生物質能與化石能源相比，具有可再生和低污染的優勢，近幾年，生物質能發電得到了快速發展。在燃煤鍋爐摻燒生物質方面國外已有實例，1996年期間，在丹麥Studstrup電站一號機組進行了秸稈與煤混燒示范試驗。國外相關文獻在燃煤鍋爐摻燒生物質氯腐蝕、燃燒方式、生物質預處理、火焰結構等方面進行了研究。國內研究大都集中在生物質電廠鍋爐的直接燃燒、燃料特性、灰分分析等方面。但相關文獻還沒有燃煤鍋爐摻燒稻殼對鍋爐效率影響的計算分析方面的研究。
本文以某電廠300 MW燃煤鍋爐摻燒稻殼為研究對象，現階段該臺鍋爐采用冷風輸送稻殼，摻混比例很小。因采取冷風輸送稻殼會降低鍋爐的熱效率，并且摻混比例太小無法對稻殼形成高效、規模化利用。為了解決這些問題，本文研究了燃煤鍋爐摻燒稻殼時在不同送風溫度和不同摻燒比例下對鍋爐效率、排煙溫度、輻射換熱和對流換熱等方面的影響。此研究結果可對燃煤電廠摻燒稻殼提供參考。
1、輸送稻殼風溫的確定
該電廠摻燒稻殼采用冷風輸送方式，若采用熱風輸送稻殼，現場直接實驗存在一定的風險且費時費力。為此，在試驗室搭建了稻殼的熱風輸送試驗臺，壓縮空氣由空氣泵提供，經管式爐加熱。熱空氣從底部進入上升管，加熱物料10 min。當輸送溫度達到220℃時，稻殼產生輕度的揮發份析出現象，稻殼的顏色發生變化，但并沒有發生稻殼附壁的現象。當輸送風溫降低至180℃，加熱10 min后，稻殼沒有發生任何變化。因此，從輸送系統的安全性考慮，建議稻殼輸送風溫在150℃～180℃。
富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
2、研究對象與計算工況
該燃煤鍋爐采用四角同心反切燃燒、擺動燃燒器調溫、平衡通風、固態排渣；爐后尾部布置兩臺三分倉容克式空氣預熱器，爐膛采用氣密式膜式水冷壁，爐底采用水封結構。設計煤種為貧煤，制粉系統為中間儲倉式制粉系統。該電廠現階段進行了摻燒稻殼發電，本文根據試驗數據，采取低于200℃以下熱風輸送稻殼進行計算分析，計算了稻殼不同送風溫度，不同摻燒比例下，對鍋爐效率、排煙溫度等方面的影響。
在具體計算工況中，輸送稻殼風溫分別設定為20℃、100℃、150℃、200℃：摻燒比例為1%、3%、5%、8%、10%、15%、20%。其系統原理如圖1所示。
3、計算方法
3.1 混合燃料計算方法
煤質是鍋爐設計及運行的重要依據。參考工業鍋爐設計計算標準方法中關于燃用混合煤的計算方法。當混合燃燒兩種不同煤時，1kg混合煤的發熱量：
式中gL一混合煤中某種煤的質量份額，%。
混合煤的元素成分也可按同樣的方法進行折算：
g一混合煤中某種煤的質量份額，%。
在煤質的元素分析中，其余組份也可按此方法進行折算。本文所研究稻殼和煤的摻燒計算時，把稻殼假定為組分相近的煤。因此，稻殼和煤摻燒時，可把稻殼和煤混合燃料當作鍋爐燃燒兩種不同的煤，在計算時所用的混合燃料元素分析和工業分析均按上述方法進行折算。
在該電廠所摻燒的稻殼為其周邊地區所產，根據上述混合燃料計算方法，設計煤種、現燒煤種、稻殼、混合燃料的元素分析和工業分析如表l所示。
表1中混合燃料計算結果為稻殼摻燒比例為15%時的計算結果，該方法推算的混合燃料的元素分析和工業分析隨摻燒比例的變化而變化。表l表明，稻殼與煤相比，具有較高的O/C比和H/C比：稻殼具有更高的氧含量，從燃燒的角度上理解，稻殼具有更好的燃燒性能。
3.2 空氣預熱器計算方法
采用不同溫度的一次風輸送稻殼時，對鍋爐效率有所影響。當輸送稻殼的風溫低于空預器出口風溫，摻入輸送風中的冷風會排擠正常燃煤工況下空預器的風量，隨著摻燒比例的增加，排擠的風量也就會增加，與不摻燒稻殼相比，排煙溫度也就會相應的升高。空預器計算原理圖如圖2所示。在不摻燒稻殼的燃煤工況下，輸送燃煤的一次風的溫度為300℃。摻燒稻殼工況下，采用200℃的風輸送稻殼時煙氣側對一次風的放熱量的計算原理如圖3所示。
