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蘇俊林，羅小金，矯振偉，黃海珍
(吉林大學(xué)熱能工程系，長春130022)
摘要：為得到燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的燃燒和排放特性，建立了燃燒模擬實(shí)驗(yàn)臺，進(jìn)行了一次風(fēng)量及二次風(fēng)量不同配比、不同位置及不同料層厚度等參數(shù)對燃燒和排放性能影響的實(shí)驗(yàn)，為生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。樣機(jī)測試和實(shí)際應(yīng)用表明，此形式生物質(zhì)鍋爐高效節(jié)能、潔凈燃燒、大氣污染物排放量低，具有廣闊的應(yīng)用前景。
生物質(zhì)顆粒成型燃料是以木屑、秸稈等農(nóng)林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀且質(zhì)地堅(jiān)實(shí)的成型物，可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶、家庭取暖爐以及農(nóng)業(yè)暖房的燃料。由于成型燃料除具有比重大、便于貯存和運(yùn)輸、著火容易、燃燒性能好、熱效率高的優(yōu)點(diǎn)外，還具有灰分小、燃燒時(shí)幾乎不產(chǎn)生SO2，不會造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的清潔燃料，有著廣闊的市場開發(fā)前景。上世紀(jì)30年代開始，許多發(fā)達(dá)國家如美國、日本、芬蘭等都投入了大量人力物力來研究生物質(zhì)成型技術(shù)及顆粒燃料，80年代后，技術(shù)日
趨成熟，形成了一定規(guī)模[1-4]。到了90年代，日本、美國及歐洲一些國家生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)定型，并形成了產(chǎn)業(yè)化，在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域已推廣應(yīng)用[5-8]。我國起步較晚，“八五”期間，作為國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，中國農(nóng)機(jī)院能源動力研究所等機(jī)構(gòu)對生物質(zhì)成型技術(shù)及裝置進(jìn)行了攻關(guān)，推進(jìn)了我國生物質(zhì)燃料固化成型的研究工作[9-10]。
從目前國內(nèi)外的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀來看，燃燒設(shè)備存在著工藝差、專業(yè)化程度低、熱效率低、排煙污染嚴(yán)重、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，燃燒設(shè)備還未定型，還需進(jìn)一步的研究、實(shí)驗(yàn)與開發(fā)。作者在自行設(shè)計(jì)的燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐模擬燃燒實(shí)驗(yàn)臺上，系統(tǒng)研究了燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的燃燒特性、排放特性和結(jié)渣特性。通過本實(shí)驗(yàn)研究得出了最佳的二次風(fēng)送風(fēng)位置、一二次風(fēng)量配比率和最佳的燃料層厚度。并結(jié)合生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒機(jī)理及燃燒特性分析，為燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。為今后燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的結(jié)構(gòu)定型提供參考。
1鍋爐燃燒模擬實(shí)驗(yàn)臺
1.1實(shí)驗(yàn)鍋爐結(jié)構(gòu)原理
