由于全球性能源危機(jī)，對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用逐漸引起了人們的重視。中國(guó)在2005年2月通過(guò)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(jià)格、稅收、強(qiáng)制性市場(chǎng)配額和并網(wǎng)接人等鼓勵(lì)扶持政策也相繼出臺(tái)，為我國(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平的提高，對(duì)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(jià)值，雖然熱值沒(méi)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(jí)階段，我國(guó)對(duì)燃用生物質(zhì)成型顆粒燃料的專用燃燒設(shè)備的研制開(kāi)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(duì)于大塊成型顆粒燃料的燃燒設(shè)備在世界上研究較少。國(guó)內(nèi)某些企業(yè)在未弄清生物質(zhì)成型燃燒機(jī)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(guò)�？諝庀禂�(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(jī)、秸稈顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
本研究通過(guò)對(duì)生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒特性進(jìn)行了分析，針對(duì)現(xiàn)有生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒設(shè)備的不足創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種具有特殊結(jié)構(gòu)，特殊燃燒方式的新型生物質(zhì)鍋爐，并對(duì)該鍋爐進(jìn)行了相關(guān)性能試驗(yàn)。
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(yuǎn)高于煤；而灰分和固定碳的含量遠(yuǎn)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(diǎn)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(diǎn)火溫度低等特點(diǎn)。同時(shí)，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(kāi)始不久燃燒迅速由動(dòng)力區(qū)進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)，揮發(fā)分在短時(shí)期內(nèi)迅速燃燒，放熱量劇增，高溫?zé)煔鈦?lái)不及傳熱就流出煙囪，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(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界擴(kuò)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(jìn)入焦炭燃燒階段時(shí)，由于生物質(zhì)焦炭的結(jié)構(gòu)為散狀，氣流的擾動(dòng)就可使其解體懸浮起來(lái)，脫離燃燒層，迅速進(jìn)入爐膛的上方空間，經(jīng)過(guò)煙道進(jìn)入煙囪，形成大量的固體不完全燃燒熱損失。此時(shí)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(jìn)入空氣量，將使空氣大量過(guò)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(guò)高壓形成的塊狀燃料，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)火溫度有所升高，點(diǎn)火性能變差，但比型煤的點(diǎn)火性能要好，從點(diǎn)火性能考慮，仍不失生物質(zhì)的點(diǎn)火特性。燃燒開(kāi)始時(shí)揮發(fā)分慢慢分解，燃燒處于動(dòng)力區(qū)，隨著揮發(fā)分燃燒逐漸進(jìn)入過(guò)渡區(qū)與擴(kuò)散區(qū)，燃燒速度適中能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時(shí)傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時(shí)揮發(fā)分燃燒所需的氧與外界擴(kuò)散的氧可以較好的匹配，揮發(fā)分能夠燃盡，又不過(guò)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(yùn)動(dòng)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(shí)炭的燃燒所需要的氧與靜態(tài)滲透擴(kuò)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(guò)程中可以清楚的看到炭的燃燒過(guò)程，藍(lán)色火焰包裹著明亮的炭塊，燃燒時(shí)間明顯延長(zhǎng)。
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(kuò)散的氧量能夠較好匹配，燃燒波浪較小，燃燒相對(duì)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(guò)高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生物質(zhì)，燃燒相對(duì)穩(wěn)定。雖然點(diǎn)火溫度有所升高，點(diǎn)火性能變差，但與煤的點(diǎn)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(duì)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(guò)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(jì)
2.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)
鍋爐產(chǎn)水量（鍋爐出力）G-500kg/h，進(jìn)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(jì)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(jìn)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(qiáng)度qR=370 kW/m2，爐膛容積熱強(qiáng)度qv一340 kW/m2，輻射受熱面強(qiáng)度qf=70 kW/m2，爐膛過(guò)剩空氣系數(shù)ajl一1.7，排煙處過(guò)�？諝庀禂�(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(kāi)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(jī)、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?tīng)t膛，上爐膛直通至鍋爐體頂部與外界相通，設(shè)置人口為進(jìn)料口，進(jìn)料口常開(kāi)，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?tīng)t膛和集灰室相通。由風(fēng)門進(jìn)入下?tīng)t膛的二次風(fēng)使未燃盡的氣體在此處進(jìn)一步燃燒。開(kāi)水箱與溫水箱的內(nèi)腔作為煙道下端與下?tīng)t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(gè)空間，排煙口處設(shè)置有煙氣凈化器，內(nèi)置高效過(guò)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(jìn)料口加入到上爐膛內(nèi)。鍋爐運(yùn)行時(shí)上爐排上的炙熱燃料和未燃盡的微粒，在引風(fēng)機(jī)和重力作用下，一邊燃燒一邊向下掉落，落在下?tīng)t排上，未完全燃燒的燃料顆粒繼續(xù)燃燒，燃盡的灰粒從下?tīng)t排落人集灰室中。煙氣由下?tīng)t膛排煙道進(jìn)入開(kāi)水箱內(nèi)腔，從熱交換水管組內(nèi)部間隙穿過(guò)，再由開(kāi)水箱排煙道進(jìn)入溫水箱；煙氣在溫水箱內(nèi)腔隔煙板的導(dǎo)向下穿過(guò)熱交換水管組內(nèi)部的間隙進(jìn)入煙氣凈化器，經(jīng)過(guò)進(jìn)化處理后從溫水箱的排煙口排出，通過(guò)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入煙囪。
3、生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐試驗(yàn)
根據(jù)GB/T101080-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)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(cè)試方法》，對(duì)該生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐熱性能及環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。
3.1主要測(cè)試儀器
WJ-60B型皮托管平行全自動(dòng)煙塵采樣器；(2)2000A手持式快速紅外測(cè)溫儀，測(cè)量精度為讀數(shù)值1%±1℃；(3)SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計(jì)，精度為±0.3%；(4)U型玻璃管壓力計(jì)，精度為1.0級(jí)；(5)大氣壓力計(jì)，精度為1.0級(jí)；(6)磅稱，米尺，秒表，水桶。
3.2試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
4、結(jié)語(yǔ)
(1)由3種不同類型生物質(zhì)成型顆粒燃料試驗(yàn)得出的結(jié)果可以看出，根據(jù)其燃燒規(guī)律設(shè)計(jì)出的專用鍋爐的熱效率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且3個(gè)試驗(yàn)的熱效率相近，說(shuō)明設(shè)計(jì)出的專用鍋爐對(duì)生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，證明了該設(shè)計(jì)方法的可行性和科學(xué)性。
(2)從試驗(yàn)過(guò)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(jìn)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(duì)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(dòng)下落，基本上解決了秸稈成型顆粒燃料結(jié)渣對(duì)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(guò)開(kāi)水箱和溫水箱內(nèi)腔，進(jìn)行多級(jí)換熱，最后從煙囪排人大氣中，而開(kāi)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(guò)熱水補(bǔ)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(yàn)除開(kāi)始點(diǎn)火時(shí)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(yùn)行后，整個(gè)過(guò)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(guò)濾材料（原料來(lái)源廣泛，可以隨時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐，符合國(guó)家工業(yè)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
(5)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中缺乏生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐的具體設(shè)計(jì)參數(shù)，有些參數(shù)是按煤質(zhì)或按經(jīng)驗(yàn)確定的，從試驗(yàn)可看出生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐的設(shè)計(jì)選用參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)之間還存在一定差別。
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