夏許寧,劉圣勇,劉洪福,管澤云,翟萬(wàn)里,王鵬曉,劉 霞
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450002;2.滑縣環(huán)境保護(hù)局,河南 滑縣 456400)
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生物質(zhì)顆粒燃燒器的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試
夏許寧1,劉圣勇1,劉洪福1,管澤云1,翟萬(wàn)里1,王鵬曉1,劉 霞2
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450002;2.滑縣環(huán)境保護(hù)局,河南 滑縣 456400)
針對(duì)生物質(zhì)顆粒燃燒器燃燒不充分及燃燒效率低等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一款小型生物質(zhì)顆粒燃燒器。該燃燒器換熱量為0.5 t/h,進(jìn)料量為20kg/h,并采用三次配風(fēng)系統(tǒng),設(shè)置7個(gè)配風(fēng)口。本研究對(duì)小麥、玉米、水稻3種作物的秸稈制成的生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行了鍋爐換熱試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:小型生物質(zhì)顆粒燃燒器采用的三級(jí)配風(fēng)系統(tǒng)配風(fēng)均勻分布,滿(mǎn)足燃料的充分燃燒;3種顆粒燃料燃燒效率均在95%以上,最終的結(jié)渣率均不超過(guò)5%,燃燒產(chǎn)物達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)為生物質(zhì)顆粒燃燒器的應(yīng)用與推廣提供了理論依據(jù)。
生物質(zhì)顆粒成型燃料;燃燒器;三級(jí)配風(fēng);鍋爐
由于化石燃料的日益減少及燃燒化石燃料帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題,造成了能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī),而生物質(zhì)燃料因其可再生、零污染、儲(chǔ)量大等優(yōu)勢(shì)引起世界的關(guān)注[1]。生物質(zhì)顆粒成型燃料主要以農(nóng)林廢棄物為原料,采用機(jī)械加壓的方法,把松散的生物質(zhì)原料壓縮為體積小、密度大、便于運(yùn)輸?shù)某尚腿剂蟍2]。生物質(zhì)顆粒成型燃料因其質(zhì)地均勻且耐燃燒、點(diǎn)火容易、燃燒效率高且燃燒穩(wěn)定,以及燃燒產(chǎn)物污染小等優(yōu)點(diǎn)[3],廣泛用于各種燃燒設(shè)備中。
目前,國(guó)外關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃燒器的研究比較多,主要是以木質(zhì)類(lèi)的顆粒成型燃料燃燒器為主,種類(lèi)單一,已經(jīng)形成了比較成熟的木質(zhì)類(lèi)成型燃料燃燒設(shè)備[4]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)作物種植面積廣闊,農(nóng)業(yè)廢棄物年生產(chǎn)量約7億t[5],預(yù)計(jì)2020年生物質(zhì)成型燃料年利用率將達(dá)到5 000萬(wàn)t[6],研究出適合我國(guó)秸稈類(lèi)顆粒成型燃料的燃燒器是非常必要的。
我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料主要是以秸稈為主,但原料種類(lèi)較多,且因地理位置、環(huán)境等差異,燃料的燃燒特性也各有不同,因此生物質(zhì)顆粒燃燒器的適用性不強(qiáng)。由于生物質(zhì)成型燃料中堿金屬和硅元素(K、Na、Cl、S、Ca、Si、P等)含量較高,主要以低熔點(diǎn)(700~900℃)的鹽和氧化物的形式存在于生物質(zhì)原料內(nèi)[7],當(dāng)生物質(zhì)成型燃料燃燒時(shí),爐膛溫度高于堿金屬化合物的熔點(diǎn),使其軟化并粘結(jié)在受熱面上,出現(xiàn)結(jié)渣、沾污等現(xiàn)象,不僅影響燃燒設(shè)備的熱性能及燃燒效率,嚴(yán)重時(shí)還危及燃燒設(shè)備的安全運(yùn)行[8],這是影響生物質(zhì)成型燃料廣泛應(yīng)用的難點(diǎn)。向衡等在生物質(zhì)燃燒器上運(yùn)用自激脈動(dòng)技術(shù),設(shè)計(jì)了提高效率、減少污染的脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒器[9];包應(yīng)時(shí)等研究了生物質(zhì)顆粒燃燒器進(jìn)料方式,總結(jié)了防回火的方法[10];姚宗路等研究了螺旋清灰破渣機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了抗結(jié)渣生物質(zhì)固體顆粒燃料燃燒器[11];王月喬等研究了生物質(zhì)顆粒的燃燒特性,總結(jié)了生物質(zhì)顆粒燃燒器的適用控制參數(shù)[12]。
