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矯振偉1，蘇俊林1，羅小金2
(1.吉林大學熱能工程系，吉林 長春 130022；2.廣州市計量檢測技術研究院，廣東 廣州 510030)
摘要：在生物質顆粒燃料燃燒試驗用鍋爐平臺上，進行了多種配風、一、二次風配比、不同的二次送風位置及改變燃料層厚度四個工況下的實驗研究。實驗結果表明：生物質顆粒燃料鍋爐熱效率高達77.69%，而鍋爐排煙中NOX、SO2等環保指標遠遠低于燃煤鍋爐。燃燒模擬實驗為生物質顆粒鍋爐設計和運行提供規律性參考數據。
0引言
生物質固體成型燃料具有易儲存、運輸及使用方便、清潔環保、燃燒效率高等優點，是開發、利用生物質能的主要方向之一[1-4]。生物質固體燃料主要分為顆粒、塊狀、棒狀3種形式，其中顆粒燃料具有流動性強、點火容易、燃燒效率高等優點，因此得到人們廣泛關注[5]。我國生物質顆粒燃料及其燃燒設備的研究剛剛起步，對生物質顆粒燃料燃燒設備的理論和應用研究很少，缺乏其燃燒運行參考數據。
要設計出性能優良的生物質顆粒燃燒設備，必須要有相應的熱力特性參數作為設計依據[6-7]。為此作者經過多次試驗，制作了生物質顆粒燃燒試驗用鍋爐，搭建其熱工測試平臺，進行了不同工況下生物質顆粒燃燒特性，鍋爐熱工特性，排煙特性的實驗研究。通過系統的實驗研究取得了一些規律性數據以期為生物質顆粒鍋爐設計和運行提供參考。
1試驗用裝置與燃料特性
燃燒模擬實驗用爐結構簡圖如圖1所示。試驗用鍋爐是根據生物質顆粒燃料的燃燒特性，及熱力特性參數為設計依據制造的，其供熱量為10kW。
該鍋爐為下部下吸式結構，燃燒部分由固相燃燒室、氣相燃燒室、灰渣室組成。對流受熱面為兩排設置在氣相燃燒室上部的煙管束。為實驗研究多處留孔便于測量[8]。
采用XBD-370型漩渦氣泵分兩路供風，分別用浮子流量計計量，用閥門調節流量。二次送風成噴霧狀送風。選用CSRD-42N型風機盤管機組為試驗用鍋爐的熱負荷。
測量儀器為：KM9106綜合煙氣分析儀；RY20型積分式熱量表；LZB-25型轉子流量計；電子秤；熱電偶和HR1300/3750型便攜式混合記錄儀等。
實驗用的生物質顆粒燃料是用玉米秸稈壓縮成型的顆粒，顆粒為圓柱形，直徑8mm，長度20～30mm。玉米秸稈的低位發熱量16284kJ/kg；水分含量5.08%；揮發份含量85.42%；灰分含量7.22%；固定碳含量2.28%；灰錐的軟化溫度(ST)<1000℃；熱重分析結果表明：玉米秸稈顆粒的揮發份析出溫度集中在220～270℃區間，峰值大約在235℃左右；焦炭燃燒的溫度區域是280～430℃。
2實驗方法與實驗內容
根據GB 15317-1994工業鍋爐節能檢測方法；GB 10180-2003工業鍋爐熱工性能試驗規程；GB 13271-2001鍋爐大氣污染物排放標準；及GB 5468-1991鍋爐煙塵測試方法，在4種工況下對比試驗、分析，對生物質顆粒燃料燃燒運行參數進行試驗確定[9-12]。
實驗內容：
(1)采用一次供風方式，改變送入的空氣量，篩選最佳過量空氣系數；
(2)采用最佳過量空氣系數，將供給的風量分為兩路供風的方式，篩選最佳的一、二次供風配比；
(3)采用優化的過量空氣系數和一、二次供風配比，篩選最佳的二次送風位置。二次送風成噴霧狀。
