全世界每年由光合作用生成的生物質(zhì)量是巨大的，其作為能源消耗量僅排在煤炭、石油、天然氣之后，稱為世界上第四大能源，它是潔凈的可再生能源，中國生物質(zhì)秸稈產(chǎn)量達(dá)6億多t，相當(dāng)于3億多t標(biāo)準(zhǔn)煤，由于人民生活水平的提高及能源結(jié)構(gòu)的變化，秸稈的剩余量越來越大，銷毀處理不但浪費資源、污染大氣，而且影響交通安全，利用秸稈替代礦物燃料，實現(xiàn)CO2零排放，降低大氣中的NOx，S02含量，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境，發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)，實施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大的現(xiàn)實意義，秸稈成型燃料是高效潔凈能源，具有便于貯存、運輸、使用方便和燃燒效率高等特點，目前國內(nèi)對秸稈成型燃料燃燒所進(jìn)行的理論研究和應(yīng)用研究很少，還沒有性能優(yōu)良的秸稈成型燃料專用生物質(zhì)鍋爐，為了燃燒大量的秸稈成型燃料，必須把原有的燃煤鍋爐加以改造，但改造后的鍋爐仍存在著爐膛的容積、形狀與秸稈成型燃料不匹配，鍋爐的受熱面與秸稈成型燃料不匹配，過�？諝庀禂�(shù)與秸稈成型燃燒不匹配，致使鍋爐燃燒效率及熱效率較低，出力及工質(zhì)參數(shù)下降，污染物排放超標(biāo)．根據(jù)秸稈成型燃燒理論作者研制出秸稈成型燃料專用鍋爐，為了確定鍋爐各項熱性能參數(shù)，用以判斷鍋爐設(shè)計與運行水平；摸清鍋爐各項損失，提出降低損失，提高效率，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，作者對雙層爐排秸稈成型燃料鍋爐的熱性能參數(shù)進(jìn)行了試驗與分析。
1、方法及儀器
1.1試驗方法
    根據(jù)GB/T15137-1994工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法，對作者設(shè)計的雙層爐排、單層爐排秸稈成型燃料鍋爐[6]按4種工況進(jìn)行熱性能試驗，雙層爐排與單層爐排燃燒按供風(fēng)量大小可分為4種工況：工況1（雙層爐排排煙處過量空氣系數(shù)a為1.60，單層爐排排煙處過量空氣系數(shù)amax為2.8），維持鍋爐燃燒最小風(fēng)量；工況2（雙層爐排a為2.20，單層爐排a為3.40），鍋爐效率最高風(fēng)量；工況3（雙層爐排amax為3.16，單層爐排d，為5.00），鍋爐出力最大風(fēng)量；工況4（雙層爐排a為4.41，單層爐排a7.40），維持鍋爐燃燒最大風(fēng)量。
試驗燃料為液壓成型玉米秸稈，粒度直徑為130 mm的圓柱，密度為0.919 t/m3，收到基凈發(fā)熱量為15 658 kJ kg-1，含水率為15%，環(huán)境溫度為11℃，大氣壓力為98 kPa.對雙層爐排與單層爐排秸稈成型燃料鍋爐分別按4種工況進(jìn)行熱性能對比試驗。
秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料，生物質(zhì)顆粒燃料主要供生物質(zhì)鍋爐燃燒使用。
1.2試驗儀器
    (1) KM9106綜合燃燒分析儀；(2)IRT - 2000A手持式快速紅外測溫儀；(3)SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計；(4)3012H型自動煙塵（氣）測試儀；(5)C型壓力表；(6)磅稱，米尺，秒表，水銀溫度計，水表；(7)XRY -TA數(shù)顯氧彈式量熱計；(8)CLCH -I型全自動碳?xì)湓�素分析儀；(9)烘干箱，馬氟爐，林格曼里度圖；(10)熱成像儀。
2、結(jié)果與分析
2.1過剩空氣系數(shù)與主要熱損失的關(guān)系
