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成都市生物质燃料锅炉安全、环保、节能技术指南

2017-05-18  来自: 四川中能工业设备制造有限责任公司 浏览次数:232

成都市生物质燃料锅炉安全、节能、环保技术指南(暂行)

成都市特种设备检验院   2015年9月


第一章  总则

1.1  编制目的

为构建锅炉管理安全、节能、环保三位一体监管体系,依据《国家发展改革委、环境保护部、财政部、国家质检总局、工业和信息化部、国管*局、国家能源局〈关于印发燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案的通知〉(发改环资﹝2014﹞2451号)》、《国家能源局、 环境保护部〈关于开展生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设的通知〉(国能新能﹝2014﹞295号)》、《国家能源局、环境保护部〈关于加强生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设管理工作有关要求的通知〉(国能新能﹝2014﹞520号)》文件精神,成都市特种设备检验院、南京理工大学能源与动力工程学院等联合编制本技术指南。

1.2  适用范围

本指南适用于成都市全域范围。

1.3 编制依据

1.3.1  法律

《中华人民共和国特种设备安全法》

《中华人民共和国节约能源法》

《中华人民共和国大气污染防治法》

《中华人民共和国可再生能源法》

1.3.2  部门规章、规范性文件

国家质检总局关于《特种设备目录》的公告(2014年第114号)

国家环境保护部《关于执行大气污染物特别排放限值的公告》(公告2013年第14号)

国家发展改革委、国家能源局印发《能源行业加强大气污染防治工作方案》(发改能源﹝2014﹞506号)

国家发展改革委、 环境保护部、财政部、国家质检总局、工业和信息化部、国*管局、国家能源局《关于印发燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案的通知》(发改环资﹝2014﹞2451号)

国家能源局环境保护部《关于开展生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设的通知》(国能新﹝2014﹞295号)

国家能源局、环境保护部《关于加强生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设管理工作有关要求的通知》(国能新能﹝2014﹞520号)

1.3.2  标准与技术规范

GB 5468  锅炉烟尘测试方法

GB 13271 锅炉大气污染物排放标准

GB/T 16157  固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法

GB/T 21923  固体生物质燃料检验通则

GB 50016  建筑设计防火规范

GB 50041  锅炉房设计规范

GB 50051  烟囱设计规范

NY/T 443  秸杆气化供气系统技术条件及验收规范

NY/T 1878  生物质固体成型燃料技术条件

NY/T 1879  生物质固体成型燃料采样方法

NY/T 1881.1~8 生物质固体成型燃料试验方法

TSG G0001  锅炉安全技术监察规程

TSG G0002  锅炉节能技术监督管理规程

TSG G0003  工业锅炉能效测试与评价规则

1.3  术语和定义

1.3.1     生物质成型燃料

生物质成型燃料是指采用农林废弃物(秸秆、稻壳、木屑、树枝等)为原料,通过专门设备在特定工艺条件下加工制成的棒状、块状或颗粒状等生物质成型燃料,可有效改善农林废弃物的燃烧性能。

1.3.2       生物质燃料

1.4.2.1  生物质燃料

生物学起源的、适合于作为燃料使用的物质。按照相态,生物质燃料可以分为固体生物质燃料、液体生物质燃料、气体生物质燃料等子类。

1.4.2.2  生物基燃料

以生物质为原料,经过化学转化或生物化学转化而得的、有害组分(硫、重金属等)低于标准规定的气体燃料或液体燃料。

生物基燃料包括:净化后的木煤气、木煤气合成的液体燃料(如生物基合成醇)、沼气、燃料乙醇、生物柴油等。

1.4.2.3  次生生物质燃料

作为燃料使用的次生生物质,不包括生物基燃料。

次生生物质燃料,包括养殖废弃物、城市垃圾、市政污泥、生物基化学品加工的剩余物和废弃物等。

1.4.2.4 木纤维燃料

由植物器官经过机械加工而得的、有害组分(硫、重金属等)低于标准规定的固体燃料,其特征是:以木质纤维素(木质素、纤维素、半纤维素等)为主要组分、细胞结构未经化学破坏。

