摘要：在1臺(tái)燃煤鍋爐上進(jìn)行了
生物質(zhì)顆粒燃料燃燒試驗(yàn)和與燃煤的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果顯示，燃煤鍋爐須經(jīng)改造才能適應(yīng)生物質(zhì)顆粒燃料。生物質(zhì)顆粒燃料與燃煤比較，不論燃料性質(zhì)、燃燒現(xiàn)象、結(jié)焦特性、對(duì)爐膛的要求等方面都不同，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時(shí)出現(xiàn)了不低于1300℃高溫區(qū)域和較高的NOx排放，與文獻(xiàn)報(bào)道差別較大。
0、前言
由于能源價(jià)格的劇烈波動(dòng)，生物質(zhì)能源越來越多受關(guān)注。這種關(guān)注已經(jīng)從技術(shù)界擴(kuò)展到經(jīng)濟(jì)界和金融界。
中國對(duì)生物質(zhì)能源的關(guān)注超過了以往任何時(shí)候。中國政府先后出臺(tái)了可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃、《可再生能源與新能源國際科技合作計(jì)劃》和可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃。這些規(guī)劃和計(jì)劃中指出：中國現(xiàn)階段全國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量約6億噸，其中大約3億噸可作為燃料使用，折合約1.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。林木枝椏和林業(yè)廢棄物年可獲得量約9億噸，大約3億噸可作為能源利用，折合約2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。這些規(guī)劃確定生物質(zhì)成型燃料是重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域，明確指出：(1)2010年前，結(jié)合解決農(nóng)村基本能源需要和改變農(nóng)村用能方式，開展500個(gè)生物質(zhì)固體成型燃料應(yīng)用示范點(diǎn)建設(shè)。在示范點(diǎn)建設(shè)生物質(zhì)固體成型燃料加工廠，就近為當(dāng)?shù)剞r(nóng)村居民提供燃料，富余量出售給城鎮(zhèn)居民和工業(yè)用戶。2010年后，全國生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達(dá)到100萬噸。(2)到2020年，使生物質(zhì)固體成型燃料成為普遍使用的一種優(yōu)質(zhì)燃料。全國生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達(dá)到5000萬噸（國家發(fā)展改革委《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》）。
2006年以前，中國大陸境內(nèi)的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)一直處于停滯狀態(tài)，中國政府批準(zhǔn)的清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目中，70%以上是可再生能源。通過品種改良和擴(kuò)大種植，生物能的資源量可以在2006年水平再翻一番。而目前還沒有出現(xiàn)專門為生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)計(jì)的工業(yè)鍋爐。
1、試驗(yàn)燃煤鍋爐和試驗(yàn)方法
試驗(yàn)鍋爐是1臺(tái)設(shè)計(jì)燃料為煙煤的往復(fù)爐排臥式水火管鍋爐。鍋爐主要受熱面積包括：爐膛；對(duì)流火管；省煤器}實(shí)際測量的排煙溫度為137℃和129℃。生物質(zhì)顆粒燃料的原料為直徑8mm，長約15mm的玉米秸稈成型燃料。
過量空氣系數(shù)、煙氣成分和主要排放物用便攜式儀器測量。給水流量由水箱水位變化獲得，燃料消耗量用消耗的燃料體積獲得。
2、試燒的主要結(jié)果
試驗(yàn)是按照熱工技術(shù)要求進(jìn)行的。主要測點(diǎn)包括燃燒室前部、燃燒室中部、爐膛尾部和尾部煙道。煙氣分析儀探頭上攜帶有熱電偶，可以直接獲得探頭所在點(diǎn)處的實(shí)際溫度。
2.1燃料床上溫度和煙氣成分分布
圖1是燃燒室不同部位的溫度分布和煙氣成分分布。溫度和成分測量選擇爐排上垂直方向3個(gè)高度。圖1顯示，爐排燃料床以上燃料成分和溫度分布基本上是均勻的。由于測量不能同時(shí)進(jìn)行。從燃燒室前部獲得的氧氣分布顯示[圖l(a)]，出現(xiàn)了較多的氧氣消耗，而爐膛中部古氧量較大表明燃燒已經(jīng)明顯削弱，氧氣可以大量地跨越爐排[圖1(b)]。爐膛中部氧氣消耗出現(xiàn)很大波動(dòng)，與爐排結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。當(dāng)氧氣繞過爐排（見2.2）時(shí)，爐排上的含氧量較大；而在氧氣穿過爐排時(shí)，與爐排上的可燃物反應(yīng)消耗掉相當(dāng)比例的氧氣。