    根據(jù)測試結(jié)果，雙層爐排燃燒與單層爐排燃燒各工況鍋爐各項熱損失及效率隨a/,7變化規(guī)律如圖1、圖2所示．
2.1.1  過�？諝庀禂�(shù)與固體不完全燃燒熱損失的關(guān)系  從圖1與圖2可知，秸稈成型燃料采用雙層爐排燃燒與采用單層爐排燃燒方式其固體不完全燃燒損失隨amax增大而呈現(xiàn)相似變化規(guī)律，即隨著a從小到大變化，固體不完全燃燒熱損失逐漸減少，當(dāng)固體不完全燃燒熱損失減少到一定值后，隨著a增大固體不完全燃燒熱損失又隨著增大，這是因為當(dāng)a過小時，爐膛中空氣量不足，燃料中有一部分碳不能與氧充分反應(yīng)，產(chǎn)生一定的固體未完全燃燒熱損失；當(dāng)a，等于一定值時，燃料燃燒需要的氧與空氣供給的氧相當(dāng)，氧氣與燃料能充分燃燒，這時原有燃料基本上都燃燒掉，這時固體燃料不完全燃燒熱損失達(dá)到最��；當(dāng)a。繼續(xù)增大時，爐膛中空氣量過剩，過�？諝獠坏�降低爐溫，使燃料不能與氧有效反應(yīng)，造成一定量的固體未完全燃燒損失，而且使排煙熱損失增加。
    從圖1與圖2可知，各工況下雙層爐排燃燒的固體不完全燃燒損失小于單層爐排燃燒的固體不完全燃燒損失，且達(dá)到最小固體不完全燃燒損失時，a值不一樣，對于雙層爐排燃燒a為2.2，固體不完全燃燒熱損失達(dá)到最小，為1.3%；對于單層爐排燃燒時a，為3.4時，固體不完全燃燒熱損失達(dá)到最小，為5%.這主要是由燃燒方式所決定的，對于雙層爐排燃燒方式的各工況下，燃料燃燒分步進(jìn)行，燃料在上爐膛先是半氣化燃燒，當(dāng)未燃盡的灰渣從上爐排掉到下爐排上后，也繼續(xù)燃燒從而減少了灰渣的含碳量，減少固體未完全燃燒損失，而采用單層爐排時，燃燒一步完成，供氧與需氧不匹配，燃燒條件變差，灰渣中的碳不能完全燃燒，而形成較多的固體未完全燃燒損失。
    從圖1與圖2可知，無論采用雙層爐排燃燒還是采用單層爐排燃燒方式，秸稈成型燃料固體不完全燃燒損失均小于煤的固體未完全燃燒損失，這主要是由燃料特性所決定的。
2.1.2過�？諝庀禂�(shù)與氣體不完全燃燒熱損失的關(guān)系  從圖1與圖2可知，秸稈成型燃料采用雙層爐排燃燒方式和單層爐排燃燒方式，其氣體不完全燃燒熱損失大小隨a，增大而呈相應(yīng)變化規(guī)律，即隨著a從小到大的變化，氣體不完全燃燒熱損失逐漸減小，當(dāng)氣體不完全燃燒熱損失減小到一定值時，隨著a增大，氣體不完全燃燒熱損失又隨之增大，這是因為當(dāng)a過小時，爐膛中空氣量不足，燃料燃燒時易形成較多的C0，H2，CH4等中間產(chǎn)物，從而使氣體不完全燃燒損失增加；當(dāng)a，等于一定的值時，燃料燃燒所需要的氧與外界供給的空氣中的氧相匹配時，燃料燃燒充分，減少中間產(chǎn)物CO，H2，CH4生成，從而使氣體不完全燃燒損失的量達(dá)到最小值；當(dāng)a，繼續(xù)增大時，爐膛中的爐溫降低，從而減弱了反應(yīng)進(jìn)行，形成較多的CO，H2，CH4等中間產(chǎn)物，使氣體不完全燃燒熱損失增大。
    從圖1與圖2可知，各工況下雙層爐排燃燒氣體不完全燃燒熱損失小于單層爐排燃燒氣體不完全燃燒損失，且達(dá)到最小氣體不完全燃燒損失時，a值不一樣，對于雙層爐排燃燒a為2.2，氣體不完全燃燒熱損失達(dá)到最小，為0.5%；對于單層爐排燃燒時a為3.4時，氣體不完全燃燒熱損失達(dá)到最小，為1.3%．這主要是由燃燒方式所決定的，對于雙層爐排燃燒方式的各工況下，燃料燃燒分步進(jìn)行，燃料在上爐膛呈半氣化燃燒，形成大量的C0，H2，CH4氣體，當(dāng)這些中間產(chǎn)物經(jīng)過下爐膛時再次燃燒生成C02與H20，形成了供氧與需氧匹配，從而減少了排煙中中間產(chǎn)物存在，即減少了氣體不完全燃燒熱損失；對于單層爐排燃燒，燃料一次燃燒，供氧與需氧很不匹配，燃燒條件變差，會形成較高的中間產(chǎn)物，形成了較多的氣體不完全燃燒熱損失。
