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侯中蘭，賈孟立，劉圣勇，趙廷林
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。河南鄭州450002)
摘要：生物質(zhì)密致燃料與煤相比其燃燒性質(zhì)有較大差別。本次試驗(yàn)根據(jù)生物質(zhì)密致燃料的特點(diǎn)采用雙層爐排鍋爐，均勻市點(diǎn)并用熱電偶溫度計(jì)和紅外測(cè)溫儀測(cè)出各點(diǎn)溫度，得出各個(gè)方向上的溫度分布圖。對(duì)其進(jìn)行分析比較，為水冷壁的合理布置、進(jìn)風(fēng)量選擇及鍋爐穩(wěn)定燃燒、經(jīng)濟(jì)燃燒提供了參考。
1引言
生物質(zhì)密致燃料也稱(chēng)為生物質(zhì)成型燃料，是經(jīng)過(guò)高壓而形成的塊狀燃料，其結(jié)構(gòu)與組織特征決定了它既不同于原生物質(zhì)，也不同于煤。為了較好反映燃料的燃燒特性并使排煙符合環(huán)保要求，提高鍋爐效率，本試驗(yàn)采取雙層爐排鍋爐。爐膛溫度直接影響爐膛均勻燃燒程度及經(jīng)濟(jì)燃燒性，同時(shí)也是鍋爐布置受熱面的重要依據(jù)。通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的試驗(yàn)可以找出溫度分布規(guī)律，確定最佳燃燒狀態(tài)，同時(shí)也可以找出燃燒設(shè)備存在的問(wèn)題，為爐膛優(yōu)化及燃燒設(shè)備改進(jìn)提供依據(jù)。
2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)
該鍋爐為雙層爐排，此狀態(tài)下上爐膛放料上爐門(mén)打開(kāi)，安裝在下?tīng)t門(mén)后墻的風(fēng)機(jī)把空氣從上爐門(mén)13吸入上爐膛并由上至下經(jīng)過(guò)燃料層，與燃料發(fā)生燃燒反應(yīng)后，煙氣被風(fēng)機(jī)抽走。所用的生物質(zhì)塊直徑約為120mm。
以爐膛為研究對(duì)象，適當(dāng)選取爐排一端為原點(diǎn)，分別以爐膛的深度方向、高度方向及寬度方向?yàn)閤、Y、z軸。根據(jù)有限元分割方法將爐膛分為若干截面，每個(gè)方格的對(duì)角線(xiàn)交叉點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)的位置。本試驗(yàn)裝置考慮到實(shí)際加工情況，在爐膛右側(cè)對(duì)稱(chēng)線(xiàn)上留下35個(gè)孔，主要研究爐膛對(duì)稱(chēng)線(xiàn)上溫度場(chǎng)的情況。
將熱電偶溫度計(jì)與數(shù)字溫度計(jì)連接，待讀取顯示的溫度數(shù)值。
試驗(yàn)開(kāi)始等待燃燒狀態(tài)穩(wěn)定后，在深度方向和寬度方向上爐膛煙氣空間處可將熱電偶(也可用熱傳導(dǎo)較好的其他器材代替)分別放入x軸、z軸測(cè)溫口，放人長(zhǎng)度為爐膛寬度值。計(jì)時(shí)3min后，將紅外測(cè)溫儀測(cè)溫點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)熱電偶10等分的每個(gè)點(diǎn)，讀取溫度值，記錄；深度方向及寬度方向其他在爐膛煙氣空間測(cè)溫方法同上。測(cè)取寬度方向燃料層溫度時(shí)，可將熱電偶埋入燃料層，分別測(cè)取10等分各點(diǎn)的溫度值。各工況測(cè)溫方法相同。所測(cè)得的各點(diǎn)溫度在每個(gè)方向上求平均值得出各面溫度，從而建立各個(gè)方向上的溫度分布圖。
