防回火農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)設(shè)計(jì)與燃燒特性試驗(yàn)

柳善建 王帥超 李永軍 劉亞亞 劉元帥

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000)

0 引言

生物質(zhì)燃料具有環(huán)境友好、可再生、燃盡率高等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)農(nóng)林類生物質(zhì)資源分布廣、且相對(duì)豐富，利用廢棄生物質(zhì)資源發(fā)展清潔供暖、供熱是農(nóng)民增收和實(shí)現(xiàn)綠色鄉(xiāng)村的有效途徑。然而，秸稈類生物質(zhì)中堿金屬、揮發(fā)分含量較高，當(dāng)爐內(nèi)溫度較高時(shí)，容易出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，影響燃燒時(shí)的合理布風(fēng)，造成穩(wěn)定燃燒困難[1-5]。因此，開發(fā)適應(yīng)性廣的生物質(zhì)清潔高效燃燒設(shè)備對(duì)于降低燃料及熱源成本、推動(dòng)生物質(zhì)能源的規(guī)?；镁哂兄匾饬x。

農(nóng)林生物質(zhì)碎料指農(nóng)作物秸稈、薪材、木屑、果殼等，經(jīng)過或者未經(jīng)鍘切、粉碎處理，平均長(zhǎng)度在50 mm以下，當(dāng)量直徑在10 mm (木質(zhì)類)或30 mm(秸稈類)以下，單種或者多種類型生物質(zhì)的混合物。當(dāng)農(nóng)林生物質(zhì)燃燒不充分時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生較多的煙塵、CO、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)和多環(huán)芳烴(PAH)，造成對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染[6-11]。因此，有必要合理設(shè)計(jì)農(nóng)林生物質(zhì)碎料的燃燒設(shè)備及燃燒工況，以實(shí)現(xiàn)清潔高效燃燒。

孫建濤等[12]設(shè)計(jì)了一種固定爐排生物質(zhì)鍋爐，由固定式水冷爐排、一二次風(fēng)管、進(jìn)料系統(tǒng)、除塵器、過熱器等組成，燃料給料量由給料機(jī)和進(jìn)料風(fēng)量調(diào)整，鍋爐運(yùn)行狀況表明，鍋爐熱效率達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。張麗娜等[13]設(shè)計(jì)了一種新型戶用生物質(zhì)直燃爐，該爐以秸稈、木柴、柴草、樹枝等為燃料，主要包括配風(fēng)系統(tǒng)、星型給料機(jī)、燃燒爐膛等部件，采用一次風(fēng)和二次風(fēng)系統(tǒng)分開的方式使生物質(zhì)燃料可以充分燃燒，實(shí)際運(yùn)行表明，熱能利用率達(dá)到50%以上，其產(chǎn)生的粉塵和焦油等污染物明顯減少。目前，生物質(zhì)碎料燃燒設(shè)備存在連續(xù)進(jìn)料易出現(xiàn)回火回?zé)?、穩(wěn)定燃燒困難、污染物排放高等問題。為此，本文研制一種額定功率為1 900 MJ/h的農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)，對(duì)燃燒機(jī)的爐膛結(jié)構(gòu)、喂料系統(tǒng)、防回火結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)林生物質(zhì)碎料的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料，降低進(jìn)料過程中回火回?zé)煹葐栴}，并進(jìn)行不同一、二次風(fēng)配比(Proportion of primary and secondary air，PPSA)下的燃燒特性試驗(yàn)，以得到較優(yōu)的燃燒工況條件。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)額定功率為1 900 MJ/h，采用水平進(jìn)料方式，爐排為固定爐排形式，燃燒機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Design drawing of biomass crushed aggregates burner1.調(diào)速電機(jī) 2.鏈輪 3.料倉(cāng) 4.撥料輥 5.螺旋輸送器 6.防回火罩 7.二次風(fēng)管 8.爐壁風(fēng)管 9.一次風(fēng)管 10.風(fēng)機(jī) 11.爐排 12.冷風(fēng)層 13.出火口煙筒 14.外接煙筒 A.爐膛測(cè)溫點(diǎn) B.出火口測(cè)溫點(diǎn) C.粉塵檢測(cè)點(diǎn) D.出火口煙氣測(cè)點(diǎn)

