摘要：在生物質(zhì)顆粒燃料燃燒試驗用鍋爐平臺上，進(jìn)行了多種配風(fēng)、一、二次風(fēng)配比、不同的二次送風(fēng)位置及改變?nèi)剂蠈雍穸人膫€工況下的實驗研究。實驗結(jié)果表明：生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐熱效率高達(dá)77.69%，而鍋爐排煙中NO_X、SO₂等環(huán)保指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐。燃燒模擬實驗為生物質(zhì)顆粒鍋爐設(shè)計和運行提供規(guī)律性參考數(shù)據(jù)。

　　0引言

　　生物質(zhì)固體成型燃料具有易儲存、運輸及使用方便、清潔環(huán)保、燃燒效率高等優(yōu)點，是開發(fā)、利用生物質(zhì)能的主要方向之一^[1-4]。生物質(zhì)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(yōu)點，因此得到人們廣泛關(guān)注[5]。我國生物質(zhì)顆粒燃料及其燃燒設(shè)備的研究剛剛起步，對生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的理論和應(yīng)用研究很少，缺乏其燃燒運行參考數(shù)據(jù)。

　　要設(shè)計出性能優(yōu)良的生物質(zhì)顆粒燃燒設(shè)備，必須要有相應(yīng)的熱力特性參數(shù)作為設(shè)計依據(jù)^[6-7]。為此作者經(jīng)過多次試驗，制作了生物質(zhì)顆粒燃燒試驗用鍋爐，搭建其熱工測試平臺，進(jìn)行了不同工況下生物質(zhì)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(tǒng)的實驗研究取得了一些規(guī)律性數(shù)據(jù)以期為生物質(zhì)顆粒鍋爐設(shè)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(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。試驗用鍋爐是根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性，及熱力特性參數(shù)為設(shè)計依據(jù)制造的，其供熱量為10kW。

　　該鍋爐為下部下吸式結(jié)構(gòu)，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(shè)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(fēng)，分別用浮子流量計計量，用閥門調(diào)節(jié)流量。二次送風(fēng)成噴霧狀送風(fēng)。選用CSRD-42N型風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組為試驗用鍋爐的熱負(fù)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(zhuǎn)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(zhì)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(fā)熱量16284kJ/kg；水分含量5.08%；揮發(fā)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(jié)果表明：玉米秸稈顆粒的揮發(fā)份析出溫度集中在220～270℃區(qū)間，峰值大約在235℃左右；焦炭燃燒的溫度區(qū)域是280～430℃。

　　2實驗方法與實驗內(nèi)容

　　根據(jù)GB 15317-1994工業(yè)鍋爐節(jié)能檢測方法；GB 10180-2003工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程；GB 13271-2001鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)；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(zhì)顆粒燃料燃燒運行參數(shù)進(jìn)行試驗確定^[9-12]。

　　實驗內(nèi)容：

　　(1)采用一次供風(fēng)方式，改變送入的空氣量，篩選最佳過量空氣系數(shù)；

　　(2)采用最佳過量空氣系數(shù)，將供給的風(fēng)量分為兩路供風(fēng)的方式，篩選最佳的一、二次供風(fēng)配比；

　　(3)采用優(yōu)化的過量空氣系數(shù)和一、二次供風(fēng)配比，篩選最佳的二次送風(fēng)位置。二次送風(fēng)成噴霧狀。

　　(4)在最佳的供風(fēng)工況下，篩選最佳的燃料層厚度。

　　3實驗結(jié)果與分析

　　(1)不同供風(fēng)量對排煙中CO濃度和燃料層溫度的影響

　　實驗結(jié)果表明：僅有一次風(fēng)供給，燃燒效果非常不好，風(fēng)量增大，燃料層溫度增高，參與反應(yīng)的燃料增多，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的揮發(fā)分增多，不完全燃燒損失增大。因此，僅通過改變一次風(fēng)量大小不能夠徹底改善爐膛內(nèi)燃燒不完全的狀況。

　　(2)經(jīng)過試驗篩選認(rèn)為空氣供給量為16m³/h，過量空氣系數(shù)是1.95時比較好，以此為基礎(chǔ)將供給的空氣取不同的比率分為兩路供給。在不同的配風(fēng)比例下，實驗結(jié)果如表1。

　　實驗結(jié)果表明：當(dāng)二次風(fēng)量供給小于50%時，爐膛內(nèi)供應(yīng)的氧不足，出現(xiàn)一定的不完全燃燒，當(dāng)二次風(fēng)量供給大于50%時，由于冷空氣過大將可燃?xì)怏w吹散，使?fàn)t膛溫度降低，一些可燃物質(zhì)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(dāng)一、二次風(fēng)量配比為50%時為最佳。

　　(3)在試驗不同的二次送風(fēng)的配比率的同時，改變二次送風(fēng)位置，記錄二次送風(fēng)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(jié)果如下。

　　實驗結(jié)果表明：二次送風(fēng)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(yīng)當(dāng)綜合考慮二次送風(fēng)的位置和配比率這兩個因素，在爐膛中部送二次風(fēng)、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(xiàn)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(fēng)位置應(yīng)該在爐膛燃燒最不充分的地方，使燃料的化學(xué)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(shù)是1.95，二次送風(fēng)的配比率為總風(fēng)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(jié)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(jìn)一步增大，燃料層內(nèi)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(nèi)生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)生的揮發(fā)分增多，在送風(fēng)量不變情況下，爐膛內(nèi)可燃?xì)怏w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(dāng)燃料層厚度為較低的400mm時，燃料層出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，料層上方冒火星，燃燒中心溫度也增高，單位時間內(nèi)生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)生的揮發(fā)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(dāng)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(jié)焦渣，燃燒工況惡化，從觀火孔觀察到爐膛內(nèi)火焰強度明顯減弱。

　　4結(jié)論

　　(1)生物質(zhì)顆粒燃料確定后，它的燃燒速率、傳熱參數(shù)和揮發(fā)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(fā)分析出加快、增多，出現(xiàn)結(jié)渣，不完全燃燒現(xiàn)象。

　　(2)生物質(zhì)顆粒燃燒必須要有二次風(fēng)供給，合理地使用二次送風(fēng)，會使?fàn)t膛供氧充分，擴(kuò)大爐膛內(nèi)高溫區(qū)域范圍，增加可燃物質(zhì)與氧接觸機(jī)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(zhì)顆粒燃料鍋爐熱效率達(dá)到77.69%，比GB /T15317-1994工業(yè)鍋爐節(jié)能檢測方法中所規(guī)定的熱效率合格指標(biāo)高22.69%^[13]。