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首页 > 新闻中心 > 产品知识 > 生物质发生器防止受热面结渣的降低烟温方法分析生物质蒸汽发生器（发生器）：生物质发生器防止受热面结渣的降低烟温方法分析
0 前言
生物质锅炉较燃煤锅炉存在诸多问题[1、2]：受热面结渣、磨损、积灰，燃烧层结焦（结渣），挥发物燃尽，进料困难等（不同生物质燃料，程度不同）。对于常用的生物质燃料（豆秸、棉秸、麦秸、稻壳、玉米秸、向日葵杆等），由于灰熔点（常指灰的软化温度ST）较低[3]，受热面“结渣”是最突出的问题。
按我国锅炉设计方法的建议[4]，为防止结渣，炉膛出口烟气温度应不高于灰的开始变形温度DT，另外，从技术经济（辐射受热面与对流受热面最佳匹配）与有利于燃烧考虑又不宜低于950℃。这对于上述常用生物质燃料（灰的开始变形温度DT较低）不采取专门措施是不可能同时兼顾到的。生物质锅炉首先应满足技术经济与有利于燃烧的基本要求，而受热面结渣可采取其它措施来防止。目前，防止结渣的直接有效且技术经济可行的措施是降低烟气温度方法。
习惯上采用的降低烟气温度方法是烟气再循环（将尾部低温烟气靠再循环风机抽出并引入于对流受热面前部或炉膛下部）。此方法尽管基本不影响锅炉热效率，但需要增加再循环风机与烟气管道，并需考虑它们在锅炉房的布置，也要关注再循环风机能耗问题。掺冷空气（靠烟道负压自行吸入外界空气）方法也可达到同样目的，而且颇为简易，由于担心热效率下降，故习惯上不采用。但如果热效率下降值不大，仍能满足节能规范对热效率的要求，未尝不是一种可行措施（我国“TSG G0002-2010锅炉节能技术监督管理规程”是针对以煤、油、气为燃料的锅炉，而其它燃料参照执行）。实际上，有些直接加热式热风炉为防止空气加热器壁温过高，采用掺冷空气方法来降低烟温时，热效率虽有些下降，但仍能满足热风炉技术条件对热效率的要求 [5、6]。有些水泥窑余热锅炉为防止受热面结渣，掺冷空气也是一种有效措施。
本文以10t/h新型水火管燃煤锅炉改烧棉秸（段）——即燃煤、燃生物质通用锅炉（二者仅炉拱有些差异）为例，对这两种降温方法进行详细对比分析。
本文给出的计算方法也适用于新设计的各种燃料锅炉，对于高温烟气加热空气的直接加热式热风炉换热器，本文给出的计算分析方法同样适用。
本文计算依据是我国现行锅炉热力计算方法[4]，此方法源于原苏联锅炉热力计算标准[7] （炉膛辐射传热公式验证了近千个试验数据，标准适用燃料甚广[7]，就影响辐射传热的发热量、挥发分、成分等而言，也涵盖了各种生物质燃料[3]）。生物质燃料锅炉热力计算可以参照我国现行锅炉热力计算方法[4]进行。因而，本文计算结果具有足够可靠性。
1 烟气再循环
（1）应考虑的问题
由图1可见，再循环烟气引入炉膛出口（八字烟道入口偏低一些，与主流烟气混合后进入），以防止八字烟道受热面管壁结渣（此处不结渣时，烟管入口不会结渣）。由于引入于炉膛上部出口处，则基本不影响炉排与炉膛热力工况（炉排燃烧、炉膛空间燃尽、辐射换热）。.jpg)
对已有锅炉增设烟气再循环时，应考虑存在以下问题：
1）再循环烟气抽出与引入点之间的八字烟道排管、烟管与省煤器中的烟温下降，使温压减小，但烟速增加，使传热系数增大。二者共同决定传热效果。
2）由于八字烟道、烟管与省煤器中的烟速增加，应注意原有引风机的扬程是否够用，另外，也应考虑烟速增加与灰粒增多使磨损趋势增大问题。
3）再循环风机的扬程较大，等于八字烟道、烟管与省煤器中烟速增加后的流阻，再加上再循环管路的流阻。
