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蘇俊林，羅小金，矯振偉，黃海珍
(吉林大學熱能工程系，長春130022)
摘要：為得到燃用生物質顆粒燃料鍋爐的燃燒和排放特性，建立了燃燒模擬實驗臺，進行了一次風量及二次風量不同配比、不同位置及不同料層厚度等參數對燃燒和排放性能影響的實驗，為生物質顆粒燃料鍋爐的設計提供了可靠的依據。樣機測試和實際應用表明，此形式生物質鍋爐高效節能、潔凈燃燒、大氣污染物排放量低，具有廣闊的應用前景。
生物質顆粒成型燃料是以木屑、秸稈等農林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀且質地堅實的成型物，可作為工業鍋爐、民用爐灶、家庭取暖爐以及農業暖房的燃料。由于成型燃料除具有比重大、便于貯存和運輸、著火容易、燃燒性能好、熱效率高的優點外，還具有灰分小、燃燒時幾乎不產生SO2，不會造成環境污染等優點，是一種較為理想的清潔燃料，有著廣闊的市場開發前景。上世紀30年代開始，許多發達國家如美國、日本、芬蘭等都投入了大量人力物力來研究生物質成型技術及顆粒燃料，80年代后，技術日
趨成熟，形成了一定規模[1-4]。到了90年代，日本、美國及歐洲一些國家生物質顆粒燃料燃燒設備已經定型，并形成了產業化，在加熱、供暖、干燥、發電等領域已推廣應用[5-8]。我國起步較晚，“八五”期間，作為國家重點攻關項目，中國農機院能源動力研究所等機構對生物質成型技術及裝置進行了攻關，推進了我國生物質燃料固化成型的研究工作[9-10]。
從目前國內外的研究及應用現狀來看，燃燒設備存在著工藝差、專業化程度低、熱效率低、排煙污染嚴重、勞動強度大等缺點，燃燒設備還未定型，還需進一步的研究、實驗與開發。作者在自行設計的燃用生物質顆粒燃料鍋爐模擬燃燒實驗臺上，系統研究了燃用生物質顆粒燃料鍋爐的燃燒特性、排放特性和結渣特性。通過本實驗研究得出了最佳的二次風送風位置、一二次風量配比率和最佳的燃料層厚度。并結合生物質顆粒燃料的燃燒機理及燃燒特性分析，為燃用生物質顆粒燃料鍋爐的設計提供了科學依據。為今后燃用生物質顆粒燃料鍋爐的結構定型提供參考。
1鍋爐燃燒模擬實驗臺
1.1實驗鍋爐結構原理
燃燒模擬實驗臺(亦稱實驗鍋爐)結構如圖1所示。
該實驗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顆粒燃料提供熱解氣化熱量，并產生生物質燃氣。下部生物質燃氣經燃燒器進入氣相燃燒室實現均相動力燃燒，然后高溫煙氣進入對流受熱面。對流受熱面為兩排設置在氣相燃燒室上部的煙管束，煙氣高速縱向沖刷管內。在固相燃燒室底部為灰渣室，生物質顆粒燃燒在此燃燼、降塵、結渣。圖1中，測溫口用于測量燃料層各點溫度和燃料層厚度，點火口除了點火外也是測溫口和除渣口，二次風口還是爐膛溫度測溫孔和觀火孔。
1.2實驗臺結構原理
如圖2所示，該實驗裝置由生物質顆粒燃料鍋爐、送風系統、循環水系統、散熱系統、煙氣排放測試系統等組成。
送風系統由羅茨高壓風機、一次風管路、二次風管路、浮子流量計和流量調節閥組成。一次風從固相燃燒室上部進入，二次風從氣相燃燒室后部進入。
鍋爐出水管接一塊熱量表，使用該表測量鍋爐供回水溫度、瞬時熱量等值。鍋爐出水流經電動水泵，以保證鍋爐水的循環。最后，鍋爐出水在散熱系統中的換熱器內通過強制循環冷卻后，流至鍋爐的敞口水箱，重新回到鍋爐進行循環加熱。
散熱系統采用型號為CSRD-42N的風機盤管機組，用空氣進行強制對流換熱來模擬鍋爐的熱負荷。
