|
楊遠平，王順國
(龍山順天生物質能源有限公司，湖南 湘西土家族苗族自治州 416000)
摘要：簡要論述了一種小型生物質常壓熱水鍋爐的研制及試驗。鍋爐采用兩次送風系統，在提高燃燒效率的同時有效地防止了灰分結渣，采用防反燒設計可有效防止生物質在給料器內反燒和點火器過熱，鍋爐采用兩級螺旋給料機構，同時采用預熱水封除塵機構，提高了燃燒熱效率，排煙更加清潔環保。
生物質為可再生的清潔能源，是我國農村及小城鎮使用的主要能源之一，目前許多地方仍然采用傳統的直接燃燒方式，燃燒效率低，而且還會造成環境的污染和能源的浪費。為提高生物質的燃燒效率，當前我國主要從兩個方面進行改進和研究，一是生物質顆粒成型技術的研究和應用，二是各類生物質燃燒鍋爐的研究和應用。龍山順天生物質能源有限公司研制的小型生物質常壓熱水鍋爐，其采用生物質顆粒為燃料，經一系列的技術改進后使用安全可靠，燃燒效率高，煙氣排放污染物濃度低，達到國家相關標準。
1鍋爐設計與制造
1.1鍋爐結構及工作原理
鍋爐總體由鍋爐主體部分、預熱除塵部分、生物質燃料儲存及輸送部分三部分組成，鍋爐主體部分和預熱除塵部分的主體結構均為內外兩層爐壁結構，中間為水存儲空間。生物質顆粒燃料熱水鍋爐結構簡圖如圖1所示。
鍋爐工作原理如下：
(1)水系統。冷水首先接入預熱及除塵器內進行預熱，預熱后的水存儲于預熱器內，用水泵抽入鍋爐內進行加熱，水泵的啟動及停止可根據鍋爐內的水位采用自動控制，當水位低于設計低水位時，水泵開啟，當水位高于設計高水位時，水泵關閉。鍋爐內的水通過爐壁下部進入，爐內燃燒所產生的熱量經爐壁和橫水管傳遞給水，水加熱至所需溫度后從鍋爐頂部輸出。
(2)燃燒系統。生物質成型燃料經螺旋給料器送入鍋爐燃燒室，空氣由鼓風機吹入燃燒室，燃燒后產生的煙氣上升與爐內橫水管、爐壁換熱，從上部排煙口進入到預熱除塵器內。
(3)煙氣除塵系統。煙氣從鍋爐上部排煙口進入預熱除塵器內后，煙氣首先從上到下流動與除塵器內壁等進行換熱，煙氣的溫度下降，流速下降，煙氣中的灰塵等下落到水池中。煙氣經下部的水封除塵后變為由下向上流動，由抽風機抽出排放到大氣中。
1.2鍋爐爐排及爐膛尺寸
爐排和爐膛尺寸均為鍋爐設計的重要參數，其將直接影響鍋爐的供熱及燃燒情況，因此是鍋爐設計與制造首先要確定的參數。根據鍋爐設計計算原理，首先需選取合適的爐排面積熱負荷和爐膛容積熱負荷。本設計中，根據所用生物質燃料，初步擬定爐排的面積熱負荷qt=400kW/m2，爐膛的容積熱負荷qv=350kW/m3，爐排與爐膛尺寸的計算公式為[1]：
1.3鍋爐送風系統
生物質成型燃料由于本身成分的復雜性，其燃燒過程也很復雜，主要分為四個燃燒階段：①預熱和干燥階段、②揮發分析出及木炭形成階段、③揮發分燃燒階段、④固定炭燃燒階段。生物質成型燃料經擠壓后密度增大，揮發析出速度減緩，在350℃不完全燃燒過程中大量析出，同時生物質燃料燃燒后所產生的灰熔點較低，溫度過高則容易結渣。根據上述特點，在設計送風系統時，應使底部燃料燃燒區為低溫厭氧燃燒，使燃料中揮發分析出，燃燒所產生的灰不結渣，析出的揮發分再充分燃燒。
