常规能源资源短缺和利用中严重的环境污染已成为制约我国经济增长和社会可持续发展的主要因素。生物质能源由于具有资源丰富、可再生且分布地域广、可实现C02零排放、大气污染物排放少等优点，被认为是21世纪最有前途的绿色可再生能源之一。我国每年可产生7.05亿t秸秆，占我国生物质资源的50%以上，但是，除了一部分用作还田肥料和动物饲料外，大部分被废弃或就地焚烧，不但浪费了宝贵的能源，也给空气带来污染，甚至影响公路交通和民航运行。为了有效利用生物质能，减少环境污染，增加农民收入，我国从丹麦引进了先进的生物质直燃锅炉技术，近年来已经有10余台投入商业运行。为消化吸收引进的先进技术，了解生物质锅炉性能特点，山东电力研究院与国能生物发电公司对1台130t/h生物质直燃发电锅炉进行了性能试验研究，富通新能源销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的木屑生物质颗粒燃料。
1、锅炉概况
本锅炉为济南锅炉厂采用丹麦BWE公司先进的生物燃料燃烧技术制造的130t/h振动式炉排高温高压蒸汽锅炉，为高温、高压参数自然循环炉，单汽包、单炉膛、平衡通风、室内布置、固态排渣、全钢构架、底部支撑结构型锅炉，锅炉简图见图l。锅炉采用振动炉排燃烧方式，燃料从炉前通过6个螺旋绞笼给料装置送人燃烧室，炉膛进料口处设有送料热风，燃料在强风的作用下进入炉膛时被抛至炉排后部，在此处由于高温烟气和一次热风的作用逐步预热、干燥、着火、燃烧，随着炉排振动装置的工作，燃料边燃烧边向炉排前部运动，直至燃尽，最后灰渣落人炉前的出渣口；在二、三烟气通道下方设有落灰口，从过热器落下的大颗粒沉降灰可从此处排出。过热蒸汽采用四级加热，三级喷水减温方式；尾部竖井布置两级省煤器，一级高压烟气冷却器和两级低压烟气冷却器。为了防止低温腐蚀，将空气预热器布置在烟道以外，采用水加热空气的方式，分为高压空气预热器和低压空气预热器，高压和低压水分别来给水泵和除氧器。高压空气预热器中的水冷却后进人高压烟气冷却器中吸热，最后进入省煤器。低压空气预热器中的水冷却后进人低压烟气冷却器中吸热，再返回除氧器。送风机入口布置在锅炉房内炉顶附近，可有效降低锅炉散热损失。锅炉设计参数如下：额定蒸发量130t/h，主蒸汽温度54℃，主蒸汽压力9.2 MPa，给水温度21℃，排烟温度124℃，冷空气入口温度35℃，空预器出口风温190℃。
锅炉设计燃料为棉花秸秆，可掺烧碎木片、树枝等。设计燃料特性见表1。
2、试验项目及方法
2.1试验项目
试验项目包括锅炉最大连续出力试验和锅炉热效率试验，并在试验过程中同时测量了NOx排放浓度。
2.2试验方法
试验参照CB10184-88《电站锅炉性能试验规程》，采用反平衡法测量锅炉效率。试验方法如下：
(1)在低压烟气冷却器出口截面按照等截面网格法，用KM9106烟气分析仪测量排烟成分（包括02、C0、C02和NOx），用标准热电偶测量排烟温度，并送入IMP自动采集系统。
(2)锅炉飞灰、炉渣和沉降灰采用称量法测定。飞灰、沉降灰和炉渣分别从布袋除尘器、l、2号捞渣机处进行收集和取样。
(3)大气压力、环境温度和环境湿度在锅炉房内送风机人口测量。
(4)燃料取样在给料皮带上进行。
(5)其他运行参数由DCS采集。
3、数据处理方法
GB10184-88《电站锅炉性能试验规程》是针对常规煤粉锅炉的，在计算这种类型的生物质直燃锅炉效率时需要考虑以下几个方面。