3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
3.1垂直方向溫度分布分析
上爐膛燃料層由上至下依次是干餾層、氧化層、還原層、灰渣層，且各層的高度及溫度分布隨著工況的不同而異。
如圖1所示：隨著風(fēng)門(mén)由小變大，氧化層被降低，氧化層的厚度增加，還原層厚度減小。由工況4至工況1其最高溫度依次降低。燃料層溫度上方煙氣溫度工況3最高，工況1次之。工況4最低。受進(jìn)風(fēng)量大小的影響，工況1，溫度分布均勻。工況2、工況3次之，工況4煙氣溫度變化幅度最大。
氧化層的溫度和厚度是布置鍋爐受熱面的一個(gè)重要因素。安裝在下?tīng)t門(mén)后墻的風(fēng)機(jī)把空氣從上爐門(mén)口吸入，使之進(jìn)入上爐膛，由上至下經(jīng)過(guò)燃料層，與燃料發(fā)生燃燒反應(yīng)后，煙氣被風(fēng)機(jī)抽走。當(dāng)風(fēng)門(mén)較小進(jìn)空氣量較少時(shí)，空氣與爐膛熱交換少，燃料層總高度為35cm，在距爐排12cm處，即達(dá)到最高溫度。若高于12cm空氣與爐膛燃料熱交換大，難以達(dá)到最高溫度；若低于12cm，雖空氣與爐膛燃料熱交換量進(jìn)一步減小，但因空氣量不足，燃料不能完全燃燒，形成還原層，亦難以達(dá)到最高溫度；而當(dāng)風(fēng)門(mén)較大，如工況3，受進(jìn)風(fēng)量較多的影響，熱交換量增加，氧氣充足，所以其氧化層與還原層的分界點(diǎn)，也即此工況最高溫度距爐排較工況1、工況2近，由圖1可知為7cm。工況4進(jìn)風(fēng)量最大，所以其還原層幾乎與灰渣層混合。氧化層與還原層分界點(diǎn)降至爐排2cm處。進(jìn)空氣量由小變大燃料的燃燒也更加完全，因此氧化層厚度由大變小。
由爐膛垂直方向溫度變化可知，由于高溫燃料層的熱輻射降低，爐膛內(nèi)煙氣隨著爐排高度的增加，溫度逐漸降低。當(dāng)風(fēng)門(mén)較小。如工況1、工況2，空氣換熱量小，降溫梯度較小約為200℃；風(fēng)門(mén)較大，如工況3、工況4，與空氣換熱量大，溫度降低也非常大，正對(duì)爐口處出現(xiàn)較明顯的降溫趨勢(shì)，工況4可達(dá)400℃。
試驗(yàn)中下?tīng)t門(mén)沒(méi)打開(kāi)，所以其溫度總變化趨勢(shì)降低。但由于煙氣經(jīng)過(guò)水冷壁，所以在爐排處溫度較距12cm處低。同樣，由于受風(fēng)門(mén)的影響，工況1、工況2溫度變化小，工況3、工況4，氧化層溫度高易結(jié)渣會(huì)使燃料層中通風(fēng)不暢而使下?tīng)t膛溫度忽高忽低，溫度變化梯度大，如圖2所示。
3.2深度方向溫度場(chǎng)分布分析
從爐口到爐膛直至后爐壁，由于各工況進(jìn)風(fēng)量及空氣壓力、速度的不同，影響其深度方向溫度分布的原因也不同，主要有三個(gè)因素：①空氣與燃料及煙氣的熱交換；②受爐拱形狀影響進(jìn)入爐膛內(nèi)的空氣的壓力和流速，此因素決定空氣是否能與燃料充分接觸并與可燃?xì)怏w良好混合，即是否能組織氣流使其有利于燃燒；③與爐壁的熱交換。