圖1還給出了氣體有害成分的分布。爐膛前部的C02從爐排向上是減少的[圖l(a)]，揮發(fā)分的大量析出和燃燒可能是重要的原因。[圖1(b)]中的CO2幾乎沒有發(fā)生變化，可能表明在燃料床上幾乎沒有發(fā)生燃燒反應(yīng)，到燃料床比較高處才出現(xiàn)增加。2個(gè)位置的測量顯示，爐膛前部的NOx量較少，NOx生成的濃度絕對(duì)值仍然比較高。圖2是實(shí)際測得的沿著燃料床的溫度分布。這個(gè)分布與圖l看到的不同，包括了燃料層中的溫度。
由于攜帶的熱電偶最高測量限度為1100℃（K型熱電偶），在短時(shí)間達(dá)到-1300℃后迅即將熱電偶抽出。但不排除實(shí)際溫度高于1300℃的情形。這個(gè)測量結(jié)果與以前生物質(zhì)燃燒報(bào)道不同。這種高溫可能是NOx濃度較高的直接原因。圖3是鍋爐尾部的溫度變化和氣體成分。
2.2生物質(zhì)燃燒的火焰和結(jié)焦現(xiàn)象
火焰觀察點(diǎn)主要分布在爐前（看火孔）、爐膛中部（爐門）和爐膛尾部（爐門）。由這些觀察點(diǎn)看到的火焰和爐排結(jié)焦現(xiàn)象對(duì)于燃燒生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐有重要參考價(jià)值。
從爐膛后部看到的生物質(zhì)顆粒燃料火焰要比燃煤時(shí)明亮許多。明亮的火焰可能意味著揮發(fā)分集中析出、迅速燃燒造成的爐膛內(nèi)的局部高溫。
生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的結(jié)焦現(xiàn)象，無論從機(jī)理還是外在表現(xiàn)都沒有獲得清晰的物理和化學(xué)認(rèn)識(shí)。但從生物質(zhì)燃燒時(shí)導(dǎo)致結(jié)焦的燃燒條件和燃料元素看，比較公認(rèn)的結(jié)焦原因可以歸結(jié)到燃料中堿金屬含量的多少，主要是鉀、鈉。相同的認(rèn)識(shí)還包括燃料中的氯元素不僅加重結(jié)焦還加重腐蝕現(xiàn)象。生物質(zhì)顆粒燃料（以秸稈最嚴(yán)重，木質(zhì)次之）中的堿金屬元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃煤，表現(xiàn)的結(jié)焦比燃煤鍋爐都嚴(yán)重。這臺(tái)鍋爐在燃煤時(shí)，產(chǎn)生的焦渣都在一定尺寸范圍內(nèi)，沒有對(duì)一次風(fēng)構(gòu)成明顯的妨礙，而在改燒生物質(zhì)顆粒燃料后出現(xiàn)了明顯的大面積結(jié)焦（見圖5）。
生物質(zhì)顆粒燃料結(jié)焦幅度很大，已經(jīng)將整個(gè)爐排覆蓋住。落渣口處的落渣形成幕布下落的感覺。對(duì)于燃燒這種生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)要求。
3、結(jié)語
生物質(zhì)顆粒燃料與燃煤有著非常大的差異。不僅涉及到燃燒，還涉及到積灰、結(jié)焦、腐蝕等眾多的燃燒伴隨現(xiàn)象。
(1)往復(fù)爐排能夠適應(yīng)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒，但鍋爐設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮燃料床結(jié)焦現(xiàn)象，新設(shè)計(jì)的鍋爐應(yīng)能保證連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
(2)燃煤鍋爐不加改造就不能很好地適應(yīng)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒。其原因：一是因?yàn)樯镔|(zhì)顆粒燃料揮發(fā)分太高，揮發(fā)分集中析出要求集中供應(yīng)二次風(fēng)。二是揮發(fā)分燃燒需要燃燒空間和受熱面等多種設(shè)計(jì)條件配合。三是生物質(zhì)顆粒燃料固定碳含量少，需要的高溫停留時(shí)間短，需要的爐排面積、燃燒強(qiáng)度都小。四是生物質(zhì)燃燒溫度低，鍋爐受熱面需要按照生物質(zhì)燃燒特性設(shè)置。
(3)生物質(zhì)燃燒的污染物排放控制主要集中在氮氧化合物方面。由于生物質(zhì)硫含量通常較低，加上堿金屬和堿土金屬的含量較高，形成很高的自脫硫能力。因此，硫氧化合物基本可以達(dá)標(biāo)。粉塵需要具有一定除塵能力的除塵器保證顆粒物排放達(dá)標(biāo)。
(4)生物質(zhì)燃燒時(shí)出現(xiàn)了不低于1300℃的高溫區(qū)域，這與生物質(zhì)散料（包括秸稈燃料）燃燒時(shí)的情形不同。由于這個(gè)高溫區(qū)域的出現(xiàn)，導(dǎo)致了較高的氮氧化合物生成。
(5)雖然都屬于非均相固體燃料燃燒，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒與燃煤幾乎不是同一概念。著火時(shí)間和著火位置、火焰形狀和溫度分布、焦渣出現(xiàn)部位和焦渣特征等都明顯不同。
(6)為保證生物質(zhì)顆粒燃料在爐膛中迅速著火、完全燃燒，需要及時(shí)供應(yīng)環(huán)境條件。如溫度、氧氣、充分混合。
(7)為保證生物質(zhì)顆粒燃料連續(xù)、穩(wěn)定燃燒，需要燃燒裝置對(duì)結(jié)焦現(xiàn)象有足夠的適應(yīng)能力，包括抑焦能力、破焦能力。
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