農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)由料倉(cāng)、螺旋喂料器、防回火部件、送風(fēng)系統(tǒng)、燃燒室、溫度及煙氣測(cè)量系統(tǒng)等構(gòu)成。由于農(nóng)林生物質(zhì)碎料尺寸不規(guī)則，枝葉較多，切邊不平整，喂料器連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料比較困難，經(jīng)常發(fā)生纏繞堵塞、料倉(cāng)搭橋等現(xiàn)象，為此設(shè)計(jì)一種雙對(duì)輥螺旋喂料器，見圖2。料倉(cāng)中有一對(duì)同向旋轉(zhuǎn)的撥料輥，撥料輥及螺旋輸送器在電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，可有效防止物料搭橋，利于農(nóng)林生物質(zhì)碎料的連續(xù)穩(wěn)定輸送。

圖2 農(nóng)林生物質(zhì)螺旋喂料器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Design drawing of biomass crushed aggregates burner feeder1.機(jī)架 2.調(diào)速電機(jī) 3.聯(lián)軸器 4.軸承座 5.鏈條 6.雙排鏈輪 7.上料箱 8.料倉(cāng) 9.端面軸承座 10.撥料輥 11.螺旋輸送器

1.2 工作原理

農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)工作流程：①啟動(dòng)進(jìn)料電機(jī)及送風(fēng)機(jī)，使農(nóng)林生物質(zhì)碎料隨輸送器轉(zhuǎn)動(dòng)而穩(wěn)定地進(jìn)入爐膛。②啟動(dòng)自動(dòng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃農(nóng)林生物質(zhì)碎料，對(duì)爐膛進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為20～30 min。③預(yù)熱完成后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段，高溫火焰由出火口噴出，并配合后續(xù)的鍋爐或換熱器等裝置。運(yùn)行過程中每隔2～3 h向料斗加一次料，同時(shí)清空集灰室。④需要停機(jī)時(shí)，先停止螺旋喂料器，送風(fēng)機(jī)繼續(xù)保持送風(fēng)，當(dāng)爐膛內(nèi)不出現(xiàn)火焰并且爐膛溫度降至200℃時(shí)，送風(fēng)機(jī)停止工作。

農(nóng)林生物質(zhì)碎料種類繁多，燃燒特性差異大，要實(shí)現(xiàn)完全、穩(wěn)定燃燒，以及較低的污染物排放水平，最重要的是配以適量的空氣。系統(tǒng)采用一、二次配風(fēng)方式，其中一次風(fēng)口布置在爐排下部，提供燃料層燃燒區(qū)穩(wěn)定燃燒所需的氧氣；二次風(fēng)口布置在進(jìn)料口處，主要實(shí)現(xiàn)農(nóng)林生物質(zhì)碎料氣化燃燒區(qū)揮發(fā)分的擾動(dòng)及充分燃燒。通過設(shè)置一、二次配風(fēng)，既可以保證燃料層燃燒區(qū)以低溫燃燒的方式降低結(jié)渣現(xiàn)象，又可以保證氣化燃燒區(qū)充分燃燒，降低煙氣顆粒物濃度和NOx、CO等污染物排放水平。

為分析不同一、二次配風(fēng)對(duì)燃燒過程中爐內(nèi)溫度、出火口溫度、煙氣成分的影響，得到優(yōu)化的燃燒控制方案，在爐膛內(nèi)設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，位置在爐膛頂端中心，將長(zhǎng)度為500 mm的S型熱電偶插入。出火口溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置在距離出火口500 mm處，選用型號(hào)為WRP-230的S型熱電偶。同時(shí)，在出火口外接煙筒上，距出火口中心2 500 mm處接激光粉塵檢測(cè)儀，距出火口中心3 000 mm處接紅外煙氣分析儀，將收集到的煙氣成分、顆粒物濃度進(jìn)行檢測(cè)，將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)額定功率Q=1 900 MJ/h，確定兩種典型生物燃料(玉米秸稈及碎木屑)的消耗量，為爐膛及喂料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，其計(jì)算公式為[13]

(1)

式中B0——燃料喂入量，kg/h

Q——燃燒機(jī)設(shè)計(jì)額定功率，kJ/h

Qnet——燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg

η——燃燒機(jī)設(shè)計(jì)熱效率，%

爐排面積的計(jì)算公式為

(2)

式中S——爐排面積，m2

qR——爐排面積熱強(qiáng)度，kW/m2

爐膛容積的計(jì)算公式為

(3)

