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趙迎芳，梁曉輝，徐桂轉(zhuǎn)，葉芳，劉圣勇，孫建青
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002)
摘要：在對生物質(zhì)成型燃料元素分析及燃燒特性研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計生產(chǎn)了180kW生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐，并進(jìn)行了熱性能試驗。結(jié)果表明，在試驗工況下鍋爐燃燒效率達(dá)94.8％，熱效率達(dá)78.2％，排煙損失為10.09％，氣體不完全損失為0.522％，散熱損失為7.9％。排煙中NOx，SO2及煙塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐，且符合國家工業(yè)鍋爐大氣中污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
作物秸稈是來源于太陽能的一種可再生能源，具有資源豐富含碳量低的特點。加之在其生長過程中吸收大氣中的CO2而被稱為清潔能源。美國在20世紀(jì)30年代研制成了螺旋式壓縮機(jī)及相應(yīng)的燃燒設(shè)備；日本在20世紀(jì)50年代研制出棒狀燃料成型機(jī)及相關(guān)的燃燒設(shè)備。中國從20世紀(jì)80年代引進(jìn)螺旋推進(jìn)式秸稈成型機(jī)。但是，相應(yīng)的專用生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的研制還很少，一些單位為燃用生物質(zhì)成型燃料，在未弄清生物質(zhì)成型燃料燃燒特性的情況下，盲目把原有的燃煤燃燒設(shè)備改為生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備，改造后的燃燒設(shè)備存在著爐膛的容積、形狀與生物質(zhì)成型燃燒不匹配，鍋爐的受熱面與生物質(zhì)成型燃料不匹配，過剩空氣系數(shù)與生物質(zhì)成型燃燒不匹配等原因，致使鍋爐燃燒效率及熱效率較低，污染物排放超標(biāo)。因此，根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒特性重新設(shè)計生物質(zhì)成型燃料燃燒專用設(shè)備，對緩解農(nóng)村能源緊張的局面，減輕溫室效應(yīng)，解決能源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展問題都有重要的意義。
1設(shè)計依據(jù)
1.1生物質(zhì)成型燃料與煤的元素分析比較
生物質(zhì)成型燃料由水稻、小麥、玉米等秸稈壓縮成型而來，在壓縮過程中以物理變化為主，其元素組成與微觀結(jié)構(gòu)與原生物質(zhì)秸稈基本相同。而煤是由遠(yuǎn)古植物遺體在地表湖沼或海灣環(huán)境中隨著地殼的變動被埋入地下，長期處在溫度、壓力較高的環(huán)境中，原植物中纖維素、木質(zhì)素經(jīng)脫水腐蝕，其含氧量不斷減少，而碳量不斷增加，逐漸形成化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、含碳量高的固體碳?xì)淙剂稀Ｌ己康囊?guī)律是隨煤的變質(zhì)強(qiáng)度的加深而增加，一般含量50％～90％，在變質(zhì)程度最高的無煙煤中則高達(dá)90％一98％，而在各種生物質(zhì)成型燃料中碳含量集中在35％～42％；氫含量較低，為3.82％一5％；氮和硫?qū)γ汉蜕镔|(zhì)成型燃料而言都是有害物質(zhì)。煤中氮含量在1％一3％，硫含量在1％一2％，而生物質(zhì)成型燃料氮含量比煤低，不到1％，硫的含量更低，不到0.2％。因此，其造成的污染程度要低于煤；煤的揮發(fā)分含量隨著煤的變質(zhì)程度的加深而減少，煙煤中揮發(fā)分含量在10％～40％，秸稈成型燃料的揮發(fā)分均在60％一70％，遠(yuǎn)高于煤。因此，揮發(fā)分是設(shè)計鍋爐時考慮的一個主要因素。由此，生物質(zhì)成型燃料中硫、氮等元素含量較煤少。具有揮發(fā)分和炭活性高，同時生物質(zhì)燃燒過程具有CO2零排放的特點。這對于緩解日益嚴(yán)重的“溫室效應(yīng)”有著特殊的意義。
1.2生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性
生物質(zhì)成型燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生物質(zhì)，燃燒相對穩(wěn)定。雖然點火溫度有所升高，點火性能變差，但比煤的點火性能好。由于生物質(zhì)成型燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其結(jié)構(gòu)與組織特征就決定了揮發(fā)分的逸出速度與傳熱速度都大大降低。但是與煤相比顯得更為容易。因此，生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)分特性指數(shù)大于煤的，其燃燒特性指數(shù)較煤的大。燃燒速度適中，能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時揮發(fā)分燃燒所需的氧與外界擴(kuò)散的氧很好的匹配，燃燒波浪較小，減少了固體與排煙熱損失。
2生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐的設(shè)計
2.1生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐的結(jié)構(gòu)
生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐由上爐門、中爐門、下爐門、上爐排、輻射受熱面、下爐排、風(fēng)室、爐膛、降塵室、對流受熱面、爐墻、排汽管、煙道、煙囪等部分組成，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。
2.2生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐的工作原理
燃料通過中爐門在下爐排上點火成功后，成型塊從上爐門進(jìn)入上爐排，根據(jù)生物質(zhì)容易著火的燃燒特性，片刻就會燃燒起來。在引風(fēng)機(jī)引導(dǎo)下下吸燃燒，上爐排漏下的生物質(zhì)屑和灰渣到下爐排上繼續(xù)燃燒和燃燼。成型燃料在上爐排上燃燒后形成的煙氣和部分可燃?xì)怏w透過燃料層、灰渣層進(jìn)入上、下爐排間的爐膛進(jìn)行燃燒，并與下爐排上燃料產(chǎn)生的煙氣一起，經(jīng)后墻上的煙氣出口流向降塵室和后面的對流受熱面。降溫對流受熱面采用煙管并聯(lián)。
高溫?zé)煔庠跓煿苤邢蛏隙嗷爻塘鲃樱@樣既能減少煙氣的阻力，又能使氣體在夾層內(nèi)停留更多的時間，傳熱效率高，然后煙氣流向煙道，此時溫度都有很大的降低，再進(jìn)入煙囪排向外界。這種燃燒方式，實現(xiàn)了生物質(zhì)成型燃料的分步燃燒，緩解生物質(zhì)燃燒速度，達(dá)到燃燒需氧與供氧的匹配，使生物質(zhì)成型燃料穩(wěn)定持續(xù)完全燃燒，起到了消煙除塵作用。
2.3爐膛及爐排的設(shè)計
2.4受熱面的設(shè)計
2.4.1輻射受熱面的設(shè)計為了降低生物質(zhì)成型
燃料燃燒設(shè)備爐溫度，并保證生物質(zhì)成型燃料的充分燃燒，在爐膛中上輻射受熱面的布置如圖1所示，上爐排、上爐膛上部及四周都布置了輻射受熱面。其輻射受熱面的大小與布置形式與燃料種類、燃燒設(shè)備形式等因素有關(guān)。其計算公式為
4結(jié)論
1)根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性設(shè)計出的180kW生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐的熱效率、熱水流量、熱負(fù)荷，水溫等熱性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計要求，證明該設(shè)計方法正確性和科學(xué)性。
2)熱水鍋爐燃燒效率最高達(dá)78.2％，煙塵含量為110mg·m-3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐，符合國家關(guān)于工業(yè)鍋爐大氣中污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。且有較好的環(huán)保效益。
3)該熱水鍋爐制造工藝簡單，價格與同容量燃煤鍋爐相當(dāng)，試驗時操作也比較容易，可大大提高生物質(zhì)利用率，且有較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
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