度的顆粒燃料相比，其在整個(gè)燃燒過程中的燃燒速度相對(duì)平穩(wěn)一些。同煤一樣，粒度比較均勻，燃燒工況相對(duì)平穩(wěn)，易于控制；
    (4)顆粒燃料的燃燒主要是揮發(fā)分的燃燒，通風(fēng)量大使?fàn)t膛內(nèi)的溫度降低，揮發(fā)分析出速度相對(duì)平穩(wěn)。同時(shí)較低的爐膛溫度可使NOx的生成大大減少。
    生物質(zhì)顆粒燃料本身的灰分中含有Ca2+、Na+、K+等離子，這些離子在燃燒過程中容易形成渣層，且灰的軟化溫度較低，因此燃料本身的特性決定了結(jié)渣的特性和程度。與煤相比生物質(zhì)顆粒燃料的灰熔點(diǎn)要低，更易結(jié)渣。燃燒過程中燃料層的溫度、爐膛溫度、燃料與空氣混合不充分以及鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行是造成結(jié)渣的重要因素。
2、燃煤層燃鍋爐的改造與操作運(yùn)行工藝改進(jìn)
2.1綜合性改造
    (1)為了適應(yīng)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒，需對(duì)鼓、引風(fēng)機(jī)增裝變頻調(diào)速裝置。它可以隨意調(diào)整供、引風(fēng)量及風(fēng)壓、煙壓，使燃料充分燃燒，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能是眾所周知的，對(duì)燃用生物質(zhì)顆粒燃料更有其獨(dú)到的作用。
    (2)爐排運(yùn)轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速。當(dāng)燃料品種固定后，在負(fù)荷一定的情況下燃料層厚度無需經(jīng)常調(diào)整，只需對(duì)爐排速度及配風(fēng)進(jìn)行調(diào)整。所以爐排為變頻調(diào)速方式能更好適應(yīng)不同燃料的燃燒。
    (3)增裝二次風(fēng)系統(tǒng)。通常情況下，除拋煤機(jī)倒轉(zhuǎn)爐排鍋爐外，一般的中小型鍋爐只設(shè)有一次風(fēng)系統(tǒng)就町以滿足燃料燃燒了。但生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分是煤的幾倍，析出和燃燒時(shí)間很短，只是整個(gè)燃燒時(shí)間的10%左右，且主要是在爐膛窄間燃燒，此時(shí)單靠從爐排下部供給的一次風(fēng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠且不及時(shí)的，必須及時(shí)向爐膛空間送入適量的空氣，保證燃料懸浮燃燒所需的足夠氧氣。
    增裝二次風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，首先要計(jì)算好合適的風(fēng)壓和風(fēng)量，選用變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)會(huì)更加適應(yīng)燃燒需求。要使二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)口布置在爐墻的不同位置，再以不同的角度向爐內(nèi)供風(fēng)的同時(shí)擾動(dòng)氣流，保證燃燒區(qū)域有合適的溫度水平，延長可燃物與高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)的停留時(shí)間。伸入爐墻，靠近爐膛內(nèi)壁的送風(fēng)管，選擇陶瓷、鑄鐵材質(zhì)的較好，該材質(zhì)耐熱、耐磨，不易損壞。
2.2燃燒設(shè)備的選擇
    適應(yīng)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性的燃燒設(shè)備，為保證燃燒效率比較高，首選循環(huán)流化床，中小型工業(yè)鍋爐則首推拋煤機(jī)倒轉(zhuǎn)爐排。因?yàn)樗�具有層燃和懸浮燃的綜合特點(diǎn)。首先由爐前若干個(gè)燃料進(jìn)口角度及推煤行程可調(diào)的機(jī)械風(fēng)力拋煤機(jī)，將顆粒燃料拋入爐膛。大的顆粒落在爐排的后部，小的顆粒落在爐排的前部，爐排由爐后向爐前部行進(jìn)，在一次風(fēng)的配合下燃燒，燃盡的灰渣落入前部渣斗。較小的顆粒及粉狀燃料則在拋入爐膛內(nèi)時(shí)就在空中迅速地呈懸浮狀燃燒，并由二次風(fēng)供給足夠的氧氣。