式中V——爐膛容積，m3

qv——爐膛容積熱強(qiáng)度，kW/m3

通常，qR、qv取值范圍分別為300～400 kW/m3和250～500 kW/m3[13-14]，考慮到秸稈類生物質(zhì)堿金屬含量高，過高的熱強(qiáng)度容易發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象，為此分別取qR=375 kW/m3、qv=350 kW/m3，計(jì)算出S=1.55 m2，V=1.66 m3。

爐膛高度與煙氣在爐膛內(nèi)停留時(shí)間密切相關(guān)，若爐膛太低會(huì)造成煙氣中某些可燃?xì)怏w以及微小顆粒未完全燃盡即被排出，造成不必要的熱損失。爐膛太高又會(huì)增加材料的消耗造成不必要的浪費(fèi)，因此選擇合適的爐膛高度是設(shè)計(jì)農(nóng)林生物質(zhì)燃燒設(shè)備的關(guān)鍵。爐膛高度計(jì)算公式為

(4)

式中H——爐膛高度，m

計(jì)算得出H=1.071 m，設(shè)計(jì)時(shí)取H為1.1 m。

螺旋喂料器關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式為[13,15]

(5)

(6)

B0=3 600Av0ρ

(7)

式中A——機(jī)槽內(nèi)燃料橫斷面積，m2

v0——燃料的軸向推進(jìn)速度，m/s

ρ——燃料密度，kg/m3

D——螺旋葉片直徑，m

φ——機(jī)槽滿載系數(shù)

K——綜合特性系數(shù)，取0.049

機(jī)槽滿載系數(shù)φ越大，物料輸送時(shí)滑移面越陡，會(huì)增加能量消耗降低輸送速度，不利于物料運(yùn)輸，而滿載系數(shù)過小又易導(dǎo)致物料堆積，通常φ的取值范圍為0.25～0.35，設(shè)計(jì)時(shí)取φ=0.3，計(jì)算得出D=0.12 m，A=0.003 4 m2，v0=0.11 m/s。

農(nóng)林生物質(zhì)碎料的結(jié)構(gòu)比較松散，密度低、質(zhì)量輕，著火溫度低，在燃燒機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行下容易引起料倉(cāng)回火回?zé)煬F(xiàn)象，為此設(shè)計(jì)防回火回?zé)煵考?，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 防回火回?zé)煵考疽鈭DFig.3 Schematic of fire protection cover

防回火回?zé)煵考?塊梯形板組合成一錐型結(jié)構(gòu)，梯形板兩側(cè)采用彈簧連接，目的是當(dāng)物料密集而阻力較大時(shí)，梯形板受物料擠壓適當(dāng)張開，確保物料順利通過。當(dāng)錐筒內(nèi)物料松散時(shí)，則梯形板恢復(fù)至閉合狀態(tài)，并對(duì)物料起到一定的壓縮作用，使物料壓實(shí)后進(jìn)入爐內(nèi)，不致因爐內(nèi)高溫?zé)煔夥锤Z至進(jìn)料系統(tǒng)內(nèi)而發(fā)生回?zé)熁鼗瓞F(xiàn)象。因此，該防回火回?zé)煵?/p>

件既可以有效防止物料堵塞，又能降低因生物質(zhì)碎料過于松散而導(dǎo)致的回火回?zé)煬F(xiàn)象。另外，在喂料過程中引入的二次風(fēng)，配合防回火回?zé)煵考梢赃M(jìn)一步降低回火回?zé)煬F(xiàn)象的發(fā)生，使高溫?zé)煔獠恢路创颠M(jìn)料倉(cāng)。

由于燃燒機(jī)爐內(nèi)燃燒溫度較高，最高達(dá)1 300℃，為保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行爐體結(jié)構(gòu)不受破壞，設(shè)計(jì)雙層爐外壁冷風(fēng)壓保護(hù)，內(nèi)外爐壁間為30 mm的冷風(fēng)層，內(nèi)壁內(nèi)側(cè)再加上厚度為80 mm的耐火泥層，冷風(fēng)層內(nèi)通冷卻風(fēng)，使風(fēng)繞內(nèi)爐壁環(huán)繞一周后由出風(fēng)口排出，風(fēng)量設(shè)計(jì)為200 m3/h。燃燒機(jī)的出火口為套筒結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)側(cè)為爐膛燃料燃燒噴出的高溫火焰，內(nèi)外套筒間為爐壁冷卻風(fēng)，既可以再對(duì)出火口進(jìn)行冷卻保護(hù)，延長(zhǎng)使用壽命，又可以為出火口未燃盡揮發(fā)分提供氧氣，確保充分燃燒。

