管澤運^1,2，劉圣勇^1,2，翟萬里^1,2，王鵬曉^1,2，夏許寧^1,2，劉洪福^1,2，劉霞³

　　(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點開放實驗室，河南鄭州450002；2.生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450002；3.滑縣環(huán)境保護(hù)局，河南滑縣456400)

　　摘要：設(shè)計了一種適合生物質(zhì)燃燒的新型爐膛，將該爐膛結(jié)構(gòu)應(yīng)用于額定蒸發(fā)量1t·h^-1、額定蒸汽壓力0.7MPa的鏈條蒸汽鍋爐上，進(jìn)行爐膛熱性能試驗以及爐膛溫度場、氣體濃度場的分布規(guī)律試驗。實際性能測試結(jié)果表明.燃用生物質(zhì)成型燃料的蒸汽鍋爐采用該新型爐膛結(jié)構(gòu)后燃燒效率為96.67％～97.91％，爐膛出口煙氣溫度在799～835℃之間；沿爐膛高度方向與橫向截面方向上溫度分布合理；爐內(nèi)CO₂、CO與O₂混合良好，氣體濃度場分布合理；SO₂、NO_x、煙塵等污染物排放遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。證實該爐膛結(jié)構(gòu)的設(shè)計能實現(xiàn)生物質(zhì)燃料穩(wěn)定、持續(xù)、高效清潔地燃燒。

　　生物質(zhì)能源具有總量豐富、來源廣泛、污染性低的特點，是一種理想的可再生能源。中國發(fā)展生物質(zhì)能源具有維護(hù)國家能源安全、減少環(huán)境污染、促進(jìn)農(nóng)村建設(shè)等重要戰(zhàn)略意義。生物質(zhì)能源既能滿足緩解能源危機的需求，又符合保護(hù)環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求，是中國進(jìn)行可再生能源開發(fā)利用的必然選擇。因此，減少煤炭的使用，研發(fā)高效清潔的生物質(zhì)鍋爐備受關(guān)注。目前國外生物質(zhì)鍋爐主要研究應(yīng)用在循環(huán)流化床鍋爐上。

　　如美國CE公司研制的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐，丹麥奧斯龍公司研制的高倍率循環(huán)流化床鍋爐等，設(shè)備技術(shù)成熟，配套設(shè)施完善。

　　中國目前生物質(zhì)鍋爐的應(yīng)用主要集中在層燃鍋爐上，6t·h^-1以下的中小型工業(yè)鍋爐占領(lǐng)的市場份額最大，應(yīng)用也最為廣泛。其中生物質(zhì)鏈條蒸汽鍋爐是目前運用的較為理想的動力設(shè)備，具有成本低、操作簡單、運行可靠、高效低排放等優(yōu)點，可在食品、化工、紡織、金屬加工、發(fā)電、供暖等各類行業(yè)與工藝中應(yīng)用。爐膛是生物質(zhì)鍋爐重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)應(yīng)與生物質(zhì)燃料的燃燒特性相適應(yīng)，使燃料盡可能的充分燃燒，提高燃燒效率。目前生產(chǎn)應(yīng)用的大部分生物質(zhì)鍋爐，其爐膛結(jié)構(gòu)盲目模仿燃煤鍋爐設(shè)計，沒有合理的形狀和尺寸，導(dǎo)致積灰結(jié)渣問題嚴(yán)重，燃燒效率低。近年來對生物質(zhì)蒸汽鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)的研究甚少，現(xiàn)以額定蒸發(fā)量1t·h^-1、額定蒸汽壓力0.7MPa的鏈條蒸汽鍋爐為例，介紹爐膛新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計與試驗研究，為生物質(zhì)鍋爐的設(shè)計提供參考依據(jù)。

