在眾多的可再生能源中，生物質(zhì)能以其資源儲量豐富、清潔方便和可再生的特點(diǎn)，具有極大的開發(fā)潛力。美國、日本、巴西及印度都相繼制定了各自的生物質(zhì)能源研究開發(fā)計劃，就我國的基本國情和生物質(zhì)利用開發(fā)水平而言，生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)無疑是最簡便可行的高效利用生物質(zhì)資源的方式之。生物質(zhì)燃料在燃燒過程中的燃燒機(jī)理、反應(yīng)速度以及燃燒產(chǎn)物的成分與化石燃料相比存在較大差別。目前，根據(jù)所采用生物質(zhì)燃料種類及特性的不同，甘蔗渣鍋爐、生物質(zhì)廢料流化床鍋爐、垃圾焚燒爐、稻殼流化床鍋爐及燃木屑、木粉等新型鍋爐應(yīng)運(yùn)而生。鍋爐技術(shù)的成熟及鍋爐類型的多樣化為生物質(zhì)燃料代替煤作燃料創(chuàng)造了條件。
    生物質(zhì)成型燃料是經(jīng)過高壓而形成的密度為塊狀燃料，其結(jié)構(gòu)與組織特征決定了它的燃燒性質(zhì)優(yōu)于原生物質(zhì)，同時也不盡同于煤。為了較好反映該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。其中爐膛溫度直接影響爐膛均勻燃燒程度及經(jīng)濟(jì)燃燒性，同時也是鍋爐布置受熱面的重要依據(jù)。通過對溫度場的試驗(yàn)可以找出溫度分布規(guī)律，確定最佳燃燒狀態(tài)，同時也可以找出燃燒設(shè)備存在問題，為爐膛優(yōu)化及燃燒設(shè)備改進(jìn)提供依據(jù)，富通新能源銷售生產(chǎn)生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
1、試驗(yàn)內(nèi)容
1.1  試驗(yàn)設(shè)計
該鍋爐為雙層爐排，上爐膛放料上爐門打開，安裝在下爐門后墻的風(fēng)機(jī)把空氣從上爐門口吸入上爐膛并由上至下經(jīng)過燃料層，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120 mm。
    以爐膛為研究對象，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，每個方格的對角線交叉點(diǎn)即為某個截面內(nèi)某個測點(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)對稱線上留下35個孔，主要研究爐膛對稱線上溫度場情況。
    燃燒設(shè)備分別在四種工況下燃燒：工況1 apy=1.6，工況2apy=2.2，工況3apy=3.2，工況4 apy=4.4，其中apy為排煙處過量空氣系數(shù)。
1.2試驗(yàn)設(shè)備
    (1)鉑銠一鉑鎧裝熱電偶，測溫范圍0℃N1 200℃，分辨率1℃，穩(wěn)定度+2℃，響應(yīng)時間
10 s，環(huán)境溫度-10～50℃，濕度”85%。
    (2) Raynger3iLTDL2便攜式紅外測溫儀：測溫范圍-30℃～1200℃，光分辨率75:1，光譜范圍8am～14am，雙激光瞄準(zhǔn)方式。
    c3) SWJ-m精密數(shù)字式溫度計、秒表、米尺。
1.3試驗(yàn)方法
    試驗(yàn)開始前，先用米尺量得爐膛寬度X=73 cm，深度Y=55 cm，高度2=37 cm，爐膛一側(cè)測溫口的直徑d=3cm，各測溫口間距m=8cm，均勻分布。將寬度方向值10等分，每等分8 cm，并做標(biāo)記。
    將熱電偶溫度計與數(shù)字溫度計連接，待讀取顯示的溫度數(shù)值。
    試驗(yàn)開始等待燃燒狀態(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分別放入x軸、Z軸測溫口，放入長度為爐膛寬度值。計時3 min后，將紅外測溫儀測溫點(diǎn)對準(zhǔn)熱電偶10等分的每個點(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溫方法同上。測取寬度方向燃料層溫度時，可將熱電偶埋入燃料層，分別測取10等分各點(diǎn)的溫度值。各工況測溫方法相同。所測得的各點(diǎn)溫度在每個方向上求平均值得出各面溫度，從而建立各個方向溫度分布圖。
2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
2.1  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)門由小變大，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，并由于受進(jìn)風(fēng)量大小的影響工況1溫度分布較均勻，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重要因素。安裝在下爐門后墻的風(fēng)機(jī)把空氣從上爐門口吸入，進(jìn)入上爐膛，由上至下經(jīng)過燃料層，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)門較小進(jìn)空氣量較少時，空氣與燃料熱交換少，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空氣與燃料熱交換大，難以達(dá)到最高溫度：若低于12 cm，雖空氣與燃料熱交換量進(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)門較大，如工況3，由于進(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工況3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2 cm處。進(jìn)空氣量由小變大燃料的燃燒也完全，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，正對爐膛出口處出現(xiàn)較明顯的降溫趨勢，工況4可達(dá)400℃。
    試驗(yàn)中下爐門沒打開，所以其溫度總變化趨勢降低，但由于煙氣經(jīng)過水冷壁，所以在爐排處溫度較距12 cm處低。同樣，由于受風(fēng)門的影響，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)渣會使燃料層中通風(fēng)不暢而使下爐膛溫度忽高忽低，溫度變化梯度大，如圖2所示。