(4)在最佳的供風工況下，篩選最佳的燃料層厚度。
3實驗結果與分析
(1)不同供風量對排煙中CO濃度和燃料層溫度的影響
實驗結果表明：僅有一次風供給，燃燒效果非常不好，風量增大，燃料層溫度增高，參與反應的燃料增多，單位時間內產生的揮發分增多，不完全燃燒損失增大。因此，僅通過改變一次風量大小不能夠徹底改善爐膛內燃燒不完全的狀況。
(2)經過試驗篩選認為空氣供給量為16m3/h，過量空氣系數是1.95時比較好，以此為基礎將供給的空氣取不同的比率分為兩路供給。在不同的配風比例下，實驗結果如表1。
實驗結果表明：當二次風量供給小于50%時，爐膛內供應的氧不足，出現一定的不完全燃燒，當二次風量供給大于50%時，由于冷空氣過大將可燃氣體吹散，使爐膛溫度降低，一些可燃物質來不及燃燒就被帶到排煙管道，排煙溫度增高，熱損失增大。因此，當一、二次風量配比為50%時為最佳。
(3)在試驗不同的二次送風的配比率的同時，改變二次送風位置，記錄二次送風的位置和配比率對鍋爐排煙中CO濃度及鍋爐的熱效率的試驗結果如下。
實驗結果表明：二次送風的位置在爐膛中部情況最好，更能夠增加氧氣流與火焰的混合擾動，CO的燃燒更加充分。提高鍋爐熱效率應當綜合考慮二次送風的位置和配比率這兩個因素，在爐膛中部送二次風、配比率為50%時，鍋爐有最大的熱效率77.69%。這是因為改善此處缺氧燃燒不好的現象，降低未燃燒氣體損失，從而提高鍋爐的熱效率?？梢姸嗡惋L位置應該在爐膛燃燒最不充分的地方，使燃料的化學熱充分的釋放出來。
(4)在確定本鍋爐的空氣供給量為16m3/h，過量空氣系數是1.95，二次送風的配比率為總風量的50%、在爐膛中部送時，考察燃料層厚度的改變對鍋爐熱性能的影響。試驗結果如表2。
從表2中可看出，燃料層厚度為450mm時，鍋爐工況最佳，CO濃度為最低的364.34mg/m3，熱效率為最高的77.69%。這是因為隨著燃料層厚度的進一步增大，燃料層內氧化層與還原層的厚度增大，燃燒中心溫度增高，單位時間內生物質顆粒燃料產生的揮發分增多，在送風量不變情況下，爐膛內可燃氣體缺氧，未能完全燃燒，增加了氣體不完全燃燒熱損失，引起排煙熱損失的增大，從而影響到總的熱效率的降低。而當燃料層厚度為較低的400mm時，燃料層出現燒穿現象，料層上方冒火星，燃燒中心溫度也增高，單位時間內生物質顆粒燃料產生的揮發分增多，氣體不完全燃燒熱損失和排煙熱損失均增大，鍋爐總的熱效率也隨之降低。當燃料層厚度較低或較高時，料層溫度均上升很快，迅速上升至1000℃以上，鍋爐結焦渣，燃燒工況惡化，從觀火孔觀察到爐膛內火焰強度明顯減弱。
4結論
(1)生物質顆粒燃料確定后，它的燃燒速率、傳熱參數和揮發分析出溫度、速率也就一定的，燃料層厚度也存在一個最佳值。過高或過低都會引起中心溫度增高，使揮發分析出加快、增多，出現結渣，不完全燃燒現象。
(2)生物質顆粒燃燒必須要有二次風供給，合理地使用二次送風，會使爐膛供氧充分，擴大爐膛內高溫區域范圍，增加可燃物質與氧接觸機會和時間，減少不完全燃燒的成分，提高鍋爐熱工效率。
在最佳工況下，生物質顆粒燃料鍋爐熱效率達到77.69%，比GB /T15317-1994工業鍋爐節能檢測方法中所規定的熱效率合格指標高22.69%[13]。
參考文獻
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