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夏許寧1，劉圣勇1，劉洪福1，管澤云1，翟萬里1，王鵬曉1，劉霞2
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州450002；2.滑縣環(huán)境保護(hù)局，河南滑縣456400)
摘要：針對生物質(zhì)顆粒燃燒器燃燒不充分及燃燒效率低等問題，設(shè)計(jì)了一款小型生物質(zhì)顆粒燃燒器。該燃燒器換熱量為0.5t/h，進(jìn)料量為20kg/h，并采用三次配風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)置7個配風(fēng)口。本研究對小麥、玉米、水稻3種作物的秸稈制成的生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行了鍋爐換熱試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：小型生物質(zhì)顆粒燃燒器采用的三級配風(fēng)系統(tǒng)配風(fēng)均勻分布，滿足燃料的充分燃燒；3種顆粒燃料燃燒效率均在95%以上，最終的結(jié)渣率均不超過5%，燃燒產(chǎn)物達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)為生物質(zhì)顆粒燃燒器的應(yīng)用與推廣提供了理論依據(jù)。
0引言
由于化石燃料的日益減少及燃燒化石燃料帶來的環(huán)境污染等問題，造成了能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，而生物質(zhì)燃料因其可再生、零污染、儲量大等優(yōu)勢引起世界的關(guān)注[1]。生物質(zhì)顆粒成型燃料主要以農(nóng)林廢棄物為原料，采用機(jī)械加壓的方法，把松散的生物質(zhì)原料壓縮為體積小、密度大、便于運(yùn)輸?shù)某尚腿剂?sup>[2]。
生物質(zhì)顆粒成型燃料因其質(zhì)地均勻且耐燃燒、點(diǎn)火容易、燃燒效率高且燃燒穩(wěn)定，以及燃燒產(chǎn)物污染小等優(yōu)點(diǎn)[3]，廣泛用于各種燃燒設(shè)備中。
目前，國外關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃燒器的研究比較多，主要是以木質(zhì)類的顆粒成型燃料燃燒器為主，種類單一，已經(jīng)形成了比較成熟的木質(zhì)類成型燃料燃燒設(shè)備[4]。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物種植面積廣闊，農(nóng)業(yè)廢棄物年生產(chǎn)量約7億t[5]，預(yù)計(jì)2020年生物質(zhì)成型燃料年利用率將達(dá)到5000萬t[6]，研究出適合我國秸稈類顆粒成型燃料的燃燒器是非常必要的。
我國生物質(zhì)顆粒燃料主要是以秸稈為主，但原料種類較多，且因地理位置、環(huán)境等差異，燃料的燃燒特性也各有不同，因此生物質(zhì)顆粒燃燒器的適用性不強(qiáng)。由于生物質(zhì)成型燃料中堿金屬和硅元素(K、Na、Cl、S、Ca、Si、P等)含量較高，主要以低熔點(diǎn)(700～900℃)的鹽和氧化物的形式存在于生物質(zhì)原料內(nèi)[7]，當(dāng)生物質(zhì)成型燃料燃燒時，爐膛溫度高于堿金屬化合物的熔點(diǎn)，使其軟化并粘結(jié)在受熱面上，出現(xiàn)結(jié)渣、沾污等現(xiàn)象，不僅影響燃燒設(shè)備的熱性能及燃燒效率，嚴(yán)重時還危及燃燒設(shè)備的安全運(yùn)行[8]，這是影響生物質(zhì)成型燃料廣泛應(yīng)用的難點(diǎn)。向衡等在生物質(zhì)燃燒器上運(yùn)用自激脈動技術(shù)，設(shè)計(jì)了提高效率、減少污染的脈動生物質(zhì)燃燒器[9]；包應(yīng)時等研究了生物質(zhì)顆粒燃燒器進(jìn)料方式，總結(jié)了防回火的方法[10]；姚宗路等研究了螺旋清灰破渣機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了抗結(jié)渣生物質(zhì)固體顆粒燃料燃燒器[11]；王月喬等研究了生物質(zhì)顆粒的燃燒特性，總結(jié)了生物質(zhì)顆粒燃燒器的適用控制參數(shù)[12]。