2.2深度方向溫度場分布分析
    從爐門至爐膛及后墻，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主要有三個因素：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，即是否能很好組織氣流使其有利于燃燒；③與爐壁的熱交換。
    本試驗(yàn)中鍋爐的爐膛呈較規(guī)則六面體而非流線型，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。在上爐膛出口處，空氣與煙氣的熱交換量最大，且在此處，進(jìn)入爐膛的空氣更多與距出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：在距出口7 cm處，被加熱的空氣與煙氣及燃料的熱交換較爐膛出口處小，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，在距爐膛出口約42 cm處出現(xiàn)第二個波峰；由于與后墻的熱交換增加，致使?fàn)t膛溫度再次下降。
    試驗(yàn)中上下爐膛溫度分布是有差別的，下爐膛最高溫度出現(xiàn)在爐膛中心（即距出口32 cm處）。由于此狀態(tài)下爐門未打開，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，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，兩個有利因素致使在爐膛中央出現(xiàn)最高溫度：而上爐門須打開，由于空氣熱交換影響致使溫度出現(xiàn)兩個波峰，且最高溫度出現(xiàn)在距中心后方10cm處，即距出口42 cm處。
    由圖3可知，上爐膛深度方向，工況4因風(fēng)門最大，且燃料及煙氣發(fā)生熱交換量偏高，排煙熱損失大，致使其溫度最低：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，在距出口12cm范圍內(nèi)都出現(xiàn)了波動：工況1較工況2、工況3溫度偏低。
    由圖4可知，在試驗(yàn)過程中，當(dāng)風(fēng)門較大時氧化層溫度偏高易結(jié)渣，致使燃料層通風(fēng)不暢而使下爐膛溫度忽高忽低，如工況3、工況4：當(dāng)風(fēng)門較小時，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。
2.3  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燃料、煙氣和空氣之間熱換交量。
    由于空氣直接從出口進(jìn)入，增加了燃料、煙氣和空氣間熱換交量對爐溫的影響，使正對出口的寬度方向出現(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來看像鹿角，風(fēng)門較大，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溫度分布曲線亦較為平滑但溫度偏低：工況4溫度最低且溫度梯度大。下爐膛溫度分布呈現(xiàn)較規(guī)則的拋物線，如圖6，在第7點(diǎn)出現(xiàn)的溫度陡然降低應(yīng)是爐壁或爐門處漏風(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。
3、結(jié)論
3.1  分布特點(diǎn)
    (1)工況1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，同時增加了排煙熱損失，其中煙箱溫度隨風(fēng)門大小而變化。
    (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1各方向溫度分布都比較均勻。
3.2各工況比較
    (1)在本試驗(yàn)中，工況1風(fēng)門過小，未能及時供給足夠的空氣量，燃燒速度慢且不完全：工況4風(fēng)門過大，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，所以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，過多的空氣量會降低爐溫，同時也使排煙量過大，導(dǎo)致排煙熱損失增加。本次試驗(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，己達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
4、對改進(jìn)生物質(zhì)成型燃料鍋爐的幾點(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)時從爐膛吹起的細(xì)粒）在爐膛空間一邊運(yùn)動一邊燃燒，煙氣流動很快，高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)來不及更充分與鍋爐受熱面發(fā)生熱交換，即離開爐膛，增大了排煙熱損失。所以，鍋爐設(shè)計應(yīng)注意保證煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間，增大鍋爐受熱面積或添加煙氣回流裝置，減小排煙熱損失：
    (2)爐膛的形狀應(yīng)使氣流有良好的充滿度，以保證爐膛容積得到充分利用。本試驗(yàn)中爐膛是由幾乎平直的幾個面組成，而空氣流及煙氣流是呈曲線流動，平直的爐膛未能達(dá)到很好組織氣流，一方面使部分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)氣體流動規(guī)律的曲線型：
    (3)由于雙層爐排狀態(tài)上爐膛溫度較高，所以可在上爐膛項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120 mm，在以后的試驗(yàn)中，應(yīng)注意對不同直徑的生物質(zhì)燃料進(jìn)行試驗(yàn)，以更好確定最佳工況，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，而且我們還大量銷售生物質(zhì)鍋爐燃燒使用的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。