1.3.3       生物质成型燃料锅炉

1.4.3.1  蒸吨

蒸汽锅炉在额定的蒸汽参数、额定给水温度和使用设计燃料时,长期连续运行的最大蒸发量,单位为 t/h。

蒸汽锅炉出力用每小时额定蒸发量表示,单位为 t/h。热水锅炉和有机热载体锅炉一般以热功率表示,单位为MW。

本指南统一使用蒸吨作为锅炉容量的单位,热水锅炉和有机热载体锅炉按照热功率折算到相应的蒸吨。

1.4.3.2  生物质成型燃料锅炉

设计燃料为生物质成型燃料的蒸汽锅炉、热水锅炉或有机热载体锅炉。

1.3.4       生物质燃烧

1.4.4.1  固体生物质直接燃烧

固体生物质燃料在设置有辐射受热面的锅炉炉膛中直接燃烧。

固体生物质燃料直接燃烧设备,包括火床燃烧设备、流化床燃烧设备、火室燃烧设备等三个子类,其结构特征与常规的燃煤锅炉相同。

1.4.4.2  固体生物质间接燃烧

固体生物质燃料在绝热燃烧室中组织燃烧过程,燃尽后的高温烟气进入有辐射受热面的锅炉炉膛。间接燃烧也可以称为半直燃。

固体生物质燃料间接燃烧设备,其结构特征是将常规的锅炉炉膛分隔成两个功能区:绝热燃烧区与辐射冷却区。

1.4.4.3  生物质气化、半气化燃烧

(1)生物质气化燃烧

固体生物质燃料在气化炉中预先气化,在燃烧室中组织可燃气体的燃烧过程。

(2)生物质半气化燃烧

按照预气化燃烧的方式组织燃烧过程,固体生物质燃料在正压气化室中进行热解气化,可燃气体在燃尽室中进一步完成燃烧过程,正压气化室与燃尽室直接相连。

生物质半气化燃烧设备的燃烧过程特征与间接燃烧完全相同,其差异在于:半气化燃烧设备中的正压气化室置于锅炉炉膛之外。

1.4.4.4  生物质炭化燃烧

固体生物质燃料在炭化炉中预先炭化,在燃烧室中组织可燃气体的燃烧过程。

(1)生物质炭化冷煤气燃烧

固体生物质燃料在炭化炉中预先炭化,炭化炉排出生物炭,炭化炉生产的木煤气经过冷却、净化、存贮之后,常温木煤气送入木煤气燃烧器在锅炉炉膛中组织燃烧过程。

(2)生物质炭化热煤气燃烧

固体生物质燃料在炭化炉中预先炭化,炭化炉排出生物炭,炭化炉生产的木煤气经过冷却之后,在焦油尚未凝结的热态条件下送入木煤气燃烧器在锅炉炉膛中组织燃烧过程。

(3)生物质半炭化燃烧

按照预炭化燃烧的方式组织燃烧过程,固体生物质燃料在正压炭化室中进行热解气化,炭化室排出生物炭,可燃气体在燃尽室中进一步完成燃烧过程,正压炭化室与燃尽室直接相连。

生物质半炭化燃烧设备,燃烧过程的特征与间接燃烧设备完全相同,其差异在于:半炭化燃烧设备中的正压炭化室置于锅炉炉膛之外。

1.4.4.5低氮燃烧

锅炉排烟中的NOX浓度能够稳定地低于200mg/m 3的燃烧方式。

1.4.5 生物质燃烧器

1.4.5.1  生物基生物质燃烧器

使用生物基燃料的燃烧设备,称为生物基燃料燃烧器。生物基燃料,包括冷态木煤气、沼气、生物基合成醇、燃料乙醇、生物柴油等。

生物基燃料燃烧器与常规的气体或液体燃料燃烧器完全相同,按照TSG ZB001 《燃油(气)燃烧器安全技术规则》和TSG ZB002 《燃油(气)燃烧器型式试验规则》的相关规定,进行设计、制造和监管。使用生物基燃料燃烧器的锅炉,属于生物基燃料锅炉。