4）再循环烟气一般由除尘器之前抽出，则再循环风机磨损加快；如在除尘器之后抽出，再循环风机的扬程加大。
对新设计锅炉设置烟气再循环时，由于新设计烟速合理，无需考虑上述问题之2）。
（2）热力与烟气流阻计算特点
1）热力计算
根据再循环的烟气量（再循环系数）建立再循环烟气引入与抽出点之间的烟气焓-温关系，仍按锅炉热力计算惯用的焓-温表方法[4]进行计算。原苏联1957版与1973版锅炉机组热力计算方法[7、8]中，均有“烟气再循环”计算的原则性介绍。
再循环系数：
β=V再循环/V抽出
式中V再循环——再循环的烟气容积，Nm3/kg；
V抽出——抽出点以后的烟气容积（不存在再循环的烟气容积），Nm3/kg。
图2示出各处烟气容积分布 (结合各点空气过剩系数α值)。.jpg)
2）烟气流阻计算
烟气再循环锅炉烟道中的烟气压力变化情况见图3。
由图3可见：
对于主烟道： pB= pA-ΔpA-B
对于再循环烟道： pB-Δp B–A+H再循环 = pA
于是得再循环风机的扬程为
H再循环 =ΔpA-B+Δp B–A
即再循环风机的扬程H再循环等于考虑烟速增加后的八字烟道、烟管与省煤器中的流阻
ΔpA-B，再加上再循环管路的流阻Δp B–A。
此结果由图3中的压力变化綫亦可看出。
再循环风机的流量等于βV1.65 。
引风机的扬程H应考虑由于八字烟道、烟管与省煤器中的烟速增加而使流阻的增大。
引风机的流量不考虑再循环流量的存在。
2 掺冷空气
由图4可见，掺冷空气位于后墙略低于八字烟道入口位置，使冷空气与炉膛出口烟气混合降温后一并进入八字烟道。
（1）应考虑的问题
对已有锅炉掺冷空气方法应考虑以下问题：
1）冷空气引入点之后的八字烟道、烟管与省煤器中的烟温下降，使温压减小，但烟速增加，使传热系数增大。二者共同决定传热效果。
2）由于冷空气引入点之后的八字烟道、烟管、省煤器、除尘器与烟道中的烟速增加，原有引风机的扬程是否够用，另外，也应考虑因烟速增加使磨损趋势加大问题。
对新设计锅炉掺冷空气时，由于新设计烟速合理，不存在上述问题之2）。
（2）热力与烟气流阻计算特点
掺冷空气的热力与烟气流阻计算与一般计算基本相同，相当于炉膛出口处过剩空气系数明显加大。
3 计算结果分析
计算锅炉：10t/h新型水火管燃煤锅炉改烧棉秸（段）。
热力计算用的燃料特性见表1。
（1）热力计算
1）燃棉秸（有无烟气再循环）与燃Ⅱ类烟煤
以下按燃Ⅱ类烟煤（无烟气再循环，β=V再循环/V抽出=0）与燃棉秸（β= 0、0.2与0.3）对比计算，计算结果见表2。.jpg)
2）燃棉秸（有无掺冷空气）与燃Ⅱ类烟煤
以下按燃Ⅱ类烟煤（不掺冷空气，Δαc=0）与燃棉秸（Δ α c =0、0.31与0.5）对比计算，Δα c 取值使烟温下降情况与烟气再循环时基本相同，计算结果见表3。
3）分析
由表2、表3可见：
1烟气再循环的β=0与0.2、 0.3时，八字烟道入口烟温由971℃降至839℃与788℃；掺冷空气的Δ α c =0与0.31、 0.5时，八字烟道入口烟温由971℃降至844℃与784℃。这对于大部分灰熔点较低的生物质燃料，能起有效防止结渣作用。
2 烟气再循环或掺冷空气时，平均温压下降（八字烟道最明显、螺纹烟管次之、省煤器很小），烟速与传热系数上升（后部受热面较前部明显），吸热量是八字烟道减小、螺纹烟管变化不大、省煤器增大（总吸热量不变）。综合结果是：烟气再循环时，排烟温度、锅炉热效率变化很小；掺冷空气时，排烟温度变化很小、锅炉热效率下降（排烟损失q2增大引起的）。
