0、前言
    由于全球性能源危機，對可再生能源的開發(fā)利用逐漸引起了人們的重視。中國在2005年2月通過了《可再生能源法》，并于2006年1月1日起施行。隨后，相關(guān)的價格、稅收、強制性市場配額和并網(wǎng)接人等鼓勵扶持政策也相繼出臺，為我國可再生能源產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和居民生活水平的提高，對于優(yōu)質(zhì)燃料的需求日益迫切。生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)可有效提高生物質(zhì)的利用價值，雖然熱值沒有增高，但其燃燒特性大為改善，燃料的利用率大大提高。生物質(zhì)成型顆粒燃料作為一種新型燃料，其燃燒特性的理論研究還處于初級階段，我國對燃用生物質(zhì)成型顆粒燃料的專用燃燒設(shè)備的研制開發(fā)也起步較晚。目前，世界上燃用生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒設(shè)備主要是小顆粒燃料爐和壁爐，對于大塊成型顆粒燃料的燃燒設(shè)備在世界上研究較少。國內(nèi)某些企業(yè)在未弄清生物質(zhì)成型燃燒機理的情況下，將原有的燃煤鍋爐直接改造成生物質(zhì)鍋爐，但改造后的鍋爐仍因爐膛的容積、形狀與生物質(zhì)成型燃燒不匹配，鍋爐的受熱面與生物質(zhì)成型顆粒燃料不匹配，過剩空氣系數(shù)與生物質(zhì)成型燃燒不匹配等原因，致使鍋爐燃燒效率及熱效率較低，污染物排放超標(biāo)，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機、秸稈顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。 1、生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒特性分析
1.1生物質(zhì)成型顆粒燃料的工業(yè)分析
    表1列出了玉米稈、小麥稈、稻稈及2種煤的工業(yè)分析和發(fā)熱量。從表1中可以看出秸稈的含氧量和揮發(fā)分遠高于煤；而灰分和固定碳的含量遠低于煤，其熱值也小于煤。因此，生物質(zhì)成型顆粒燃料的特點決定了它的燃燒具有一定的特征。
1.2原生物質(zhì)燃燒特性
    秸稈類原生物質(zhì)具有密度小、體積大、揮發(fā)分高(60%～70%)以及點火溫度低等特點。同時，其熱分解的溫度也比較低，一般在350℃就分解釋放出80%左右的揮發(fā)分，燃燒平穩(wěn)性較差，燃燒開始不久燃燒迅速由動力區(qū)進入擴散區(qū)，揮發(fā)分在短時期內(nèi)迅速燃燒，放熱量劇增，高溫?zé)煔鈦聿患皞鳠峋土鞒鰺焽�，造成大量的排煙熱損失。另一方面揮發(fā)分劇烈燃燒所需要的氧氣量遠遠大于外界擴散所供應(yīng)的氧量，使供氧明顯不足，較多的揮發(fā)分不能燃盡，大量形成CO、H2、CH4等中間產(chǎn)物，產(chǎn)生大量的氣體不能完全燃燒。
    揮發(fā)分燃燒完畢，進入焦炭燃燒階段時，由于生物質(zhì)焦炭的結(jié)構(gòu)為散狀，氣流的擾動就可使其解體懸浮起來，脫離燃燒層，迅速進入爐膛的上方空間，經(jīng)過煙道進入煙囪，形成大量的固體不完全燃燒熱損失。此時燃燒層所剩焦炭量很少，形不成燃燒中心，使得燃燒后勁不足，如不嚴(yán)格控制進入空氣量，將使空氣大量過剩，不但降低爐溫，而且增加排煙熱損失。
1.3生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒特性
    由于生物質(zhì)成型顆粒燃料是經(jīng)過高壓形成的塊狀燃料，其密度遠遠大于原生物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)與組織特征就決定了揮發(fā)分的溢出速度與傳熱速度都大大降低。燃料的點火溫度有所升高，點火性能變差，但比型煤的點火性能要好，從點火性能考慮，仍不失生物質(zhì)的點火特性。燃燒開始時揮發(fā)分慢慢分解，燃燒處于動力區(qū)，隨著揮發(fā)分燃燒逐漸進入過渡區(qū)與擴散區(qū)，燃燒速度適中能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時揮發(fā)分燃燒所需的氧與外界擴散的氧可以較好的匹配，揮發(fā)分能夠燃盡，又不過多的加入空氣，爐溫逐漸升高，減少了大量的氣體不完全燃燒損失與排煙熱損失。