　　1生物質(zhì)燃料的選取與燃燒特點分析

　　在中國目前發(fā)行的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中，直接燃用秸稈等生物質(zhì)屬于高污染燃料，只能在農(nóng)村大灶中使用，不允許在城市鍋爐領(lǐng)域內(nèi)使用，生物質(zhì)燃料的利用實際主要是以生物質(zhì)成型燃料的形式。生物質(zhì)成型燃料具有體積小、密度大、儲運方便、燃燒穩(wěn)定、燃燒效率高、灰渣及煙氣中污染物含量小等優(yōu)點，是鍋爐燃料的良好替代品。試驗選取玉米桿(塊狀)、甘蔗渣(棒狀)、雜木末(顆粒)3種具有代表性的成型原料作為鍋爐燃料。

　　塊狀玉米桿成型截面尺寸為32mm×32mm，長50mm，收到基含水率為6.95％，低位發(fā)熱量為15658kJ·kg^-1；棒狀甘蔗渣成型直徑為32mm，長度為40mm，收到基含水率為10.3％，低位發(fā)熱量為13740kJ·kg^-1；雜木末是由樺木、楊木鋸末加工成型的小圓柱顆粒狀成型燃料，粒徑為8mm，長度為15mm收到基含水率為4.5％，低位發(fā)熱量為15933kJ·kg^-1。生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性與化石燃料有較大差別，其燃燒過程的特點主要體現(xiàn)在以下方面：(1)水分含量大，產(chǎn)生的煙氣體積大、流速快，若爐膛結(jié)構(gòu)不合理，則排煙損失將會很高。(2)燃料密度小，燃燒時結(jié)構(gòu)松散，迎風(fēng)面積增大，易吹起，爐膛結(jié)構(gòu)不合理將導(dǎo)致爐膛內(nèi)嚴(yán)重的積灰堵灰問題。(3)生物質(zhì)發(fā)熱量低，灰熔點低，沒有合理的爐膛結(jié)構(gòu)，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難。(4)揮發(fā)份高，著火溫度低，焦炭顆粒燃盡困難，爐膛內(nèi)需要合理的溫度場與氣體濃度場才能減小熱損失。

　　2生物質(zhì)鏈條蒸汽鍋爐爐膛的設(shè)計

　　針對上述生物質(zhì)燃料燃燒特點，設(shè)計的新型爐膛結(jié)構(gòu)如圖1所示。爐膛采用全爐拱設(shè)計，鏈條爐排的上方從前到后依次設(shè)有前拱、中拱和后拱，中拱由豎向的折焰墻構(gòu)成，后拱由豎向的花墻和一道橫向墻構(gòu)成，前拱和中拱以及后拱的花墻由拱頂連接；前拱和中拱圍設(shè)成第1燃燒室，中拱和后拱的花墻圍設(shè)成第2燃燒室，后拱與爐膛后墻圍設(shè)成燃盡室；前拱與中拱上均設(shè)有2次風(fēng)口，爐膛后墻上設(shè)有清灰門。生物質(zhì)燃料隨著鏈條爐排的運動進(jìn)入爐膛第1燃燒室。第1燃燒室為主要燃燒區(qū)，在1次風(fēng)和2次風(fēng)系統(tǒng)作用下，燃料大量燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饫@過折焰墻進(jìn)入第2燃燒室。第2燃燒室為2次燃燒區(qū)，高溫?zé)煔夂械募淄椤⒁谎趸嫉瓤扇細(xì)怏w以及固體可燃顆粒繼續(xù)燃燒傳熱，2次燃燒后的煙氣由花墻進(jìn)入燃盡室。煙氣在燃盡室內(nèi)進(jìn)一步降塵和燃燒，再通過出煙氣口在引風(fēng)系統(tǒng)作用下進(jìn)人煙道。爐膛內(nèi)積累的煙塵顆粒和灰渣可由清灰門清除。