3掺冷空气使热效率降低，但降低值不大，即使掺冷气系数Δ α c 达0.5，热效率仅降低2.7个百分点，仍达81.3%。为达到额定出力10t/h，需要少许增加燃料耗量（1710-1656=54 kg/h），不会影响炉排上的燃烧。
4燃棉秸与燃Ⅱ类烟煤，皆无烟气再循环（β=0）、不掺冷空气（Δαc=0）时，锅炉各处烟温、烟速彼此差别不大，则采用统一辐射与对流受热面是可行的。至于不同生物质的能量密度明显小、挥发物含量明显大、灰熔点偏低等特点可在供料设备、挥发物燃尽措施、烟气再循环或掺冷空气等方面给以考虑。
（2）烟气阻力计算
1）烟气再循环
棉秸，按再循环系数β=V再循环/V抽出=0与0.2、 0.3的计算结果见表4。
2）掺冷空气
棉秸，按掺冷空气系数Δ α c =0与0.31、 0.5的计算结果见表5。
3）分析
由表4、表5可见：
烟气再循环或掺冷空气皆使全程烟气阻力增大。
如燃煤（Ⅱ类烟煤）锅炉改烧棉秸，已有引风机扬程无余量时，可在低负荷下运行，例如掺冷空气系数Δ αc =0.5时，可在以下负荷下运行：
D=× D e=0.82 D e
即可在82%额定负荷D e下运行，如引风机扬程有余量，则可在大于0.82 D e条件下运行。
再循环烟气或冷空气引入炉膛下部：
如水冷壁结渣明显时，再循环烟气或冷空气可引入炉膛下部最高烟温区，其计算方法与前述相同。此时，炉膛的烟温下降较明显，但炉膛出口烟温下降较小，其原因是加入再循环烟气后，因烟温下降，导致辐射吸热量明显减小所致。
为使各处烟温均下降到防止结渣程度，再循环烟气或冷空气量应大于前述值。
4 再循环风机功率.jpg)
式中 V—再循环风机的工作流量，m3/s ；
H—再循环风机的工作扬程，Pa；
η—再循环风机的工作效率，对于一般离心式风机，为0.6～0.7。
由表4，再循环系数β=0.3时，烟气引入点与抽出点之间的主烟道阻力
ΔH主=154+10+1720+27+1162=3073 Pa；
取再循环烟道的阻力ΔH再循环=200 Pa，则
再循环风机扬程：
H =KH（ΔH主+ΔH再循环）Kρ=1.2×（3073+200）×0.89=3496 Pa。
式中 修正到风机介质设计状态时的修正系数:
Kρ=0.89
再循环风机流量：
V =KVβV再循环=1.1×0.3×13151=4340 m3/h=1.21m/s。
式中 V再循环取自锅炉热力计算书 。
再循环风机功率：
N= 6.51 kW。
5 掺冷空气门所需面积
靠炉内负压吸入冷空气时，冷空气门所需面积按炉内负压与大气压力的差值等于冷空气门的阻力计算，即
冷空气门置于炉膛出口处，Δp=20Pa，近似取阻力系数ξ≈2，空气密度ρ=1.293kg/m3，得空气流速：
w= 3.93m/s
掺冷空气系数△αc =0.5，相当于空气量V≈5945m3/h=1.65m3/s（由锅炉热力计算）。
则所需面积：
F= V/ w=1.65/3.93=0.42 m2
取4个空气门，则每个尺寸：
圆形: 取d=350mm；
矩形：取A×B=500×200mm。
锅炉大部分时间并不在额定负荷下运行，低负荷时的烟温下降，则冷空气门所需面积减小。因此，冷空气门的开口面积应是可调的。
6 结语
1）采用烟气再循环降低烟温方法，锅炉出力、热效率基本不变，但需要考虑增加再循环风机与烟气管道及其在锅炉房布置以及再循环风机能耗问题。
2）掺冷空气方法颇为简易；锅炉热效率略有下降，一般仍能满足节能规范对热效率的要求。
3）不同场合下，采用烟气再循环或掺冷空气，可依据具体条件而定。对于容量不很大的锅炉（≤10t/h、≤7MW或再大一些），掺冷空气方法较适宜。
