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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.河南農業大學生物質能源河南省協同創新中心，鄭州450002；2.滑縣環境保護局，河南滑縣456400)
摘要：針對生物質顆粒燃燒器燃燒不充分及燃燒效率低等問題，設計了一款小型生物質顆粒燃燒器。該燃燒器換熱量為0.5t/h，進料量為20kg/h，并采用三次配風系統，設置7個配風口。本研究對小麥、玉米、水稻3種作物的秸稈制成的生物質顆粒燃料進行了鍋爐換熱試驗。試驗結果表明：小型生物質顆粒燃燒器采用的三級配風系統配風均勻分布，滿足燃料的充分燃燒；3種顆粒燃料燃燒效率均在95%以上，最終的結渣率均不超過5%，燃燒產物達到環保標準。該設計為生物質顆粒燃燒器的應用與推廣提供了理論依據。
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境污染等問題，造成了能源危機和環境危機，而生物質燃料因其可再生、零污染、儲量大等優勢引起世界的關注[1]。生物質顆粒成型燃料主要以農林廢棄物為原料，采用機械加壓的方法，把松散的生物質原料壓縮為體積小、密度大、便于運輸的成型燃料[2]。
生物質顆粒成型燃料因其質地均勻且耐燃燒、點火容易、燃燒效率高且燃燒穩定，以及燃燒產物污染小等優點[3]，廣泛用于各種燃燒設備中。
目前，國外關于生物質顆粒燃燒器的研究比較多，主要是以木質類的顆粒成型燃料燃燒器為主，種類單一，已經形成了比較成熟的木質類成型燃料燃燒設備[4]。我國是農業大國，農作物種植面積廣闊，農業廢棄物年生產量約7億t[5]，預計2020年生物質成型燃料年利用率將達到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、環境等差異，燃料的燃燒特性也各有不同，因此生物質顆粒燃燒器的適用性不強。由于生物質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(700～900℃)的鹽和氧化物的形式存在于生物質原料內[7]，當生物質成型燃料燃燒時，爐膛溫度高于堿金屬化合物的熔點，使其軟化并粘結在受熱面上，出現結渣、沾污等現象，不僅影響燃燒設備的熱性能及燃燒效率，嚴重時還危及燃燒設備的安全運行[8]，這是影響生物質成型燃料廣泛應用的難點。向衡等在生物質燃燒器上運用自激脈動技術，設計了提高效率、減少污染的脈動生物質燃燒器[9]；包應時等研究了生物質顆粒燃燒器進料方式，總結了防回火的方法[10]；姚宗路等研究了螺旋清灰破渣機構，設計了抗結渣生物質固體顆粒燃料燃燒器[11]；王月喬等研究了生物質顆粒的燃燒特性，總結了生物質顆粒燃燒器的適用控制參數[12]。
目前，我國的秸稈類生物質顆粒燃料存在易結渣、點火不易及燃燒不平穩、效率低等不足。因此，根據生物質顆粒燃料燃燒特性的3個階段的燃燒特性，采用三級配風系統，通過風量來調節爐排溫度，并配套設計生物質顆粒燃燒器以保證生物質顆粒燃料的充分燃燒并降低結渣率。為了驗證該設計的合理性，需要進行蒸汽鍋爐的性能試驗，該研究為生物質顆粒燃燒器的應用與推廣提供了理論依據。
1燃燒器的設計
1.1設計思路
根據生物質顆粒燃料的理化特性和燃燒特性，針對生物質顆粒成型燃料的密度大、揮發分含量高及燃燒不充分等特點，設計蒸發量為500kg/h的生物質顆粒燃燒器。該燃燒器設計7個風口進行3次配風，并配置底風，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，并且通過供風量來調節爐排溫度，防止溫度過高導致底灰結渣率增大。
1.2總體設計
1.2.1溫度設計
根據生物質顆粒燃料的燃燒特性，生物質顆粒燃料的燃燒分為3個階段，首先是揮發分的分解、析出與擴散，然后是揮發分的燃燒階段，最后為焦炭的層狀燃燒。由于生物質灰分含量高、灰熔點低、易結渣，若溫度過高容易導致灰分的融化、粘結，因此通過配風量來調控溫度。燃燒器內燃料燃燒析出的揮發分及燃燒室內的煙氣溫度較高，因此此階段的溫度設計在1200℃左右，剩余的焦炭燃燒溫度不宜過高，不能超過生物質顆粒成型燃料的軟化溫度，所以溫度設計在900℃以下，以保證燃料燃燒充分及降低底灰的結渣率。
1.2.2理論空氣量的設計
生物質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，農業廢棄物資源豐富，所用燃燒器的設計采用小麥秸稈、玉米秸稈和稻稈顆粒成型燃料，取三者的平均值，計算得出1kg燃料所需的理論空氣量為3.633m3；設計顆粒燃料燃燒器為常壓換熱蒸汽鍋爐，進料量為20kg/h，換熱量為0.5t/h；所需理論空氣量為72.66m3/h，選取過量空氣系數為1.3[13]，計算得出實際空氣量為95m3/h，產灰量為2kg/h。
1.2.3燃燒器容積計算
燃燒器的容積與燃料的進料量、發熱量成正比，與容積熱負荷成反比。因此燃燒器容積計算公式為
1.2.6配風系統的工作原理
由于生物質顆粒燃料壓縮成型，其本身具有質地密實、密度大及耐燃燒的特性，為了實現顆粒燃料的充分燃燒，所以，燃燒器設計了三級配風系統，如圖1所示。
該燃燒器配置兩個風機，在燃燒器的爐排下部設計一次風機配風裝置，稱為底風。底風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。