目前，我國的秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料存在易結(jié)渣、點(diǎn)火不易及燃燒不平穩(wěn)、效率低等不足。因此，根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性的3個階段的燃燒特性，采用三級配風(fēng)系統(tǒng)，通過風(fēng)量來調(diào)節(jié)爐排溫度，并配套設(shè)計(jì)生物質(zhì)顆粒燃燒器以保證生物質(zhì)顆粒燃料的充分燃燒并降低結(jié)渣率。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的合理性，需要進(jìn)行蒸汽鍋爐的性能試驗(yàn)，該研究為生物質(zhì)顆粒燃燒器的應(yīng)用與推廣提供了理論依據(jù)。
1燃燒器的設(shè)計(jì)
1.1設(shè)計(jì)思路
根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的理化特性和燃燒特性，針對生物質(zhì)顆粒成型燃料的密度大、揮發(fā)分含量高及燃燒不充分等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)蒸發(fā)量為500kg/h的生物質(zhì)顆粒燃燒器。該燃燒器設(shè)計(jì)7個風(fēng)口進(jìn)行3次配風(fēng)，并配置底風(fēng)，保證顆粒燃料的各個燃燒階段都有足量的氧氣，提高燃燒效率，并且通過供風(fēng)量來調(diào)節(jié)爐排溫度，防止溫度過高導(dǎo)致底灰結(jié)渣率增大。
1.2總體設(shè)計(jì)
1.2.1溫度設(shè)計(jì)
根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性，生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒分為3個階段，首先是揮發(fā)分的分解、析出與擴(kuò)散，然后是揮發(fā)分的燃燒階段，最后為焦炭的層狀燃燒。由于生物質(zhì)灰分含量高、灰熔點(diǎn)低、易結(jié)渣，若溫度過高容易導(dǎo)致灰分的融化、粘結(jié)，因此通過配風(fēng)量來調(diào)控溫度。燃燒器內(nèi)燃料燃燒析出的揮發(fā)分及燃燒室內(nèi)的煙氣溫度較高，因此此階段的溫度設(shè)計(jì)在1200℃左右，剩余的焦炭燃燒溫度不宜過高，不能超過生物質(zhì)顆粒成型燃料的軟化溫度，所以溫度設(shè)計(jì)在900℃以下，以保證燃料燃燒充分及降低底灰的結(jié)渣率。
1.2.2理論空氣量的設(shè)計(jì)
生物質(zhì)顆粒燃料中主要是碳、氫、硫等元素的燃燒，因此1kg燃料燃燒所需的理論氧氣量為
我國小麥、玉米和水稻種植面積大，農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富，所用燃燒器的設(shè)計(jì)采用小麥秸稈、玉米秸稈和稻稈顆粒成型燃料，取三者的平均值，計(jì)算得出1kg燃料所需的理論空氣量為3.633m3；設(shè)計(jì)顆粒燃料燃燒器為常壓換熱蒸汽鍋爐，進(jìn)料量為20kg/h，換熱量為0.5t/h；所需理論空氣量為72.66m3/h，選取過量空氣系數(shù)為1.3[13]，計(jì)算得出實(shí)際空氣量為95m3/h，產(chǎn)灰量為2kg/h。
1.2.3燃燒器容積計(jì)算
燃燒器的容積與燃料的進(jìn)料量、發(fā)熱量成正比，與容積熱負(fù)荷成反比。因此燃燒器容積計(jì)算公式為
1.2.6配風(fēng)系統(tǒng)的工作原理