　　設(shè)計的生物質(zhì)鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)具有如下技術(shù)特點：(1)設(shè)計了新型2次風(fēng)系統(tǒng)。2排2次風(fēng)管相向設(shè)置，位于前拱的2次風(fēng)口向下傾斜約10°，位于中拱的2次風(fēng)口向下傾斜約25°，可在鏈條爐排的燃料層上方區(qū)域形成近似圓形氣流擾動。該設(shè)計延長了高溫?zé)煔庠诘?燃燒室的停留時間，強化煙氣傳熱，降低排煙溫度，減少排煙熱損失，同時優(yōu)化了爐內(nèi)熱力場，提高鍋爐穩(wěn)定燃燒能力和入爐燃料的燃盡程度。(2)設(shè)計了新型爐拱結(jié)構(gòu)。爐膛使用全爐拱設(shè)計，中間增加了1道折焰墻作為中拱，后拱由1道橫向墻和1道花墻組成。爐拱將爐膛分為3個區(qū)域：第1燃燒室、第2燃燒室和燃燼室，延長了高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)的行程。煙氣在第2燃燒室內(nèi)進(jìn)行1次降塵和2次燃燒，在燃盡室內(nèi)進(jìn)行2次降塵，提高燃盡率，減少煙塵排放。(3)在爐膛尾部的后爐墻上設(shè)置清灰門。生物質(zhì)燃料燃燒時，少量灰分由于質(zhì)量輕會隨著高溫?zé)煔庖黄疬\動，最終沉積在后拱的橫向墻上，沉積的灰渣和煙塵可由清灰門定期清除。

　　3爐膛燃燒性能試驗

　　3.1試驗鍋爐結(jié)構(gòu)及工作原理

　　為判斷設(shè)計的實際運行水平，將該爐膛結(jié)構(gòu)應(yīng)用在單鍋筒縱置式水火管窩殼式蒸汽鍋爐上進(jìn)行試驗，燃燒設(shè)備為鏈條爐排，額定蒸發(fā)量為1t·h^-1，額定蒸汽壓力為0.7MPa，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　T作過程為燃料南進(jìn)料斗落入鏈條爐排上，隨著爐排的運動進(jìn)入爐膛燃燒，燃料層厚度可由閘門調(diào)節(jié)，燃燒所需要的風(fēng)量由1次和2次風(fēng)送入；水冷壁受熱后形成汽水化合物，蒸汽向上進(jìn)入鍋筒，下降管中的水由于密度大壓迫下集箱填充水冷壁管束，形成水循環(huán)；燃燒產(chǎn)生的煙氣在爐膛內(nèi)呈擾動狀流動，沿鍋筒底部經(jīng)出口煙窗進(jìn)人兩翼對流管束，通過前煙箱進(jìn)入螺紋煙管，經(jīng)過省煤器、除塵器，由引風(fēng)機抽引通過煙囪排人大氣。

　　以上述鍋爐為基礎(chǔ)，進(jìn)行了爐膛熱性能、溫度場、氣體濃度場3種試驗研究。試驗儀器主要包括：(1)MRUDELTA65煙氣分析儀(北京兩林子科技發(fā)展有限公司)，其各指標(biāo)的測量精度分別為：O₂體積濃度精度為±0.1％、CO體積濃度精度為±10×10^-6、CO₂體積濃度精度為±0.1％、效率精度為±1％、排煙溫度精度為±0.5％；(2)TN435高溫型紅外測溫儀(北京寶安康電子有限公司)，測量精度為讀數(shù)值1％±1℃；(3)DH—WRNⅡ級數(shù)字熱電偶溫度計(江蘇兆龍電氣有限公司)，精度為0.3％±2.5℃；(4)testo350型自動煙塵(氣)測試儀(河北潤聯(lián)集團公司)，精度為±0.2％；(5)C型壓力表，精度為1.0級。

　　3.2爐膛燃燒效率與污染物排放試驗

　　根據(jù)GB／T10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》及GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行鍋爐試驗。另選取1臺市場上流通的生物質(zhì)鍋爐作為對比試驗，該鍋爐由鍋爐生產(chǎn)廠家提供，除爐膛結(jié)構(gòu)外，其余結(jié)構(gòu)布置與上述提出的生物質(zhì)鍋爐基本一致，二者對比試驗結(jié)果如表1所示。

