生物质燃料特性及其对燃煤锅炉改造的影响

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生物质燃料特性及其对燃煤锅炉改造的影响

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https://www.qikanchina.com/thesis/view/8935100

生物质燃料特性及其对燃煤锅炉改造的影响

新疆楚星能源发展有限公司新疆博州第五师双河市89团园艺三场 833400

摘要：生物质燃料作为一种可再生能源，具有低碳排放、资源丰富等优点，近年来在能源领域得到广泛应用。然而，生物质燃料与煤炭在物理化学特性上存在显著差异，直接将其应用于传统燃煤锅炉会导致燃烧效率下降、设备腐蚀等问题。因此，燃煤锅炉的改造成为生物质燃料利用的关键环节。

关键词：生物质燃料；燃烧系统；受热面布置；污染物排放

1. 引言

随着全球能源结构转型和环境保护需求的日益增强，生物质燃料作为一种清洁可再生能源，受到广泛关注。生物质燃料主要包括农林废弃物、能源作物和有机废弃物等，其燃烧过程中释放的二氧化碳可通过植物光合作用重新吸收，从而实现碳循环的平衡。然而，生物质燃料的物理化学特性与煤炭存在显著差异，直接应用于传统燃煤锅炉会导致燃烧效率低、设备腐蚀等问题。因此，燃煤锅炉的改造成为生物质燃料高效利用的关键。本文旨在分析生物质燃料的特性及其对燃煤锅炉改造的影响，为相关工程实践提供参考。

2. 生物质燃料特性分析

生物质燃料的特性主要包括以下几个方面。

物理特性：生物质燃料通常具有较低的密度和较高的水分含量，这导致其热值较低，燃烧时需要更多的热量用于水分蒸发。
化学特性：生物质燃料的挥发分含量较高，易于点燃，但固定碳含量较低，燃烧过程中易产生不完全燃烧现象。
灰分特性：生物质燃料的灰分中含有较多的碱金属和氯元素，容易在高温下形成低熔点化合物，导致受热面结渣和腐蚀。
污染物排放特性：生物质燃料燃烧时产生的NOx和SOx排放量较低，但粉尘排放量较高，且可能含有重金属等有害物质。

这些特性决定了生物质燃料在燃烧过程中需要特殊的燃烧技术和设备改造。

3. 生物质燃料对燃煤锅炉改造的影响

3.1 对燃烧系统的影响

生物质燃料的燃烧方式选择需基于其物理形态和化学特性进行针对性调整，主要包括层燃、流化床燃烧和悬浮燃烧。层燃技术适用于颗粒较大的生物质燃料，如木片和玉米芯，通过固定炉排或链条炉排将燃料分层铺展并逐步燃烧，虽然结构简单、成本低，但燃烧效率易受燃料颗粒均匀性和含水率的影响，高水分燃料需要预干燥设备以提高燃烧稳定性。流化床燃烧则适用于高水分、低热值的生物质燃料，例如秸秆和稻壳，通过高速气流使燃料在炉膛内呈流态化悬浮状态，这种燃烧方式混合充分、温度较低（800–900℃），能够有效抑制NOx生成，并且可以掺烧含氯或碱金属较高的燃料以减少腐蚀性气体释放。相比之下，悬浮燃烧要求燃料颗粒细碎至微米级，类似于煤粉燃烧，适用于粉末状生物质燃料，燃烧效率可达90%以上，但对燃料预处理的要求较高，必须配备高效的粉碎和干燥设备，并优化燃烧器设计以避免火焰不稳定或炉膛结渣。

针对生物质燃料物理特性的给料系统改造是确保高效燃烧的关键步骤之一，尤其是对于含水量较高的燃料，需要集成干燥设备，如回转式干燥机或气流干燥装置，某电厂通过采用热烟气余热干燥技术，成功将燃料含水率从45%降至15%，显著提升了燃烧效率。此外，为了控制颗粒均匀性，防止给料堵塞或分布不均，可采用振动给料器筛除过大颗粒、螺旋给料机精确控制给料量以及双级给料系统实现精准分配。配风系统的改造同样重要，鉴于生物质燃料挥发分含量高的特点，需合理调整一次风与二次风的比例来优化燃烧效率，其中一次风用于燃料干燥和挥发分释放，而二次风则提供充足氧气促进焦炭燃烧和气体燃尽，优化二次风喷射角度可以进一步提升燃烧效率并减少CO排放。分级配风技术的应用，特别是在悬浮燃烧系统中，有助于控制燃烧区域的氧浓度，从而抑制NOx的生成，保证飞灰完全燃烧。

