生物質(zhì)氣化燃燒鍋爐應(yīng)用基礎(chǔ)研究

王樹林等

摘要：在分析生物質(zhì)燃料燃燒特性、壓制成型加熱溫度、結(jié)渣原因的基礎(chǔ)上，對生物質(zhì)成型燃料鍋爐進(jìn)行性能模擬計(jì)算和實(shí)際推廣價值分析，針對試驗(yàn)在生物質(zhì)種類、試驗(yàn)條件、分析軟件中存在的不足，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，為生物質(zhì)氣化燃燒鍋爐的應(yīng)用研究提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；燃燒鍋爐；玉米秸稈；燃料特性；性能模擬

中圖分類號：S216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）07-0024-02

生物質(zhì)成型燃料具有與化石燃料相差很大的燃燒特性。在參考大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上，研究東北地區(qū)玉米秸稈的燃料特性、致密成型規(guī)律以及玉米秸稈成型燃料的燃燒特性、積灰結(jié)渣特性和氣化原理，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾輪樣機(jī)試制和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)出專門的實(shí)驗(yàn)用生物質(zhì)成型燃料氣化燃燒鍋爐。對其熱工及排放特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并利用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件MathCAD對典型生物質(zhì)氣化燃燒鍋爐進(jìn)行性能模擬計(jì)算，經(jīng)過詳實(shí)的數(shù)據(jù)處理及分析，取得了階段性的成果，以期為生物質(zhì)氣化燃燒鍋爐的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 生物質(zhì)成型燃料燃燒應(yīng)用條件分析

1.1 燃燒特性

以東北地區(qū)玉米秸稈為主要研究對象，經(jīng)過工業(yè)分析和元素分析，同時與煤進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈揮發(fā)成分、氫和氧的含量大，含碳量少，含硫量低，熱值較高。其不僅具有良好的代煤效果，還具有優(yōu)良的著火燃燒性能。但是，這些特性也使玉米秸稈在燃燒機(jī)理、反應(yīng)速度及燃燒產(chǎn)物成分上與煤存在較大差異，必須對其進(jìn)行試驗(yàn)研究，為研制相應(yīng)的燃燒設(shè)備提供依據(jù)。

1.2 壓制成型加熱溫度

成型壓力是生物質(zhì)成型燃料制備中的關(guān)鍵因素。通過試驗(yàn)確定：當(dāng)成型壓力過?。?lt;10 MPa）時，成型顆?；蛩缮⒉荒艹尚停虺尚兔芏刃?，不能滿足運(yùn)輸和貯藏需要；但壓力達(dá)到一定值時，密度增加不明顯，反而結(jié)焦變多，壓縮功耗增加；成型壓力在15～46 MPa范圍內(nèi)時，不僅能滿足成型需要，并且表面光滑，密度適中。

適當(dāng)?shù)募訜釡囟瓤墒鼓举|(zhì)素軟化粘結(jié)，對成型有利，但是溫度過高會使揮發(fā)分析出量增大，甚至使物料碳化嚴(yán)重，失去使用價值。加熱溫度在160～200 ℃范圍內(nèi)，基本可以獲得理想的成型效果。

1.3 替代煤的可行性

通過熱重試驗(yàn)分析可知，秸稈成型燃料的燃燒過程在TG—DTG曲線上可分為3個階段，即燃料脫水干燥階段、揮發(fā)分析出和燃燒階段、固定碳燃燒階段。TG—DTG曲線表明，與散料相比，生物質(zhì)成型燃料揮發(fā)分析出相對較慢，且燃燒所需要的氧與外界擴(kuò)散的氧能很好匹配，從而能夠使揮發(fā)分燃盡，爐溫逐漸升高，燃燒相對穩(wěn)定且波浪小，燃燒速度均勻。揮發(fā)分燃燒后剩余的焦炭骨架仍可保持層燃狀態(tài)，確保燃燒持續(xù)穩(wěn)定。生物質(zhì)成型燃料改善了生物質(zhì)散料的燃燒特性，使其具有燃盡率高、燃燒效率高、燃燒時無黑煙、煙氣中煙塵含量少、灰渣中含碳量少、熱重曲線無表觀增重等優(yōu)點(diǎn)。生物質(zhì)成型燃料可部分或全部替代煤應(yīng)用于工業(yè)鍋爐中，能提高工業(yè)鍋爐效率，減免脫硫設(shè)備及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約能源，綠色環(huán)保。

1.4 結(jié)渣影響因素

生物質(zhì)成型燃料結(jié)渣特性試驗(yàn)結(jié)果表明，生物質(zhì)成型燃料有較嚴(yán)重的結(jié)渣傾向，變形溫度為1 048 ℃，軟化溫度為1 112 ℃，只稍高于1 000 ℃。因此，為保證鍋爐的安全運(yùn)行，燃料層的溫度最好不高于

1 000℃。

試驗(yàn)分析表明，影響生物質(zhì)成型燃料結(jié)渣的因素主要有生物質(zhì)燃料特性（堿金屬含量高）、管壁表面粗糙度、燃料層厚度和鍋爐運(yùn)行工況等。

2 生物質(zhì)成型燃料鍋爐性能試驗(yàn)

2.1 熱效率

生物質(zhì)成型燃料鍋爐的熱工及排放特性試驗(yàn)結(jié)果表明：爐膛出口過量空氣系數(shù)對排煙溫度、鍋爐熱效率和燃燒產(chǎn)物中的CO、SO2、NOx含量具有明顯影響；當(dāng)爐膛出口過量空氣系數(shù)α=1.58時，燃料燃燒充分，排煙損失及不完全燃燒損失小，鍋爐熱效率達(dá)78.9%，且鍋爐排煙中的NOx、SO2等環(huán)保指標(biāo)低于燃煤鍋爐，具有良好的環(huán)保效益。

