0、引言
    自有人類以來，生物質(zhì)能源一直是我們賴以生存的重要能源。17世紀(jì)末期大規(guī)模使用煤炭以前，生物質(zhì)能就作為主要的能源：目前，全世界仍有25億人口用生物質(zhì)煮飯、取暖和照明．生物質(zhì)能約占世界總能耗的14%，相當(dāng)于12. 57億t石油。尤其在發(fā)展中國家，生物質(zhì)能仍然是主要的能源來源，約占總能耗的35%左右，相當(dāng)于11.88億t石油加。
    中國生物質(zhì)能十分豐富，尤其是秸稈，其產(chǎn)量達(dá)6億多t，相當(dāng)于3億多t標(biāo)準(zhǔn)煤。然而，一直以來，由于利用裝置非常落后，熱效率很低，秸稈投有得到合理的利用，甚至有的秸稈被就地?zé)�掉等等。不但浪費(fèi)資源，污染大氣，而且影響交通安全。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，生物質(zhì)能極有可能成為未來持續(xù)能原系統(tǒng)的組成部分，而尋找新技術(shù)更加高效合理的利用生物質(zhì)能也成為一個(gè)大熱門。
    生物質(zhì)成型燃料（經(jīng)過顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)加工而成）技術(shù)應(yīng)時(shí)而生，而秸稈成型燃料也成為世界范圍內(nèi)解決生物質(zhì)高效、潔凈化利用的一個(gè)有效途徑。利用秸稈替代礦物燃料，實(shí)現(xiàn)C02零排放，降低大氣中的NOx、SOz含量，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)、實(shí)施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。
     但是，由于結(jié)渣等因素，生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)得不到廣泛推廣與發(fā)展。結(jié)渣是由軟化或熔融的灰粒冷卻不充分遇到溫度較低的水冷壁時(shí)生成的熔渣。結(jié)渣不僅會(huì)對(duì)燃燒設(shè)備的熱性能造成影響，而且危及燃燒設(shè)備安全性。因此在燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，若能準(zhǔn)確判斷燃料的結(jié)渣性能，則將會(huì)把爐膛尺寸、受熱面布置以及吹灰系統(tǒng)的選擇和布置這些問題解決得比較合理，這對(duì)確保機(jī)組的安全，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也是至關(guān)重要的。所以探尋結(jié)渣的規(guī)律及影響因素也就顯得非常必要。
    然而．目前中國對(duì)秸稈成型燃料結(jié)渣的理論研究和應(yīng)用研究很少，為此，筆者對(duì)設(shè)計(jì)出的雙層爐排生物質(zhì)成型燃料燃燒裝置進(jìn)行結(jié)渣特性及影響因素的試驗(yàn)與研究。
1、試驗(yàn)方法與使用儀器
1.1試驗(yàn)方法
    根據(jù)GB/T15137 -1994工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法與結(jié)碴率的測定方法，對(duì)燃燒設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用雙層爐排燃燒方式：雙層爐排的上爐門常開，作為投燃料與供應(yīng)空氣之用#中爐門用于調(diào)整下爐排上燃料的燃燒和清除灰渣，僅在點(diǎn)火及清渣時(shí)打開；下爐門用于排灰及供給少量空氣，正常運(yùn)行時(shí)微開，開度視下爐排上的燃燒情況而定。
1.2試驗(yàn)所用儀器與燃料
    儀器：電子天平，KM9106綜合燃燒分析儀，IRT-2000A手持式快速紅外線測溫儀，SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計(jì)，磅秤，米尺，秒表。