3.2 对受热面布置的影响

生物质燃料的低热值特性要求增加受热面积以维持锅炉的额定出力。具体措施包括扩展对流受热面和优化辐射受热面布局。例如，在尾部烟道增设省煤器或空气预热器，可以利用烟气余热提升给水或空气温度；采用膜式水冷壁替代传统光管水冷壁，则能够提高吸热效率并减少积灰。此外，由于生物质燃烧生成的烟气量比煤炭多出20%到30%，因此需要重新设计烟气流速（通常控制在8至12米/秒），以避免因流速过高而加剧受热面磨损，或因流速过低导致积灰问题。

为了应对生物质燃料燃烧过程中产生的高温腐蚀与积灰问题，选择合适的受热面材质至关重要。耐腐蚀合金如镍基合金Inconel 625或铁素体不锈钢T92，因其高铬含量（超过20%）能形成抵御腐蚀的致密氧化膜，被广泛应用于生物质电厂中，有效延长了过热器管的使用寿命至五年以上。此外，通过热喷涂工艺在受热面上覆盖陶瓷涂层（如Al2O3-TiO2），可显著降低灰分黏附率，试验显示，经过1000小时运行后，涂层管道的积灰厚度仅为未涂层管道的三分之一。为了进一步解决积灰问题，吹灰系统的改造也不可忽视，包括增加吹灰频率、使用多类型吹灰器组合以及在线监测与优化策略等措施，这些改进使得某75吨/小时生物质锅炉的排烟温度从180℃降至140℃，锅炉效率提升了4.5%。

3.3 对除尘设备的影响

生物质燃料燃烧产生的粉尘具有粒径细、粘附性强和比重轻的特点，这对除尘设备提出了更高的性能要求。传统静电除尘器在处理粗颗粒物时表现出色，但对于生物质燃烧生成的亚微米级灰烬，由于其高电阻率容易产生反电晕现象，导致除尘效率下降至80%到90%。相反，布袋除尘器通过纤维层的物理拦截与扩散吸附作用，对PM2.5以下的细颗粒物捕集效率高达99.5%以上，非常适合处理生物质锅炉烟气。例如，在一个20吨/小时生物质循环流化床锅炉的改造案例中，将原有的电除尘器替换为覆膜PTFE滤袋的脉冲喷吹布袋除尘器后，出口粉尘浓度从80mg/Nm³显著降低至10mg/Nm³以下，满足了GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》特别排放限值的要求。布袋材质的选择对于应对生物质燃烧过程中的高湿度环境至关重要，P84（聚酰亚胺）纤维因其优异的耐温性和耐水解性能成为首选材料。

为了进一步提升除尘效率，工程优化策略主要集中在结构设计和运行参数调控上。增加过滤面积可以有效降低过滤风速，如采用褶皱滤袋技术可以使单个滤袋的过滤面积提高2到3倍，减少设备占地面积。清灰系统的优化需结合压差控制进行，对于含油性挥发分的生物质烟气，推荐使用离线清灰模式配合低压长周期脉冲来避免二次扬尘；而针对稻壳锅炉等高浓度粉尘的情况，则更适合采用在线分室轮流清灰的方法。此外，维持烟气温度在酸露点以上20℃（通常为110至150℃），可以防止结露糊袋并保护滤料不受高温损害。在某75吨/小时秸秆锅炉的实际操作中，将烟气温度从160℃降至130℃后，粉尘比电阻降低，过滤阻力随之减少了15%，年清灰能耗降低了12%。入口预喷涂技术的应用，例如使用CaCO3粉体形成保护层，还可以有效预防未燃尽碳粒引发的滤袋燃损事故。

3.4 其他方面的影响

生物质燃料硫含量低但高氯，需关注二噁英生成风险。采用分级燃烧结合SNCR技术控制NOx排放，通过维持还原性气氛和喷入尿素溶液，使NOx排放不超过100mg/Nm³。含硫较高的木质废料建议使用半干法脱硫塔，利用脱硫后烟气湿度增加促进粉尘团聚，提升布袋除尘效率，并可循环利用生物质灰中的碱金属作为脱硫剂实现“以废治废”。在能效提升上，通过CFD优化二次风配比减少CO排放至50ppm以下，提高燃烧效率2%-3%。余热回收系统两级利用，通过空气预热器和省煤器分别将一次风加热至220℃和给水温度提升至130℃，提高热效率8%-10%。某电厂应用冷凝式余热回收装置后，排烟温度从120℃降至60℃，年节约标准煤1500吨，采用ORC低温发电技术还能额外产生3%-5%的电能输出，实现了环保与经济效益的双赢。