由于生物質(zhì)顆粒燃料壓縮成型，其本身具有質(zhì)地密實(shí)、密度大及耐燃燒的特性，為了實(shí)現(xiàn)顆粒燃料的充分燃燒，所以，燃燒器設(shè)計(jì)了三級配風(fēng)系統(tǒng)，如圖1所示。
該燃燒器配置兩個風(fēng)機(jī)，在燃燒器的爐排下部設(shè)計(jì)一次風(fēng)機(jī)配風(fēng)裝置，稱為底風(fēng)。底風(fēng)不僅可以翻動爐排上部的燃料層，供給足量的氧氣與燃料均勻混合，使燃料能夠充分燃燒，并且大量的空氣攪動爐排上的灰分，促使灰分下落到爐排下部，使灰渣更容易清除。
另一個風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為攪拌風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)使空氣進(jìn)入攪拌風(fēng)機(jī)內(nèi)，攪拌風(fēng)機(jī)上設(shè)計(jì)了7個風(fēng)口，由7個風(fēng)口分別進(jìn)行一次配風(fēng)、二次配風(fēng)和三次配風(fēng)。其中，在進(jìn)料口的兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個風(fēng)口進(jìn)行一次配風(fēng)，燃燒室的中下部設(shè)計(jì)了4個上下并列兩排的風(fēng)口進(jìn)行二次配風(fēng)，煙氣出口處設(shè)計(jì)了一個分口進(jìn)行三次配風(fēng)。當(dāng)燃料進(jìn)入燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，燃燒器的上部充滿高溫氣體，燃燒室中下部的4個風(fēng)口形成循環(huán)，高溫氣體由下部風(fēng)口進(jìn)入攪拌風(fēng)機(jī)內(nèi)并對冷空氣進(jìn)行預(yù)熱，然后加熱的空氣通過上部風(fēng)口進(jìn)入燃燒室內(nèi)。高溫氣體與熱空氣的循環(huán)不斷翻動燃料層，攪動燃燒室內(nèi)的空氣，增大了燃燒器內(nèi)部的可燃?xì)怏w與氧氣接觸的機(jī)率，保證燃燒器內(nèi)部的揮發(fā)分及可燃?xì)怏w能夠充分燃燒。
當(dāng)燃燒器運(yùn)行時，首先進(jìn)入燃燒器的是冷空氣。
由于燃料的燃燒及燃燒器中下部的4個風(fēng)口形成的循環(huán)系統(tǒng)，使得攪拌風(fēng)機(jī)內(nèi)的冷空氣逐漸加熱。當(dāng)燃燒器運(yùn)行一段時間后，除底風(fēng)外，其他進(jìn)入燃燒器的冷空氣變成熱空氣。因此，進(jìn)入進(jìn)料管兩側(cè)的一次風(fēng)，不僅能夠?qū)ι镔|(zhì)顆粒燃料進(jìn)行預(yù)熱干燥，及與空氣均勻混合，并且在一次風(fēng)的帶動下燃料進(jìn)入燃燒器內(nèi)，保證進(jìn)料后能夠在燃燒器內(nèi)初次燃燒充分，使揮發(fā)分能夠快速平穩(wěn)析出，同時也可以降低點(diǎn)火難度。
在煙氣出口即爐膛入口處設(shè)計(jì)了三次配風(fēng)。由于此時燃燒器內(nèi)燃料劇烈燃燒產(chǎn)生了高熱量煙氣，加上鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的共同作用，此時鍋爐爐膛內(nèi)容易達(dá)到負(fù)壓狀態(tài)；而這種狀態(tài)可以使揮發(fā)分和煙氣流入爐膛，從而達(dá)到了二次燃燒的目的。因此，所設(shè)計(jì)的三次配風(fēng)可以使煙氣中的可燃?xì)怏w充分燃燒，提高燃燒效率。但是，三次配風(fēng)的風(fēng)量不宜過大，配風(fēng)量過大容易造成不必要的熱損失，影響鍋爐的換熱效率。
其中，一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)的風(fēng)口面積的計(jì)算公式為
2試驗(yàn)測試
2.1試驗(yàn)材料
本實(shí)驗(yàn)選取了鄭州德潤鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的小麥秸稈、玉米秸稈和水稻的顆粒成型燃料。直徑約為10mm，密度約為1.15t/m3，其工業(yè)分析及元素分析如表2所示。
