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楊玉璟1，李彬1，高海華2
（1.濮陽市環境監測站，河南 濮陽 457000；2.河南巨烽生物能源開發有限公司，河南 濮陽 457000）
摘要：目前市場現有的生物質顆粒燃燒機在結構上存在生物質燃燒后不能自動出渣，不能自動加料，燃燒不完全，配氧不合理以及火力大小不好控制等諸多缺陷，而導致操作工人勞動強度較大，由于燃燒不完全，而使得生物質在燃燒時出現黑煙，煙塵量大，嚴重污染環境。本文介紹了一種使用生物質顆粒作為燃料，能實現自動進料、自動排渣，避免燃料在燃燒后結渣，且合理配風，使燃料完全燃燒而利于環保的生物質顆粒燃燒機。
前言
能源是整個人類生產、生活以及社會全面發展的基本資源。伴隨著煤炭、石油、天然氣等礦石能源的出現，人類社會物質文明經歷了飛速發展，但由于礦石能源的不可再生性導致了存儲總量大量減少，造成能源的稀缺。隨著能源狀況的緊張，以及環境污染問題的日益嚴峻，各個行業開始對可再生能源的使用意識逐步加強，其中生物質能源的利用受到高度重視。
生物質是地球上最廣泛存在的物質，它包括所有動物、植物和微生物以及由這些有生命物質派生、排泄和代謝的許多有機質。各種生物質都具有一定能量。以生物質為載體、由生物質產生的能量便是生物質能。生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，直接或間接來源于植物的光合作用。地球上的植物進行光合作用所消費的能量，占太陽照射到地球總輻射量的0.2%，這個比例雖不大，但絕對值很驚人。光合作用消費的能量是目前人類能源消費總量的40倍。可見，生物質能是一個巨大的能源。
生物質顆粒燃料是利用秸稈、薪柴、植物果殼等農林廢棄作物，經過粉碎——混合——擠壓——烘干等一系列工藝制作而成，生物質顆粒經擠壓成型后，熱值與中質煤相當。隨著生物質能利用的升溫，生物質顆粒燃料在工業鍋爐上的應用也相當廣泛。促進了生物質燃燒設備研究的發展。市場上衍生出眾多類型生物質燃燒設備，生物質燃燒機應運而生。但生物質燃料與煤的熱值及特性不同，同體積煤和生物質，煤的燃燒時間要遠遠大于生物質。據調查，生物質顆粒燃燒機的加料頻率和出渣頻率約為燃煤設備的2倍。這就要求工人需要花更多的時間去維持生物質燃燒設備的運行，增加了勞動強度。
1鍋爐結構設計與研究
1.1市場上生物質顆粒機的結構特點
生物質顆粒燃料與煤炭燃料相比，具有含碳量低、熱值低、揮發分高、含氧量高、灰分較低等特性。所以在設計生物質顆粒燃燒機時，不能完全參考燃煤鍋爐的結構特點。生物質燃料燃燒時間短，易著火，需要采用攔火措施防止送料機內的燃料著火。生物質顆粒燃料的特有燃燒特性，決定了生物質顆粒燃燒機的結構、燃燒方式和進料機的送料方式。目前市場上現有的生物質顆粒燃燒機在結構上基本類似或相同，但都存在較多的通病，如安全性差、穩定性差、配風配氧不合理、熱效率低。如何提高燃燒機的燃燒效率、運營成本及安全性、穩定性是生物質顆粒燃燒機推廣的主要因素。
1.2本文所述生物質顆粒機的結構樣式
通過結構改進及引進自動控制設備，研發出一種自動進料、自動排渣，避免燃料在燃燒后結渣，且合理配風，使燃料完全燃燒而利于環保的生物質顆粒燃燒機。