4）对已有锅炉增设烟气再循环或掺冷空气，需要注意已有引风机扬程是否够用与受热面磨损增大问题。如已有引风机扬程的余量不够，可降低负荷运行。当然，新设计锅炉不存在此问题。
生物质锅炉较燃煤锅炉存在诸多问题[1、2]：受热面结渣、磨损、积灰，燃烧层结焦（结渣），挥发物燃尽，进料困难等（不同生物质燃料，程度不同）。对于常用的生物质燃料（豆秸、棉秸、麦秸、稻壳、玉米秸、向日葵杆等），由于灰熔点（常指灰的软化温度ST）较低[3]，受热面“结渣”是最突出的问题。
按我国锅炉设计方法的建议[4]，为防止结渣，炉膛出口烟气温度应不高于灰的开始变形温度DT，另外，从技术经济（辐射受热面与对流受热面最佳匹配）与有利于燃烧考虑又不宜低于950℃。这对于上述常用生物质燃料（灰的开始变形温度DT较低）不采取专门措施是不可能同时兼顾到的。生物质锅炉首先应满足技术经济与有利于燃烧的基本要求，而受热面结渣可采取其它措施来防止。目前，防止结渣的直接有效且技术经济可行的措施是降低烟气温度方法。
习惯上采用的降低烟气温度方法是烟气再循环（将尾部低温烟气靠再循环风机抽出并引入于对流受热面前部或炉膛下部）。此方法尽管基本不影响锅炉热效率，但需要增加再循环风机与烟气管道，并需考虑它们在锅炉房的布置，也要关注再循环风机能耗问题。掺冷空气（靠烟道负压自行吸入外界空气）方法也可达到同样目的，而且颇为简易，由于担心热效率下降，故习惯上不采用。但如果热效率下降值不大，仍能满足节能规范对热效率的要求，未尝不是一种可行措施（我国“TSG G0002-2010锅炉节能技术监督管理规程”是针对以煤、油、气为燃料的锅炉，而其它燃料参照执行）。实际上，有些直接加热式热风炉为防止空气加热器壁温过高，采用掺冷空气方法来降低烟温时，热效率虽有些下降，但仍能满足热风炉技术条件对热效率的要求 [5、6]。有些水泥窑余热锅炉为防止受热面结渣，掺冷空气也是一种有效措施。
本文以10t/h新型水火管燃煤锅炉改烧棉秸（段）——即燃煤、燃生物质通用锅炉（二者仅炉拱有些差异）为例，对这两种降温方法进行详细对比分析。
本文给出的计算方法也适用于新设计的各种燃料锅炉，对于高温烟气加热空气的直接加热式热风炉换热器，本文给出的计算分析方法同样适用。
本文计算依据是我国现行锅炉热力计算方法[4]，此方法源于原苏联锅炉热力计算标准[7] （炉膛辐射传热公式验证了近千个试验数据，标准适用燃料甚广[7]，就影响辐射传热的发热量、挥发分、成分等而言，也涵盖了各种生物质燃料[3]）。生物质燃料锅炉热力计算可以参照我国现行锅炉热力计算方法[4]进行。因而，本文计算结果具有足够可靠性。
1 烟气再循环
（1）应考虑的问题
由图1可见，再循环烟气引入炉膛出口（八字烟道入口偏低一些，与主流烟气混合后进入），以防止八字烟道受热面管壁结渣（此处不结渣时，烟管入口不会结渣）。由于引入于炉膛上部出口处，则基本不影响炉排与炉膛热力工况（炉排燃烧、炉膛空间燃尽、辐射换热）。
1）再循环烟气抽出与引入点之间的八字烟道排管、烟管与省煤器中的烟温下降，使温压减小，但烟速增加，使传热系数增大。二者共同决定传热效果。
2）由于八字烟道、烟管与省煤器中的烟速增加，应注意原有引风机的扬程是否够用，另外，也应考虑烟速增加与灰粒增多使磨损趋势增大问题。
3）再循环风机的扬程较大，等于八字烟道、烟管与省煤器中烟速增加后的流阻，再加上再循环管路的流阻。
4）再循环烟气一般由除尘器之前抽出，则再循环风机磨损加快；如在除尘器之后抽出，再循环风机的扬程加大。