    燃料：試驗(yàn)燃料為液壓成型玉米秸稈，一般粒度為130 mm圓柱，密度為1.15 t/m3，含水率為14%，收到基掙發(fā)熱量為15658 kj/kg。
2、試驗(yàn)的結(jié)果與分析
2.1結(jié)渣與妒膛內(nèi)過量空氣系數(shù)的關(guān)系
    根據(jù)風(fēng)門開啟的從小到大可分為四種工況：工況1，風(fēng)門最小，apy=1.6；工況2，風(fēng)門較小，apy =2.2；工況3，風(fēng)門較大，apy=3.2；工況4，風(fēng)門最大，apy =4.4。通過試驗(yàn)，繪制出生物質(zhì)成型燃料的結(jié)渣率與爐膛內(nèi)過量空氣系數(shù)關(guān)系如圖1所示。
 
從圖1中可以看出，結(jié)渣率隨過量空氣系數(shù)的增大，在atx=1.2～1.5時(shí)增加緩慢，在atx=1.5～2.9時(shí)急劇增加，在‰>3以后結(jié)渣率基本保持不變。考慮到燃燒裝置運(yùn)行在最佳情況下，即atx為1.5以下時(shí)，這
時(shí)結(jié)渣率較低，所以可以得出燃燒裝置在此種燃燒情況
下為輕微結(jié)渣。
2.2結(jié)渣與爐膛溫度的關(guān)系
    通過試驗(yàn)，繪制出生物質(zhì)成型燃料的結(jié)渣率與爐膛內(nèi)爐膛溫度關(guān)系如圖2所示。
 
    從圖2中可以看出，結(jié)渣率隨爐膛溫度的增高而增大，在T=890～984 C時(shí)增加緩慢，在T- 984～1059℃時(shí)急劇增加，在T>1059 ℃以后結(jié)渣率逐漸增大。考慮到燃燒裝置運(yùn)行安全性，爐膛溫度在984 ℃以下時(shí)，結(jié)渣率較低。
2.3燃料粒徑與結(jié)渣的關(guān)系
    在燃燒最佳工況下，對(duì)不同粒徑燃料進(jìn)行燃燒并進(jìn)行結(jié)渣試驗(yàn)與觀察，其結(jié)渣與燃料粒徑的關(guān)系如圖3所示。
 
從圖3中可以看出雙層爐排燃燒情況下，隨著燃料粒徑的增大，結(jié)渣率均增大。這是因?yàn)殡S著粒徑的增大，燃料燃燒中心溫度需提高，灰渣溫度達(dá)到灰熔點(diǎn)，因而易發(fā)生結(jié)渣。
2.4燃料層厚度與結(jié)渣的關(guān)系
在燃燒最佳工況下，對(duì)燃料粒徑為130 mm不同厚度燃料層進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，得出結(jié)渣率與燃料層厚度的關(guān)系如圖4所示。
 
    從圖4可看出，隨著燃料層厚度的增大，結(jié)渣率增大。這是因?yàn)殡S著燃料層厚度的增大，燃燒層內(nèi)氧化層與還原層的厚度增大，燃燒中心溫度增高，灰易達(dá)到灰熔點(diǎn)，結(jié)渣率增大。
2.5操作水平對(duì)結(jié)渣的影響
    操作水平影響爐內(nèi)溫度水平和灰粒所處氣氛環(huán)境。爐內(nèi)溫度水平是由調(diào)整和控制爐內(nèi)燃燒工況來實(shí)現(xiàn)的。若燃燒調(diào)整和控制不當(dāng)，使?fàn)t內(nèi)溫度水平升高，易引起爐膛火焰中心區(qū)域受熱面或過熱面結(jié)渣。運(yùn)行時(shí)，在保證充分燃燒和負(fù)荷要求的情況下，通過調(diào)整和控制燃燒風(fēng)量、燃料量來降低爐內(nèi)溫度，防止或減輕結(jié)渣。
燃燒裝置通常應(yīng)在atr=1.5左右運(yùn)行。若atr過大或過小，則爐膛內(nèi)煙氣中含有的CO量增多，火焰中心的灰粒處于還原性氣氛中，三價(jià)鐵還原成二價(jià)鐵，會(huì)引起灰粒的熔融特性降低，加大爐內(nèi)結(jié)渣的傾向。運(yùn)行時(shí)，應(yīng)調(diào)整風(fēng)速、風(fēng)量，改善燃燒質(zhì)量，將爐內(nèi)煙氣中還原性氣氛降低，使結(jié)碴降低到最低水平。
3、結(jié)渣成因
3.1  結(jié)渣的形成過程