為有效監控鍋爐運行狀況，需準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的體積分數以及煙氣溫度和環境溫度，并能自動計算12個燃燒參數。
2鍋爐燃燒模擬實驗分析
本實驗的目的是通過對專門設計的實驗用燃用生物質顆粒燃料鍋爐進行熱工性能測試、大氣污染物排放測試，考察在不同工況下，燃用生物質顆粒燃料熱水鍋爐實際運行過程中的燃燒及排放特性，分析其燃燒性能和環保性能，為今后設計、改進及運行此種鍋爐提供可靠依據。
2.1一次風量對燃燒排放的影響
2.1.1一次風量對煙氣中CO體積分數的影響
一次風量對煙氣中CO體積分數的影響如圖3所示。隨著一次風量的增大，煙氣中CO體積分數先減小然后又逐漸升高。由分析可知，由于爐膛內缺乏氣流擾動，有些可燃分子在燃燒時難以找到氧化劑，所以僅通過改變一次風量大小不能夠較好改善爐膛內燃燒不完全的狀況。
2.1.2一次風量對燃料層溫度的影響
圖4為燃料層最高溫度隨一次風量的變化曲線圖。隨一次風量的逐漸增大，燃料層內溫度也逐漸升高，當風量超過10m3/h時，過量空氣系數約為1.2左右，燃料層內最高溫度超過1000℃，鍋爐很快結焦渣，燃燒工況惡化。
2.2一、二次風量配比率及二次送風位置的影響
2.2.1一、二次風量配比率對煙氣中CO體積分數的影響
如圖5所示，隨著一、二次風量配比率的增加，CO體積分數先是從大到小，當風量配比率為50%時，CO體積分數達到一個最小值(505×10-6)，當配比率繼續增加，CO體積分數又逐漸增大。
2.2.2一、二次風量配比率對爐膛內溫度的影響
由圖6可知，當配比率為50%時，爐膛內溫度達到最大值，爐膛中空氣量合適，燃料燃燒及揮發速度適中，生物質燃氣與空氣量混合均勻，爐膛內溫度達到最大值，此時燃燒工況最好。
2.2.3一、二次風量配比率對氮氧化物體積分數的影響
NOx有3種生成機理：熱力型NOx由燃燒空氣中氣體氮氧化而成；燃料型NOx由燃料中的化學氮轉換而成；快速型NOx由碳氫基同分子氮發生反應，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。本實驗排煙中的NOx主要是由燃料中的化學氮轉換而成的燃料型NOx。如圖7所示，NOx體積分數在一、二次風量配比率約52%左右達到最大值，但是，其體積分數值小于190×10-6，優于燃煤鍋爐的指標。
2.2.4一、二次風量配比率對鍋爐各項熱損失的影響
表1列出了一、二次風量配比率對鍋爐各項熱損失的影響。實驗表明：當一、二次風量配比率為50%時，燃用鍋爐達到較佳性能，此時氣體不完全燃燒損失最低，而鍋爐的熱效率達到最大值。
2.4 SO2質量濃度變化
用煙氣分析儀檢測各實驗中煙氣的SO2質量濃度，其值均在5mg/m3以下。這是由于生物質顆粒燃料中硫的含量很小，因此燃燒后生成的SO2質量濃度很低，或檢測不出。這也是生物質顆粒燃料燃燒可減輕對環境污染的重要原因之一。
2.5實驗結果分析
通過實驗研究得出了最佳的二次風送風位置，一、二次風量配比率和最佳的燃料層厚度。在爐膛中部送二次風，一、二次風量配比率為50%，燃料層厚度為450mm時，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%，在最佳工況時排煙熱損失達13.32%，這是由于排煙處的過量空氣系數過高，各測溫孔、送風孔、爐膛及后部漏風系數大，導致排煙量增大；排煙溫度高，一般排煙溫度每提高12℃～15℃時，排煙熱損失將增加1%。因此在合理供風量下，導致排煙熱損失大的主要原因就是排煙溫度高。在今后的鍋爐設計、優化、改造中，應減少漏風，降低排煙處的過剩空氣系數；在保證燃料充分燃燒的情況下，供給空氣量越小越好；合理設計對流受熱面的大小與形式，從而降低排煙熱損失。