3 原料制備與燃燒效率計(jì)算

選用的玉米秸稈及碎木屑均取自山東省淄博市，碎木屑為花卉林木修剪部分。采用93ZRG-680型多功能粉碎機(jī)將兩種原料切成0～30 mm的碎料，首先進(jìn)行自然晾曬，用JSP-100型高速多功能粉碎機(jī)進(jìn)行一級(jí)粉碎，在干燥箱內(nèi)105℃下干燥24 h，用于工業(yè)分析。再取部分原料，經(jīng)POLYMIX數(shù)字式超細(xì)研磨儀進(jìn)行二級(jí)研磨，用于原料的元素分析及熱值分析。

表1為經(jīng)93ZRG-680型多功能粉碎機(jī)處理后，總質(zhì)量各為5 kg的碎木屑及玉米秸稈碎料在不同篩網(wǎng)孔徑下的篩分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 不同篩網(wǎng)孔徑下的物料篩分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.1 Material screening data with different mesh sizes

由表1可知：碎木屑在篩網(wǎng)孔徑4～6 mm之間最多，占總質(zhì)量的31.8%，其他孔徑篩網(wǎng)之間物料質(zhì)量占總質(zhì)量之比大體相當(dāng)。玉米秸稈在篩網(wǎng)孔徑14 mm以上的物料質(zhì)量占總質(zhì)量的42%，這是由于相比于碎木屑，玉米秸稈所含纖維素、半纖維素更高，不易粉碎且稈葉間相互連接，造成大塊物料所占比重大[16]。

表2為試驗(yàn)所用碎木屑及玉米秸稈碎料的工業(yè)分析與元素分析。從表2可以看出，兩種燃料的揮發(fā)分含量、低位熱值大體相同，其中揮發(fā)分占總質(zhì)量的70%以上。玉米秸稈灰分含量為4.41%，高于含量為3.42%的碎木屑，說明玉米秸稈燃燒后易形成飛灰，造成燃燒機(jī)及后續(xù)受熱面的結(jié)渣、積灰、磨損及腐蝕等問題。兩種燃料的C、O含量較高，之和約占總質(zhì)量的90%，其次為H含量，且玉米秸稈的H含量略高于碎木屑。兩種燃料的S元素含量較少，尤其碎木屑僅為0.06%，可知兩種燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣中SO2含量較少。玉米秸稈的N元素含量幾乎是碎木屑的3倍，達(dá)到0.87%，因此需要注意煙氣脫NOx處理，以滿足相關(guān)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

表2 生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析與元素分析(空氣干燥基)Tab.2 Industrial analysis and element analysis of maize straw and wood chips

1 kg喂料量下，燃燒機(jī)燃燒所需的理論空氣量為[17]

(8)

式中Car、Har、Oar——燃料(收到基)的碳、氫、氧元素的質(zhì)量百分比

VO2——理論需氧量

燃燒效率是燃料在爐膛內(nèi)燃燒充分程度的重要指標(biāo)，在一定程度上可以反映玉米秸稈、碎木屑在農(nóng)林生物質(zhì)燃燒機(jī)中不同工況下的燃燒效果[18]。

ηc=1-q1-q2

(9)

其中

q1=3.2αφ(CO)

(10)

式中ηc——燃燒效率，%

q1——可燃?xì)怏w不完全燃燒熱損失率，%

q2——固體不完全燃燒熱損失率，%

α——過量空氣系數(shù)

φ(CO)——煙氣中的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

對(duì)于生物質(zhì)燃燒機(jī)而言，未燃盡的灰分主要?dú)埩粼诨以鼉?nèi)，則此時(shí)q2的計(jì)算公式[18]可簡(jiǎn)化為

(11)

式中Aar——原料收到基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

Cz——灰分中未燃盡的炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

Qr——原料收到基熱值，kJ/kg

4 燃燒特性試驗(yàn)

4.1 爐膛內(nèi)及出火口溫度變化分析

生物質(zhì)熱態(tài)配風(fēng)試驗(yàn)是在70%的額定進(jìn)料量下，配合1.2倍過量空氣系數(shù)的空氣，通過調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)配比分別為0.9∶0.1、0.8∶0.2、0.7∶0.3時(shí)，研究燃燒機(jī)爐膛內(nèi)溫度、出火口溫度以及煙氣中CO、CO2、O2含量和顆粒物濃度的變化，以得到較優(yōu)的燃燒工況條件。