　　從表1可以看出，設(shè)計的新型爐膛燃燒效率為96.67％一97.91％，比對比鍋爐提高8％左右；設(shè)計的新型爐膛出口煙氣溫度在799—835℃之問，比對比鍋爐爐膛出口煙氣溫度降低150℃左右，排煙熱損失將大幅度減少；設(shè)計的新型爐膛污染物排放大幅度降低，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。從燃燒過程來看，對比鍋爐爐膛內(nèi)火焰大幅度劇烈波動，火焰及飛灰在爐膛未密封處冒出，煙氣黑度大，燃燒不穩(wěn)定；設(shè)計的新型爐膛內(nèi)火焰不貼壁、不沖墻、充滿度高，壁面熱負(fù)荷均勻。燃燒結(jié)束后對比鍋爐爐膛內(nèi)各段受熱面積灰、堵灰問題嚴(yán)重，且不易清理；設(shè)計的新型爐膛內(nèi)積灰問題較輕，且沉積的飛灰可由清灰門清除。

　　3.3爐膛溫度場測試

　　溫度場是生物質(zhì)鏈條鍋爐重要的運行參數(shù)。試驗在爐膛內(nèi)的測點布置情況如圖4所示，圓圈代表測點位置，測點高度為布風(fēng)板以上爐膛凈高度，工況條件為80％負(fù)荷，原料選取塊狀玉米桿成型燃料，燃料層高度為30cm。

　　試驗測定了爐膛第1、2燃燒室沿高度方向的溫度場分布，測量結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，高度在0.4m處，爐膛溫度最高，第1燃燒室為1080℃，第2燃燒室為1024℃。這是由于此處燃料濃度大，O₂充分，燃料迅速燃燒放熱，溫度可達(dá)最高值。第1燃燒室內(nèi)，在0.6m到0.8m高度范圍內(nèi)，由于2次風(fēng)吹人，煙氣中的可燃物繼續(xù)燃燒，溫度出現(xiàn)小范圍的升高，隨后隨著高度的增加，爐溫逐漸降低，由于2次風(fēng)的圓形氣流擾動作用，使高溫?zé)煔馔Ａ魰r間延長，溫差梯度小，降溫平緩；第2燃燒室內(nèi)，隨著高度的繼續(xù)增加，爐溫逐漸降低至776℃，溫差梯度大，降溫明顯。這是由于此區(qū)域內(nèi)沒有2次風(fēng)的吹入，高溫?zé)煔鈺?jīng)花墻直接進(jìn)入燃盡室，停留時間短。

　　試驗期間，還在第1燃燒室布分板以上高度0.4、1.2、1.6m³處爐膛橫向截面積內(nèi)測定了爐膛溫度場分布，測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在0.4m高度處，由于2次風(fēng)的中間風(fēng)量大，使?fàn)t膛中心區(qū)域溫度高于前墻與折焰墻附近溫度，隨著爐膛高度的增加，截面溫度變化很小，1.2m高度處截面溫度在950～1000℃之間，1.6m高度處截面溫度在903—935℃之間。從整體上看，第1燃燒室為主要燃燒區(qū)，其橫向截面溫度分布均勻，說明爐內(nèi)布風(fēng)合理，入爐燃料燃盡程度高，爐膛內(nèi)運行穩(wěn)定，傳熱平衡。

　　3.4爐膛氣體體積濃度場測試

　　氣體體積濃度分布是判斷爐膛內(nèi)燃燒是否合理的重要依據(jù)。作者對爐膛中O₂、CO與CO沿爐膛高度、深度方向上的分布情況進(jìn)行了試驗。沿爐膛高度方向氣體體積濃度分布試驗結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在0～0.4m高度范圍內(nèi)，O₂體積濃度迅速降低，由12.74％降至4.11％，CO₂體積濃度由7.09％提升至12.60％，說明爐內(nèi)供風(fēng)充足，入爐燃料燃燒充分；隨著高度的增加，燃燒減弱，O₂體積濃度逐漸升高，CO₂體積濃度逐漸降低，1.2m到拱頂范圍內(nèi)趨于恒定，O₂體積濃度穩(wěn)定在9.00％左右，CO₂體積濃度穩(wěn)定在8.20％左右。在0.4～0.8m高度范圍內(nèi)，CO₂體積濃度下降不顯著，CO體積濃度由1.84％降至0.72％，這是由于2次風(fēng)的氣流擾動作用，CO繼續(xù)燃燒向CO₂轉(zhuǎn)化，說明2次風(fēng)的布置合理，實現(xiàn)可燃?xì)怏w的再次燃燒。