本文實驗結果說明爐膛內燃燒不夠完全，在今后的設計中爐膛內應采取一定的措施，如采用旋流結構，使爐膛內生物質燃氣能有一定的燃燒空間和時間，從而促進燃燒完全。
3研制與應用
以基礎實驗研究為依據，設計開發了數種燃用生物質顆粒燃料的鍋爐。這是集生物質顆粒燃料氣化、燃燒及傳熱為一體的新型鍋爐。燃燒部分采用三室結構，即固相燃燒室、氣相燃燒室及燃燼除塵室。在固相燃燒室內，為生物質成型燃料提供熱解氣化熱量，并產生生物質可燃氣。在底部，生物質可燃氣被濾清凈化，然后進入氣相燃燒室實現均相動力燃燒。氣相燃燒室尾部采用了旋流結構，使燃氣火焰得到充分擾流，從而促進燃燒完全。燃燒除塵室采用了燃燼、降塵、凝渣及輻射傳熱的組合結構，達到潔凈燃燒及輻射換熱的雙重效果。經過計算機優化設計得到高強化傳熱、低流動阻力的優化對流換熱面。實踐表明，新型復合燃燒氣化傳熱一體化鍋爐具有高效節能、潔凈燃燒、結構新穎、輸出功率大和使用方便等特點。燃用生物質顆粒燃料鍋爐樣機如圖10所示。
此鍋爐設計計算結果為：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；燃料低位發熱量為16284kJ/kg；燃料消耗量為33kg/h；設計熱效率為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；煙管流程數為2；煙管長度為2m；每程煙管根數為6根；總對流換熱面積Hd=3.77m2。
熱工測試結果表明：此型鍋爐的主要熱損失是排煙熱損失，其他熱損失較小，其額定負荷熱效率達到80.3%。比GB/T15317工業鍋爐節能監測方法所規定的合格指標高20%以上。環境檢測結果為：煙氣林格曼黑度為0－1級，出口煙塵質量濃度為65mg/m3，二氧化硫質量濃度為9mg/m3，氮氧化物質量濃度為235mg/m3。環保指標遠優于GB 13271鍋爐大氣排放污染物排放標準所規定的一類地區鍋爐運行排放標準。
4結論
(1)自行研制的燃用生物質顆粒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，說明了該種爐型適合生物質顆粒燃料的燃燒。
(2)最佳工況下，該鍋爐熱效率達到80.3%，比GB/T 15317工業鍋爐節能監測方法中所規定的熱效率合格指標高出20%以上，同時鍋爐排煙中NOx、SO2等環保指標遠遠低于燃煤鍋爐，遠優于GB 13271鍋爐大氣排放污染物排放標準所規定一類地區的鍋爐運行排放標準，且有較好的環保效益。
(3)改變一次風量大小不能夠較好地改善爐膛內的燃燒不完全狀況。煙氣中CO體積分數可大于15000×10-6，排煙處O2的體積分數一直保持在1.5左右，未有明顯變化趨勢，且爐內燃燒工況不穩定，當一次風量過大時鍋爐容易結焦渣。
(4)通過實驗研究得出了最佳的二次風送風位置，一、二次風量配比率和最佳的燃料層厚度。在爐膛中部送二次風，一、二次風量配比率為50%、燃料層厚度為450mm時，鍋爐為最佳工況，熱效率最高。
(5)對實際應用鍋爐的結構設計分析及其熱工性能和環保性能測試表明，該種爐型的鍋爐具有一系列獨特的優點，高效節能、環保，值得在工程實際應用當中推廣。
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