2.2試驗(yàn)儀器
試驗(yàn)儀器及測點(diǎn)布置如表3所示。
2.3試驗(yàn)裝置
生物質(zhì)顆粒燃燒器及鍋爐示意圖，如圖2所示。
生物質(zhì)顆粒燃燒器采用螺旋進(jìn)料方式，燃料由進(jìn)料口從燃燒器上邊垂直進(jìn)入，一次風(fēng)直接通入下料管道內(nèi)，和燃料混合后進(jìn)入燃燒器。燃料在燃燒室內(nèi)下降時經(jīng)高溫?zé)煔鉀_刷，首先進(jìn)行燃燒，揮發(fā)分析出；隨著揮發(fā)分的析出，燃料剩下的焦炭結(jié)構(gòu)下降到爐排上進(jìn)行焦炭燃燒，在爐排下部設(shè)置底風(fēng)，保證爐排上焦炭的充分燃燒。在燃燒室中間設(shè)置并排分布的4個風(fēng)口形成循環(huán)進(jìn)行二次配風(fēng)，保證燃燒室內(nèi)可燃?xì)怏w的充分燃燒。在引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的作用下，鍋爐爐膛內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)，燃燒室內(nèi)部分可燃?xì)怏w和煙氣在壓強(qiáng)的作用下進(jìn)入鍋爐爐膛內(nèi)。在煙氣出口出配置三次風(fēng)，使部分未完全燃燒的可燃?xì)怏w在爐膛內(nèi)再次燃燒，高溫?zé)煔馀c鍋爐換熱后經(jīng)水浴除塵器除塵后排向大氣。
該燃燒器通過分級配風(fēng)，實(shí)現(xiàn)燃料的充分燃燒，使排放物達(dá)到環(huán)保指標(biāo)；在燃燒器的底部設(shè)置清灰門，通過人工清灰的方法來清除底灰。
2.4試驗(yàn)結(jié)果
為研究燃燒器的適用性及燃燒效率，試驗(yàn)使用3種生物質(zhì)顆粒燃料，分配恰當(dāng)?shù)娜壟滹L(fēng)量和底風(fēng)，達(dá)到合適的燃燒溫度，保證燃燒充分及降低結(jié)渣。試驗(yàn)研究了3種生物質(zhì)顆粒燃料在三級配風(fēng)下的各階段燃燒溫度、燃燒效率和各項(xiàng)熱損失，以及灰渣含碳量等，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
由表4可知：玉米秸稈熱值高，燃燒時爐膛溫度和燃燒室溫度雖略高于設(shè)定溫度；但三級配風(fēng)分配均勻，使玉米顆粒燃料充分燃燒，灰渣含碳量較少，燃燒效率最好。稻稈熱值低、含水率高，燃燒時大量水蒸氣和揮發(fā)分產(chǎn)生，大量水蒸氣和揮發(fā)分混合，使得揮發(fā)分不能與氧氣充分反應(yīng)；并且水蒸氣隨著煙氣的排除還帶走大量的熱，增加氣體不完全燃燒熱損失，因此稻稈燃燒時要加大一次配風(fēng)量，對燃料進(jìn)行干燥預(yù)熱。麥秸稈灰分含量較高，燃燒時爐排溫度較高，可燃物被灰分包裹而不能充分燃燒，增大固體不完全燃燒熱損失，灰渣含碳量也增加，因此要降低底風(fēng)并增加二次配風(fēng)量，來增強(qiáng)二次風(fēng)的循環(huán)；并加大燃料層的攪拌，適當(dāng)降低進(jìn)料速度和爐排溫度，使燃料在爐排上充分燃燒。
根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB 13271－2001》可知：鍋爐煙塵最高允許排放濃度為120mg/m3，煙氣格林曼黑度等級不大于1[14]。由試驗(yàn)結(jié)果可知，顆粒燃燒器的污染物排放達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
小麥秸稈、玉米秸稈和稻稈顆粒成型燃料燃燒效率均在95%以上，結(jié)渣率較低均不超過5%，所以生物質(zhì)顆粒燃燒器的設(shè)計(jì)合理，各級配風(fēng)能夠滿足燃料的每個階段的燃燒，顆粒燃料燃燒充分效率高。
3結(jié)論
1)設(shè)計(jì)了小型生物質(zhì)顆粒燃燒器，壓強(qiáng)為0.1MPa，換熱量為0.5t/h，進(jìn)料量為20kg/h，采用三次配風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)置7個配風(fēng)口，一次配風(fēng)2個風(fēng)口，二次配風(fēng)4個風(fēng)口，三次配風(fēng)1個風(fēng)口，并設(shè)置底風(fēng)，保證燃料各個階段充分燃燒。