本實(shí)驗(yàn)中鍋爐的爐膛呈較規(guī)則六面體而非流線(xiàn)型，在一定程度上未能有效使空氣與爐膛內(nèi)各點(diǎn)的燃料煙氣良好混合。在上爐膛爐口處，空氣與煙氣的熱交換量最大，在此進(jìn)入爐膛的空氣更多地是與距爐口一段距離的煙氣和燃料混合，致使此處形成死角，燃燒差，溫度低；在距爐口7cm處，被加熱的空氣與煙氣及燃料的熱交換較爐口處小，且此處空氣的壓力、速度很大，形成了有利于燃燒的氣流，燃燒狀況最好，因此溫度驟然上升；爐膛更深處空氣壓力、速度降低，燃燒狀況較差，溫度降低。由于空氣與燃料及煙氣的熱交換減小，溫度亦慢慢升高，在距爐口約42cm處出現(xiàn)第二個(gè)波峰；由于與后爐壁的熱交換增加致使?fàn)t膛溫度再次下降。
試驗(yàn)中上下?tīng)t膛溫度分布是有差別的，下?tīng)t膛最高溫度出現(xiàn)在爐膛中心(即距爐口32cm處)。由于此狀態(tài)下?tīng)t門(mén)未打開(kāi)，影響溫度分布的因素主要有：①燃料層的溫度；②與爐壁的熱交換；③燃料層是否通風(fēng)順暢。上爐排燃料燃燒時(shí)，最高溫度出現(xiàn)在燃料層中間，且在此處與前后爐壁的熱交換最少。致使在爐膛中央出現(xiàn)最高溫度；而上爐門(mén)須打開(kāi)，受空氣熱交換影響使溫度出現(xiàn)兩個(gè)波峰，且最高溫度出現(xiàn)在距中心后方10cm處，即距爐口42cm處。
由圖3可知，在上爐膛深度方向，工況4因風(fēng)門(mén)最大，且燃料及煙氣發(fā)生熱交換量偏高。排煙熱損失大+導(dǎo)致其溫度最低；工況2、工況3溫度分布大致相同，工況2略高于工況3，且由于受爐膛形狀的影響，在爐口至距爐口12cm處都出現(xiàn)了波動(dòng)；工況1溫度較工況2、工況3偏低。
由圖4可知，在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)門(mén)較大時(shí)因氧化層溫度偏高易使燃料層結(jié)渣，造成通風(fēng)不暢而使下?tīng)t膛溫度忽高忽低。如工況3、工況4；當(dāng)風(fēng)門(mén)較小時(shí)，空氣量及壓力、速度都較小，料層極易發(fā)生堵塞，使燃料燃燒不完全，爐膛溫度偏低；工況2燃燒狀況最好，不易結(jié)渣，不易堵塞，溫度分布較為均勻。
3.3寬度方向溫度分布分析
決定鍋爐爐膛寬度方向溫度分布的主要因素有：①燃料層的溫度；②與爐壁的熱交換；③與燃料、煙氣和空氣熱交換量。
由于空氣直接從爐口進(jìn)入，增加了因素③對(duì)爐溫的影響。使正對(duì)爐口的寬度方向出現(xiàn)較低的溫度，圖5所示第3點(diǎn)和第8點(diǎn)處，從而使得溫度分布圖倒過(guò)來(lái)看像鹿角，風(fēng)門(mén)較大，這種形狀最為明顯，如工況4所示。在上爐膛中，工況2、工況3偏高，且工況2溫度梯度小、分布均勻；工況1溫度分布曲線(xiàn)亦較為平滑但溫度偏低；工況4溫度最低且溫度梯度大。下?tīng)t膛溫度分布呈現(xiàn)較規(guī)則的拋物線(xiàn)(如圖6所示)，在第7點(diǎn)出現(xiàn)的溫度陡然降低應(yīng)是爐壁或爐門(mén)處漏風(fēng)增加了熱交換損失所致。如圖6所示，各工況溫度相差不大，其中工況2、工況3溫度仍偏高，工況1最低。
4試驗(yàn)結(jié)論
4.1本次鍋爐實(shí)驗(yàn)溫度特點(diǎn)