各种生物基燃料燃烧器中,“冷态木煤气燃烧器”用于“生物质气化冷煤气燃烧系统”和“生物质炭化冷煤气燃烧系统”。配备冷态木煤气燃烧器的锅炉,属于生物基燃料锅炉。

1.4.5.2  热态木煤气燃烧器

在“生物质气化热煤气燃烧系统”和“生物质炭化热煤气燃烧系统”中,燃用热态木煤气的燃烧设备,称为热态木煤气燃烧器。

热态木煤气燃烧器与常规的气体燃料燃烧器有显著差异,由于气化炉(或炭化炉)与燃烧器直接相连,燃烧器与锅炉炉膛直接相连,所以气化炉(或炭化炉)与燃烧器是不可分割的整体,可以统称为“生物质气(炭)化热煤气燃烧器”。

“生物质气(炭)化热煤气燃烧器”,无法按照TSG ZB001 《燃油(气)燃烧器安全技术规则》和TSG ZB002《 燃油(气)燃烧器型式试验规则》的相关规定进行设计、制造和监管,需要进一步完善相关标准和规程。

在缺乏相关标准和规程的前提下,设计和使用“生物质气(炭)化热煤气燃烧器”,不属于法定的禁止范围,但应当参照相近的系统和规则,加强规范,以确保安全。

配备热态木煤气燃烧器的锅炉,属于生物基燃料锅炉。

1.4.5.3  木纤维燃料半气(炭)化燃烧器

以木纤维燃料作为设计燃料,由正压气化室(或正压炭化室)与燃尽室共同构成的“半气化燃烧”的燃烧系统,气化室(或炭化室)与燃尽室直接连通,称为木纤维燃料半气化燃烧器。

1.4.5.4  木纤维颗粒半气(炭)化燃烧器

以木纤维颗粒燃料作为设计燃料,由正压气化室(或正压炭化室)与燃尽室共同构成的“半气化燃烧”的燃烧系统,称为木纤维颗粒半气化燃烧器,简称颗粒燃烧器。

木纤维颗粒半气化燃烧器与常规燃烧器有显著差异,由于正压气化室(或正压炭化室)与燃尽室是一体的,所以将正压气(炭)化室与燃尽室统称为“木纤维颗粒半气(炭)化燃烧器”。

“木纤维颗粒半气(炭)化燃烧器”,无法按照TSG ZB001《燃油(气)燃烧器安全技术规则》和TSG ZB002《燃油(气)燃烧器型式试验规则》的相关规定进行设计、制造和监管,需要进一步完善相关标准和规程。

在缺乏相关标准和规程的前提下,设计和使用“木纤维颗粒半气(炭)化燃烧器”,不属于法定的禁止范围,但应当参照相近的系统和规则,加强规范,以确保安全。

1.4.5.5  木纤维粉体半气化燃烧器

以木纤维粉体燃料作为设计燃料,由正压气化室(或正压炭化室)与燃尽室共同构成的“半气化燃烧”的燃烧系统,称为木纤维粉体半气化燃烧器,简称粉体燃烧器。

木纤维粉体半气化燃烧器与常规燃烧器有显著差异,由于正压气化室与燃尽室是一体的,所以将正压气化室与燃尽室统称为“木纤维粉体半气(炭)化燃烧器”。

“木纤维粉体半气化燃烧器”,无法按照TSG ZB001《 燃油(气)燃烧器安全技术规则》和TSG ZB002 《燃油(气)燃烧器型式试验规则》的相关规定进行设计、制造和监管,需要进一步完善相关标准和规程。

在缺乏相关标准和规程的前提下,设计和使用“木纤维粉体半气化燃烧器”,不属于法定的禁止范围,但应当参照相近的系统和规则,加强规范,以确保安全。

1.4.6  高效除尘

木纤维燃料锅炉的初始排尘中,PM2.5的浓度在200mg/m 3以上,要达到规定的烟尘排放指标,则木纤维燃料的锅炉必须配备高效除尘设备。

1.4.6.1  高效除尘器

对PM2.5的除尘效率高于90%的除尘器。

1.4.6.2  布袋除尘器

以布袋作为过滤元件的干法过滤式除尘设备。

1.4.6.3  高效湿法除尘器

对PM2.5的除尘效率高于90%的湿法除尘器。

常见的高效湿法除尘器有:湿法静电除尘器、高速文丘里除尘器、湿法过滤式除尘器等。

第二章  生物质(成型)燃料锅炉安全、节能、环保技术基本要求

2.1  安全技术要求

凡属《特种设备目录》所列锅炉产品,必须按照《中华人民共和国特种设备安全法》《锅炉安全技术监察规程》等相关法律法规和技术规范要求组织设计、制造、安装、监检,并在特种设备安全监督管理部门办理使用登记,取得使用登记证,方可投入使用。