4、計算結果
4.1對爐膛輻射換熱及爐膛出口煙氣溫度的影響
摻燒稻殼時，由于其折算水分較高，熱值低，因此，混合燃料的理論燃燒溫度隨摻燒比例的增加而降低；如圖4中當摻燒稻殼比例達到20%時，理論燃燒溫度降低21℃。
理論燃燒溫度降低會使爐內平均溫度水平下降，降低爐膛的輻射換熱量，使爐膛出口煙氣溫度升高：當采用200℃輸送稻殼，摻燒比例為20%的時候，爐膛出口煙氣溫度升高9℃，其原因在于摻燒稻殼時，爐內溫度水平下降，爐膛輻射換熱量減少，導致爐膛出口煙氣溫度升高。同時稻殼的灰分含有較高的堿金屬化合物，堿金屬化合物的存在使灰熔點降低，容易引起鍋爐受熱面結渣與污染，燃燒器區域的灰分沉積，同樣會使爐內輻射換熱量減少，也會對爐膛出口煙氣溫度升高有所貢獻。但南計算可知，當摻燒比例達到20%時，煙氣量僅僅增加2%～3%，因此，摻燒稻殼對輻射換熱和對流換熱影響不大，基本不會影響出力。
4.2對水蒸汽容積份額及飛灰濃度的影響
以不摻燒稻殼為基準，隨著稻殼摻燒比例的增加，鍋爐煙氣中水分含量呈上升趨勢，生物質摻燒比例達到20%時，煙氣中水分容積份額增加了0.0102。由于折算水分較高，會降低燃料的理論燃燒溫度，煙氣中水分增加會影響到煙氣的酸露點，會對鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕產生影響。煙氣中水分的增加也會增加鍋爐的排煙損失。
由于稻殼中灰分含量低，飛灰濃度隨摻燒比例的增大呈下降趨勢，當摻燒比例達到20%時，飛灰濃度下降了約0.001 2 kg/kg;飛灰濃度的下降可以減少固體未完全燃燒熱損失，并且可以減小鍋爐受熱面，特別是減小尾部受熱面的磨損。
4.3對排煙溫度和鍋爐效率的影響
該燃煤鍋爐不摻稻殼實際運行時，排煙溫度為1℃。隨著稻殼摻燒份額的增加，鍋爐排煙溫度及排煙損失呈上升趨勢。以不摻燒稻殼為基準，當20C冷風輸送稻殼，摻燒比例為20%時，排煙溫度升高27.1℃。其原因在于以低于空預器出口風溫的溫度輸送稻殼將導致通過空氣預熱器的空氣量減少；另外，稻殼燃料中的氧含量高達30%，使燃燒稻殼時的理論空氣量減小，也相應減少了通過空氣預熱器的空氣量，這些因素都將導致排煙溫度的升高。當200℃熱風輸送稻殼，摻燒比例20%時，排煙溫度升高21.3℃：從排煙溫度和鍋爐效率方面考慮，采用熱風輸送稻殼較好，可降低排煙溫度，提高鍋爐效率。
在鍋爐效率方面，20℃冷風輸送稻殼，摻燒比例20%的時候，鍋爐效率下降1.65%；若采用200C熱風輸送稻殼，摻燒比例為20%時，鍋爐效率下降1.3 %。
5、結論
(1)從輸送系統安全性的角度考慮，建議稻殼的輸送風溫在150—180℃：由于制備、儲存、輸送、結渣積灰、腐蝕等涉及鍋爐安全和經濟的問題尚未很好解決，因此，摻燒稻殼比例不宜超過15℃。
(2)隨著摻燒稻殼比例的增加，排煙溫度升高，鍋爐效率下降；提高輸送稻殼風溫，可降低排煙溫度，提高鍋爐效率。當摻燒比例達到20℃，20℃冷風輸送稻殼時，排煙溫度升高最大，達到27.1℃，鍋爐效率下降1.65%；當摻燒比例達到20℃，采用200℃熱風輸送生物質，排煙溫度升高21.3℃，鍋爐效率下降1.3%。
(3)隨著摻燒稻殼比例的增加，煙氣量增加，理論燃燒溫度降低，爐膛出口煙溫升高，煙氣中飛灰濃度降低，水蒸汽容積份額增加；當摻燒比例20%時，煙氣量增加2%—3%，飛灰濃度降低了0.0012kg/kg，水蒸汽容積份額增加了0.0102，理論燃燒溫度降低21℃，爐膛出口煙溫升高9℃，對爐膛輻射換熱和受熱面對流換熱影響不大。