目前,我國(guó)的秸稈類(lèi)生物質(zhì)顆粒燃料存在易結(jié)渣、點(diǎn)火不易及燃燒不平穩(wěn)、效率低等不足。因此,根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性的3個(gè)階段的燃燒特性,采用三級(jí)配風(fēng)系統(tǒng),通過(guò)風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)爐排溫度,并配套設(shè)計(jì)生物質(zhì)顆粒燃燒器以保證生物質(zhì)顆粒燃料的充分燃燒并降低結(jié)渣率。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的合理性,需要進(jìn)行蒸汽鍋爐的性能試驗(yàn),該研究為生物質(zhì)顆粒燃燒器的應(yīng)用與推廣提供了理論依據(jù)。
1.1 設(shè)計(jì)思路
根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的理化特性和燃燒特性,針對(duì)生物質(zhì)顆粒成型燃料的密度大、揮發(fā)分含量高及燃燒不充分等特點(diǎn),設(shè)計(jì)蒸發(fā)量為500kg/h的生物質(zhì)顆粒燃燒器。該燃燒器設(shè)計(jì)7個(gè)風(fēng)口進(jìn)行3次配風(fēng),并配置底風(fēng),保證顆粒燃料的各個(gè)燃燒階段都有足量的氧氣,提高燃燒效率,并且通過(guò)供風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)爐排溫度,防止溫度過(guò)高導(dǎo)致底灰結(jié)渣率增大。
1.2 總體設(shè)計(jì)
1.2.1 溫度設(shè)計(jì)
根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性,生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒分為3個(gè)階段,首先是揮發(fā)分的分解、析出與擴(kuò)散,然后是揮發(fā)分的燃燒階段,最后為焦炭的層狀燃燒。由于生物質(zhì)灰分含量高、灰熔點(diǎn)低、易結(jié)渣,若溫度過(guò)高容易導(dǎo)致灰分的融化、粘結(jié),因此通過(guò)配風(fēng)量來(lái)調(diào)控溫度。燃燒器內(nèi)燃料燃燒析出的揮發(fā)分及燃燒室內(nèi)的煙氣溫度較高,因此此階段的溫度設(shè)計(jì)在1 200℃左右,剩余的焦炭燃燒溫度不宜過(guò)高,不能超過(guò)生物質(zhì)顆粒成型燃料的軟化溫度,所以溫度設(shè)計(jì)在900℃以下,以保證燃料燃燒充分及降低底灰的結(jié)渣率。
1.2.2 理論空氣量的設(shè)計(jì)
生物質(zhì)顆粒燃料中主要是碳、氫、硫等元素的燃燒,因此1kg燃料燃燒所需的理論氧氣量為
(1)
空氣中氧氣的含量占21%,所以1kg燃料燃燒所需的理論空氣量為
(2)
式中 Car—燃料中碳元素收到基的含量;
Har—燃料中氫元素收到基的含量;
Sar—燃料中硫元素收到基的含量;
Oar—燃料中氧元素收到基的含量;
V0—1kg燃料燃燒所需的理論空氣量。
我國(guó)小麥、玉米和水稻種植面積大,農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富,所用燃燒器的設(shè)計(jì)采用小麥秸稈、玉米秸稈和稻稈顆粒成型燃料,取三者的平均值,計(jì)算得出1kg燃料所需的理論空氣量為3.633m3;設(shè)計(jì)顆粒燃料燃燒器為常壓換熱蒸汽鍋爐,進(jìn)料量為20kg/h,換熱量為0.5t/h;所需理論空氣量為72.66m3/h,選取過(guò)量空氣系數(shù)為1.3[13],計(jì)算得出實(shí)際空氣量為95m3/h,產(chǎn)灰量為2kg/h。
1.2.3 燃燒器容積計(jì)算
燃燒器的容積與燃料的進(jìn)料量、發(fā)熱量成正比,與容積熱負(fù)荷成反比。因此燃燒器容積計(jì)算公式為
(3)
式中V—燃燒器容積(m3);
B—燃料消耗量(kg/h);
Q—燃料的低位發(fā)熱量(kJ/kg);
qV—容積熱負(fù)荷(kW/m3)。
1.2.4 燃燒器爐排面積的計(jì)算
(4)
式中R—爐排面積(m2);
qR—爐排面積熱強(qiáng)度(kW/m2)。
1.2.5 燃燒器高度
燃燒器的高度等于燃燒器的容積與爐排面積比,則
(5)
1.2.6 配風(fēng)系統(tǒng)的工作原理