(1)工況l燃料燃燒較不完全，燃料層容易發(fā)生堵塞而熄火，溫度偏低；工況2燃料燃燒完全，燃料層不發(fā)生堵塞，不易結(jié)渣，溫度較高且分布均勻；工況3較易結(jié)渣，溫度偏高但分布較不均勻；工況4氧化層溫度高，極易結(jié)渣，空氣與爐膛內(nèi)煙氣熱交換量大。溫度偏低且溫度梯度很大；
(2)爐膛煙氣溫度偏高促進(jìn)了燃燒的良好進(jìn)行，同時(shí)增加了排煙熱損失，其中煙箱溫度隨風(fēng)門(mén)大小而變化：T工況4>T工況3>T工況2>T工況1。
(3)各工況爐膛寬度方向溫度分布都比較均勻，其他方向溫度分布不均勻；工況I各方向溫度分布都比較均勻。
4.2各工況狀況比較
(1)在本實(shí)驗(yàn)中，工況1風(fēng)門(mén)過(guò)小，未能及時(shí)供給足夠的空氣量，燃燒速度慢且不完全；工況4風(fēng)門(mén)過(guò)大，雖然空氣量大，但溫度梯度也很大，爐溫較低。而工況2、工況3溫度較高且分布均勻。由各工況下的爐膛溫度可知，工況2、工況3最佳。
(2)工況3排煙熱損失較工況2大，且耗電量大，因此工況2為最佳狀態(tài)。
綜上所述，在爐溫較高的條件下，燃燒速度很快，空氣迅速被消耗掉，所阻必須供給足夠的空氣量。空氣量太少，不僅限制了燃燒反應(yīng)速度，而且會(huì)使煙氣中的氣體不完全燃燒產(chǎn)物CO等增加，造成燃燒損失增大。但是，過(guò)多的空氣量會(huì)降低爐溫，同時(shí)也使排煙量過(guò)大，導(dǎo)致排煙熱損失增加。本次鍋爐實(shí)驗(yàn)中工況2為最佳工況，溫度較高，分布均勻，熱損失小，耗電量少，效率高，已達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
5對(duì)改進(jìn)生物質(zhì)密致燃料鍋爐的幾點(diǎn)建議
(1)煙氣中可燃物質(zhì)(包括未完全燃燒的揮發(fā)分、焦碳反應(yīng)產(chǎn)物CO及單層爐排狀態(tài)時(shí)從爐膛吹起的細(xì)粒)在爐膛空間一邊運(yùn)動(dòng)一邊燃燒，煙氣流動(dòng)很快，高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)來(lái)不及更充分與鍋爐受熱面發(fā)生熱交換，即離開(kāi)爐膛，增大了排煙熱損失。所以，鍋爐設(shè)計(jì)應(yīng)注意保證煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，增大鍋爐受熱面積或添加煙氣回流裝置，充分利用煙氣。減小排煙熱損失。
(2)爐膛的形狀應(yīng)使氣流有良好的充滿(mǎn)度，以保證爐膛容積得到充分利用。本實(shí)驗(yàn)中爐膛是由幾乎平直的幾個(gè)面組成，而空氣流及煙氣流是呈曲線(xiàn)流動(dòng)，平直的爐膛未能達(dá)到很好地組織氣流，一方面使部分容積的爐膛形成死角處于未工作狀態(tài)，另一方面未能使空氣與煙氣燃料混合均勻，增加了熱損失。因此爐膛形狀應(yīng)改進(jìn)為符合爐膛內(nèi)氣體流動(dòng)規(guī)律的曲線(xiàn)型。
(3)由于雙層爐排狀態(tài)上爐膛溫度較高，所以可在上爐膛頂部布置受熱面以增大鍋爐熱效率。
(4)所用的生物質(zhì)塊直徑都為120mm，在以后的試驗(yàn)中，應(yīng)注意對(duì)不同直徑的生物質(zhì)燃料進(jìn)行試驗(yàn)，以更好地確定最佳工況。
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