2.3 生物質成型燃料燃燒特性及設備

2.3.1 生物質成型燃料燃燒過程及特性

生物質成型燃料的燃燒過程如圖2.25所示。首先是揮發分的析出和燃燒，在200℃左右揮發分開始析出，550℃左右大部分揮發分已析出。隨著揮發分的不斷燃燒，逐漸進入到表面焦炭過渡區燃燒階段，此時揮發分和成型燃料表面的焦炭同時燃燒。揮發分基本燃盡后，就進入以炭燃燒為主的階段，由于成型燃料焦炭骨架結構相對緊密，運動的氣流難以使其解體，炭骨架保持層狀燃燒。這時炭燃燒需要的氧主要依賴滲透擴散作用提供，燃燒狀態相對穩定。在燃燒過程中可以清楚地看到炭燃燒時藍色火焰包裹著明亮的炭塊，燃燒時間明顯延長，圖2.26所示是生物質成型燃料燃燒過程的照片。

與松散的生物質燃燒過程相比，成型燃料的燃燒過程相對穩定，主要體現在以下兩方面：

（1）成型燃料的致密結構限制了揮發分的析出速度，為有效降低揮發分不完全燃燒產生的熱損失創造了條件。而揮發分不完全燃燒產生的熱損失恰恰是松散生物質燃燒初期存在的突出問題。產生該問題的原因是初期大量揮發分快速析出使得供氧與需氧難以有效匹配。研究發現，隨著成型燃料密度的增大，成型燃料內部揮發分析出所遇阻力增加，揮發分析出速度減緩，從而為平衡氧氣的供需矛盾創造了條件。

（2）在炭燃燒階段，成型燃料的骨架不易被熱氣流沖散，可以降低焦炭不完全燃燒產生的熱損失，而焦炭不完全燃燒產生的熱損失是困擾松散生物質燃燒的第二大問題，這是由于松散生物質的炭骨架非常疏松，極易被熱氣流沖散并隨排煙進入大氣，從而導致焦炭不能完全燃燒，并產生大量顆粒污染物。

生物質成型燃料與松散生物質燃燒特性的相同之處在于，兩者在燃燒過程中都有結渣和沉積腐蝕問題。

沉積是由生物質的堿金屬等易揮發物質在高溫下揮發進入氣相后，與煙氣、飛灰一起在鍋爐對流換熱器、再熱器、省煤器、空氣預熱器等受熱面上凝結、黏附或者沉降的現象，圖2.27所示為秸稈燃燒過程中在鍋爐過熱器及爐墻表面形成的沉積。沉積層會隨著設備使用時間的延長逐漸增厚，使換熱效率逐步降低，并可以造成換熱設施因腐蝕而泄漏。

沉積對燃燒設備的危害主要表現在以下三個方面：

（1）導致燃燒設備熱效率下降。沉積層的導熱系數一般只有金屬管壁導熱系數的1/400～1/1000。比如，當鍋爐受熱面上有厚1mm的沉積層時，導熱系數就降到原來的1/50左右，嚴重影響受熱面內的熱量傳導，并最終影響設備的熱效率。

（2）造成受熱面嚴重腐蝕。生物質尤其是秸稈類生物質含有較多的氯元素，燃燒時氯會被釋放到煙氣中。釋放出來的氯與煙氣中的其他成分反應生成氯化物，凝結在飛灰顆粒上，當遇到溫度較低的受熱面時，就與飛灰一起沉積在受熱面上，氯化物與受熱面上的金屬或金屬氧化物反應，把鐵元素置換出來形成鹽等不穩定化合物，從而造成受熱面的腐蝕。

（3）影響設備的正常運行。比如，隨著受熱面上的沉積物日益增厚，當破壞沉積形成的作用力（包括重力、氣流黏性剪切力以及飛灰顆粒對壁面上沉積的撞擊力等）超過了沉積與壁面的黏結力時，沉積層就會從受熱面上脫落，形成塌灰，從而嚴重影響設備正常燃燒、誘發運行事故、甚至導致設備損壞。

所以，預防和解決沉積問題是生物質成型燃料燃燒設備一個重要的研究方向，該問題的解決可以從抑制堿金屬的析出，或者及時清除沉積等角度出發。

結渣是生物質成型燃料燃燒面臨的另一突出問題。結渣是指燃料灰渣在高溫下黏結于爐排等部位，并不斷積累的現象。生物質成型燃料易于結渣的根本原因同樣在于其堿金屬和氯元素含量高，而這些元素能夠降低灰熔點，導致生物質在燃燒過程中容易產生結渣，從而影響燃燒效率及鍋爐出力，嚴重時會造成鍋爐停機。

2.3.2 生物質成型燃料燃燒設備

生物質成型燃料燃燒設備應根據燃料的燃燒特性進行設計，基本原則是在保證燃料高效燃燒的前提下，避免或減少沉積及結渣的形成，減少沉積對燃燒及換熱設備的腐蝕，延長設備使用壽命。

生物質成型燃料燃燒設備的關鍵部件是爐排與爐膛。爐排的設計與進風量關系密切，同時影響結渣的程度。爐膛的設計直接影響燃料的燃燒效率與污染物排放，同時與沉積腐蝕程度有緊密關系。

合理的爐排設計可以有效避免或阻止燃料燃燒過程灰粒聚團結渣，并能實現合理的配風。為了有效減少結渣的形成，在爐排設計方面，目前多采用活動式爐排，通過爐排上下前后的運動、振動或轉動等產生的剪切力阻止結渣的形成。

生物質成型燃料燃燒設備的爐膛多采用雙燃室或多燃室爐膛結構設計，顆粒燃料鍋爐結構如圖2.28所示。通過增加燃室及加大燃室截面，降低出口煙速，減少飛灰量及飛灰粒度，從而減輕飛灰對鍋爐換熱面的沖刷磨損。爐膛內布置足夠的換熱面，使燃燒產生的煙氣從爐膛排出時溫度降至灰渣的變形溫度以下，以防在換熱面發生沉積，同時可以延長煙氣在爐膛內的行程，增加其在爐膛內的滯留時間，提高換熱效率。

生物質成型燃料燃燒設備設計的關鍵參數主要有過量空氣系數、爐排面積、爐膛容積、爐排速度等。根據試驗，小型生物質成型燃料爐具的過量空氣系數一般需要大于2，大中型燃燒設備的過量空氣系數也必須大于1.5。

圖2.29所示是一變速鏈條爐排雙燃燒室生物質成型燃料鍋爐結構。該鍋爐采用變速爐排雙燃燒室結構設計。爐排變速運動可實現燃料與風量風速匹配，減輕結渣，同時雙燃室結構的設計可有效減少沉積腐蝕。

該鍋爐具有的顯著特點是：①多燃燒室設計，設置裂解室、高溫氣（固）相燃燒室、二次燃盡室；②前后分段多次供風、梯次配氧，保證燃燒工況優化；③設置吹灰裝置，及時清除沉積物，避免結焦產生深度腐蝕；④采用爐排變速運動，隨時根據燃料及工況調整運行速度。