2.3 生物质成型燃料燃烧特性及设备
2.3.1 生物质成型燃料燃烧过程及特性
生物质成型燃料的燃烧过程如图2.25所示。首先是挥发分的析出和燃烧，在200℃左右挥发分开始析出，550℃左右大部分挥发分已析出。随着挥发分的不断燃烧，逐渐进入到表面焦炭过渡区燃烧阶段，此时挥发分和成型燃料表面的焦炭同时燃烧。挥发分基本燃尽后，就进入以炭燃烧为主的阶段，由于成型燃料焦炭骨架结构相对紧密，运动的气流难以使其解体，炭骨架保持层状燃烧。这时炭燃烧需要的氧主要依赖渗透扩散作用提供，燃烧状态相对稳定。在燃烧过程中可以清楚地看到炭燃烧时蓝色火焰包裹着明亮的炭块，燃烧时间明显延长，图2.26所示是生物质成型燃料燃烧过程的照片。
图2.25 生物质成型燃料的燃烧过程示意图
与松散的生物质燃烧过程相比，成型燃料的燃烧过程相对稳定，主要体现在以下两方面：
（1）成型燃料的致密结构限制了挥发分的析出速度，为有效降低挥发分不完全燃烧产生的热损失创造了条件。而挥发分不完全燃烧产生的热损失恰恰是松散生物质燃烧初期存在的突出问题。产生该问题的原因是初期大量挥发分快速析出使得供氧与需氧难以有效匹配。研究发现，随着成型燃料密度的增大，成型燃料内部挥发分析出所遇阻力增加，挥发分析出速度减缓，从而为平衡氧气的供需矛盾创造了条件。
图2.26 成型燃料燃烧过程
（2）在炭燃烧阶段，成型燃料的骨架不易被热气流冲散，可以降低焦炭不完全燃烧产生的热损失，而焦炭不完全燃烧产生的热损失是困扰松散生物质燃烧的第二大问题，这是由于松散生物质的炭骨架非常疏松，极易被热气流冲散并随排烟进入大气，从而导致焦炭不能完全燃烧，并产生大量颗粒污染物。
生物质成型燃料与松散生物质燃烧特性的相同之处在于，两者在燃烧过程中都有结渣和沉积腐蚀问题。
沉积是由生物质的碱金属等易挥发物质在高温下挥发进入气相后，与烟气、飞灰一起在锅炉对流换热器、再热器、省煤器、空气预热器等受热面上凝结、黏附或者沉降的现象，图2.27所示为秸秆燃烧过程中在锅炉过热器及炉墙表面形成的沉积。沉积层会随着设备使用时间的延长逐渐增厚，使换热效率逐步降低，并可以造成换热设施因腐蚀而泄漏。
图2.27 秸秆燃烧过程中在锅炉过热器及炉墙表面上的沉积
沉积对燃烧设备的危害主要表现在以下三个方面：
（1）导致燃烧设备热效率下降。沉积层的导热系数一般只有金属管壁导热系数的1/400～1/1000。比如，当锅炉受热面上有厚1mm的沉积层时，导热系数就降到原来的1/50左右，严重影响受热面内的热量传导，并最终影响设备的热效率。
（2）造成受热面严重腐蚀。生物质尤其是秸秆类生物质含有较多的氯元素，燃烧时氯会被释放到烟气中。释放出来的氯与烟气中的其他成分反应生成氯化物，凝结在飞灰颗粒上，当遇到温度较低的受热面时，就与飞灰一起沉积在受热面上，氯化物与受热面上的金属或金属氧化物反应，把铁元素置换出来形成盐等不稳定化合物，从而造成受热面的腐蚀。
（3）影响设备的正常运行。比如，随着受热面上的沉积物日益增厚，当破坏沉积形成的作用力（包括重力、气流黏性剪切力以及飞灰颗粒对壁面上沉积的撞击力等）超过了沉积与壁面的黏结力时，沉积层就会从受热面上脱落，形成塌灰，从而严重影响设备正常燃烧、诱发运行事故、甚至导致设备损坏。
所以，预防和解决沉积问题是生物质成型燃料燃烧设备一个重要的研究方向，该问题的解决可以从抑制碱金属的析出，或者及时清除沉积等角度出发。
结渣是生物质成型燃料燃烧面临的另一突出问题。结渣是指燃料灰渣在高温下黏结于炉排等部位，并不断积累的现象。生物质成型燃料易于结渣的根本原因同样在于其碱金属和氯元素含量高，而这些元素能够降低灰熔点，导致生物质在燃烧过程中容易产生结渣，从而影响燃烧效率及锅炉出力，严重时会造成锅炉停机。
2.3.2 生物质成型燃料燃烧设备
生物质成型燃料燃烧设备应根据燃料的燃烧特性进行设计，基本原则是在保证燃料高效燃烧的前提下，避免或减少沉积及结渣的形成，减少沉积对燃烧及换热设备的腐蚀，延长设备使用寿命。
生物质成型燃料燃烧设备的关键部件是炉排与炉膛。炉排的设计与进风量关系密切，同时影响结渣的程度。炉膛的设计直接影响燃料的燃烧效率与污染物排放，同时与沉积腐蚀程度有紧密关系。
合理的炉排设计可以有效避免或阻止燃料燃烧过程灰粒聚团结渣，并能实现合理的配风。为了有效减少结渣的形成，在炉排设计方面，目前多采用活动式炉排，通过炉排上下前后的运动、振动或转动等产生的剪切力阻止结渣的形成。
生物质成型燃料燃烧设备的炉膛多采用双燃室或多燃室炉膛结构设计，颗粒燃料锅炉结构如图2.28所示。通过增加燃室及加大燃室截面，降低出口烟速，减少飞灰量及飞灰粒度，从而减轻飞灰对锅炉换热面的冲刷磨损。炉膛内布置足够的换热面，使燃烧产生的烟气从炉膛排出时温度降至灰渣的变形温度以下，以防在换热面发生沉积，同时可以延长烟气在炉膛内的行程，增加其在炉膛内的滞留时间，提高换热效率。
生物质成型燃料燃烧设备设计的关键参数主要有过量空气系数、炉排面积、炉膛容积、炉排速度等。根据试验，小型生物质成型燃料炉具的过量空气系数一般需要大于2，大中型燃烧设备的过量空气系数也必须大于1.5。
图2.28 颗粒燃料锅炉结构示意图
图2.29所示是一变速链条炉排双燃烧室生物质成型燃料锅炉结构。该锅炉采用变速炉排双燃烧室结构设计。炉排变速运动可实现燃料与风量风速匹配，减轻结渣，同时双燃室结构的设计可有效减少沉积腐蚀。
图2.29 变速链条炉排双燃烧室生物质成型燃料锅炉结构示意图
1—进料斗；2—锅炉链条；3—前拱二次风；4—炉膛；5—一次风；6—后拱二次风；7—燃尽室；8—对流管束；9—上锅筒；10—吹灰装置
该锅炉具有的显著特点是：①多燃烧室设计，设置裂解室、高温气（固）相燃烧室、二次燃尽室；②前后分段多次供风、梯次配氧，保证燃烧工况优化；③设置吹灰装置，及时清除沉积物，避免结焦产生深度腐蚀；④采用炉排变速运动，随时根据燃料及工况调整运行速度。