长期以来,人们对化石能源过分依赖,而化石能源不可再生的特点带来了巨大的能源安全隐患和环境污染问题。随着国家双碳目标的制定,生物质能作为传统能源的一种有效替代形式,越来越受到大家的重视。与燃煤锅炉相比,生物质燃料来源广泛、品质差异大,锅炉烟气含湿量高,烟气中含有氯化氢气体和氨气,烟气飞灰中含有多种可潮解氯化物。生物质直燃锅炉低温受热面周围烟气可能发生酸结露和盐潮解,导致低温受热面形成粘性积灰,引起低温腐蚀和换热器换热性能下降。探索生物质锅炉烟气含湿量的计算方法,研究酸结露、盐潮解、水结露作用下的低温受热面灰沉积特性,对于保证生物质锅炉低温受热面安全有重要意义。本文基于理论分析、现场测试、实验室实验、数值计算等研究方法对生物质锅炉低温烟气的灰沉积特性进行了系统地研究,获得了基于生物质燃料工业分析数据的烟气量和含湿量计算模型,构建了双工质变壁温诱导结露烟气多成分凝结-积灰-腐蚀耦合现场测试系统,提出了灰沉积的四种积灰模式,揭示了生物质锅炉低温烟气中NH4Cl沉积、酸凝结、盐潮解、水结露对灰沉积的影响规律,得到了生物质锅炉低温烟气中酸露点、水露点以及盐潮解温度的确定方法,建立了生物质锅炉低温受热面安全准则,给出了低温受热面安全运行温度曲线,并结合所研究的生物质锅炉,进行了烟气余热回收利用系统的安全设计。本文主要完成了如下的研究内容:（1）提出了生物质燃料低位热值需氧量系数的概念,研究了生物质燃料理论空气量与低位热值之间的关系,提出了一种基于生物质燃料工业分析数据的烟气量和含湿量计算模型,并使用150个生物质燃料样本对计算模型进行验证,证明了该模型适用于大部分农林生物质燃料。利用该计算模型可以根据入炉燃料的实际情况实时预测烟道的烟气量和含湿量,为燃烧控制、预防低温腐蚀、保证低温受热面安全运行提供指导。（2）对生物质直燃锅炉的燃料、低温烟气、低温烟尘进行了基础研究,并且为了把理论研究结果与工程实践相结合,对某35MW生物质直燃锅炉的燃料、尾部烟道烟气和烟尘进行了现场测试与分析。研究发现入厂生物质原料含水率高,且入炉前干燥不充分,造成入炉燃料含水率高,这是生物质燃料的普遍特征;生物质燃料中草本植物的氯含量高,干燥基氯含量超过0.4 wt%,远远高于煤中氯含量;对150个样本的生物质燃料进行分类,研究了不同种类燃料元素含量与低位热值之间的关系;入炉燃料含水率高,导致生物质锅炉烟气含湿量高,烟气含湿量普遍在15%以上,测试得到所研究生物质锅炉烟气含湿量达到17%;现场测试生物质锅炉烟气中HCl含量为71.7 mg/m3,NH3含量为61.5 mg/m3,SO2含量为1.4 mg/m3,分析了生物质锅炉烟气中HCl和NH3含量高的原因;通过扫描电子显微镜（SEM）研究,发现烟气中飞灰为不规则的多孔介质,粒径主要分布在2 μm～20μm;飞灰溶液呈碱性;X射线衍射（XRD）分析结果显示,飞灰中的SiO2主要以α-SiO2和玻璃态非晶物质存在,金属元素主要以金属氧化物、碳酸盐和氢氧化物的形式存在;飞灰中的主要不溶物质是长石矿物和SiO2。离子色谱（IC）分析方法得到飞灰中可溶氯元素的质量百分含量为0.40 wt%,电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和X射线能谱（EDS）分析结果对照得到飞灰中Mg、Al、Ca、Fe等金属元素在飞灰的水溶液中主要以不溶于水的物质形态存在。这些燃料、烟气和烟尘的基础特性研究为后续理论探索奠定了基础。（3）利用双工质变壁温诱导结露烟气多成分凝结-积灰-腐蚀耦合测试系统进行现场试验,结合实验室分析测试,研究了生物质直燃锅炉低温烟气环境中不同管壁温度条件下的灰沉积特性。①根据生物质直燃锅炉低温烟气和烟尘的特点,设计了双工质变壁温诱导结露生物质锅炉低温烟气多成分凝结-积灰-腐蚀耦合测试系统,该测试系统包括双工质测试回路——冷却水回路和导热油回路,能够根据测试目的、测试环境切换冷却介质。