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趙迎芳，梁曉輝，徐桂轉，葉芳，劉圣勇，孫建青
(河南農業大學機電工程學院，河南鄭州450002)
摘要：在對生物質成型燃料元素分析及燃燒特性研究的基礎上，設計生產了180kW生物質成型燃料熱水鍋爐，并進行了熱性能試驗。結果表明，在試驗工況下鍋爐燃燒效率達94.8％，熱效率達78.2％，排煙損失為10.09％，氣體不完全損失為0.522％，散熱損失為7.9％。排煙中NOx，SO2及煙塵濃度遠遠低于燃煤鍋爐，且符合國家工業鍋爐大氣中污染物排放標準要求。
作物秸稈是來源于太陽能的一種可再生能源，具有資源豐富含碳量低的特點。加之在其生長過程中吸收大氣中的CO2而被稱為清潔能源。美國在20世紀30年代研制成了螺旋式壓縮機及相應的燃燒設備；日本在20世紀50年代研制出棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備。中國從20世紀80年代引進螺旋推進式秸稈成型機。但是，相應的專用生物質成型燃料燃燒設備的研制還很少，一些單位為燃用生物質成型燃料，在未弄清生物質成型燃料燃燒特性的情況下，盲目把原有的燃煤燃燒設備改為生物質成型燃料燃燒設備，改造后的燃燒設備存在著爐膛的容積、形狀與生物質成型燃燒不匹配，鍋爐的受熱面與生物質成型燃料不匹配，過剩空氣系數與生物質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。因此，根據生物質成型燃料燃燒特性重新設計生物質成型燃料燃燒專用設備，對緩解農村能源緊張的局面，減輕溫室效應，解決能源和環境協調發展問題都有重要的意義。
1設計依據
1.1生物質成型燃料與煤的元素分析比較
生物質成型燃料由水稻、小麥、玉米等秸稈壓縮成型而來，在壓縮過程中以物理變化為主，其元素組成與微觀結構與原生物質秸稈基本相同。而煤是由遠古植物遺體在地表湖沼或海灣環境中隨著地殼的變動被埋入地下，長期處在溫度、壓力較高的環境中，原植物中纖維素、木質素經脫水腐蝕，其含氧量不斷減少，而碳量不斷增加，逐漸形成化學穩定性強、含碳量高的固體碳氫燃料。碳含量的規律是隨煤的變質強度的加深而增加，一般含量50％～90％，在變質程度最高的無煙煤中則高達90％一98％，而在各種生物質成型燃料中碳含量集中在35％～42％；氫含量較低，為3.82％一5％；氮和硫對煤和生物質成型燃料而言都是有害物質。煤中氮含量在1％一3％，硫含量在1％一2％，而生物質成型燃料氮含量比煤低，不到1％，硫的含量更低，不到0.2％。因此，其造成的污染程度要低于煤；煤的揮發分含量隨著煤的變質程度的加深而減少，煙煤中揮發分含量在10％～40％，秸稈成型燃料的揮發分均在60％一70％，遠高于煤。因此，揮發分是設計鍋爐時考慮的一個主要因素。由此，生物質成型燃料中硫、氮等元素含量較煤少。具有揮發分和炭活性高，同時生物質燃燒過程具有CO2零排放的特點。這對于緩解日益嚴重的“溫室效應”有著特殊的意義。
1.2生物質成型燃料的燃燒特性
生物質成型燃料是經過高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠遠大于原生物質，燃燒相對穩定。雖然點火溫度有所升高，點火性能變差，但比煤的點火性能好。由于生物質成型燃料是經過高壓而形成的塊狀燃料，其結構與組織特征就決定了揮發分的逸出速度與傳熱速度都大大降低。但是與煤相比顯得更為容易。因此，生物質成型燃料的揮發分特性指數大于煤的，其燃燒特性指數較煤的大。燃燒速度適中，能夠使揮發分放出的熱量及時傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時揮發分燃燒所需的氧與外界擴散的氧很好的匹配，燃燒波浪較小，減少了固體與排煙熱損失。
2生物質成型燃料熱水鍋爐的設計
2.1生物質成型燃料熱水鍋爐的結構
生物質成型燃料熱水鍋爐由上爐門、中爐門、下爐門、上爐排、輻射受熱面、下爐排、風室、爐膛、降塵室、對流受熱面、爐墻、排汽管、煙道、煙囪等部分組成，其結構布置如圖1所示。
2.2生物質成型燃料熱水鍋爐的工作原理
燃料通過中爐門在下爐排上點火成功后，成型塊從上爐門進入上爐排，根據生物質容易著火的燃燒特性，片刻就會燃燒起來。在引風機引導下下吸燃燒，上爐排漏下的生物質屑和灰渣到下爐排上繼續燃燒和燃燼。成型燃料在上爐排上燃燒后形成的煙氣和部分可燃氣體透過燃料層、灰渣層進入上、下爐排間的爐膛進行燃燒，并與下爐排上燃料產生的煙氣一起，經后墻上的煙氣出口流向降塵室和后面的對流受熱面。降溫對流受熱面采用煙管并聯。
高溫煙氣在煙管中向上多回程流動，這樣既能減少煙氣的阻力，又能使氣體在夾層內停留更多的時間，傳熱效率高，然后煙氣流向煙道，此時溫度都有很大的降低，再進入煙囪排向外界。這種燃燒方式，實現了生物質成型燃料的分步燃燒，緩解生物質燃燒速度，達到燃燒需氧與供氧的匹配，使生物質成型燃料穩定持續完全燃燒，起到了消煙除塵作用。
2.3爐膛及爐排的設計
2.4受熱面的設計
2.4.1輻射受熱面的設計為了降低生物質成型
燃料燃燒設備爐溫度，并保證生物質成型燃料的充分燃燒，在爐膛中上輻射受熱面的布置如圖1所示，上爐排、上爐膛上部及四周都布置了輻射受熱面。其輻射受熱面的大小與布置形式與燃料種類、燃燒設備形式等因素有關。其計算公式為
4結論
1)根據生物質成型燃料的燃燒特性設計出的180kW生物質成型燃料熱水鍋爐的熱效率、熱水流量、熱負荷，水溫等熱性能參數達到了設計要求，證明該設計方法正確性和科學性。
2)熱水鍋爐燃燒效率最高達78.2％，煙塵含量為110mg·m-3，遠遠低于燃煤鍋爐，符合國家關于工業鍋爐大氣中污染物排放標準要求。且有較好的環保效益。
3)該熱水鍋爐制造工藝簡單，價格與同容量燃煤鍋爐相當，試驗時操作也比較容易，可大大提高生物質利用率，且有較高的經濟效益與社會效益。
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