福州地区燃煤工业锅炉改燃生物质调研与分析

尤俊 李人鉴

（福建省特种设备检验研究院 福建福州 350008）

0 引言

据国务院《大气污染防治行动计划》（国发〔2013〕37号）要求，“到2017年，除必要保留以外，地级及以上城市建成区基本淘汰10 t/h及以下燃煤锅炉，禁止新建20 t/h以下燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建10 t/h以下的燃煤锅炉”。为贯彻落实 《大气污染防治行动计划》与国家发展改革委等七部委《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）精神，福建省经信委、省发改委、省环保厅等七部门联合印发了 《福建省燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案》，明确了推广高效锅炉、严格新建燃煤锅炉准入、淘汰落后锅炉、开展节能减排技术改造、优化燃料结构、提升运行水平、推行集中供热等措施，全面完成福建省燃煤锅炉升级改造和淘汰整治任务。

生物质燃料具有可再生性及CO2零排放特性而受到广泛关注［1］。福建省政府鼓励将燃煤工业锅炉改燃生物质。已有学者对燃煤锅炉改燃生物质的案例、改造可行性及改造效果进行了分析［2-4］。陈耿［5］对4 t/h链条炉排蒸汽锅炉进行生物质颗粒燃料的环保节能改造，通过对燃煤链条炉排的加煤斗加装长轴给料器、二次风喷管、长形拨火门等，并采用水冲击除尘系统，最终达到了环保排放达标的目的。

燃煤锅炉改燃生物质的改造技术，如给料系统、前后拱、配风方式等，都是让生物质能更加充分燃烧而设计改造的，本质上还是两种燃料的特性差异。因此，本研究首先利用福建省锅炉压力容器检验研究院的检验平台数据，对福州地区燃煤改燃生物质工业锅炉进行调查，并从煤与生物质的燃料特性方面，分析燃煤锅炉改燃生物质技术，为福州市燃煤改燃生物质工业锅炉的改造和运行提供理论基础和技术指导。

1 福州地区燃煤工业锅炉改燃生物质情况调查

基于福建省锅炉压力容器检验研究院检验平台的数据，对福州地区燃煤工业锅炉改燃生物质情况进行调查，统计工业锅炉不同类型与不同容量锅炉改燃情况。

图1显示了福州地区燃煤锅炉改燃生物质的数量分布。福州地区改燃生物质锅炉总数为152台，其中闽侯改燃锅炉最多，为41台，仓山与连江分别为33与32台，三个地区的改燃数量占69.7%。分析原因，这是由于福州地区的中小企业多数集中在这三个地区，如连江县的海产品加工厂居多，仓山区主要以鞋业、包装与装饰企业为主，闽侯县集中了食品与建材等小型企业。

图2显示了有机热载体锅炉与蒸汽锅炉改燃统计情况。从图2可知，燃煤蒸汽锅炉为123台，占燃煤改燃锅炉的81.4%，剩余为有机热载体锅炉。

图3为福州地区不同容量锅炉改燃生物质数量分布。从图3可知，改燃生物质锅炉的容量以4 t/h≤D≤10 t/h的为主，总共有71台，占总数的47%；容量为1 t/h≤D≤2 t/h锅炉改燃生物质数量次之，占总数的38%；小容量（D＜1 t/h）和大容量（D＞10 t/h）的相对较少。

2 煤与生物质的燃料特性分析

燃煤锅炉改燃生物质的本质是燃料特性变化。本文选取烟煤及福州市内有代表性几种生物质燃料作为研究对象，考察燃料特性差异，从燃料特性方面分析燃煤锅炉改燃生物质技术。

试验燃煤选用烟煤，生物质选用福州市内有代表性的稻杆、松木与成型颗粒作为研究对象。分别对试验燃料的工业成分、元素组成及热解特性进行分析。主要仪器设备：工业分析仪 （长沙开元5E-MAG6700）、元素分析仪 （长沙开元5ECHN2000）、测硫仪（长沙三德SDS516）、同步热分析仪（德国耐驰 STA 449 F3）。

表1显示了福州市内有代表性的稻杆、松木、成型颗粒与煤的元素分析和工业分析。

从表1可以看出，成型颗粒灰分含量低于2%，稻秆挥灰分比例高，为14.09%；所有生物质挥发分含量超过了60%，远远大于烟煤的28.26%；生物质的固炭定含量均在14%～17%，而烟煤固定炭在50%以上。可以看出，生物质燃料各种成分含量有所不同，较烟煤也有较大区别，导致燃料特性有显著差异。生物质主要以挥发分燃烧为主，更易引燃；煤主要以焦炭燃烧为主。同时煤的S元素比例比生物质高，更易生成SO2等污染物。

分别对生物质成型燃料与烟煤的热解过程进行分析。

图4显示了生物质成型燃料的热解失重曲线。可以看出热解主要分为三个阶段［6］：

（1）预热干燥阶段（＜140℃），此阶段主要是水分的干燥过程，并无化学变化；

（2）挥发分析出阶段（200～400 ℃），主要发生热解反应，成型燃料中所含的主要组分包括纤维素、半纤维素和木质素，三组分热解生成大量的气相产物，主要包括小分子气体和大分子的挥发性焦油，此阶段质量急剧减少，剩下的固相产物主要是焦炭。

（3）炭化阶段（＞400℃），燃料进入炭化阶段，残留的物质仍有少量的挥发分析出，生成的焦炭进一步缩聚，芳香程度增加。图5显示了烟煤的热解过程。

由上述分析可知，与烟煤的失重曲线对比（图5），生物质燃料的热解起始温度较低，在200～250℃范围内，即当温度达到此范围内，大量挥发分开始析出；而烟煤在400℃左右才开始析出挥发分，同时由于挥发分含量少，析出挥发分质量也只占到总质量的25%。根据这些特性，在实际工业锅炉的燃烧过程中，生物质更易着火，同时会在炉排前段析出大量的挥发分。从炉型设计和运行方面考虑，生物质锅炉需要有更大的均相燃烧空间和停留时间，同时要调整配风以满足挥发分燃烧所需要的氧量，否则，仅仅是对进料装置作简单改造，直接用链条炉排燃烧生物质的话，就会出现挥发分不能充分燃烧而冒黑烟、CO增多等现象。对于不同燃料特性的生物质，还应采取相应的炉型结构和污染物控制措施，才能实现清洁高效燃烧，保证设备的安全运行，减少对环境的污染物排放。

表1 生物质和煤的元素分析和工业分析 单位：wt%

由此可见，在燃煤锅炉改燃生物质的改造与运行应该从不同种类生物质的燃烧特性出发，才能保证锅炉改燃的经济性与可靠性，提高生物质开发利用的效率，保证燃生物质锅炉的正常运行。

3 结论

本文对福州地区燃煤改燃生物质锅炉情况进行了统计，并对燃煤锅炉改燃生物质中的燃料特性差异进行分析，得到以下结论：

（1）福州地区燃煤锅炉改燃生物质为152台，其中大部分为燃煤蒸汽锅炉，改燃的锅炉容量以4 t/h≤D≤10 t/h和1 t/h≤D≤2 t/h为主。

（2）生物质挥发分远大于烟煤；生物质固定碳含量均远低于烟煤，这导致生物质主要以挥发分燃烧为主；煤主要以焦炭燃烧为主。

本文对燃煤锅炉改燃生物质的燃料特性差异进行分析，为福州市燃煤改燃生物质工业锅炉的改造和运行提供理论基础。