由于生物質(zhì)顆粒燃料壓縮成型,其本身具有質(zhì)地密實(shí)、密度大及耐燃燒的特性,為了實(shí)現(xiàn)顆粒燃料的充分燃燒,所以,燃燒器設(shè)計(jì)了三級(jí)配風(fēng)系統(tǒng),如圖1所示。
1.進(jìn)料口 2.螺旋進(jìn)料裝置 3.一次進(jìn)風(fēng)口 4.風(fēng)機(jī) 5.攪拌風(fēng)機(jī) 6.二次風(fēng)口 7.二次進(jìn)風(fēng)口 8.爐排 9.保溫層 10.煙氣出口 11.三次進(jìn)風(fēng)口
該燃燒器配置兩個(gè)風(fēng)機(jī),在燃燒器的爐排下部設(shè)計(jì)一次風(fēng)機(jī)配風(fēng)裝置,稱(chēng)為底風(fēng)。底風(fēng)不僅可以翻動(dòng)爐排上部的燃料層,供給足量的氧氣與燃料均勻混合,使燃料能夠充分燃燒,并且大量的空氣攪動(dòng)爐排上的灰分,促使灰分下落到爐排下部,使灰渣更容易清除。
另一個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為攪拌風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)使空氣進(jìn)入攪拌風(fēng)機(jī)內(nèi),攪拌風(fēng)機(jī)上設(shè)計(jì)了7個(gè)風(fēng)口,由7個(gè)風(fēng)口分別進(jìn)行一次配風(fēng)、二次配風(fēng)和三次配風(fēng)。其中,在進(jìn)料口的兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)風(fēng)口進(jìn)行一次配風(fēng),燃燒室的中下部設(shè)計(jì)了4個(gè)上下并列兩排的風(fēng)口進(jìn)行二次配風(fēng),煙氣出口處設(shè)計(jì)了一個(gè)分口進(jìn)行三次配風(fēng)。當(dāng)燃料進(jìn)入燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒,燃燒器的上部充滿(mǎn)高溫氣體,燃燒室中下部的4個(gè)風(fēng)口形成循環(huán),高溫氣體由下部風(fēng)口進(jìn)入攪拌風(fēng)機(jī)內(nèi)并對(duì)冷空氣進(jìn)行預(yù)熱,然后加熱的空氣通過(guò)上部風(fēng)口進(jìn)入燃燒室內(nèi)。高溫氣體與熱空氣的循環(huán)不斷翻動(dòng)燃料層,攪動(dòng)燃燒室內(nèi)的空氣,增大了燃燒器內(nèi)部的可燃?xì)怏w與氧氣接觸的機(jī)率,保證燃燒器內(nèi)部的揮發(fā)分及可燃?xì)怏w能夠充分燃燒。
當(dāng)燃燒器運(yùn)行時(shí),首先進(jìn)入燃燒器的是冷空氣。由于燃料的燃燒及燃燒器中下部的4個(gè)風(fēng)口形成的循環(huán)系統(tǒng),使得攪拌風(fēng)機(jī)內(nèi)的冷空氣逐漸加熱。當(dāng)燃燒器運(yùn)行一段時(shí)間后,除底風(fēng)外,其他進(jìn)入燃燒器的冷空氣變成熱空氣。因此,進(jìn)入進(jìn)料管兩側(cè)的一次風(fēng),不僅能夠?qū)ι镔|(zhì)顆粒燃料進(jìn)行預(yù)熱干燥,及與空氣均勻混合,并且在一次風(fēng)的帶動(dòng)下燃料進(jìn)入燃燒器內(nèi),保證進(jìn)料后能夠在燃燒器內(nèi)初次燃燒充分,使揮發(fā)分能夠快速平穩(wěn)析出,同時(shí)也可以降低點(diǎn)火難度。
在煙氣出口即爐膛入口處設(shè)計(jì)了三次配風(fēng)。由于此時(shí)燃燒器內(nèi)燃料劇烈燃燒產(chǎn)生了高熱量煙氣,加上鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的共同作用,此時(shí)鍋爐爐膛內(nèi)容易達(dá)到負(fù)壓狀態(tài);而這種狀態(tài)可以使揮發(fā)分和煙氣流入爐膛,從而達(dá)到了二次燃燒的目的。因此,所設(shè)計(jì)的三次配風(fēng)可以使煙氣中的可燃?xì)怏w充分燃燒,提高燃燒效率。但是,三次配風(fēng)的風(fēng)量不宜過(guò)大,配風(fēng)量過(guò)大容易造成不必要的熱損失,影響鍋爐的換熱效率。
其中,一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)的風(fēng)口面積的計(jì)算公式為
(6)
(7)
(8)
式中A1—一次風(fēng)風(fēng)口面積(m2);
A2—二次風(fēng)風(fēng)口面積(m2);
A3—三次風(fēng)風(fēng)口面積(m2);
L1—一次配風(fēng)量(m3/h);
L2—二次配風(fēng)量(m3/h);
L3—三次配風(fēng)量(m3/h);
W1—一次風(fēng)流速(m/s);
W2—二次風(fēng)流速(m/s);