②使用双工质变壁温诱导结露烟气多成分凝结-积灰-腐蚀耦合测试系统,研究了单一试验元件不同壁面温度条件下的灰沉积特性。试验元件壁面温度是影响稳态积灰特性的主要因素,壁面温度过低导致壁面出现粘附性或粘结性积灰,并且由于湿灰的存在可能导致腐蚀的发生。试验元件管壁积灰量随时间不断增加,并在一段时间后达到动态平衡,积灰达到稳定状态所需的时间与壁面温度有关。③利用电镜扫描分析、能谱分析、X射线衍射分析、失重分析等方法对不同管壁温度条件下双工质变壁温诱导结露烟气多成分凝结-积灰-腐蚀耦合测试系统中获取的灰样进行研究,获得试验元件壁面温度降低过程中积灰形貌和积灰成分变化的规律。④基于化学平衡理论和多组分扩散效应理论,计算了生物质锅炉烟道环境中NH4Cl的结晶温度与烟气中NH3和HCl分压力的关系,计算了不同NH3和HCl分压力条件下NH4Cl的生成速率。⑤根据分析测试和理论计算,将生物质锅炉尾部烟气降温积灰过程分为四个阶段,相应有四种积灰模式:疏松积灰模式、NH4Cl结晶干积灰模式、酸-可潮解盐作用积灰模式和水结露积灰模式。（4）研究了酸-可潮解盐作用积灰模式下产生粘附性积灰的机理。①通过计算硫酸凝结速率和生成的硫酸溶液浓度,发现了换热面温度达到硫酸热力学露点时管壁不会由于硫酸凝结立即出现粘性积灰和腐蚀的现象。②搭建水蒸气与HCl混合气体的露点实验台,通过实验方法得到H2O-HCl二元系统的露点变化规律,发现水含量变化对混合气体露点的影响更大,混合气体露点整体变化规律与纯水露点变化规律相似,HCl气体含量在0 ppm～1000 ppm的浓度范围内时,对混合气体露点影响不大,盐酸结露不是造成酸-可潮解盐积灰模式下发生粘附性积灰和腐蚀的主要影响因素。③模拟生物质锅炉烟道的温湿度环境,研究了 LiCl、CaCl2、MgCl2、NH4Cl、KCl、NaCl等可潮解盐的潮解规律,以及CaCO3、CaSO4、CaSO4·2H2O、CaO等飞灰中大量存在的不可潮解物质在相同条件下的表现,通过实验方法研究了可潮解盐的吸水量和潮解速率,通过理论分析计算了临界相对湿度和可潮解盐的理论最大吸水量,证明了各种积灰成分中,可潮解盐是烟温降低过程中导致管壁出现粘附性积灰的关键因素。（5）揭示了生物质直燃锅炉低温烟气灰沉积过程中NH4Cl结晶、酸凝结、盐潮解和水结露的作用机制,提出了生物质锅炉尾部烟道低温受热面安全准则,根据硫酸露点公式、盐酸露点公式以及可潮解盐在不同温度下的临界相对湿度数据和饱和溶液蒸气压数据,获得了生物质锅炉尾部烟道低温受热面安全运行温度曲线。利用这一原理,设计了生物质锅炉余热利用设备安全进水温度现场测试系统,为生物质锅炉烟气余热回收换热器的设计奠定了基础。（6）在受热面安全准则指导下,针对所研究的生物质锅炉,给出了使用低压省煤器进行余热回收利用系统设计的案例,对低压省煤器的结构参数和运行参数进行了安全设计。基于安全性,对低压省煤器接入方式、进水量和入口水温进行了优化分析。本文设计了双工质变壁温诱导结露烟气多成分凝结-积灰-腐蚀耦合现场测试装置,通过研究生物质直燃锅炉低温烟气的灰沉积特性和低温受热面安全运行温度,提出生物质直燃锅炉尾部烟道低温受热面安全准则,得到尾部烟道低温受热面安全运行温度曲线,并给出基于生物质燃料工业分析数据的烟气量和含湿量计算公式,可以帮助工程技术人员快速确定生物质锅炉低温受热面安全运行温度,所得结论具有理论意义及工程应用价值。本文研究结论是结合所研究的某35MW生物质锅炉燃用燃料特性以及锅炉结构、热力系统特征得到的,研究中探索的各种测试方法、理论分析方法、构建的测试系统、建立的计算模型、提出的积灰模式、推导的公式、获得的结论可以应用于各种生物质直燃锅炉。