 针对生物质成型燃料锅炉的燃烧特性,因其燃烧过程中产生大量挥发性可燃气体,因此燃烧系统验收应具有产品质量证明书、安全使用说明书、企业制造产品的技术标准、企业针对产品的安全保护装置必须进行的型式试验项目及试验结论、企业安装燃烧系统的调试报告等技术文件。

2.2  节能技术要求

生物质(成型)燃料锅炉应符合TSG G0002《锅炉节能技术监督管理规程》的各项规定,锅炉热效率的重要参数设计值应达到有关要求。新建生物质成型燃料锅炉和改造现役生物质成型燃料锅炉,热效率、排烟温度、排烟氧含量、热力系统各部位表面温度均应达到设计指标,且额定工况下热效率应高于规程中各炉型燃用褐煤目标值。

2.3  环保技术要求

蒸发量10t/h或7MW以上的生物质燃料锅炉,未安装低氮燃烧装置或低氮燃烧装置不能保证污染物稳定达标排放的,须安装脱硝脱硫、旋风除尘加布袋除尘或其它高效的除尘装置。

蒸发量20t/h及以上和14MW及以上生物质质燃料锅炉应安装污染物排放自动监控设备,脱硝脱硫装置能够按照污染物排放情况自动投入运行工况。

蒸发量大于等于1t/h、小于等于10t/h的生物质燃料锅炉应采用可靠稳定的低氮燃烧装置保证NOx排放指标达到特别排放限值要求,并配备成熟可靠的旋风除尘加布袋除尘或其它高效的除尘装置在保证颗粒物排放指标的同时达到特别排放限值要求。

第三章  生物质(成型)燃料锅炉的排放要求

按照环保部《关于执行大气污染物特别排放限值的公告》(公告2013年第14号)要求,在成都市全域范围,生物质(成型)燃料锅炉大气污染物排放执行GB 13271《锅炉大气污染物排放标准》中重点地区的特别排放限值。

按照国家能源局《关于加强生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设管理工作有关要求的通知》(国能新能﹝2014﹞520号)文件规定,在重点地区建设的示范项目,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度应达到天然气特别排放限值要求,鼓励采用大气污染物排放指标低于GB 13271《锅炉大气污染物排放标准》要求的生物质(成型)燃料锅炉。

环评报告书提出有具体要求的,按环评报告书的要求执行。

 

第四章  生物质成型燃料锅炉安全、节能、环保技术条件

4.1 基本原则

(1)生物基燃料,视同清洁燃料,可以用于各种容量的锅炉。

(2)次生生物质燃料,视同高污染燃料。

(3)木纤维燃料,在满足技术指南要求并达到规定的安全指标、能效指标、环保指标的前提下,视同清洁燃料,本指南的后续条款,仅适用于木纤维燃料锅炉。

4.2  木纤维燃料锅炉概述

我国木纤维燃料的每年可利用的资源总量超过4亿吨标准煤,是最适宜的煤炭替代燃料。在当前的技术水平与资源限制的条件下,有潜力在工业锅炉上大规模使用的廉价清洁燃料只有木纤维燃料。

锅炉的烟气排放指标有四项:SO、NOx、颗粒物、排烟黑度。另外,燃烧产生的固体废弃物的排放指标有一项:重金属含量。当燃烧工况不稳定时,会产生大量的气相不完全燃烧产物。

木纤维燃料锅炉排放的污染物中,颗粒物、SO、重金属这三项指标,直接取决于燃料,气相不完全燃烧产物则与燃料的粒级分布有密切关联。

锅炉烟气中排放的颗粒物浓度,取决于燃料的灰分、飞灰份额、除尘效率三个参数,其中与燃料质量相关的指标只有燃料的灰分,但最后的控制性因素是除尘器的性能。所以,木纤维燃料锅炉必须配备高效除尘器。

锅炉烟气中排放的SO浓度,取决于燃料的含硫量、碱金属和碱土金属含量。木纤维燃料中富含碱金属或碱土金属元素,燃烧时具有良好的固硫效果,通常条件下,只要木纤维燃料中的干燥基硫分不超过0.1%,就能有效地保障烟气中SO的排放浓度达到要求。