W3—三次風(fēng)流速(m/s)。
因?yàn)橐淮物L(fēng)有兩個(gè)大小一樣的分口,所以S1=A1/2;二次風(fēng)有四個(gè)大小一樣的風(fēng)口,所以S2=A2/4。
通過(guò)計(jì)算得出該燃燒器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。
表1 燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)
2.1 試驗(yàn)材料
本實(shí)驗(yàn)選取了鄭州德潤(rùn)鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的小麥秸稈、玉米秸稈和水稻的顆粒成型燃料。直徑約為10mm,密度約為1.15t/m3,其工業(yè)分析及元素分析如表2所示。
表2 生物質(zhì)顆粒燃料工業(yè)分析和元素分析
2.2 試驗(yàn)儀器
試驗(yàn)儀器及測(cè)點(diǎn)布置如表3所示。
表3 試驗(yàn)儀器及測(cè)點(diǎn)布置
2.3 試驗(yàn)裝置
生物質(zhì)顆粒燃燒器及鍋爐示意圖,如圖2所示。
圖2 生物質(zhì)顆粒燃燒器流程圖
生物質(zhì)顆粒燃燒器采用螺旋進(jìn)料方式,燃料由進(jìn)料口從燃燒器上邊垂直進(jìn)入,一次風(fēng)直接通入下料管道內(nèi),和燃料混合后進(jìn)入燃燒器。燃料在燃燒室內(nèi)下降時(shí)經(jīng)高溫?zé)煔鉀_刷,首先進(jìn)行燃燒,揮發(fā)分析出;隨著揮發(fā)分的析出,燃料剩下的焦炭結(jié)構(gòu)下降到爐排上進(jìn)行焦炭燃燒,在爐排下部設(shè)置底風(fēng),保證爐排上焦炭的充分燃燒。在燃燒室中間設(shè)置并排分布的4個(gè)風(fēng)口形成循環(huán)進(jìn)行二次配風(fēng),保證燃燒室內(nèi)可燃?xì)怏w的充分燃燒。在引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的作用下,鍋爐爐膛內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài),燃燒室內(nèi)部分可燃?xì)怏w和煙氣在壓強(qiáng)的作用下進(jìn)入鍋爐爐膛內(nèi)。在煙氣出口出配置三次風(fēng),使部分未完全燃燒的可燃?xì)怏w在爐膛內(nèi)再次燃燒,高溫?zé)煔馀c鍋爐換熱后經(jīng)水浴除塵器除塵后排向大氣。該燃燒器通過(guò)分級(jí)配風(fēng),實(shí)現(xiàn)燃料的充分燃燒,使排放物達(dá)到環(huán)保指標(biāo);在燃燒器的底部設(shè)置清灰門(mén),通過(guò)人工清灰的方法來(lái)清除底灰。
2.4 試驗(yàn)結(jié)果
為研究燃燒器的適用性及燃燒效率,試驗(yàn)使用3種生物質(zhì)顆粒燃料,分配恰當(dāng)?shù)娜?jí)配風(fēng)量和底風(fēng),達(dá)到合適的燃燒溫度,保證燃燒充分及降低結(jié)渣。試驗(yàn)研究了3種生物質(zhì)顆粒燃料在三級(jí)配風(fēng)下的各階段燃燒溫度、燃燒效率和各項(xiàng)熱損失,以及灰渣含碳量等,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
表4 各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)
由表4可知:玉米秸稈熱值高,燃燒時(shí)爐膛溫度和燃燒室溫度雖略高于設(shè)定溫度;但三級(jí)配風(fēng)分配均勻,使玉米顆粒燃料充分燃燒,灰渣含碳量較少,燃燒效率最好。稻稈熱值低、含水率高,燃燒時(shí)大量水蒸氣和揮發(fā)分產(chǎn)生,大量水蒸氣和揮發(fā)分混合,使得揮發(fā)分不能與氧氣充分反應(yīng);并且水蒸氣隨著煙氣的排除還帶走大量的熱,增加氣體不完全燃燒熱損失,因此稻稈燃燒時(shí)要加大一次配風(fēng)量,對(duì)燃料進(jìn)行干燥預(yù)熱。麥秸稈灰分含量較高,燃燒時(shí)爐排溫度較高,可燃物被灰分包裹而不能充分燃燒,增大固體不完全燃燒熱損失,灰渣含碳量也增加,因此要降低底風(fēng)并增加二次配風(fēng)量,來(lái)增強(qiáng)二次風(fēng)的循環(huán);并加大燃料層的攪拌,適當(dāng)降低進(jìn)料速度和爐排溫度,使燃料在爐排上充分燃燒。
根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13271-2001》可知:鍋爐煙塵最高允許排放濃度為120mg/m3,煙氣格林曼黑度等級(jí)不大于1[14]。由試驗(yàn)結(jié)果可知,顆粒燃燒器的污染物排放達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