(1)锅炉效率计算基准温度
常规煤粉锅炉的送风机人口一般布置在室外，采用环境温度作为计算基准温度；而本锅炉料仓和送风机入口均布置在锅炉房内，此时由于锅炉散热，会导致送风机入口风温明显高于锅炉房外的环境温度，如果仍然采用环境温度作为计算基准温度会导致计算锅炉效率偏低，因此应采用送风机人口风温作为计算基准温度。
(2)外来热源
锅炉没有常规的空气预热器，采用给水和除氧器来水加热空气，对于给水来说，经过了高压空预器和高压烟气冷却器之后直接进入省煤器，可以不考虑其对锅炉效率的影响；对于除氧器来水，在低压空气预热器中放热、低压烟气冷却器中吸热后重新回到除氧器，实际试验过程中发现来水温度比回水温度高，因此必须针及除氧器来水对锅炉的综合放热，计算锅炉效率时可以将低压空气预热器和低压烟气冷却器等效为一个暖风器进行计算。
(3)锅炉散热损失
锅炉设计时采用ASME PTC4.1中的ABMA辐射损失标准曲线，取散热损失为0. 3%，而根据CB10184-88中的锅炉散热损失曲线得到散热损失为0. 65%。由于锅炉为全封闭的，且送风机入口布置在锅炉房内，冷却锅炉表面的空气全部用于燃烧，且锅炉房内的空气温度高于环境温度，因此锅炉表面的散热损失应减小，取ASME PTC4.1标准的散热损失更合理，因此这一项损失仍采用设计值。
(4)锅炉热效率的修正
采用送风机入口温度进行锅炉效率修正，设计基准温度为35℃。由于锅炉低压烟气冷却器设计吸热量与低压空气预热器设计吸热量相等，因此效率修正时不考虑二者实际吸热和放热量存在的偏差，将低压烟气冷却器和低压空气预热器等效为一般煤粉锅炉的空气预热器，其效率修正可以采用GB10184-88中的方法进行。
4、试验结果与分析
4.1锅炉最大连续出力
锅炉最大连续出力实测值为130.3 t/h，对应电负荷29.9 MW，经等焓修正后出力为126.5t/h．未达到设计出力130 t/h。
从锅炉运行情况来看，其出力受燃料水分的影响较大。这主要体现在两个方面，第一，锅炉采用火床燃烧方式，沿炉排长度可以分为干燥引燃段、旺盛燃烧段和燃尽段三个区域，当燃料含水量增大时，干燥需要更多的热量和时间，而炉膛温度降低，使干燥引燃段增长，旺盛燃烧段后移，燃尽段缩短，在水分含量增大到一定值后，会发生压火现象，此时增加燃料不能及时干燥并引燃，大量燃料会在燃尽前落人捞渣机，使锅炉出力反而降低；第二，水分增加使燃料热值降低，同样的负荷需要更多的燃料，加剧压火现象的发生。锅炉性能试验时采用的燃料主要为树皮并混有少部分棉花秸秆，其化验结果如表2所示。
由表2可见，最大连续出力试验期间燃料全水分为18.17%，低位发热量为13 831 kj/kg，比最差棉秆还低383 kj/kg，试验燃料水分大、发热量低是锅炉达不到额定出力的主要原因。在日常实际运行时，由于燃料含水分较多，一般在30%—45%范围内，其低位发热量远低于设计值，实际运行电负荷一般只能维持在28MW左右。
锅炉最大连续出力试验期间，主蒸汽压力、温度等各参数正常，受热面不超温，辅机可以满足锅炉出力需要。
4.2锅炉效率
与电厂协商后在电负荷28 MW进行了锅炉效率测定，试验测量结果见表3，锅炉效率计算结果见表4。
由表4可见，锅炉实测效率明显低于设计效率，这主要是由以下几个方面的原因造成的。
(1)锅炉排烟温度高