锅炉烟气中排放的NOx浓度,取决于燃烧方式,对锅炉的基本要求是:燃烧过程能够达到稳定的低氮燃烧,或者配备可靠的烟气脱硝系统。

合格的木质纤维燃料必须是重金属含量不超标的燃料。

第五章  燃烧技术

5.1  木纤维燃料燃烧设备的基本条件

工业锅炉五个一级质量指标,分别是:安全性、可靠性、制造经济性、使用经济性、环保性能。这五个指标中,除去“制造经济性”指标应当交由市场选择之外,则其余四个指标是衡量工业锅炉质量的准绳。

5.2  燃烧失调的诱因与危害

对于木纤维燃料锅炉的而言,当发生燃烧状态失调时,可能造成以下后果。

5.2.1   安全性

木纤维燃料的无水无灰基挥发份高达80%以上,燃烧设备中,可燃物的主要部分以可燃气体的均相燃烧方式进行燃烧,与其它气体燃料类似,燃烧状态失调时也存在着炉膛爆燃或爆炸的巨大安全隐患。实际上,在很多生物质锅炉的实际运行中,炉膛爆燃已经是常见现象。

5.2.2   可靠性

木纤维燃料,特别容易在炉膛出口处的对流受热面上产生高温粘结灰堵塞烟道,导致出力下降、炉膛冒正压、燃烧失调等现象,严重时被迫停炉清理,致使锅炉用户的正常生产受到严重干扰。

5.2.3 能效

受热面严重积灰造成烟道堵塞而诱发燃烧失调时,锅炉热效率大幅度下降。

5.2.4污染物排放

燃烧失调时,污染物排放量大幅度增加。在不完全燃烧的条件下,木纤维燃料工业锅炉的烟气中排放的污染物总量会大幅度增加,直接表现是排烟黑度超标。

所以,木纤维燃料锅炉的特殊之处在于:容易发生粘结性积灰、炉膛爆燃等现象,有多种因素都可能诱发燃烧状态失调。燃烧状态失调时,工业锅炉的安全、可靠、能效、环保等指标将同时恶化。

5.3  负荷多变的危害

工业锅炉的另外一个基本特点是负荷多变,对于包括木纤维燃料在内的固体燃料而言,这意味着需要频繁地进行压火、升火、变负荷等燃烧操作,对于高挥发份固体燃料而言,这些过渡过程的燃烧性能指标要比稳态条件下的指标更加重要,否则将会出现安全隐患并加大污染物排放。由于木纤维燃料的挥发份远远高于褐煤,如果没有可靠的燃烧自动调节系统,则木纤维燃料将成为高污染燃料。

5.4  燃烧产生的污染物

木纤维燃料锅炉污染物排放指标的保障方式是:SO排放浓度依靠燃料准入标准来控制;烟尘排放浓度依靠除尘系统;NOx的排放浓度依靠低氮燃烧方式控制为宜。

生物质锅炉执行NOx低于200mg/m3的排放标准,这对于中小型工业锅炉而言是很苛刻的要求。无论是采用SCR还是采用SNCR,脱硝效率都对烟温敏感,而负荷多变的工业锅炉,无法保证特定区域的烟温,即使安装了烟气脱硝系统,也难以达到期望的脱硝效果。在不使用烟气脱硝的措施时,只能采用能够达标排放的低氮燃烧方式,并能够在过渡过程中维持NOx浓度的稳定,工业锅炉燃烧设备才能具有实用性。所以,木纤维燃料工业锅炉的燃烧设备,必须是稳定的低NOx型燃烧设备。

除了烟尘、SO、NOx之外,生物质燃烧的特殊之处在于不完全燃烧时产生高毒性污染物浓度远远高于其它种类的燃料,主要的不完全燃烧产物有:一氧化碳CO、甲烷CH4、非甲烷挥发性有机物NMVOC、多环芳烃PAH、二噁英与呋喃PCDD/PCDF等。所以,木纤维燃料工业锅炉的燃烧设备,必须是能够保证气相可燃物能够接近于完全燃尽的高效燃烧设备。考虑到气相可燃物中CO的燃尽最为困难,所以符合清洁燃烧要求的木纤维燃料燃烧设备,必须具有CO燃尽率高的特征。