    層燃鍋爐的結(jié)詹過程包括三個(gè)步驟：1)勝料燃燒過程中，隨著爐溫的升高，局部達(dá)到了灰的軟化溫度，這時(shí)灰粒就會(huì)軟化，灰中的鈉、鈣、鉀以及少量硫酸鹽就會(huì)形成一個(gè)粘性表面；2）隨著爐膛內(nèi)溫度的進(jìn)一步升高，氧化層和還原層內(nèi)盤度超過了灰的軟化溫度，特別是在還原層內(nèi)，燃料中的三價(jià)鐵還原成二價(jià)鐵，致使燃料的灰熔點(diǎn)降低，灰粒在還原層大都軟化并相互吸附，形成一個(gè)個(gè)大的共熔體,3)大的共熔體下落過程中碰到水冷壁就會(huì)很快冷卻，形成固體，而黏附在水冷壁上結(jié)渣。
3.2結(jié)渣的原因
結(jié)渣的原因有諸多影響因素，它們共同作用便造成了結(jié)渣現(xiàn)象，從而影響著燃燒設(shè)備的安全運(yùn)行。這些影響因素分別是：
    1)燃料燃燒過程中，燃料層的溫度高于灰的軟化溫度是造成結(jié)渣的一個(gè)重要原因。在灰的變形溫度t，下，灰粒一般不會(huì)結(jié)渣，但達(dá)到軟化溫度時(shí)，熔融的灰渣形成的共熔體玲卻不充分便粘在水冷壁上造成結(jié)渣。
    2)壁管表面粗糙是造成結(jié)渣的另一個(gè)重要原因。這是因?yàn)楸诠鼙砻娲植冢�易粘結(jié)灰分，使其達(dá)到枯化溫度，從而使燃燒室溫度和管壁溫度都因傳熱受阻而升高，這時(shí)局部燃料的還原層溫度達(dá)到灰熔點(diǎn)，從而呈熔融或軟化狀態(tài)，相鄰的高溫熔體就粘結(jié)在一起，從而造成結(jié)渣。
    3)燃燒過程中空氣量不足，燃料層中的三價(jià)鐵還原成二價(jià)鐵，而鐵以Fe存在時(shí)的熔點(diǎn)比以Fe抖的形式
存在時(shí)低，從而使燃料的灰熔點(diǎn)大大降低，造成結(jié)渣。
    4)燃料與空氣混合不充分，即使供給足夠的空氣量，也會(huì)造成局部空氣量不足，在空氣少的區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)還原性氣氛，面使燃料的灰熔點(diǎn)降低，造成結(jié)渣。
    5)風(fēng)速不合理，造成爐內(nèi)火焰向一邊偏斜，造成局部溫度過高，使部分燃料層的溫度升高達(dá)到灰熔點(diǎn)，冷卻不及時(shí)造成結(jié)渣。
    6)燃燒裝置超負(fù)荷運(yùn)行，爐溫過高，使燃料層的溫度升高，達(dá)到燃料的灰熔點(diǎn)，而造成結(jié)渣。
    7)爐膛層燃爐內(nèi)的燃料直徑、燃料層厚度大等都會(huì)使層燃中心的局部溫度過高，達(dá)到燃料的灰熔點(diǎn)而造成結(jié)渣。
4、結(jié)論
    1)根據(jù)試驗(yàn)得出生物質(zhì)成型燃料燃燒裝置使用雙層爐排燃燒在最佳工況下結(jié)渣率為3%左右，具有輕微結(jié)渣性；
    2)燃料燃燒過程中，氧化層溫度最高，但氧化層鐵以Fe3+形式存在，F(xiàn)e3+的共熔體灰熔點(diǎn)高達(dá)1500C以上，不易形成結(jié)渣。而在溫度相對(duì)較低的還原層，鐵則以Fe升形式存在，F(xiàn)e2+的共熔體熔點(diǎn)低，在還原層的熔融灰渣碰到水冷壁后就形成渣層，渣塊粒徑最大達(dá)到300mm，最大厚度達(dá)到120 mm左右。因此，生物質(zhì)成型燃料的結(jié)渣大部分在還原層。
    3)生物質(zhì)成型燃料在雙層爐排燃燒設(shè)備中的結(jié)渣率隨著溫度增高、過量空氣系數(shù)的增大、成型燃料粒徑增大、燃料層厚度的增加而會(huì)有不同程度增加。
    4)分析了生物質(zhì)成型燃料結(jié)渣過程及影響結(jié)渣因素，為生物質(zhì)成型燃料合理燃燒控制、實(shí)現(xiàn)安全及經(jīng)濟(jì)燃燒提供科學(xué)依據(jù)。
    三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、飼料顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。