    揮發(fā)分燃燒后，剩余的焦炭骨架結(jié)構(gòu)緊密，像型煤焦炭骨架一樣，運動的氣流不能使骨架解體懸浮，能保持層狀燃燒，并且形成層狀燃燒核心。這時炭的燃燒所需要的氧與靜態(tài)滲透擴散的氧相當(dāng)，燃燒穩(wěn)定持續(xù)，爐溫較高，從而減少了固體與排煙熱損失。在燃燒過程中可以清楚的看到炭的燃燒過程，藍色火焰包裹著明亮的炭塊，燃燒時間明顯延長。
    總之，生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒均勻適中，燃燒所需的氧量與外界滲透擴散的氧量能夠較好匹配，燃燒波浪較小，燃燒相對穩(wěn)定。
1.4生物質(zhì)成型顆粒燃料與煤的燃燒特性比較
    生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒性能介于原生物質(zhì)和褐煤之間。由于生物質(zhì)成型顆粒燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠遠大于原生物質(zhì)，燃燒相對穩(wěn)定。雖然點火溫度有所升高，點火性能變差，但與煤的點火性能相比要好的多。生物質(zhì)成型顆粒燃料及煤的顆粒粒徑、升溫速率、樣品質(zhì)量和揮發(fā)分釋放特性指數(shù)都對兩者的著火及燃燒同樣產(chǎn)生不同程度的影響。由于生物質(zhì)成型顆粒燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其結(jié)構(gòu)與組織特征就決定了揮發(fā)分的溢出速度與傳熱速度較原生物質(zhì)秸稈大大降低，但是與煤相比顯得更為容易，因此，生物質(zhì)成型顆粒燃料的揮發(fā)分特性指數(shù)與燃燒特性指數(shù)是大于煤的。
2、鍋爐的設(shè)計
2.1主要設(shè)計參數(shù)
    鍋爐產(chǎn)水量（鍋爐出力）G-500kg/h，進水溫度T=20℃，出水溫度T=95℃，冷空氣溫度為20℃。由于缺乏有關(guān)生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐設(shè)計參數(shù)，根據(jù)秸稈成型顆粒燃料的成分、發(fā)熱量及燃燒與中值煙煤相當(dāng)?shù)奶匦�，鍋爐特性參數(shù)的選取中值煙煤為參考進行選取。其固體不完全燃燒損失q4=3%，排煙溫度為100℃，排煙損失q2=8%，氣體不完全燃燒損失q=1%，散熱損失qs =5%，灰渣物理熱損失q=2%，爐排面積熱強度qR=370 kW/m2，爐膛容積熱強度qv一340 kW/m2，輻射受熱面強度qf=70 kW/m2，爐膛過剩空氣系數(shù)ajl一1.7，排煙處過剩空氣系數(shù)apj=1.85，煙道總阻力333 Pa。
2.2反燒式生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐結(jié)構(gòu)布置
    新型生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐采用反燒結(jié)構(gòu)。包括鍋爐本體、開水箱、溫水箱、橫向熱交換水管組、隔煙板、煙氣凈化器、引風(fēng)機、煙囪等部分組成，其結(jié)構(gòu)布置如圖1。在鍋爐體內(nèi)上下設(shè)置的上爐膛和下爐膛，上爐膛直通至鍋爐體頂部與外界相通，設(shè)置人口為進料口，進料口常開，作為投燃料與供應(yīng)空氣之用。爐體正面設(shè)置有風(fēng)門和出灰口分別與下爐膛和集灰室相通。由風(fēng)門進入下爐膛的二次風(fēng)使未燃盡的氣體在此處進一步燃燒。開水箱與溫水箱的內(nèi)腔作為煙道下端與下爐膛排煙道連通，內(nèi)腔設(shè)置有橫向熱交換水管組。溫水箱內(nèi)腔上半部分由一塊隔煙板縱向分隔成2個空間，排煙口處設(shè)置有煙氣凈化器，內(nèi)置高效過濾材料。
    反燒式生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐的工作原理是：生物質(zhì)成型顆粒燃料從上部進料口加入到上爐膛內(nèi)。鍋爐運行時上爐排上的炙熱燃料和未燃盡的微粒，在引風(fēng)機和重力作用下，一邊燃燒一邊向下掉落，落在下爐排上，未完全燃燒的燃料顆粒繼續(xù)燃燒，燃盡的灰粒從下爐排落人集灰室中。煙氣由下爐膛排煙道進入開水箱內(nèi)腔，從熱交換水管組內(nèi)部間隙穿過，再由開水箱排煙道進入溫水箱；煙氣在溫水箱內(nèi)腔隔煙板的導(dǎo)向下穿過熱交換水管組內(nèi)部的間隙進入煙氣凈化器，經(jīng)過進化處理后從溫水箱的排煙口排出，通過引風(fēng)機進入煙囪。