5.5  木纤维燃料燃烧设备的基本要求

工业锅炉使用的木纤维燃料的清洁燃烧设备,具有以下基本特征:

    1. 燃烧系统具有良好的负荷适应性;

    2. 采用高效低氮燃烧方式,在稳定负荷和过渡过程中都能可靠地保证CO和NOX的低浓度排放;

    3. 有可靠的技术措施消除炉膛爆燃现象;

    4. 有可靠的技术措施消除高温粘结灰的不良影响和保证燃烧装置长期稳定运行;

    5. 配备可靠的燃烧过程自动调节系统和燃烧安全保护系统。

所以,木纤维燃料工业锅炉的燃烧设备,必须实质性地进行全面的技术升级,才能使得木纤维燃料在真正意义上成为可以替代煤炭的清洁燃料。

5.6 燃烧设备设计准则

尺寸高效清洁燃烧,必然是一个可控、可调的精细化燃烧过程。考虑到工业锅炉的特征,从燃烧过程控制来看,对木纤维燃料工业锅炉燃烧设备提出五项设计准则,分述如下。

5.7  燃烧控制

5.6.1 燃烧温度控制:“锅/炉分离准则”

想要在负荷多变的条件下实现高效清洁燃烧,基本前提是在各种负荷条件下都能够维持燃烧过程的稳定性,在传统的工业锅炉中,这个要求几乎是不可能完成的。

稳定燃烧的首要条件是燃烧区域内的温度能够维持稳定,要在负荷多变的条件下实现高效清洁的燃烧,必须采用绝热燃烧室的燃烧方式。绝热燃烧室中想要维持过量空气系数的稳定并维持合理的燃烧温度,则只能采用冷烟再循环的技术手段。所以,为了在负荷多变的工业锅炉中实现高效清洁燃烧,必须在燃烧室内切断燃烧和换热的关联,其本质是“锅”与“炉”分离,“锅”的辐射受热面所在的空间不能作为燃烧场所而只能作为一个辐射冷却室使用。在这种条件下,燃烧室内的燃烧温度的设定与在线调节,只能采用冷烟再循环的方式,并以再循环冷烟流量为调节参数。

根据以上分析可知:高效清洁的木纤维燃料工业锅炉燃烧设备,最基本的特征是:使用独立的绝热燃烧室,设置有流量可调的冷烟再循环系统。这个设计原则也适用于使用其它燃料的工业锅炉。

“锅/炉分离”的本质,是燃烧与辐射换热的分离,在使用冷烟再循环控制燃烧温度的前提下,既可以采用外置绝热燃烧室的方式,也可以采用在锅炉炉膛中的燃烧区域设置耐火卫燃带的方式。

按照“锅/炉分离准则”设计的木纤维燃料燃烧设备,可以保证在各种负荷条件下都有稳定的燃烧温度,对于负荷多变的工业锅炉而言,可以为燃烧效率提供最基础的保障,特别是在低负荷条件下,可以最*大程度地消除不完全燃烧带来的严重污染。

5.6.2 燃烧气氛控制:“三级配风准则”

工业锅炉的高效清洁燃烧,虽然具体的技术内容无法限定,但是原则性的核心内容是:在低氮燃烧模式下实现高效燃烧。为了实现这个目标,多年来进行了大量的理论研究、实验研究和工程实践,主要结论可以定性地表述为:燃烧室内的温度分布、浓度分布、速度分布,共同决定了燃烧过程的过程特征,高效清洁燃烧技术,就是寻求温度场、浓度场、流场之间最佳的分布与耦合。显然,不同种类的燃料,燃烧性质与燃烧进程各不相同,需要采用不同的技术路径。

所谓低氮燃烧模式,是根据燃烧过程中NOx的生成和湮灭的机理,采用合适的技术手段降低燃烧产物中NOx浓度的燃烧方式,常用的技术手段有:低温燃烧、低氧燃烧、分级燃烧、浓淡燃烧、烟气再循环等,其中分级燃烧和烟气再循环是最常用的技术。