从表3可见，低压烟气冷却器出口烟温即排烟温度比设计值124℃高52℃左右，而人口烟温仅比设计值207℃高4—5℃，表明锅炉低压烟气冷却器吸热量偏低是造成排烟温度高的根本原因。低压烟气冷却器采用鳍片式紧凑结构，容易发生积灰，加之实际燃用燃料含尘量较大(见表2)，加剧了积灰现象，降低了受热面传热系数；积灰严重时会使局部区域堵灰，温度过低形成低温腐蚀，造成低温受热面的腐蚀泄漏，该锅炉由于泄漏已经将低温烟气冷却器堵管5根，减少受热面积15%。另外，由于送风机出口风温达到55℃左右，而设计冷风温度仅为35℃，使除氧器来水在低压空气预热器中的放热量减小，低压烟气冷却器入口水温升高，传热温差降低。以上原因造成了低压烟气冷却器吸热量大幅度下降，排烟温度上升。目前低压烟气冷却器积灰和腐蚀泄漏现象在多台同类型的生物质直燃发电锅炉上均已出现，严重影响了锅炉运行可靠性和经济性。
(2)燃料偏离设计值
试验燃用燃料水分、灰分均高于设计燃料，使燃料低位发热量低于设计值，造成各项热损失均增加，同时燃料灰分增加也使锅炉排出的灰渣量增加，灰渣物理热损失增加。
(3)运行氧量偏高
锅炉设计运行氧量为3%～5%，实测排烟氧量达到7.0%一8.3%，增大了排烟热损失。
(4)化学未完全燃烧热损失大
如表3所示，在运行氧量高于设计值的情况下，该锅炉排烟中未完全燃烧气体含量较高，可达到0.32%，使化学未完全燃烧热损失远远高于设计值。生物质直燃锅炉采用振动炉排的火床燃烧方式，炉排中间旺盛燃烧区氧量缺乏，两头燃尽段和干燥预热段氧量过剩，且炉内气体混合较差，不利于挥发分的燃尽，造成排烟中CO含量很高，特别是在炉排振动时，炉内燃烧加剧，CO排放浓度会短时超过l%。从试验结果和运行情况来看，要降低化学未完全燃烧热损失，单纯增加运行氧量是不可取的，应通过燃烧调整，在合理的氧量水平下，优化配风，适当增加炉排下中间风室一次风量，减少两头风室一次风量；适当增大二次风风速，强化炉膛内的气流混合，保证可燃气体的燃尽。
4.3 NOx排放
按照GB13223 -2003《火电厂大气污染排放标准》规定的方法，测得机组负荷30 MW，排烟氧量6. 84%时NO。排放浓度为120mg/m3，修正到过量空气系数为1.4后NOx排放浓度为128ng／m3，远远低于燃料含氮量水平相当的煤粉锅炉，也低于国家制定的燃煤电站锅炉排放标准450mg／m3，具有良好的环保特性。
5、结语
通过对130t/h振动炉排生物质直燃锅炉的性能试验和分析，得到以下结论。
(1)锅炉平均效率为88. 48%，低于设计效率92.0%。锅炉效率偏低的主要原因是排烟温
度高、试验燃料发热量低于设计值和化学未完全燃烧热损失偏高。低压烟气冷却器积灰和低温腐蚀泄漏后堵管是造排烟温度高的主要原因。
(2)锅炉最大连续出力为126.5 t/h，低于设计值130 t/h。振动炉排生物质直燃锅炉出力受燃料水分影响较大，试验燃料水分过大、发热量偏低造成锅炉最大出力下降。
(3)锅炉NOx排放浓度为128 mg/m3(6%02)，远远低于燃料含氮量水平相当的燃煤锅炉和国家制定的排放标准。
针对生物质直燃锅炉目前存在的问题，建议改进低压烟气冷却器鳍片式紧凑结构，采用光管烟气冷却器可以减轻积灰，防止低温腐蚀泄漏，降低排烟温度，提高锅炉运行可靠性；通过燃烧调整优化配风，保持合理的运行氧量水平并强化炉内烟气混合以降低化学不完全燃烧热损失和排烟热损失，保持较高的效率；进一步研究燃料的储运方法，加强燃料管理，降低燃料水分，提高锅炉效率和实际出力。