另一個風機設計為攪拌風機，風機鼓風使空氣進入攪拌風機內，攪拌風機上設計了7個風口，由7個風口分別進行一次配風、二次配風和三次配風。其中，在進料口的兩側設計兩個風口進行一次配風，燃燒室的中下部設計了4個上下并列兩排的風口進行二次配風，煙氣出口處設計了一個分口進行三次配風。當燃料進入燃燒室內進行燃燒，燃燒器的上部充滿高溫氣體，燃燒室中下部的4個風口形成循環，高溫氣體由下部風口進入攪拌風機內并對冷空氣進行預熱，然后加熱的空氣通過上部風口進入燃燒室內。高溫氣體與熱空氣的循環不斷翻動燃料層，攪動燃燒室內的空氣，增大了燃燒器內部的可燃氣體與氧氣接觸的機率，保證燃燒器內部的揮發分及可燃氣體能夠充分燃燒。
當燃燒器運行時，首先進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個風口形成的循環系統，使得攪拌風機內的冷空氣逐漸加熱。當燃燒器運行一段時間后，除底風外，其他進入燃燒器的冷空氣變成熱空氣。因此，進入進料管兩側的一次風，不僅能夠對生物質顆粒燃料進行預熱干燥，及與空氣均勻混合，并且在一次風的帶動下燃料進入燃燒器內，保證進料后能夠在燃燒器內初次燃燒充分，使揮發分能夠快速平穩析出，同時也可以降低點火難度。
在煙氣出口即爐膛入口處設計了三次配風。由于此時燃燒器內燃料劇烈燃燒產生了高熱量煙氣，加上鼓風機和引風機的共同作用，此時鍋爐爐膛內容易達到負壓狀態；而這種狀態可以使揮發分和煙氣流入爐膛，從而達到了二次燃燒的目的。因此，所設計的三次配風可以使煙氣中的可燃氣體充分燃燒，提高燃燒效率。但是，三次配風的風量不宜過大，配風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、二次風、三次風的風口面積的計算公式為
2試驗測試
2.1試驗材料
本實驗選取了鄭州德潤鍋爐股份有限公司生產的小麥秸稈、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，其工業分析及元素分析如表2所示。
2.2試驗儀器
試驗儀器及測點布置如表3所示。
2.3試驗裝置
生物質顆粒燃燒器及鍋爐示意圖，如圖2所示。
生物質顆粒燃燒器采用螺旋進料方式，燃料由進料口從燃燒器上邊垂直進入，一次風直接通入下料管道內，和燃料混合后進入燃燒器。燃料在燃燒室內下降時經高溫煙氣沖刷，首先進行燃燒，揮發分析出；隨著揮發分的析出，燃料剩下的焦炭結構下降到爐排上進行焦炭燃燒，在爐排下部設置底風，保證爐排上焦炭的充分燃燒。在燃燒室中間設置并排分布的4個風口形成循環進行二次配風，保證燃燒室內可燃氣體的充分燃燒。在引風機和鼓風機的作用下，鍋爐爐膛內呈負壓狀態，燃燒室內部分可燃氣體和煙氣在壓強的作用下進入鍋爐爐膛內。在煙氣出口出配置三次風，使部分未完全燃燒的可燃氣體在爐膛內再次燃燒，高溫煙氣與鍋爐換熱后經水浴除塵器除塵后排向大氣。
該燃燒器通過分級配風，實現燃料的充分燃燒，使排放物達到環保指標；在燃燒器的底部設置清灰門，通過人工清灰的方法來清除底灰。
2.4試驗結果
為研究燃燒器的適用性及燃燒效率，試驗使用3種生物質顆粒燃料，分配恰當的三級配風量和底風，達到合適的燃燒溫度，保證燃燒充分及降低結渣。試驗研究了3種生物質顆粒燃料在三級配風下的各階段燃燒溫度、燃燒效率和各項熱損失，以及灰渣含碳量等，試驗結果如表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定溫度；但三級配風分配均勻，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分產生，大量水蒸氣和揮發分混合，使得揮發分不能與氧氣充分反應；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量，對燃料進行干燥預熱。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，因此要降低底風并增加二次配風量，來增強二次風的循環；并加大燃料層的攪拌，適當降低進料速度和爐排溫度，使燃料在爐排上充分燃燒。
根據《鍋爐大氣污染物排放標準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]。由試驗結果可知，顆粒燃燒器的污染物排放達到環保標準。
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，結渣率較低均不超過5%，所以生物質顆粒燃燒器的設計合理，各級配風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結論
1)設計了小型生物質顆粒燃燒器，壓強為0.1MPa，換熱量為0.5t/h，進料量為20kg/h，采用三次配風系統，設置7個配風口，一次配風2個風口，二次配風4個風口，三次配風1個風口，并設置底風，保證燃料各個階段充分燃燒。
2)對生物質顆粒燃燒器進行鍋爐供熱試驗，3種顆粒燃料燃燒效率均在95%以上，最高可達到97.24%，結渣率較低均不超過5%，燃燒產物達到環保標準；
3)本文主要設計了生物質顆粒燃燒器的配風系統，對燃燒器的結渣除渣系統未作深入研究，因此建議對灰分含量高、灰熔點低的顆粒燃料加入添加劑或對燃料進行預處理，減少結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，防止因結渣降而低燃燒器的燃燒效率。
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[14]GB13271－2001，鍋爐大氣污染物排放標準[S]. |