如圖1、2所示，該生物質顆粒燃燒機，包括外框架，在外框架內下部安裝有燃燒裝置，在外框架內上部、燃燒裝置上方設有爐膛，爐膛外表面橫向連通設有火焰出口管，在外框架上一側設有料箱，料箱的出料口處設有螺旋自動進料裝置，該螺旋自動進料裝置出料口與燃燒裝置相連通，在燃燒裝置和爐膛之間設有二三次進風裝置，在燃燒裝置底部一側連通設置有加氧調節裝置。
螺旋自動進料機構包括位于料箱出料口處的水平進料管，安裝在進料管內的螺桿及葉片，以及與螺桿一端固定連接的動力機構。
動力機構為電機。
在燃料燃燒裝置上同時連通設有一次風口、二三次風口，且在一次風口和二三次風口的進風端分別設有一次風調節口和二三次風調節口，燃燒裝置采用3次合理配風，能夠使燃料完全燃盡，用鼓風機加氧，同時火力大小可以調節，操作使用方便，可顯著降低工人的勞動強度，且利于環保；生物質燃料經自動進料管進入燃燒爐膛進行燃燒，生物質物料進入的同時也把燃燒完全剩下的灰渣推出爐膛外，這樣避免了結渣，自動除渣，節省了使用成本。
外框架頂部設有不銹鋼面板。
該生物質顆粒燃燒機結構設計簡單，能夠自動進料、自動排渣，避免燃料在燃燒后結渣，且合理配風，使燃料完全燃燒而利于環保，并且操作使用方便，顯著降低了工人勞動強度，適于推廣實施。
1.3生物質顆粒機的結構特點
1.3.1鍋爐燃燒系統熱效率
因為生物質易燃且含碳量低，如配風不合理，導致燃燒室內燃料局部燃燒，空氣配比偏大。因此合理配置一次風和二次風，控制好風量、風壓和進風位置是提高生物質鍋爐熱效率的有效措施。還有增大水箱與燃燒室的接觸面積、延長煙氣在燃燒室內的保留時間，也可以提高鍋爐燃燒熱效率。本文所述的生物質顆粒燃燒機一次送風口分布于燃燒位置的下面，二次送風口位于燃料的上面和側面，鼓風機的一次配風量設計為4m3/kg，過量空氣系數為1.3，有效地保證了燃燒時空氣配比的均勻性；另外該顆粒燃燒機的燃燒倉位于水箱正下方，排煙風機位于水箱上面，帶有熱量的煙氣管道在水箱內部多次盤轉延伸，最后從水箱頂部派出，煙氣經過與冷水的充分交換，排出氣體含熱量降為極少。
1.3.2自動進料系統
自動進料系統由料倉、振動給料器、螺旋給料機、給料管等部件組成。送料機位于爐體正前側，通過螺旋給料機向燃燒室提供燃料，振動給料器的作用能夠保證連續下料以及物料輸送的穩定性。
1.3.3送風及排煙除塵系統
送風系統：與燃燒器一體化布置，空氣經鼓風機通過燃燒器送至爐膛，以達到燃料輸送和輔助燃燒的作用。
排煙除塵系統：在引風機作用下，燃燒產生的高溫煙氣經過水箱內的煙管時與水對流換熱，進入除塵器，最后由煙囪排出。
1.3.4基本工作原理是：生物質顆粒燃料經自動上料系統進入高溫裂解半氣化燃燒室，而氣化劑則從爐子的下部供入，在高溫裂解氣化燃燒室中迅速發生高溫裂解反應產生高溫燃氣。該過程中產生“顯熱”和中間產物H2、CH4、CnHm、CO等可燃成分；通過燃氣噴嘴直接進入氧氣充足的高溫燃燒室完全燃燒，放出“潛熱”。
1.3.5生物質顆粒燃燒機采用圓形爐膛替代箱形爐膛，可強化爐膛對工件平均傳熱的結果，削減爐壁散熱量，使爐膛構成一個熱交流系統，在加熱元件，爐襯和工件3者之間進行熱交流。經過采用合理的爐膛空間和在不增大爐膛空間容積的前提下，加大爐內壁面積，以增大熱交流面積的方法提高爐膛熱交流，從而提高熱效率。