    從圖1與圖2可知，對于秸稈成型燃料無論采用雙層爐排燃燒方式還是單層爐排燃燒方式，秸稈成型燃料燃燒的氣體不完全損失都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤的氣體不完全燃燒損失，這主要是由秸稈成型燃料特性所決定的。
2.1.3過�？諝庀禂�(shù)與排煙熱損失的關(guān)系  從圖1與圖2可知，無論是雙層爐排燃燒還是單層爐排燃燒，排煙熱損失的大小主要由排煙量與排煙溫度決定，當(dāng)排煙溫度變化不大的情況下，排煙熱損失決定于排煙量，無論是雙層爐排燃燒還是單層爐排燃燒，隨著a增大，排煙量增大，排煙熱損失增大，因此在保證燃燒情況下a愈小愈好，對于相似工況下，雙層爐排排煙熱損失大于單層爐排的排煙熱損失，這主要是雙層爐排燃燒時排煙溫度高。
2.1.4過�？諝庀禂�(shù)與散熱損失的關(guān)系從圖1與圖2可知，無論是雙層爐排燃燒，還是單層爐排燃燒，隨著a增大，散熱損失越來越小，小到一定程度散熱損失保持不變．對于相似工況下，雙層爐排的表面散熱損失高于單層爐排表面散熱損失，這是因為對于雙層爐排燃燒來說，對于相似工況，燃燒情況好，爐溫水平高，而爐壁溫度高，特別是上爐膛周圍的爐壁溫度較高，表面散熱量大，同時通過上爐門向外熱輻射熱損失也大，雙層爐排燃燒時，表面熱損失會大一些，相應(yīng)對于單層爐排而言，對于相似工況，燃燒狀況差一些，爐溫水平低，爐壁溫度低，表面散熱損失會小一些．
2. 1.5  過�？諝庀禂�(shù)與總熱損失的關(guān)系  從圖1與圖2可知，雙層爐排燃燒與單層爐排燃燒，其總損失隨著a，變化規(guī)律相似，即隨著aPy增大一總損失越來越小，當(dāng)總損失減少到一定值后不再減少，隨著a繼續(xù)增大一總損失逐漸增大，在a較小階段, 總損失主要決定于散熱損失大小，aPy較大階段一總損失主要取決于排煙熱損失大小，a中值階段,總損失主要取決于排煙熱損失與散熱損失。
    對于相似工況下，雙層爐排燃燒總損失小于單層爐排總損失，即在所有工況下，雙層爐排總損失小于單層爐排總損失，在最佳工況下對于雙層爐排a為2.2時一總損失∑q為29.0%，對于單層爐排a為3.4時，總損失∑q為37.3%．
    對于秸稈成型燃料來講，在較好工況下采用雙層爐排燃燒效率為97.81%~98.20%，熱效率可達(dá)64.78%~74.39%，與單層爐排相比燃燒效率提高4.49%~5.15%，熱效率提高10. 72%~11. 60%．同時該鍋爐大大降低排煙中的CO，H2，CH4等中間產(chǎn)物，起到消煙作用。
3、結(jié)論
    1)由試驗得出，根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性設(shè)計出的秸稈成型燃料鍋爐的熱效率、熱水流量、熱負(fù)荷，水溫等熱性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計要求（在較好工況下），證明了該設(shè)計方法正確性和科學(xué)性。
    2)在較好工況下秸稈成型燃料采用雙層爐排燃燒效率比采用單層爐排燃燒效率可提高4.49%~5.15%，熱效率可提高10 .72%~11. 60%，大大降低排煙中的CO等中間產(chǎn)物及煙塵含量，起到了消煙除塵作用，雙層爐排將成為秸稈成型燃料的主要爐型之一。
    3)經(jīng)試制該燃燒設(shè)備制造工藝簡單，價格與同容量燃煤鍋爐相當(dāng)，試驗時操作也比較容易，可大大提高秸稈利用率，且有較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益．
    4)從試驗可看出，雙層爐排秸稈成型燃料鍋爐運行參數(shù)與設(shè)計選用參數(shù)之間存在一定差別，這主要是由于國內(nèi)外文獻(xiàn)中還缺乏秸稈成型燃料燃燒設(shè)備的具體設(shè)計參數(shù)，有些參數(shù)是按煤質(zhì)或按經(jīng)驗確定的，這就向人們提出了要盡快試驗確定出有關(guān)秸稈成型燃料鍋爐設(shè)計參數(shù)，以提高生物質(zhì)成型燃料鍋爐設(shè)計精度。