燃燒模擬實(shí)驗(yàn)臺(亦稱實(shí)驗(yàn)鍋爐)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該實(shí)驗(yàn)鍋爐燃燒部分由固相燃燒室、氣相燃燒室、灰渣室組成。固相燃燒室為生物質(zhì)顆粒燃料提供熱解氣化熱量，并產(chǎn)生生物質(zhì)燃?xì)?。下部生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)燃燒器進(jìn)入氣相燃燒室實(shí)現(xiàn)均相動力燃燒，然后高溫?zé)煔膺M(jìn)入對流受熱面。對流受熱面為兩排設(shè)置在氣相燃燒室上部的煙管束，煙氣高速縱向沖刷管內(nèi)。在固相燃燒室底部為灰渣室，生物質(zhì)顆粒燃燒在此燃燼、降塵、結(jié)渣。圖1中，測溫口用于測量燃料層各點(diǎn)溫度和燃料層厚度，點(diǎn)火口除了點(diǎn)火外也是測溫口和除渣口，二次風(fēng)口還是爐膛溫度測溫孔和觀火孔。
1.2實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)原理
如圖2所示，該實(shí)驗(yàn)裝置由生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐、送風(fēng)系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、煙氣排放測試系統(tǒng)等組成。
送風(fēng)系統(tǒng)由羅茨高壓風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)管路、二次風(fēng)管路、浮子流量計(jì)和流量調(diào)節(jié)閥組成。一次風(fēng)從固相燃燒室上部進(jìn)入，二次風(fēng)從氣相燃燒室后部進(jìn)入。
鍋爐出水管接一塊熱量表，使用該表測量鍋爐供回水溫度、瞬時(shí)熱量等值。鍋爐出水流經(jīng)電動水泵，以保證鍋爐水的循環(huán)。最后，鍋爐出水在散熱系統(tǒng)中的換熱器內(nèi)通過強(qiáng)制循環(huán)冷卻后，流至鍋爐的敞口水箱，重新回到鍋爐進(jìn)行循環(huán)加熱。
散熱系統(tǒng)采用型號為CSRD-42N的風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，用空氣進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱來模擬鍋爐的熱負(fù)荷。
為有效監(jiān)控鍋爐運(yùn)行狀況，需準(zhǔn)確測量鍋爐排煙中主要污染物的濃度，測試儀器選用英國凱恩公司生產(chǎn)的型號為KM9106的綜合煙氣分析儀。該儀器能夠精確測量出煙氣中O2、CO、SO2、NO、NOx的體積分?jǐn)?shù)以及煙氣溫度和環(huán)境溫度，并能自動計(jì)算12個(gè)燃燒參數(shù)。
2鍋爐燃燒模擬實(shí)驗(yàn)分析
本實(shí)驗(yàn)的目的是通過對專門設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐進(jìn)行熱工性能測試、大氣污染物排放測試，考察在不同工況下，燃用生物質(zhì)顆粒燃料熱水鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中的燃燒及排放特性，分析其燃燒性能和環(huán)保性能，為今后設(shè)計(jì)、改進(jìn)及運(yùn)行此種鍋爐提供可靠依據(jù)。
2.1一次風(fēng)量對燃燒排放的影響
2.1.1一次風(fēng)量對煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)的影響
一次風(fēng)量對煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)的影響如圖3所示。隨著一次風(fēng)量的增大，煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)先減小然后又逐漸升高。由分析可知，由于爐膛內(nèi)缺乏氣流擾動，有些可燃分子在燃燒時(shí)難以找到氧化劑，所以僅通過改變一次風(fēng)量大小不能夠較好改善爐膛內(nèi)燃燒不完全的狀況。
2.1.2一次風(fēng)量對燃料層溫度的影響
圖4為燃料層最高溫度隨一次風(fēng)量的變化曲線圖。隨一次風(fēng)量的逐漸增大，燃料層內(nèi)溫度也逐漸升高，當(dāng)風(fēng)量超過10m3/h時(shí)，過量空氣系數(shù)約為1.2左右，燃料層內(nèi)最高溫度超過1000℃，鍋爐很快結(jié)焦渣，燃燒工況惡化。
2.2一、二次風(fēng)量配比率及二次送風(fēng)位置的影響
2.2.1一、二次風(fēng)量配比率對煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)的影響
如圖5所示，隨著一、二次風(fēng)量配比率的增加，CO體積分?jǐn)?shù)先是從大到小，當(dāng)風(fēng)量配比率為50%時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一個(gè)最小值(505×10-6)，當(dāng)配比率繼續(xù)增加，CO體積分?jǐn)?shù)又逐漸增大。