1.3.6生物質顆粒燃燒機在爐膛內安設電扇，增強爐內熱傳播。特別是小型加熱爐，高速氣流可毀壞工件外表阻礙傳熱和界面反響爐氣鴻溝底層，起到縮短加熱工夫和加速提升工件溫度的效果。
1.3.7生物質顆粒燃燒機爐體密封，包括爐膛內各種構件，爐殼，爐門等處的密封。爐體密封不嚴，將會形成四處跑火、漏火，造成動力浪費、設備燒壞等情況，因而爐體密封直接影響工件質量和能耗，還密封也是爐內氛圍節制的要害。而耐火纖維成品的出現，為處理爐體密封奠定了基礎，形成了軟密封。
1.3.8采用耐火澆注料澆注的加熱爐具有強度高、全體性、氣密性好、壽命長等優點。
1.3.9采用新型爐材料，優化爐襯構造。爐襯在保證爐子的構造強度和耐熱度的前提下，應盡量提高保溫性能和削減儲蓄熱。單靠增加襯厚度來降低爐外壁溫度不僅會增加爐襯儲蓄熱和成本，并且相應地削減了爐底有效利用面積。選用耐火纖維、巖棉等作為保溫層，用輕質磚作為爐體的內襯，削減爐體的儲蓄熱，加強爐子的隔熱保溫，削減爐墻的散熱消耗。
1.3.10在生物質顆粒燃燒機爐圍內壁涂高溫高輻射涂料，強化爐內的輻射傳熱，有助于熱能的充分利用，其節能效果為3％～5％。
2本文所述生物質顆粒燃燒機的優點
2.1燃燒完全效率高：沸騰式半氣化燃燒加切線旋流式配風設計，使得燃料燃燒完全，燃燒效率可達90%以上。
2.2燃燒完全、穩定：設備在微壓狀態下運行，不發生回火和脫火現象。
2.3熱負荷調節范圍寬：燃燒機熱負荷可在額定負荷的30%-120%范圍內快速調節，起動快，反應靈敏。
2.4無污染，環保效益明顯：以可再生生物質能源為燃料，實現了能源的可持續利用。采用低溫分段燃燒技術、煙氣中氮的氧化物、二氧化硫、灰塵等排放低。
2.5無焦油、廢水等各種廢棄物排放：采用高溫燃氣直接燃燒技術，焦油等以氣態的形式直接燃燒，解決了生物質氣化焦油含量高的技術難題，避免了水洗焦油帶來的水質二次污染。
2.6操作簡單、維護方便：采用自動給料，風力除灰，操作簡單，工作量小，單人值班即可。
2.7投資省，運行費用低：生物質燃燒機結構設計合理，用于各種鍋爐時改造費用低。生物質顆粒燃燒機廣泛應用于鍋爐、壓鑄機、工業爐窯、焚燒爐、熔煉爐、廚房設備、干燥設備、食品烘干設備、熨燙設備、烤漆設備、公路筑路機械設備、工業退火爐、瀝青加熱設備等各種熱能行業。
3生物質顆粒燃燒機安全操作指導
為了保證生物質燃燒機安全、正常運行，需要按照如下操作方法進行操作：
3.1啟動管理：
3.1.1燃燒機啟動前，清理爐橋積碳，清理爐底積碳，添加顆粒燃料，關閉料箱蓋，打開隔料閥；
3.1.2打開使用設備電源，檢查電路、水管是否正常，檢查冷卻水池是否夠水。開啟燃燒機冷卻水進出水閥，并確認高溫燃燒室夾層冷卻水注滿；
3.1.3將送風檔位調至較小，投入適量底料，正式點火啟動，輕開爐門適當送風，關上爐門，啟動送料系統，逐漸調加送風檔位到適量。送料速度及送風量應逐漸增加，不宜加速太快，應有2-3分鐘時間，以便爐膛溫度正常上升。
3.2運行管理
3.2.1送料速度以30-80為常規用量，最快不超過100速度，最慢不能低于20運轉，風量配置為中高檔位；生產線傳熱系統通風良好的情況下送料速度可適當加快，風量可配最高檔位，但應隨時觀測煙囪排氣情況，以無煙塵排放為確定送料速度的標準；
3.2.2不定時觀測水溫變化，調整排水量，做到安全、節約；