小麥秸稈、玉米秸稈和稻稈顆粒成型燃料燃燒效率均在95%以上,結(jié)渣率較低均不超過(guò)5%,所以生物質(zhì)顆粒燃燒器的設(shè)計(jì)合理,各級(jí)配風(fēng)能夠滿(mǎn)足燃料的每個(gè)階段的燃燒,顆粒燃料燃燒充分效率高。
1)設(shè)計(jì)了小型生物質(zhì)顆粒燃燒器,壓強(qiáng)為0.1MPa,換熱量為0.5t/h,進(jìn)料量為20kg/h,采用三次配風(fēng)系統(tǒng),設(shè)置7個(gè)配風(fēng)口,一次配風(fēng)2個(gè)風(fēng)口,二次配風(fēng)4個(gè)風(fēng)口,三次配風(fēng)1個(gè)風(fēng)口,并設(shè)置底風(fēng),保證燃料各個(gè)階段充分燃燒。
2)對(duì)生物質(zhì)顆粒燃燒器進(jìn)行鍋爐供熱試驗(yàn),3種顆粒燃料燃燒效率均在95%以上,最高可達(dá)到97.24%,結(jié)渣率較低均不超過(guò)5%,燃燒產(chǎn)物達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn);
3)本文主要設(shè)計(jì)了生物質(zhì)顆粒燃燒器的配風(fēng)系統(tǒng),對(duì)燃燒器的結(jié)渣除渣系統(tǒng)未作深入研究,因此建議對(duì)灰分含量高、灰熔點(diǎn)低的顆粒燃料加入添加劑或?qū)θ剂线M(jìn)行預(yù)處理,減少結(jié)渣率及不完全燃燒損失;對(duì)燃料消耗量較大的燃燒器建議安裝除渣裝置,防止因結(jié)渣降而低燃燒器的燃燒效率。
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Design and Performance Test of Biomass Pellet Burner
Xia Xuning1, Liu Shengyong1, Liu Hongfu1, Guan Zeyun1, Zhai Wangli1, Wang Pengxiao1, Liu Xia2
(1.Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Biomass Energy, Henan Province, Zhengzhou 450002, 2.Environmental Protection Bureau of Huacounty,Henan Province,Hua County 456400,China)
In order to solve the problems in biomass pellet burner including incomplete combustion and low efficiency,we designed a new type of combustion machine which adopted new air distribution system. The burner that’s the heat of 0.5 t/h and the charging rate of 20 kg/h, used the three air distribution system and seted up seven tuyeres. This study of wheat, corn, rice made of three kinds of crops straw biomass pellet boiler heat transfer experiment was carried out. The test results showed that the design of new biomass pellet burner using uniform distribution of tertiary air distribution system with wind, met the full combustion of fuel; Three kinds of pellet fuel combustion efficiency was over 95%, final slagging rate less than 5%, combustion products to achieve environmental protection standard.The design for a living material pellet burner provided a theoretical basis for application and promotion.
biomass particle forming fuel; burner; tertiary air distribution; boiler
2016-03-02
河南省科技創(chuàng)新杰出人才計(jì)劃項(xiàng)目(144200510015)
夏許寧(1990-),女,河南南陽(yáng)人,碩士研究生,(E-mail)1253847243@qq.com。
劉圣勇(1964-),男,河南柘城人,教授,博士博士生導(dǎo)師。
S218;S216.2
A
1003-188X(2017)01-0227-05