    供助于前墻二次風(fēng)的托送，在后墻=次風(fēng)的交叉擾動(dòng)下，這種燃燒方式強(qiáng)化了燃燒，保證了生物質(zhì)顆粒燃料的及時(shí)著火和充分燃盡，在合適的過量空氣系數(shù)時(shí)，氣體和固體未完全燃燒損失比燃煤大大減少，鍋爐熱效率明顯提高。瑞典Boras建造的兩臺(tái)出力90t/h的鍋爐就是采用拋煤機(jī)倒轉(zhuǎn)爐排，平時(shí)燒小木塊，也可以燒煤。
    小容量的鏈條爐排鍋爐及往復(fù)爐排鍋爐，也可以采用增加風(fēng)力進(jìn)料裝置的辦法，即在鍋爐前部爐排上方布置若干個(gè)進(jìn)口角度可調(diào)的進(jìn)料口，分別向爐內(nèi)均勻進(jìn)料。同時(shí)通過布置在進(jìn)料口下方的二次風(fēng)將燃料送入爐膛前部，并在一次風(fēng)的配合下，在爐膛內(nèi)進(jìn)行懸浮燃燒。在懸浮燃燒的過程中，較大的顆粒燃料落到爐排上，并隨著爐排的推動(dòng)或行進(jìn)來進(jìn)行層狀燃燒，逐漸燃盡而落入灰渣斗。這種方式由于比拋煤機(jī)拋煤懸浮燃燒的燃料份額少，只需在爐膛前部布置二次風(fēng)，后墻二次風(fēng)不需布置或少量布置。這種方式也是適合生物質(zhì)顆粒燃料強(qiáng)化燃燒的一種方式。
2.3增加燃燒室及燃燒設(shè)備
    由于燃煤鍋爐燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸形狀，都是按照煤種設(shè)計(jì)確定的，所以要想完全改造成與燒生物質(zhì)顆粒燃料相匹配，幾乎是不可能的。如果鍋爐旁有足夠的空間位置，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)分析比較可行的話，可以給鍋爐增加一個(gè)新的燃燒室，主要任務(wù)是發(fā)生可燃?xì)怏w并初步燃燒，原有的燃燒室（爐膛）做為燃盡室。這樣新的燃燒室就完全可以按照生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)計(jì)，盡可能達(dá)到高效燃燒。據(jù)國外資料介紹，這種改造方式對(duì)于小型鍋爐來說，成功率很高，成功的例子也很多。如果爐膛容積足夠大，則將固定爐排改為移動(dòng)爐排則是方便的選擇。選擇小型爐排時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用傾斜式往復(fù)爐排，更適合于生物質(zhì)顆粒燃料燃燒，尤其是不易結(jié)渣。
    綜上所述，控制燃料結(jié)渣的措施主要有：
    (1)控制爐膛過量空氣系數(shù)a=1.5時(shí)為好。
    (2)控制爐膛溫度不超過900℃，避免超負(fù)荷運(yùn)行。
    (3)可混燒一些灰熔點(diǎn)較高的燃料，例如燃用灰熔點(diǎn)低的玉米秸桿顆粒時(shí)可摻燒一些木屑顆粒燃料，甚至可以摻燒一些煤粉。
(4)燃料層厚度應(yīng)均勻，在100~ 200mm之間為宜。
    (5)如果有條件可改為流化床。由于流化床的燃燒溫度相對(duì)較低（大約850℃），則生物質(zhì)顆粒燃料就不存在灰渣熔化和結(jié)渣問題。
3、燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐熱損失的分析與對(duì)策
3.1固體不完全燃燒熱損失
    固體不完全燃燒熱損失，隨著爐膛過量空氣系數(shù)a的增大逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定值后，隨著a的增大，固體不完全燃燒熱損失又隨著增大。由文獻(xiàn)[5]可知，應(yīng)控制a在1.5左右為宜，此時(shí)的固體不完全燃燒熱損失在3%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃煤的固體不完全燃燒熱損失，這是由生物質(zhì)顆粒燃料特性所決定的。
3.2氣體不完全燃燒熱損失
    氣體不完全燃燒熱損失隨過量空氣系數(shù)a呈相應(yīng)變化規(guī)律。即氣體不完全燃燒熱損失隨著a由小到大，逐漸減少，當(dāng)減少到一定值時(shí)，隨著“的增大又開始增大。但是生物質(zhì)成型顆粒燃料的特性決定了它的氣體不完全燃燒熱損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤的氣體不完全燃燒熱損失。由文獻(xiàn)[5]可知，當(dāng)a=1.5左右時(shí)，只有1%左右。