对新设计锅炉设置烟气再循环时，由于新设计烟速合理，无需考虑上述问题之2）。
（2）热力与烟气流阻计算特点
1）热力计算
根据再循环的烟气量（再循环系数）建立再循环烟气引入与抽出点之间的烟气焓-温关系，仍按锅炉热力计算惯用的焓-温表方法[4]进行计算。原苏联1957版与1973版锅炉机组热力计算方法[7、8]中，均有“烟气再循环”计算的原则性介绍。
再循环系数：
β=V再循环/V抽出
式中V再循环——再循环的烟气容积，Nm3/kg；
V抽出——抽出点以后的烟气容积（不存在再循环的烟气容积），Nm3/kg。
图2示出各处烟气容积分布 (结合各点空气过剩系数α值)。
烟气再循环锅炉烟道中的烟气压力变化情况见图3。
对于主烟道： pB= pA-ΔpA-B
对于再循环烟道： pB-Δp B–A+H再循环 = pA
于是得再循环风机的扬程为
H再循环 =ΔpA-B+Δp B–A
即再循环风机的扬程H再循环等于考虑烟速增加后的八字烟道、烟管与省煤器中的流阻
ΔpA-B，再加上再循环管路的流阻Δp B–A。
此结果由图3中的压力变化綫亦可看出。
再循环风机的流量等于βV1.65 。
引风机的扬程H应考虑由于八字烟道、烟管与省煤器中的烟速增加而使流阻的增大。
引风机的流量不考虑再循环流量的存在。
2 掺冷空气
由图4可见，掺冷空气位于后墙略低于八字烟道入口位置，使冷空气与炉膛出口烟气混合降温后一并进入八字烟道。
对已有锅炉掺冷空气方法应考虑以下问题：
1）冷空气引入点之后的八字烟道、烟管与省煤器中的烟温下降，使温压减小，但烟速增加，使传热系数增大。二者共同决定传热效果。
2）由于冷空气引入点之后的八字烟道、烟管、省煤器、除尘器与烟道中的烟速增加，原有引风机的扬程是否够用，另外，也应考虑因烟速增加使磨损趋势加大问题。
对新设计锅炉掺冷空气时，由于新设计烟速合理，不存在上述问题之2）。
（2）热力与烟气流阻计算特点
掺冷空气的热力与烟气流阻计算与一般计算基本相同，相当于炉膛出口处过剩空气系数明显加大。
3 计算结果分析
计算锅炉：10t/h新型水火管燃煤锅炉改烧棉秸（段）。
热力计算用的燃料特性见表1。
1）燃棉秸（有无烟气再循环）与燃Ⅱ类烟煤
以下按燃Ⅱ类烟煤（无烟气再循环，β=V再循环/V抽出=0）与燃棉秸（β= 0、0.2与0.3）对比计算，计算结果见表2。
以下按燃Ⅱ类烟煤（不掺冷空气，Δαc=0）与燃棉秸（Δ α c =0、0.31与0.5）对比计算，Δα c 取值使烟温下降情况与烟气再循环时基本相同，计算结果见表3。
由表2、表3可见：
1烟气再循环的β=0与0.2、 0.3时，八字烟道入口烟温由971℃降至839℃与788℃；掺冷空气的Δ α c =0与0.31、 0.5时，八字烟道入口烟温由971℃降至844℃与784℃。这对于大部分灰熔点较低的生物质燃料，能起有效防止结渣作用。
2 烟气再循环或掺冷空气时，平均温压下降（八字烟道最明显、螺纹烟管次之、省煤器很小），烟速与传热系数上升（后部受热面较前部明显），吸热量是八字烟道减小、螺纹烟管变化不大、省煤器增大（总吸热量不变）。综合结果是：烟气再循环时，排烟温度、锅炉热效率变化很小；掺冷空气时，排烟温度变化很小、锅炉热效率下降（排烟损失q2增大引起的）。
3掺冷空气使热效率降低，但降低值不大，即使掺冷气系数Δ α c 达0.5，热效率仅降低2.7个百分点，仍达81.3%。为达到额定出力10t/h，需要少许增加燃料耗量（1710-1656=54 kg/h），不会影响炉排上的燃烧。