3、生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐試驗
    根據(jù)GB/T101080-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)范》、GWPB321999《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》及GB5468-1991《鍋爐煙塵測試方法》，對該生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐熱性能及環(huán)保指標(biāo)進行測試。
3.1主要測試儀器
    WJ-60B型皮托管平行全自動煙塵采樣器；(2)2000A手持式快速紅外測溫儀，測量精度為讀數(shù)值1%±1℃；(3)SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計，精度為±0.3%；(4)U型玻璃管壓力計，精度為1.0級；(5)大氣壓力計，精度為1.0級；(6)磅稱，米尺，秒表，水桶。
3.2試驗結(jié)果
    試驗燃料為：成型玉米稈；成型稻稈；成型小麥稈。燃料直徑均為45mm，密度為1.15 t/m3，含水率為7. 0%，收到基凈發(fā)熱量分別為15 847kj/kg、15751 kj/kg、15 380 kj/kg。試驗結(jié)果見表2。
4、結(jié)語
    (1)由3種不同類型生物質(zhì)成型顆粒燃料試驗得出的結(jié)果可以看出，根據(jù)其燃燒規(guī)律設(shè)計出的專用鍋爐的熱效率達到了設(shè)計要求，且3個試驗的熱效率相近，說明設(shè)計出的專用鍋爐對生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性強，證明了該設(shè)計方法的可行性和科學(xué)性。
    (2)從試驗過程可以看出，采用雙爐排反燒結(jié)構(gòu)，冷空氣和生物質(zhì)成型顆粒燃料不直接進入燃燒室，使燃料從上爐排到剛投入爐內(nèi)的新料層溫度逐漸降低形成溫度梯度，使揮發(fā)分的析出速度相對平穩(wěn)，解決了生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒的不穩(wěn)定現(xiàn)象；灰渣在料層的壓力和自身的重力作用下自動下落，基本上解決了秸稈成型顆粒燃料結(jié)渣對燃燒產(chǎn)生的不利影響。
    (3)成型顆粒燃料燃燒排放的煙氣依次經(jīng)過開水箱和溫水箱內(nèi)腔，進行多級換熱，最后從煙囪排人大氣中，而開水箱和溫水箱內(nèi)腔的橫向熱交換水管組收集的熱量通過熱水補充到鍋爐熱交換水系統(tǒng)中，充分利用了煙氣余熱，提高了鍋爐的熱效率。
    (4)試驗除開始點火時有少量白煙（因生物質(zhì)成型顆粒燃料內(nèi)含有生物質(zhì)堿，白煙屬于生物質(zhì)堿）外，鍋爐正常運行后，整個過程燃燒連續(xù)平穩(wěn)，排煙中不完全燃燒物損失小。鍋爐排煙口處設(shè)置有煙氣凈化器，內(nèi)置高效過濾材料（原料來源廣泛，可以隨時更換）可有效脫除煙氣中的焦油和灰分。鍋爐排煙中CO、SO2、NOx和煙塵濃度等環(huán)保指標(biāo)遠遠低于燃煤鍋爐，符合國家工業(yè)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
(5)國內(nèi)外文獻中缺乏生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐的具體設(shè)計參數(shù)，有些參數(shù)是按煤質(zhì)或按經(jīng)驗確定的，從試驗可看出生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐的設(shè)計選用參數(shù)與運行參數(shù)之間還存在一定差別。
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