根據生物質燃料的燃燒特性，本鍋爐采用兩次送風設計。根據國內相關研究，中小型鍋爐的空氣過量系數一般大于1.5[2－3]，本鍋爐的空氣過量系數根據理論計算和試驗結果取2，一次送風和二次送風比值為3.5∶6.5，二次送風采用多點環形送風系統，風口呈一定角度向上傾斜，確保各風口出風在燃燒室中央形成負壓，將生物質燃燒產生的揮發成分向上提升，揮發分充分燃燒，使燃燒的高溫部分離開生物質燃料及其燃燒后所產生的灰分，避免灰分過熱而結渣。
1.4兩級螺旋給料機構
小型生物質熱水鍋爐、熱氣爐等一般均采用螺旋給料機構，因生物質料斗及送料系統和鍋爐本體做成一個整體，料斗至燃燒室之間的距離較短。由于生物質燃料易揮發和易燃燒，在鍋爐使用或停機后，燃料可能沿著螺旋傳送器管道內反燒至生物質存料斗，引發火災等安全事故。為了降低可能存在的安全隱患，本熱水鍋爐在設計上采用的兩級螺旋給料機構如圖1所示，采用這種結構后增加了燃燒室到料斗之間的距離，同時由于燃料在輸送管內堆積的長度增加，隔絕了從料斗到燃燒室的空氣，能夠有效地阻止從燃燒室反燒至料斗，保證鍋爐使用的安全性。
1.5防反燒設計
設計時將風機出風一部分引入螺旋給料器，經螺旋給料器出口進入燃燒室。采用從給料器送風的方式可以起到以下三個方面的作用，一是對進入爐膛的燃料進行攤鋪，燃料經螺旋輸送到爐膛后即堆積在出料口，料口出風使燃料能夠比較均衡地攤鋪在爐排上；二是能夠有效防止反燒，料口的風向控制了燃燒方向，防止爐膛內火反燒到螺旋送料器內；三是可對進入爐膛的新燃料進行冷卻，使進入爐膛的新燃料不直接遇到高溫過熱煙氣，延緩了燃料中揮發分的集中析出，降低爐膛溫度波動，使燃燒更加穩定，同時防止燃燒后灰塵等因溫度過高而結渣。
2預熱及水封除塵器設計
由于小型熱水鍋爐的燃燒室小，燃料燃燒后在爐內對流換熱與輻射換熱的時間短，導致換熱不充分，煙氣從爐內排出時含有一定量的余熱，如不能有效利用將降低燃料的利用效率，同時從鍋爐內排除的煙氣中含有大量燃燒所產生的的灰塵等污染物，如直接排放會造成空氣污染。為解決上述問題，設置了預熱及水封除塵器。
當煙氣從鍋爐爐膛進入預熱及水封除塵器后，煙氣與除塵器內的管道、器壁換熱后冷卻，除塵器內的水溫上升，煙氣的溫度下降，流速降低，煙氣中的灰塵等落入除塵器下部的水池中，煙氣經引風機排除。煙氣經除塵器后灰塵含量低于國家標準，可以直接排放。
3結論
(1)通過合理布置一次和二次送風口位置及方向、一次和二次送風的比例，提高了燃燒效率，燃燒后的灰塵不結渣。
(2)采用兩級螺旋給料設計，在不增加鍋爐總體尺寸的情況下，增大了燃燒室至料斗間的距離，可有效地防止鍋爐反燒，提高了鍋爐使用的安全性。
(3)采用預熱及水封除塵系統，有效地提高了燃料的使用效率，燃燒熱效率超過90%。降低了鍋爐排煙中顆粒物的含量，排煙達到國家排放標準。
參考文獻：
[1]張德利，呂薇，張曉楠，等．230kW生物質熱水鍋爐研制[J]．哈爾濱理工大學學報，2013，18(2)：86－89．
[2]樂園，李龍生．秸稈類生物質燃燒特性的研究[J]．能源工程，2006(4)：30－33．
[3]黃波．生物質成型燃料用于取暖爐的特性研究[D]．長沙：中南大學，2011：40－47． |