工业锅炉的燃烧系统本身就需要引入烟气再循环作为绝热燃烧室的温度控制手段,它同时也是一种实现低氮燃烧的技术措施。

分级燃烧是工程中实际应用最广的低氮燃烧技术,它分为三种类型:空气分级、燃料分级、空气分级叠加燃料分级,其中空气分级叠加燃料分级的效果最佳但系统最复杂。空气分级的燃烧技术最容易实现,它要求按照燃烧进程逐级加入空气,通常是在燃烧室内设置两个燃烧区:主燃烧区和燃尽区,主燃烧区按照过量空气系数小于1的条件配风,剩余的可燃物在燃尽区使用燃尽风完成燃烧过程。

在工业锅炉的各种燃料中,木纤维燃料具有实现清洁燃烧的特殊优势:可以非常方便地采用空气分级叠加燃料分级的低氮燃烧方式,这是由木纤维燃料的特殊性质所决定的。

木纤维燃料是一种高挥发份的固体燃料,标准测试条件下(GB/T 28731-2012)的无水无灰基挥发份约在85%左右,实际燃烧条件下的挥发份产率取决于加热温度、升温速率和加热时间。无论是何种燃烧方式(气化燃烧、炭化燃烧、半气化燃烧、直接燃烧),木纤维燃料都是依次经历预热、干燥、热解(析出挥发份)等过程,之后才进入燃烧阶段,热解产物是气相的挥发份和固相的固定碳,挥发份和固定碳分别进行均相燃烧和多相燃烧过程,两者具有完全不同的燃烧速率和燃尽性能,所以木纤维燃料的燃烧过程,天然的具有燃料分级的燃烧特征。从组织燃料分级的低氮燃烧过程的条件来看,木纤维燃料的性质优于煤、天然气、柴油等燃料。

在燃烧过程的过程设计中,只要专门分出一路空气,其氧化过程所产生的热量用于补偿预热、干燥、热解过程所需要的热量,即可得到燃料分级所需要的条件,这部分空气可以称为“底风”。火床的炉排风、流化床的流化风、粉体燃烧器的一次风、气化炉和炭化炉的操作气、半气化燃烧器的操作气等,都具有相同的作用,皆属于“底风”。“底风”是最先接触木纤维燃料的空气,对燃烧系统的启动与着火有着决定性影响。

木纤维燃料与底风接触之后,完成了热解过程,产生了大量气相可燃物质,这部分可燃气体可以进一步按照空气分级的燃烧方式组织低氮燃烧,后续的空气分为两路送入燃烧室:在燃烧进程中,在第二顺位接触可燃物的那一路空气称为二次风,在第三顺位接触可燃物的那一路空气称为燃尽风。二次风和燃尽风皆用于燃用热解产物,这是一种典型的空气分级燃烧方式,只有热解产生的气相组分(主体是木纤维燃料的挥发份)较高时才有良好效果。

综上所述,燃用木纤维燃料时,入炉空气采用三路送入时,由底风、二次风、燃尽风组成的三级配风系统,就构建出了一个简单而完整的“空气分级叠加燃料分级”的低氮燃烧系统,该系统所形成的燃烧气氛具有最佳的低氮特征。

从“空气分级叠加燃料分级”的实现难度和过程稳定性来看,木纤维燃料是优质的低氮燃料,合理组织燃烧过程时,烟气中的NOx浓度远远低于煤炭。考虑到工业锅炉难以采用烟气脱硝系统,NOx的实际排放取决于燃烧过程,所以,仅从NOx来看,木纤维燃料是一种优质的工业锅炉燃料。但是,如果不能合理配风,则木纤维燃料的优势将不会体现出来。

“三级配风准则”,是低氮型木纤维燃烧设备的通用设计准则,可以在各类木纤维燃料燃烧设备上使用,包括直燃、半直燃、气(炭)化燃烧、半气(炭)化燃烧等,具体实现的方式可以灵活多样,但基本原理相同。

5.6.3 燃烧负荷调节:“独立风道准则”

工业锅炉具有负荷多变的特征,热用户的用热负荷是一个变量,锅炉负荷必须对用户的用热负荷进行随机跟踪:在系统未设置蓄热器时,用热负荷与锅炉负荷之间是一个刚性耦合关系,大部分工业锅炉供热系统皆属于此类,这与发电厂与电用户之间通过电网供电的系统具有类似负荷特征;系统有蓄热能力但蓄热容量不足时,用热负荷与锅炉负荷之间是一个准刚性的耦合关系。

