0、引 言
生物質壓縮成型技術是將秸稈、稻殼、鋸末和木屑等生物質廢棄物，用機械加壓的方法，壓縮成具有一定形狀、密度較大的
固體成型燃料。美國在20世紀30年代就開始研究壓縮成型燃料及燃燒技術，并研制了螺旋壓縮機及相應的燃燒設備；日本在20世紀30年代開始研究機械活塞式成型技術處理木材廢棄物.1954年研制成棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備；70年代后期，西歐許多國家也開始重視壓縮成型技術及燃燒技術的研究，各國先后有了各類成型機及配套的燃燒設備；20世紀80年代亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓、韓國、馬來西亞已建了不少固化、碳化專業(yè)生產廠，并已研制出相關的燃燒設備。到20世紀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(yè)化，在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領域已普遍推廣應用，富通新能源生茶銷售的
秸稈顆粒機、
木屑顆粒機、秸稈壓塊機專業(yè)壓制生物質成型顆粒燃料。
從20世紀80年代中國引進螺旋推進式秸稈成型機至今，中國生物質壓縮成型技術的研究開發(fā)已有20多年的歷史。但是，相應的專用生物質顆粒燃料燃燒設備的研制還很少。在中國，生物質顆粒燃料作為一種新的燃料，其燃燒特性的理論研究還處于初級階段，對燃用生物質顆粒燃料的專用燃燒設備的研制開發(fā)亦剛剛起步。河南農業(yè)大學設計并制造出I型生物質顆粒燃料鍋爐，但存在著爐膛溫度高、排煙溫度高、熱損失大等問題。作者根據(jù)生物質顆粒燃料的燃燒特性和燃燒
機理，在I型生物質顆粒燃料鍋爐的基礎上設計出Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐，為把生物質專用燃燒設備推向市場，實現(xiàn)其商品化生產找到了一條合理的途徑，解決了I型生物質顆粒燃料鍋爐存在的爐膛溫度高、排煙溫度高、熱損失大等問題。
1、Ⅰ型生物質顆粒燃料鍋爐存在的問題
1.1 I型生物質顆粒燃料鍋爐的結構布置
I型生物質顆粒燃料鍋爐采用雙層爐排的下吸式燃燒結構，即在手燒爐排一定高度另加一道水冷卻的鋼管式爐排。雙層爐排的上爐門常開，作為投燃料與供應空氣之用；中爐門用于調整下爐排上燃料的燃燒和清除灰渣，僅在點火及清渣時打開；下爐門用于排灰及供給少量空氣，正常運行時微開，開度視下爐排上的燃燒情況而定。其結構布置如圖1所示。
1.2 I型生物質顆粒燃料鍋爐存在的問題
1.2.1 l型生物質顆粒燃料鍋爐爐膛溫度高、散熱損失大
I型生物質顆粒燃料鍋爐的輻射受熱面即是水冷排的表面，其結構布置如圖1所示，該輻射受熱面積偏小，導致輻射換熱不充分，使得爐膛溫度過高，特別是上爐膛，致使上爐門附近爐墻墻體過熱，增加了鍋爐的散熱損失。
1.2.2 I型生物質顆粒燃料鍋爐排煙溫度高、排煙熱損失大
I型生物質顆粒燃料鍋爐的對流受熱面分為兩個部分，降塵對流受熱面和降溫受熱面，兩個對流受熱面均置于水箱內，水容量小，當煙氣與水箱中的水換熱不均時，會出現(xiàn)熱水部分沸騰現(xiàn)象，增加了鍋爐運行的不穩(wěn)定因素，其設計布置不夠合理，煙道長度偏短，煙氣與鍋爐水箱里的水換熱不夠充分，使得排煙溫度過高，增加了鍋爐的排煙熱損失。
2、Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐的優(yōu)點及設計依據(jù)
2.1 Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐的優(yōu)點
在I型生物質顆粒燃料鍋爐的基礎上，Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐通過對鍋爐的結構布置、輻射受熱面及對流受熱面等方面的改進設計，使鍋爐的設計更加合理，輻射換熱和對流換熱更加充分，并由Ⅱ型與I型生物質顆粒燃料鍋爐對比試驗結果可以看出，Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐熱效率更高，同時較好的解決了I型生物質顆粒燃料鍋爐存在的爐膛溫度高、排煙溫度高、熱損失大等問題。
2.2Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐的設計依據(jù)
2.2.1生物質顆粒燃料的燃燒過程