3.3散熱損失
    散熱損失主要取決于鍋爐散熱表面積的大小及表面溫度，當(dāng)表面積一定后，只與表面溫度有關(guān)，而表面溫度的高低則取決于爐內(nèi)燃燒的工況。所以要在保證爐內(nèi)燃燒工況正常的前提下，來確定散熱損失是否在允許的范圍內(nèi)。正常情況丁生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時(shí)爐膛溫度在900℃左右，比燃煤鍋爐的爐膛溫度要低150℃左右。所以燃生物質(zhì)顆粒燃料的鍋爐散熱損失要比燃煤鍋爐的少。
3.4排煙熱損失
    排煙熱損失主要取決于排煙量的多少與排煙溫度的高低。在空氣過量系數(shù)適當(dāng)、燃燒工況正常的情況下，燃生物質(zhì)顆粒燃料的鍋爐排煙熱損失要小于燃煤鍋爐。
    由文獻(xiàn)[5]實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論：燃生物質(zhì)顆粒燃料的鍋爐當(dāng)爐膛過量空氣系數(shù)合適（大約在1.5時(shí)）燃燒工況穩(wěn)定，要比燃煤鍋爐的熱損失小10%左右，這主要是由燃料特性決定的。
4、改造后的鍋爐出力變化
    依照鍋爐設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)鍋爐的額定出力和傳熱介質(zhì)的進(jìn)出口參數(shù)確定后，要確定燃料品種及相關(guān)特性參數(shù)，然后先進(jìn)行爐膛設(shè)計(jì)。爐膛形狀大小要通過爐膛體積熱負(fù)荷、過量空氣系數(shù)等參數(shù)計(jì)算確定。其次是燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)。爐排種類、爐排面積的設(shè)計(jì)，依據(jù)爐排面積熱負(fù)荷和單位有效燃料體積熱負(fù)荷的大小而計(jì)算確定；而鍋爐受熱面的設(shè)計(jì)則要依據(jù)傳熱系數(shù)、排煙處的過量空氣系數(shù)和排煙溫度的大小。另外尚要確定鍋爐熱效率的大小，從而決定鍋爐的設(shè)計(jì)水平。當(dāng)燃料發(fā)生變化后，現(xiàn)有的鍋爐即使改造的措施再完善，與按新燃料重新設(shè)計(jì)的鍋爐也要有一定的差別，這是客觀現(xiàn)實(shí)。雖然生物質(zhì)顆粒燃料從燃燒特性上比較接近煤，燃燒效率較高，但發(fā)熱量較低，與低質(zhì)煤的發(fā)熱量相近，若想達(dá)到原設(shè)計(jì)出力，就必須加大燃料的投入和燃燒。但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到改造后的鍋爐燃燒設(shè)備雖然采取了多種措施，但是也不可能與生物質(zhì)顆粒燃料燃燒完全匹配。由于燃燒強(qiáng)度降低，傳熱溫差減小等因素，可能要造成鍋爐出力的減小（有待實(shí)驗(yàn)確定）。如果增大燃燒設(shè)備的負(fù)荷而強(qiáng)制燃燒，就會(huì)造成鍋爐熱損失的增加，使鍋爐熱效率下降。為此在鍋爐進(jìn)行改造前，就一定要充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，采取必要的措施加以應(yīng)對(duì)。
5、結(jié)論和建議
    燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)顆粒燃料是可行的。采取必要的改造措施后，原鍋爐可以做到對(duì)燃煤和燃生物質(zhì)顆粒均適應(yīng)。兩種燃料摻合混燒也是可行的，國外文獻(xiàn)多有介紹。鍋爐燃生物質(zhì)顆粒后熱效率可提高10%左右，大大減少了粉塵，S02和NOx的排放，節(jié)能減排，利國利民。如果一旦生物質(zhì)顆粒燃料出現(xiàn)短缺，可以馬上更換燒煤，只需調(diào)整操作方式，而不必對(duì)設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)（包括輸煤和除渣系統(tǒng)）。唯一需要注意的是鍋爐出力有可能降低，有待實(shí)驗(yàn)
確定。法庫遼河經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)熱源廠的7MW鏈條鍋爐已計(jì)劃于2009年進(jìn)行燃用生物質(zhì)顆粒燃料的實(shí)踐運(yùn)行。