锅炉的供热负荷与两个因素有关:锅炉自身的蓄热量以及燃烧系统的燃烧功率。

锅炉自身的蓄热量与耐火保温结构和工质(热媒)存量有关,对于蒸汽锅炉而言主要是与锅炉的水容积相关,间歇给水与连续给水之间具有明显的动态特性的差异性,连续给水的系统的热容量动态特性要显著地优于间歇给水系统,所以负荷调节的难度较低。

如果不考虑系统蓄热的影响,则燃烧系统的燃烧功率与热用户的用热负荷之间是一个刚性耦合关系,此时要求燃烧功率能够及时跟踪用热负荷的变化,锅炉的工况才能稳定。由于用热负荷不可能完全预知,所以燃烧功率只能通过传感器采集锅炉的在线工质参数(温度、流量、压力等),并建立控制与调节的数学模型,发出调节指令后通过燃烧系统的负荷调节执行机构来执行。所以,工业锅炉的燃烧负荷调节系统由三个部分构成:在线的工质参数传感器、控制器、执行机构,这与常规的工业控制系统相同。

如前所述,木纤维燃料工业锅炉的燃烧系统具有特殊的燃烧负荷调节特性:挥发份的燃烧类似于气体燃料的燃烧,只有极短的时间延迟;但固定碳的燃烧具有较长的时间延迟。通常,气体燃料的燃烧负荷调节需要快速地同步完成燃料量与空气量的调节,在配置烟气再循环的三级配风系统中,至少要随着燃料供给量的变化同步地调节四路气流流量,这种调节过程非人力所能及。木纤维燃料工业锅炉,如果采用人工调节,可能诱发熄火、炉膛爆炸等恶性事故,同时无法保证调节过程中的燃烧效率和污染物生成量。所以,木纤维燃料工业锅炉应当配备燃烧负荷自动调节系统,这与天然气锅炉类似。

实现木纤维燃料工业锅炉的燃烧负荷自动调节,技术上具有极高的难度,主要体现在三个方面:燃料供给量必须精确可调、各路风量必须精确可调、燃烧调节的数学模型必须符合实际燃烧条件。以上三个条件中前两个条件必须通过特定的设备来保障。在此,只对风量调节进行说明。

如前所述,木纤维燃料工业锅炉至少需要四路风量(循环冷烟、底风、二次风、燃尽风),具体在线负荷下的风量配比由燃烧调节的数学模型给定,所以这四路风量都必须是精确可调的。风系统有两种设计:单风机多路风道系统、多风机独立风道系统,前者的风量调节执行机构是风门,后者可以由变频风机作为执行机构。这两种风系统具有完全不同的调节性能:前者总风量容易精确控制但支路风量难以精确控制,后者总风量难以精确控制但支路风量容易精确控制。考虑到燃烧自动调节系统中可以设置烟气传感器对总风量进行闭环控制,所以木纤维燃料工业锅炉燃烧设备的风系统,应当采用多风机独立风道系统,这就是“独立风道准则”。

按照“独立风道准则”设计的木纤维燃料工业锅炉,至少需要三台风量可调的送风机,加上锅炉本身的引风机,则一台锅炉至少需要配备4台变频风机(如果需要使用烟气再循环,则需要增加相应数量的风机),才能达到最基本的燃烧负荷自动调节的要求,与只设置一台鼓风机的常规燃煤设备相比,这是一种完全不同的燃烧体系。

“锅/炉分离准则”、“三级配风准则”、“独立风道准则”,是变负荷条件下稳定地实现低氮燃烧的基础条件,按照这三个准则设计的各类燃烧设备,具有相同的火焰行程参数特征,在自动调节模式下,不同燃烧负荷皆具有稳定的温度和气氛。依照上述三个准则设计的木纤维燃料燃烧设备,火焰行程中的温度和气氛皆处于可控和可调的状态,燃烧进程分为三个阶段:热解区、还原区、氧化区,分别对应着底风影响区、二次风影响区、燃尽风影响区。在燃尽风之前,皆是氧量不足的还原性气氛,高温缺氧的

关键词: 生物质锅炉           

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