2.2.2一、二次風(fēng)量配比率對爐膛內(nèi)溫度的影響
由圖6可知，當(dāng)配比率為50%時(shí)，爐膛內(nèi)溫度達(dá)到最大值，爐膛中空氣量合適，燃料燃燒及揮發(fā)速度適中，生物質(zhì)燃?xì)馀c空氣量混合均勻，爐膛內(nèi)溫度達(dá)到最大值，此時(shí)燃燒工況最好。
2.2.3一、二次風(fēng)量配比率對氮氧化物體積分?jǐn)?shù)的影響
NOx有3種生成機(jī)理：熱力型NOx由燃燒空氣中氣體氮氧化而成；燃料型NOx由燃料中的化學(xué)氮轉(zhuǎn)換而成；快速型NOx由碳?xì)浠肿拥l(fā)生反應(yīng)，隨后原子氮又與氫氧基相互作用而形成的，在一般的燃燒裝置中其生成量很少。本實(shí)驗(yàn)排煙中的NOx主要是由燃料中的化學(xué)氮轉(zhuǎn)換而成的燃料型NOx。如圖7所示，NOx體積分?jǐn)?shù)在一、二次風(fēng)量配比率約52%左右達(dá)到最大值，但是，其體積分?jǐn)?shù)值小于190×10-6，優(yōu)于燃煤鍋爐的指標(biāo)。
2.2.4一、二次風(fēng)量配比率對鍋爐各項(xiàng)熱損失的影響
表1列出了一、二次風(fēng)量配比率對鍋爐各項(xiàng)熱損失的影響。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)一、二次風(fēng)量配比率為50%時(shí)，燃用鍋爐達(dá)到較佳性能，此時(shí)氣體不完全燃燒損失最低，而鍋爐的熱效率達(dá)到最大值。
2.4 SO2質(zhì)量濃度變化
用煙氣分析儀檢測各實(shí)驗(yàn)中煙氣的SO2質(zhì)量濃度，其值均在5mg/m3以下。這是由于生物質(zhì)顆粒燃料中硫的含量很小，因此燃燒后生成的SO2質(zhì)量濃度很低，或檢測不出。這也是生物質(zhì)顆粒燃料燃燒可減輕對環(huán)境污染的重要原因之一。
2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
通過實(shí)驗(yàn)研究得出了最佳的二次風(fēng)送風(fēng)位置，一、二次風(fēng)量配比率和最佳的燃料層厚度。在爐膛中部送二次風(fēng)，一、二次風(fēng)量配比率為50%，燃料層厚度為450mm時(shí)，鍋爐為最佳工況，熱效率最高。
該鍋爐的排煙熱損失為13.16%～15.68%，在最佳工況時(shí)排煙熱損失達(dá)13.32%，這是由于排煙處的過量空氣系數(shù)過高，各測溫孔、送風(fēng)孔、爐膛及后部漏風(fēng)系數(shù)大，導(dǎo)致排煙量增大；排煙溫度高，一般排煙溫度每提高12℃～15℃時(shí)，排煙熱損失將增加1%。因此在合理供風(fēng)量下，導(dǎo)致排煙熱損失大的主要原因就是排煙溫度高。在今后的鍋爐設(shè)計(jì)、優(yōu)化、改造中，應(yīng)減少漏風(fēng)，降低排煙處的過?？諝庀禂?shù)；在保證燃料充分燃燒的情況下，供給空氣量越小越好；合理設(shè)計(jì)對流受熱面的大小與形式，從而降低排煙熱損失。
本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明爐膛內(nèi)燃燒不夠完全，在今后的設(shè)計(jì)中爐膛內(nèi)應(yīng)采取一定的措施，如采用旋流結(jié)構(gòu)，使?fàn)t膛內(nèi)生物質(zhì)燃?xì)饽苡幸欢ǖ娜紵臻g和時(shí)間，從而促進(jìn)燃燒完全。
3研制與應(yīng)用
以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究為依據(jù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)種燃用生物質(zhì)顆粒燃料的鍋爐。這是集生物質(zhì)顆粒燃料氣化、燃燒及傳熱為一體的新型鍋爐。燃燒部分采用三室結(jié)構(gòu)，即固相燃燒室、氣相燃燒室及燃燼除塵室。在固相燃燒室內(nèi)，為生物質(zhì)成型燃料提供熱解氣化熱量，并產(chǎn)生生物質(zhì)可燃?xì)?。在底部，生物質(zhì)可燃?xì)獗粸V清凈化，然后進(jìn)入氣相燃燒室實(shí)現(xiàn)均相動力燃燒。氣相燃燒室尾部采用了旋流結(jié)構(gòu)，使燃?xì)饣鹧娴玫匠浞謹(jǐn)_流，從而促進(jìn)燃燒完全。燃燒除塵室采用了燃燼、降塵、凝渣及輻射傳熱的組合結(jié)構(gòu)，達(dá)到潔凈燃燒及輻射換熱的雙重效果。經(jīng)過計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到高強(qiáng)化傳熱、低流動阻力的優(yōu)化對流換熱面。實(shí)踐表明，新型復(fù)合燃燒氣化傳熱一體化鍋爐具有高效節(jié)能、潔凈燃燒、結(jié)構(gòu)新穎、輸出功率大和使用方便等特點(diǎn)。燃用生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐樣機(jī)如圖10所示。
此鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果為：額定功率為120kW；額定出水溫度為80℃；額定回水溫度為60℃；循環(huán)水流量為5150kg/h；冷空氣溫度為20℃；燃料為直徑10mm的玉米秸稈顆粒燃料；燃料低位發(fā)熱量為16284kJ/kg；燃料消耗量為33kg/h；設(shè)計(jì)熱效率為80.5%；爐柵有效面積為0.8m2；爐膛容積為0.6m3；爐膛有效輻射受熱面積為2.2m2；爐膛出口煙溫為743℃；鍋爐排煙溫度為210℃；煙管直徑為0.057m；煙管壁厚為0.0035m；煙管流程數(shù)為2；煙管長度為2m；每程煙管根數(shù)為6根；總對流換熱面積Hd=3.77m2。
熱工測試結(jié)果表明：此型鍋爐的主要熱損失是排煙熱損失，其他熱損失較小，其額定負(fù)荷熱效率達(dá)到80.3%。比GB/T15317工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法所規(guī)定的合格指標(biāo)高20%以上。環(huán)境檢測結(jié)果為：煙氣林格曼黑度為0－1級，出口煙塵質(zhì)量濃度為65mg/m3，二氧化硫質(zhì)量濃度為9mg/m3，氮氧化物質(zhì)量濃度為235mg/m3。環(huán)保指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于GB 13271鍋爐大氣排放污染物排放標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的一類地區(qū)鍋爐運(yùn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。
4結(jié)論
(1)自行研制的燃用生物質(zhì)顆粒燃料熱水鍋爐的熱效率、熱水流量、熱負(fù)荷，水溫等熱性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，說明了該種爐型適合生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒。
(2)最佳工況下，該鍋爐熱效率達(dá)到80.3%，比GB/T 15317工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法中所規(guī)定的熱效率合格指標(biāo)高出20%以上，同時(shí)鍋爐排煙中NOx、SO2等環(huán)保指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐，遠(yuǎn)優(yōu)于GB 13271鍋爐大氣排放污染物排放標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定一類地區(qū)的鍋爐運(yùn)行排放標(biāo)準(zhǔn)，且有較好的環(huán)保效益。
(3)改變一次風(fēng)量大小不能夠較好地改善爐膛內(nèi)的燃燒不完全狀況。煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)可大于15000×10-6，排煙處O2的體積分?jǐn)?shù)一直保持在1.5左右，未有明顯變化趨勢，且爐內(nèi)燃燒工況不穩(wěn)定，當(dāng)一次風(fēng)量過大時(shí)鍋爐容易結(jié)焦渣。
(4)通過實(shí)驗(yàn)研究得出了最佳的二次風(fēng)送風(fēng)位置，一、二次風(fēng)量配比率和最佳的燃料層厚度。在爐膛中部送二次風(fēng)，一、二次風(fēng)量配比率為50%、燃料層厚度為450mm時(shí)，鍋爐為最佳工況，熱效率最高。
(5)對實(shí)際應(yīng)用鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及其熱工性能和環(huán)保性能測試表明，該種爐型的鍋爐具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，高效節(jié)能、環(huán)保，值得在工程實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中推廣。
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