2)對生物質(zhì)顆粒燃燒器進(jìn)行鍋爐供熱試驗(yàn)，3種顆粒燃料燃燒效率均在95%以上，最高可達(dá)到97.24%，結(jié)渣率較低均不超過5%，燃燒產(chǎn)物達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；
3)本文主要設(shè)計(jì)了生物質(zhì)顆粒燃燒器的配風(fēng)系統(tǒng)，對燃燒器的結(jié)渣除渣系統(tǒng)未作深入研究，因此建議對灰分含量高、灰熔點(diǎn)低的顆粒燃料加入添加劑或?qū)θ剂线M(jìn)行預(yù)處理，減少結(jié)渣率及不完全燃燒損失；對燃料消耗量較大的燃燒器建議安裝除渣裝置，防止因結(jié)渣降而低燃燒器的燃燒效率。
參考文獻(xiàn)：
[1]袁振宏，羅文.生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].化工進(jìn)展，2009，28(10)：1687－1692.
[2]張百良，樊峰鳴，李保謙，等.生物質(zhì)成型燃料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化前景分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39(1)：111－114.
[3]徐飛，侯書林，趙立欣，等.生物質(zhì)顆粒燃料燃燒技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].安全與環(huán)境，2011，11(1)：70－74.
[4]田宜水，孟海波.農(nóng)作物秸稈開發(fā)利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.
[5]李小民，林其釗.玉米稈熱解的最概然機(jī)理[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63(8)：2599－2605.
[6]田宜水.中國生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[J].科學(xué)研究，2009(2)：13－17.
[7]林聰，袁艷文.生物質(zhì)固體成型燃料抗結(jié)渣研究進(jìn)展[J].可再生能源，2009，27(5)：48－51.
[8]華磊，劉圣勇.生物質(zhì)捆燒鍋爐結(jié)渣特性及影響因素研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44(3)：303－306.
[9]向衡，朱明，劉向東，等.生物質(zhì)燃料脈動燃燒器的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，36(6)：202－205.
[10]包應(yīng)是，楊國峰，洪一前，等.生物質(zhì)顆粒燃燒器進(jìn)料防回火方法[J].農(nóng)業(yè)工程，2015(5)：49－52.
[11]姚宗路，孟海波，田宜水，等.抗結(jié)渣生物質(zhì)固體顆粒燃料燃燒器研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(11)：89－93.
[12]王月喬，田宜水，侯書林，等.生物質(zhì)顆粒燃燒器燃料適應(yīng)性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(7)：197－205.
[13]崔永章，李曉，任敏娜，等.空氣量對秸稈顆粒燃料燃燒影響的試驗(yàn)研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27(2)：167－171.
[14]GB13271－2001，鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]. |