生物質顆粒燃料燃燒屬于靜態(tài)滲透式擴散燃燒，從著火后開始其燃燒過程如下：1）生物質顆粒燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒，進行可燃氣體和氧氣的放熱化學反應，形成火焰；2）除生物質顆粒燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒外，成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區(qū)，形成較長火焰；3）生物質顆粒燃料表面仍有較少的揮發(fā)分燃燒，燃燒向成型燃料更深層滲透。焦碳的擴散燃燒，燃燒產物C02、CO及其他氣體向外擴散，CO不斷與02結合成C02，成型燃料表層生成薄灰殼，外層包圍著火焰；4)生物質顆粒燃料燃燒進一步向更深層發(fā)展，在層內主要進行碳燃燒（即C+02→CO），在其表面進行一氧化碳的燃燒（即CO+O2→C02），形成比較厚的灰殼，由于生物質的燃盡和熱膨脹，灰層中呈現(xiàn)微孔組織或空隙通道甚至裂縫，較少的短火焰包圍著成型塊；5）燃燼殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，在沒有強烈干擾的情況下，形成整體的灰球，灰球表面幾乎看不出火焰，灰球變暗紅色，至此完成整個燃燒過程。
2.2.2 Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐的設計參數(shù)
3、Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐的設計
3.1Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐的結構布置
實踐證明I型生物質顆粒燃料鍋爐所采用的下吸式的燃燒方式，實現(xiàn)了秸稈成型燃料的分步燃燒，緩解秸稈燃燒速度，達到燃燒需氧與供氧的匹配，使秸稈成型燃料穩(wěn)定持續(xù)完全燃燒，起到了消煙除塵作用。因此，改進設計的Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐同樣采取下吸式燃燒的形式。保留兩個爐門，上爐門仍常開，作為投燃料與供應空氣之用；把I型的中爐門與下爐門合二為一，用于清除灰渣及供給少量空氣，正常運行時微開，在清渣時打開。這樣既保留了I型的全部功能，又減少了由于爐門多而造成的散熱損失。水冷爐排將爐膛空間分為上爐膛和下爐膛兩部分，上爐膛又相當于風室，下爐膛后墻上設有煙氣出口，煙氣出口不宜過高，以免煙氣短路，影響可燃氣體的燃燒和火焰充滿爐膛，但也不宜過低，以保證下爐排有必要的灰渣層厚度(100～200mm)。
Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐由上爐門、下爐門、水冷爐排、輻射受熱面、風室、下爐膛、降塵室、對流受熱面、排汽管、煙道、引風機、煙囪等部分組成，其結構布置如圖2所示。其工作過程為：一定粒徑秸稈成型燃料經上爐門加在爐排上下吸式燃燒，水冷爐排漏下的秸稈屑和灰渣到下爐膛底部繼續(xù)燃燒并燃盡。秸稈成型燃料在上爐排上燃燒后形成的煙氣和部分可燃氣體透過燃料層、灰渣層進入下爐膛進行燃燒，并與爐膛底部的燃料產生的煙氣一起，經出煙口流向后面的對流受熱面。
3.2 Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐爐膛及爐排的設計
在大量試驗的基礎上，Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐的爐膛和爐排都采取了新的設計參數(shù)，由式(l)、(2)可計算出鍋爐爐膛及爐排尺寸。
由于改進設計時，將I型生物質顆粒燃料鍋爐的中爐門與下爐門合二為一，因此Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐可省去I型鍋爐的下爐排，讓未燃燼的燃料及灰渣落在下爐膛的底部，只采用一個水冷爐排。由圖1、圖2可見，I型生物質顆粒燃料鍋爐由于水冷爐排與水箱相連，所以有兩個連箱；而改進后的Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐水冷排與上方鍋筒相連，因此直接做成彎管插入鍋筒中。
3.3 Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐受熱面的設計
3.3.1 Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐輻射受熱面的設計
針對I型生物質顆粒燃料鍋爐的輻射受熱面設計的不足，在Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐設計時增加了輻射受熱面的面積，即除了以水冷爐排為輻射受熱面外，還把I型鍋爐的水箱改為上下兩個鍋筒，上鍋筒部分置于上爐膛上方，利用鍋筒里的水吸收燃料在上爐膛燃燒的部分熱量，從而增加輻射受熱面積，起到降低上爐膛溫度的目的，從而減少鍋爐的散熱損失。其受熱面大小由一定熱力計算得出。