農(nóng)林生物質(zhì)燃燒機(jī)的爐膛內(nèi)最高溫度在1 300℃以上[19-20]，選用型號(hào)為WRP-230的S型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。利用型號(hào)為GASBOARD-3100紅外煙氣分析儀對(duì)燃燒煙氣中CO、CO2、O2含量進(jìn)行檢測(cè)，利用LB-5C型激光粉塵檢測(cè)儀對(duì)煙氣中的顆粒物濃度PM2.5、PM5和PM10進(jìn)行檢測(cè)。

圖4、5為燃燒機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段后，出火口未加外接煙筒時(shí)，試驗(yàn)所用碎木屑、玉米秸稈在一、二次風(fēng)配比分別為0.9∶0.1、0.8∶0.2、0.7∶0.3時(shí)出火口的火焰情況。

圖4 不同一、二次風(fēng)配比下碎木屑燃燒效果圖Fig.4 Combustion of wood chips with different PPSAs

圖5 不同一、二次風(fēng)配比下玉米秸稈燃燒效果圖Fig.5 Combustion of maize straws with different PPSAs

可以明顯看出，當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.9∶0.1，不管是碎木屑還是玉米秸稈，其燃燒機(jī)出火口處的火焰束較短，并且伴有大量的煙塵，說明燃燒效果不好。當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)兩種燃料的出火口火焰最好，可見火焰較長(zhǎng)且黑煙較少，并且碎木屑燃燒的火焰束相較于玉米秸稈的更加飽滿。當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.7∶0.3時(shí)，也可在出火口處見到明顯火焰，但火焰長(zhǎng)度不及一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)。

圖6、7分別為碎木屑、玉米秸稈在一、二次風(fēng)配比分別為0.8∶0.2和0.7∶0.3時(shí)的溫度變化情況。

圖6 一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)碎木屑、玉米秸稈燃燒溫度變化曲線Fig.6 Changes in combustion temperature of wood chips with PPSA of 0.8∶0.2

圖7 一、二次風(fēng)配比為0.7∶0.3時(shí)碎木屑、玉米秸稈燃燒溫度變化曲線Fig.7 Changes in combustion temperature of wood chips with PPSA of 0.7∶0.3

由圖6、7可以看出，試驗(yàn)過程中在穩(wěn)定的碎木屑、玉米秸稈碎料進(jìn)料量下，燃燒過程大致可分為3個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段、穩(wěn)定燃燒階段和熄火階段。燃燒機(jī)開始運(yùn)行后，由于爐膛溫度較低需不斷吸熱，造成爐膛內(nèi)溫度和出火口溫度逐漸上升。進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段后，農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)的爐內(nèi)溫度均比出火口溫度高，如以碎木屑為燃料，一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)，爐膛內(nèi)溫度在(1 200±100)℃間變化，出火口煙氣溫度在(1 000±100)℃間變化，爐內(nèi)平均溫度比出火口溫度高200℃左右，且出火口溫度與爐膛內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)一致。

另外，進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段后，與燃燒碎木屑相比，以玉米秸稈為燃料時(shí)，在相同一、二次風(fēng)配比下，不論爐膛內(nèi)溫度還是出火口煙氣溫度均低100℃左右。這是由于雖然碎木屑、玉米秸稈的低位熱值相當(dāng)，但是由于碎木屑較密實(shí)，單位質(zhì)量大，燃燒過程主要在爐膛底部容易燃盡，而玉米秸稈結(jié)構(gòu)松散，燃燒過程容易出現(xiàn)壓火焰現(xiàn)象，造成上層物料難以接觸高溫火焰，燃燒不充分，且質(zhì)量輕容易被吹出爐膛外，從而因燃燒不充分而造成爐內(nèi)溫度低。