3.2.3根據用戶原料消耗量規律適當添加燃料，保證設備正常運行；
3.2.4根據產品耗能量的變化調整保溫階段的間歇送料量；
3.2.5爐膛燃燒時嚴禁打開上、下爐門。
3.3停爐管理
3.3.1提前15分鐘停止送料，風機保持運行。（在控制面板上已設置）關閉隔料閥；
3.3.2關閉電源，停風機，輕開上下兩個爐門，保持適量自然風，以盡量減少爐膛積碳。
3.4特別注意事項
3.4.1燃料必須使用6mm-8mm的純木屑生物質顆粒，不要使用顆粒碎屑和雜志太多的顆粒燃料。加料時防止鐵劍進入料箱。若由于燃料過差或有鐵質物件進入料箱造成設備損壞將不屬于保修范圍；
3.4.2鍋爐或其它使用設備的爐膛最好是負壓，嚴禁正壓過大。若正壓過大，應該加裝引風設備；
3.4.3運行時必須關閉料箱蓋以防回火。停爐時，一定要關閉隔料閥，以防回火；
3.4.4若出現阻料和卡料現象時（一般由于顆粒過長造成），用木棍來捅下即可，千萬不要用鐵絲、鋼筋，以防卷入螺桿，造成螺桿損壞；
3.4.5火嘴清焦：在燃燒機工作一段時間后，在噴火嘴附近會產生結焦。若出現此現象，會嚴重影響燃燒機的運行。嚴重者會造成燃燒機損壞。因此要求定期檢查和除焦。（建議3到7天檢查一次）。除焦方式：把燃燒機拆出使用設備，從火嘴處用木棒或鐵棒輕輕敲打焦塊，使其脫離氣化室內膽。（注意除焦時不要傷及氣化室內膽和過火通道）結焦和燃料有很大關系，建議使用純木質燃料）
3.5一般故障排除
3.5.1煙囪有黑煙排放——原因：送料太多，爐膛不能消化。處理辦法：停止送料幾分鐘，觀察煙囪正常排氣后才開始正常送料；降低送料速度，以煙囪無黑煙排放為準；
3.5.2爐口有火星回彈——原因：使用設備系統積渣排風不暢或燃燒機出火嘴積碳堵塞。處理辦法：清理疏通生產線轉熱系統積渣或清理燃燒機出火嘴積渣。一般8小時/工作日的情況下使用設備爐膛或管道轉熱系統積渣3個月清理疏通一次；
4結論
4.1本文對原有生物質顆粒機進行了結構改進及優化，研究發明了一種新型的生物質顆粒燃燒機，該發明具有一定的創新性和實用性。
4.2該生物質顆粒燃燒機實現了自動進料、自動排渣，避免燃料在燃燒后結渣，且合理配風，使燃料完全燃燒，從而利于環保。
4.3該生物質顆粒燃燒機操作使用方便，實現了在正常運行中不需人工長時間看管，顯著降低了工人勞動強度，提高了工作效率，適于推廣實施。
參考文獻：
[1]應浩，蔣劍春.生物質氣化技術及開發應用研究進展[J].林產化學與化工.2005，25（10）：151-155.
[2]張燕賓.SPWM變頻器調速應用技術[M].機械工業出版社，1997:12-33.
[3]袁振宏，吳創之，馬隆龍，等.生物質能利用原理與技術[M].北京：化學工業出版社，2004，16.
[4]李海英.生物質能利用BI/STIG系統性能的研究[D].浙江大學.
[5]劉圣勇，李偉莉，徐桂轉，等.秸稈成型燃料鍋爐空氣流動場試驗及分析[J].河南農業大學學報，2005（2）：18-21.
[6]張無敵.我國生物質能源轉換技術開發利用現狀能源研究與利用[J].能源研究與利用，2000（2）：3-5.
[7]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，
1997. |