3.3.2 Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐對流受熱面的設計
針對I型生物質顆粒燃料鍋爐的對流受熱面設計的不足，在Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐設計時，降溫對流受熱面置于上鍋筒內，擴大了水容量，加長了煙道長度，使煙氣與鍋筒的水能充分換熱，降低排煙溫度，減少了排煙熱損失，同時利用鍋爐后部的下鍋筒及管路引起的煙氣通道面積的變化起到降塵作用。其受熱面大小由一定熱力計算得出。結構如圖2所示。
3.4風機的選型
引風機用于克服煙道與風道阻力，根據(jù)下吸式燃燒方式計算風量與風壓大小，并考慮一定的儲備（用儲備系數(shù)修正），I型生物質顆粒燃料鍋爐選用引風機型號為：Y5-47；規(guī)格：2.80；風量：1828 m3/h；風壓：887 Pa;轉速：2900 r/min。根據(jù)風機型號選用電機型號為：Y90. S-2；功率：1.5 kW;電流：3.4 A；轉速：2840r/min。對于Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐來講，此種風機的風量和風壓顯然偏大，但經過市場考察，此型號是最小的風機標準件，若要獲得很小的風量及風壓需定制非標引風機，為節(jié)約費用，仍選用同I型生物質顆粒燃料鍋爐一樣的風機，但電機選用0.5 kW的，并將電機皮帶輪直徑選成風機皮帶輪直徑的一半，選用較窄皮帶，從而起到降低風機轉速、減少風量及風壓的目的。
4、熱性能對比試驗
根據(jù)GB10180 - 2003工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程、GB/T15137-1994工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法、GB5468-1991鍋爐煙塵測定方法及GB 13271- 2001鍋爐大氣污染物排放標準，分別對研制的Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐和I型生物質顆粒燃料鍋爐進行熱性能及環(huán)保指標的試驗。
4.1試驗儀器
1) KM9106綜合燃燒分析儀，其各指標的測量精度為：02濃度-0.1%和+0.2%、C0濃度±20 ppm、C02濃度±5%、效率土1%、排煙溫度±0.3%；2）3012H型自動煙塵（氣）測試儀，精度為±0.5%；3）大氣壓力計，精度為1．O級；4）QF1901奧氏氣體分析儀；5）蠕動泵；6）磅稱，米尺，秒表，水銀溫度計，水表。
4.2對比試驗結果
試驗燃料為液壓成型玉米秸稈，粒度為φ50 mm圓柱，密度為1.2 t/m3，含水率為14%，收到基凈發(fā)熱量為15474 kj/kg。
5、結論
1)由玉米秸稈生物質顆粒燃料對鍋爐試驗得出，根據(jù)其燃燒特性設計出的Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐熱效率、熱水流量、熱水壓力與溫度等熱性能參數(shù)達到了設計要求；
2)由試驗得出，Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐散熱損失由I型鍋爐的5. 5%降至4.41%，Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐排煙溫度由I型鍋爐的225℃降至196℃，Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐排煙熱損失由I型鍋爐的11. 5%降至9. 76%，Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐反平衡熱效率由I型鍋爐的81.2%提高至84.3%，說明Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐對I型生物質顆粒燃料鍋爐的改進設計是科學合理的；
3)Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐排煙中的煙塵及有害氣體含量比I型鍋爐都有所降低，且符合國家鍋爐的污染物排放要求，具有較好的環(huán)保效益。
Ⅱ型生物質顆粒燃料鍋爐的研制成功，解決了I型生物質顆粒燃料鍋爐的散熱損失大、排煙溫度高等缺點，使高效利用生物質的專用燃料設備更加完善，這對于中國以秸稈代替煤炭，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
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