2.2 性能模擬

對生物質(zhì)成型燃料鍋爐進(jìn)行性能模擬計(jì)算，為鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。鍋爐運(yùn)行中，爐膛出口過量空氣系數(shù)如果過大，會增加排煙容積，從而使鍋爐熱效率降低；過大的爐膛出口過量空氣系數(shù)，還會使對流受熱面的磨損加劇，影響鍋爐安全運(yùn)行。隨著過量空氣系數(shù)的增加，爐膛內(nèi)各種阻力增加，能夠增加運(yùn)行的風(fēng)機(jī)電耗。但是，過小的爐膛出口過量空氣系數(shù)，有可能使燃料燃燒不完全，增加機(jī)械和氣體不完全燃燒的熱損失。爐膛和鍋爐管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是影響鍋爐運(yùn)行的重要因素。爐柵面積過小，會使?fàn)t柵的工作條件變差，燃料層變厚，燃料層的通風(fēng)阻力增大，鍋爐的運(yùn)行電耗增加。鍋爐管束的橫向相對節(jié)距過小，在煙氣量不變的條件下，煙氣速度增加，加劇對流受熱面的磨損，增大阻力和風(fēng)機(jī)電耗。橫向相對節(jié)距變大，煙氣速度減小，則對流管束容易積灰，同時增加對流受熱面面積，使金屬消耗變大，增加制造成本。將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際檢測結(jié)果進(jìn)行對比，確定該生物質(zhì)氣化燃燒鍋爐在爐膛出口的過量空氣系數(shù)α=1.5，爐柵面積R=4.0 m2；兩組對流受熱面管束均采用φ51無縫鋼管，煙氣橫向沖刷的順列管束，當(dāng)?shù)谝还苁鴻M向相對節(jié)距s11/d1=1.96、第二管束橫向相對節(jié)距s12/d2=1.78時，工作狀況良好，熱效率高，性能模擬熱效率80.99%，實(shí)際平均熱效率達(dá)82.75%，并且風(fēng)機(jī)電耗合理，燃燒清潔環(huán)保。

2.3 實(shí)際推廣價值

相關(guān)部門對已實(shí)際應(yīng)用的生物質(zhì)氣化燃燒鍋爐進(jìn)行熱工檢測和環(huán)保檢測，結(jié)果均表明，該種生物質(zhì)氣化燃燒鍋爐完全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，用戶反饋良好、滿意度高，值得在工程中廣泛推廣。

3 生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備研究改進(jìn)建議

研制生物質(zhì)燃料相應(yīng)燒設(shè)備時，需要對生物質(zhì)成型燃料燃燒機(jī)理、動力學(xué)特性、結(jié)渣特性及燃燒設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行深入研究，涉及面非常廣，包括生物質(zhì)能利用、工程熱力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、流體力學(xué)及鍋爐原理等多方面知識。受試驗(yàn)條件和研究時間的限制，在諸多方面可能存在不足。

3.1 拓寬生物質(zhì)種類及成型形狀

主要針對東北地區(qū)玉米秸稈進(jìn)行試驗(yàn)研究，所得結(jié)果較為單一。生物質(zhì)種類多種多樣，不同種類生物質(zhì)之間存在差異，為更廣泛的利用生物質(zhì)能，使生物質(zhì)鍋爐能適應(yīng)多種能源物質(zhì)，需要全面了解不同種生物質(zhì)成型燃料在燃燒設(shè)備中的燃燒規(guī)律。建議在今后研究中擴(kuò)展生物質(zhì)種類，研究不同形狀的成型燃料，如棒狀或塊狀。

3.2 改進(jìn)試驗(yàn)條件

受試驗(yàn)條件及時間的限制，自行設(shè)計(jì)的加熱式液壓成型機(jī)和進(jìn)行燃燒特性分析的熱重實(shí)驗(yàn)臺存在不足之處，需要進(jìn)一步改進(jìn)。對成型燃料的結(jié)渣特性研究以及生物質(zhì)主要污染物排放變化規(guī)律的研究還不夠深入，建議今后在這些方面進(jìn)行更深入、細(xì)致的研究，為更好利用生物質(zhì)能奠定基礎(chǔ)。

3.3 選用更適應(yīng)的模擬計(jì)算軟件

受模擬計(jì)算軟件的限制，對生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研究不夠深入，建議今后采用FLUENT或STARCD等流體計(jì)算軟件對鍋爐進(jìn)行更全面、細(xì)致的研究，為生物質(zhì)鍋爐的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡亞范，馬予芳，張永貴.生物質(zhì)能及其利用技術(shù)[J].節(jié)能技術(shù)，2007（4）：344-347.

[2] 吳根，白麗梅，于洋.生物質(zhì)轉(zhuǎn)化能源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢探討[J].環(huán)境學(xué)與管理，2008（1）：166-168.

[3] 羅小金.生物質(zhì)顆粒成型燃料燃燒的實(shí)驗(yàn)研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2008.

[4] 劉峰，孫建業(yè).積極推進(jìn)我國新能源的開發(fā)和利用[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2008（1）：8-10.

[5] 羅小金.生物質(zhì)顆粒成型燃料燃燒的實(shí)驗(yàn)研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2008.

[6] 吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)業(yè)出版社，2003.