與一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2相比，當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.7∶0.3時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段后，無論以碎木屑或玉米秸稈為燃料，爐內(nèi)溫度、出火口溫度均比前者時(shí)低，約低100℃左右，并且溫度變化區(qū)間大，不穩(wěn)定。由此可知，當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)，玉米秸稈與碎木屑燃燒較充分，燃燒效果好，這是由于當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.7∶0.3時(shí)，雖然二次風(fēng)所占比例增大，有利于揮發(fā)分燃燒，但同時(shí)二次風(fēng)擾動(dòng)能力加強(qiáng)，導(dǎo)致大量燃料未充分燃燒即被吹出爐膛外，造成爐內(nèi)溫度、出火口溫度較低。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)的最長(zhǎng)火焰距離可達(dá)2 000 mm，連續(xù)運(yùn)行24 h未發(fā)生堵塞與回火現(xiàn)象。

4.2 煙氣組分含量及顆粒物濃度變化分析

圖8和圖9分別為碎木屑、玉米秸稈在進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段后，一、二次風(fēng)配比分別為0.8∶0.2、0.7∶0.3時(shí)煙氣中CO、CO2、O2含量變化情況。

圖8 一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)碎木屑、玉米秸稈燃燒煙氣變化曲線Fig.8 Changes of flue gas from wood chips combustion with PPSA of 0.8∶0.2

圖9 一、二次風(fēng)配比為0.7∶0.3時(shí)碎木屑、玉米秸稈燃燒煙氣變化曲線Fig.9 Changes of flue gas from wood chips combustion with PPSA of 0.7∶0.3

由圖8、9可以看出，在穩(wěn)定燃燒階段測(cè)量煙氣，以碎木屑、玉米秸稈為燃料，無論一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2還是0.7∶0.3，開始時(shí)都出現(xiàn)了O2、CO、CO2含量快速變化的現(xiàn)象，主要是由于紅外煙氣分析儀的氣體收集管內(nèi)存在一部分空氣，進(jìn)行煙氣成分檢測(cè)時(shí)這部分空氣被迅速排出。

在穩(wěn)定燃燒階段，當(dāng)以碎木屑為燃料時(shí)，在一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2和0.7∶0.3兩種工況下，煙氣中O2含量在(13±2)%間波動(dòng)，CO2含量在(7±2)%間波動(dòng)，CO含量在(0.2±0.1)%間波動(dòng)，可見進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段，排放的煙氣中O2、CO、CO2含量相對(duì)穩(wěn)定。煙氣中CO2與 CO含量的變化趨勢(shì)一致，這是由于當(dāng)CO2濃度過高時(shí)與未燃盡的炭反應(yīng)，從而導(dǎo)致CO含量升高[21]。與一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2相比，當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.7∶0.3時(shí)，煙氣中的O2、CO、CO2變化幅度更大，變化周期變長(zhǎng)，也說明了該工況條件下燃燒機(jī)內(nèi)燃燒不穩(wěn)定。與燃燒碎木屑相比，當(dāng)以玉米秸稈為燃料時(shí)，一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2或0.7∶0.3時(shí)，燃燒煙氣中O2平均含量均略低，約低1%，CO含量略高，而CO2含量相差不大。

生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙氣中PM2.5、PM5、PM10顆粒物會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、大氣環(huán)境和人體健康產(chǎn)生重要危害，其燃燒產(chǎn)生的顆粒物主要是堿金屬和堿土金屬化合物通過均質(zhì)/異質(zhì)凝結(jié)產(chǎn)生[22]。當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)，設(shè)計(jì)的農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)以碎木屑為燃料時(shí)，檢測(cè)的煙氣中PM2.5、PM5、PM10變化范圍分別為56～72 mg/m3、38～51 mg/m3、43～63 mg/m3。以玉米秸稈為燃料時(shí)，煙氣PM2.5、PM5、PM10的變化范圍分別為36～43 mg/m3、21～35 mg/m3、38～42 mg/m3，檢測(cè)結(jié)果低于GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中所規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 燃燒灰分及結(jié)渣成分分析

對(duì)燃燒機(jī)燃燒后爐膛內(nèi)殘留的碎木屑灰分、玉米秸稈灰分以及玉米秸稈結(jié)渣(圖10)的表面物質(zhì)進(jìn)行含碳率檢測(cè)、灰分成分含量檢測(cè)，結(jié)果如表3、4所示。

圖10 玉米秸稈碎料燃燒后結(jié)渣Fig.10 Combustion slagging of maize straws scrap

表3 爐渣含碳率檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Carbon content rate of slag

由于玉米秸稈的堿金屬含量較高，容易造成較嚴(yán)重的灰分結(jié)渣問題，影響爐內(nèi)配風(fēng)，由圖10可見，設(shè)計(jì)的農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)燃燒玉米秸稈碎料產(chǎn)生的結(jié)渣硬度低，易破碎，利于自動(dòng)排灰設(shè)計(jì)。