4燃棉秸与燃Ⅱ类烟煤，皆无烟气再循环（β=0）、不掺冷空气（Δαc=0）时，锅炉各处烟温、烟速彼此差别不大，则采用统一辐射与对流受热面是可行的。至于不同生物质的能量密度明显小、挥发物含量明显大、灰熔点偏低等特点可在供料设备、挥发物燃尽措施、烟气再循环或掺冷空气等方面给以考虑。
（2）烟气阻力计算
1）烟气再循环
棉秸，按再循环系数β=V再循环/V抽出=0与0.2、 0.3的计算结果见表4。
棉秸，按掺冷空气系数Δ α c =0与0.31、 0.5的计算结果见表5。
由表4、表5可见：
烟气再循环或掺冷空气皆使全程烟气阻力增大。
如燃煤（Ⅱ类烟煤）锅炉改烧棉秸，已有引风机扬程无余量时，可在低负荷下运行，例如掺冷空气系数Δ αc =0.5时，可在以下负荷下运行：
D=× D e=0.82 D e
即可在82%额定负荷D e下运行，如引风机扬程有余量，则可在大于0.82 D e条件下运行。
再循环烟气或冷空气引入炉膛下部：
如水冷壁结渣明显时，再循环烟气或冷空气可引入炉膛下部最高烟温区，其计算方法与前述相同。此时，炉膛的烟温下降较明显，但炉膛出口烟温下降较小，其原因是加入再循环烟气后，因烟温下降，导致辐射吸热量明显减小所致。
为使各处烟温均下降到防止结渣程度，再循环烟气或冷空气量应大于前述值。
4 再循环风机功率
H—再循环风机的工作扬程，Pa；
η—再循环风机的工作效率，对于一般离心式风机，为0.6～0.7。
由表4，再循环系数β=0.3时，烟气引入点与抽出点之间的主烟道阻力
ΔH主=154+10+1720+27+1162=3073 Pa；
取再循环烟道的阻力ΔH再循环=200 Pa，则
再循环风机扬程：
H =KH（ΔH主+ΔH再循环）Kρ=1.2×（3073+200）×0.89=3496 Pa。
式中 修正到风机介质设计状态时的修正系数:
Kρ=0.89
再循环风机流量：
V =KVβV再循环=1.1×0.3×13151=4340 m3/h=1.21m/s。
式中 V再循环取自锅炉热力计算书 。
再循环风机功率：
N= 6.51 kW。
5 掺冷空气门所需面积
靠炉内负压吸入冷空气时，冷空气门所需面积按炉内负压与大气压力的差值等于冷空气门的阻力计算，即
冷空气门置于炉膛出口处，Δp=20Pa，近似取阻力系数ξ≈2，空气密度ρ=1.293kg/m3，得空气流速：
w= 3.93m/s
掺冷空气系数△αc =0.5，相当于空气量V≈5945m3/h=1.65m3/s（由锅炉热力计算）。
则所需面积：
F= V/ w=1.65/3.93=0.42 m2
取4个空气门，则每个尺寸：
圆形: 取d=350mm；
矩形：取A×B=500×200mm。
锅炉大部分时间并不在额定负荷下运行，低负荷时的烟温下降，则冷空气门所需面积减小。因此，冷空气门的开口面积应是可调的。
6 结语
1）采用烟气再循环降低烟温方法，锅炉出力、热效率基本不变，但需要考虑增加再循环风机与烟气管道及其在锅炉房布置以及再循环风机能耗问题。
2）掺冷空气方法颇为简易；锅炉热效率略有下降，一般仍能满足节能规范对热效率的要求。
3）不同场合下，采用烟气再循环或掺冷空气，可依据具体条件而定。对于容量不很大的锅炉（≤10t/h、≤7MW或再大一些），掺冷空气方法较适宜。
4）对已有锅炉增设烟气再循环或掺冷空气，需要注意已有引风机扬程是否够用与受热面磨损增大问题。如已有引风机扬程的余量不够，可降低负荷运行。当然，新设计锅炉不存在此问题。
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