　　在試驗中，測定了爐膛0.4m高度處沿深度方向氣體體積濃度分布，測試結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，左、右兩側(cè)壁面處氣體體積濃度很低，左墻O₂體積濃度為2.84％，CO₂體積濃度為2.36％，CO體積濃度為0.22％；右墻O₂體積濃度為2.51％，CO₂體積濃度為2.62％，CO體積濃度為0.19％。這是由于水冷壁溫度偏低，壁面處存在高濃度的氣體下降流，使得氣體體積濃度出現(xiàn)急劇變化。爐膛中心處O₂體積濃度低，為3.80％一5.61％；CO₂體積濃度高，為9.60％～13.27％；CO體積濃度高，為1.77％～1.85％。這是由于爐膛中心區(qū)域燃燒強烈，氧量消耗大，大量的CO₂與CO產(chǎn)出。氣體濃度分布曲線平滑，沒有出現(xiàn)劇烈的上下波動，說明爐內(nèi)氣體與燃料混合良好，燃燒合理。

　　4結(jié)論

　　1)由熱性能對比試驗結(jié)果可以看出，在設(shè)計的新型爐膛內(nèi)燃用玉米桿、甘蔗渣、雜木末3種生物質(zhì)成型燃料，熱性能明顯優(yōu)于對比鍋爐，其燃燒效率分別提高至97.57％、96.67％和97.91％；爐膛出口煙溫分別降低至817、799、835℃；受熱面結(jié)渣以及積灰堵灰情況明顯減輕；煙氣中污染物NOx質(zhì)量濃度分別降低至12、12、8mg·m^-3，SO₂質(zhì)量濃度分別降低至17、16、12mg·m^-3，煙塵質(zhì)量濃度分別降低至19、23、11mg·m^-3，均低于國家標(biāo)準(zhǔn)。說明該爐膛結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強，達(dá)到了設(shè)計要求，該設(shè)計為適合生物質(zhì)燃料燃燒的爐膛結(jié)構(gòu)。

　　2)試驗得出新型爐膛內(nèi)溫度分布規(guī)律。沿爐膛高度方向上，第1、2燃燒室溫度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，0.4m高度處溫度達(dá)到峰值，分別為1080℃和1024℃；第1燃燒室在0.6～0.8m高度范圍內(nèi)由于2次風(fēng)作用，溫度出現(xiàn)回升。沿爐膛橫向截面方向上，第1燃燒室在0.4、1.2、1.6m高度處溫度分布均勻。爐膛溫度分布符合生物質(zhì)燃料燃燒特性，證實爐膛設(shè)計的合理性，能組織生物質(zhì)成型燃料穩(wěn)定、高效的燃燒。

　　3)試驗得出新型爐膛內(nèi)氣體體積濃度分布規(guī)律。沿爐膛高度方向上，O₂體積濃度先減小后增大，在0.4m高度時最低為4.11％，到1.2m高度時穩(wěn)定在9.00％左右；CO₂體積濃度先升高后降低，在0.4m高度時最高為12.60％，到1.2m高度時穩(wěn)定在8.20％左右；CO體積濃度呈現(xiàn)先增加后減小再趨于恒定的趨勢，在0.4mm到0.8m高度范圍內(nèi)向CO₂轉(zhuǎn)化，體積濃度下降。爐膛中心區(qū)域燃燒強烈，CO₂與CO體積濃度高，O₂體積濃度低。爐膛內(nèi)氣體體積濃度分布符合生物質(zhì)燃料燃燒規(guī)律，說明爐膛設(shè)計合理，能有效地組織爐內(nèi)空氣動力場，提高燃燒效率，緩解生物質(zhì)燃燒過程中積灰結(jié)渣問題。