從表3可以看出，玉米秸稈燃燒所得灰分的含碳率最高，其次為碎木屑灰分，玉米秸稈碎料燃燒所得結(jié)渣的含碳率最低，這表明碎木屑燃燒更加充分，燃盡效果優(yōu)于玉米秸稈，而玉米秸稈碎料燃燒所得結(jié)渣，因堿金屬與SiO2形成低熔點(diǎn)化學(xué)物，造成結(jié)渣表面含碳率很低。

由表4可知，玉米秸稈、碎木屑燃燒所得的灰分，主要化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、P2O5、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等，其中K、Na、Si等是導(dǎo)致積灰、結(jié)渣的主要元素。生物質(zhì)燃燒灰分中的Si與K等堿金屬含量越高，其燃燒時(shí)越容易結(jié)渣，而當(dāng)Ca等堿土金屬元素含量較高時(shí)，則不易結(jié)渣。由表4可以看出，玉米秸稈燃燒所得灰分中SiO2含量高達(dá)39.9%，玉米秸稈渣中的SiO2含量更達(dá)到了53.3%，同時(shí)其K2O含量也遠(yuǎn)大于碎木屑，這與玉米秸稈燃燒易結(jié)渣的特性相符。碎木屑燃燒所得灰分CaO含量高達(dá)71.9%，遠(yuǎn)大于玉米秸稈燃燒所得灰分以及結(jié)渣中的含量，也說明了碎木屑不易結(jié)渣的原因。

表4 生物質(zhì)灰成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.4 Biomass ash compositionmass fraction %

根據(jù)式(9)～(11)，結(jié)合表3和不同工況條件下排放的CO平均含量，可計(jì)算出：當(dāng)以玉米秸稈為燃料時(shí)，在一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2和0.7∶0.3兩種工況下燃燒效率約為98.7%、98.9%；當(dāng)以碎木屑為燃料時(shí)，在一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2和0.7∶0.3兩種工況下燃燒效率約為98.8%、98.5%。

在農(nóng)林生物質(zhì)燃燒機(jī)煙筒出口處使用JCP-HD型林格曼黑度計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，1 min觀測(cè)3次，連續(xù)觀測(cè)30 min并拍照記錄。無論是以玉米秸稈還是碎木屑為燃料，在一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2和0.7∶0.3兩種工況下煙氣的林格曼黑度小于等于1級(jí)，符合GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種額定功率為1 900 MJ/h的農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)，其爐膛容積V=1.66 m3，爐膛高度H=1.071 m，爐排有效面積為1.55 m2，進(jìn)料口采用防回火罩設(shè)計(jì)，冷風(fēng)壓保護(hù)技術(shù)保護(hù)爐壁。

(2)農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段后，以碎木屑為燃料，一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)，爐膛內(nèi)溫度在(1 200±100)℃間變化，出火口煙氣溫度在(1 000±100)℃間變動(dòng)；在一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2和0.7∶0.3兩種工況下，煙氣中O2、CO2、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在(13±2)%、(7±2)%、(0.2±0.1)%間波動(dòng)。以玉米秸稈為燃料時(shí)，在相同一、二次風(fēng)配比下，與燃燒碎木屑相比，爐膛內(nèi)溫度和出火口煙氣溫度均低100℃左右；在一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2和0.7∶0.3兩種工況下，與燃燒碎木屑相比，燃燒煙氣中O2平均含量約低1%，CO含量略高，而CO2含量相差不大。

(3)玉米秸稈燃燒所得灰分中SiO2含量達(dá)39.9%，玉米秸稈渣中SiO2含量高達(dá)53.3%，同時(shí)其K2O含量也遠(yuǎn)大于碎木屑，說明玉米秸稈在設(shè)計(jì)的農(nóng)林生物質(zhì)碎料燃燒機(jī)中燃燒更容易結(jié)渣。同時(shí)，當(dāng)一、二次風(fēng)配比為0.8∶0.2時(shí)，以碎木屑和玉米秸稈為燃料，煙氣中PM2.5、PM5、PM10變化范圍分別為56～72 mg/m3、38～51 mg/m3、43～63 mg/m3和36～43 mg/m3、21～35 mg/m3、38～42 mg/m3，滿足鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。