生物質氣化燃燒鍋爐應用基礎研究

王樹林等

摘要：在分析生物質燃料燃燒特性、壓制成型加熱溫度、結渣原因的基礎上，對生物質成型燃料鍋爐進行性能模擬計算和實際推廣價值分析，針對試驗在生物質種類、試驗條件、分析軟件中存在的不足，提出相應的改進建議，為生物質氣化燃燒鍋爐的應用研究提供理論基礎。

關鍵詞：生物質；燃燒鍋爐；玉米秸稈；燃料特性；性能模擬

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

生物質成型燃料具有與化石燃料相差很大的燃燒特性。在參考大量國內外相關文獻資料基礎上，研究東北地區玉米秸稈的燃料特性、致密成型規律以及玉米秸稈成型燃料的燃燒特性、積灰結渣特性和氣化原理，在此基礎上，經過幾輪樣機試制和結構改進，設計出專門的實驗用生物質成型燃料氣化燃燒鍋爐。對其熱工及排放特性進行試驗研究，并利用數學計算軟件MathCAD對典型生物質氣化燃燒鍋爐進行性能模擬計算，經過詳實的數據處理及分析，取得了階段性的成果，以期為生物質氣化燃燒鍋爐的應用提供理論依據。

1 生物質成型燃料燃燒應用條件分析

1.1 燃燒特性

以東北地區玉米秸稈為主要研究對象，經過工業分析和元素分析，同時與煤進行對比，發現玉米秸稈揮發成分、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，還具有優良的著火燃燒性能。但是，這些特性也使玉米秸稈在燃燒機理、反應速度及燃燒產物成分上與煤存在較大差異，必須對其進行試驗研究，為研制相應的燃燒設備提供依據。

1.2 壓制成型加熱溫度

成型壓力是生物質成型燃料制備中的關鍵因素。通過試驗確定：當成型壓力過小（<10 MPa）時，成型顆粒或松散不能成型，或成型密度小，不能滿足運輸和貯藏需要；但壓力達到一定值時，密度增加不明顯，反而結焦變多，壓縮功耗增加；成型壓力在15～46 MPa范圍內時，不僅能滿足成型需要，并且表面光滑，密度適中。

適當的加熱溫度可使木質素軟化粘結，對成型有利，但是溫度過高會使揮發分析出量增大，甚至使物料碳化嚴重，失去使用價值。加熱溫度在160～200 ℃范圍內，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，生物質成型燃料揮發分析出相對較慢，且燃燒所需要的氧與外界擴散的氧能很好匹配，從而能夠使揮發分燃盡，爐溫逐漸升高，燃燒相對穩定且波浪小，燃燒速度均勻。揮發分燃燒后剩余的焦炭骨架仍可保持層燃狀態，確保燃燒持續穩定。生物質成型燃料改善了生物質散料的燃燒特性，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點。生物質成型燃料可部分或全部替代煤應用于工業鍋爐中，能提高工業鍋爐效率，減免脫硫設備及運行維護費用，節約能源，綠色環保。

1.4 結渣影響因素

生物質成型燃料結渣特性試驗結果表明，生物質成型燃料有較嚴重的結渣傾向，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行，燃料層的溫度最好不高于

1 000℃。

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

2 生物質成型燃料鍋爐性能試驗

2.1 熱效率

生物質成型燃料鍋爐的熱工及排放特性試驗結果表明：爐膛出口過量空氣系數對排煙溫度、鍋爐熱效率和燃燒產物中的CO、SO2、NOx含量具有明顯影響；當爐膛出口過量空氣系數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78.9%，且鍋爐排煙中的NOx、SO2等環保指標低于燃煤鍋爐，具有良好的環保效益。

2.2 性能模擬

對生物質成型燃料鍋爐進行性能模擬計算，為鍋爐的優化設計提供理論依據。鍋爐運行中，爐膛出口過量空氣系數如果過大，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，還會使對流受熱面的磨損加劇，影響鍋爐安全運行。隨著過量空氣系數的增加，爐膛內各種阻力增加，能夠增加運行的風機電耗。但是，過小的爐膛出口過量空氣系數，有可能使燃料燃燒不完全，增加機械和氣體不完全燃燒的熱損失。爐膛和鍋爐管束的結構設計也是影響鍋爐運行的重要因素。爐柵面積過小，會使爐柵的工作條件變差，燃料層變厚，燃料層的通風阻力增大，鍋爐的運行電耗增加。鍋爐管束的橫向相對節距過小，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，增大阻力和風機電耗。橫向相對節距變大，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。將模擬計算結果與實際檢測結果進行對比，確定該生物質氣化燃燒鍋爐在爐膛出口的過量空氣系數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，當第一管束橫向相對節距s11/d1=1.96、第二管束橫向相對節距s12/d2=1.78時，工作狀況良好，熱效率高，性能模擬熱效率80.99%，實際平均熱效率達82.75%，并且風機電耗合理，燃燒清潔環保。

2.3 實際推廣價值

相關部門對已實際應用的生物質氣化燃燒鍋爐進行熱工檢測和環保檢測，結果均表明，該種生物質氣化燃燒鍋爐完全符合國家相關標準，具有高效節能、綠色環保等特點，用戶反饋良好、滿意度高，值得在工程中廣泛推廣。

3 生物質燃料燃燒設備研究改進建議

研制生物質燃料相應燒設備時，需要對生物質成型燃料燃燒機理、動力學特性、結渣特性及燃燒設備的主要設計參數進行深入研究，涉及面非常廣，包括生物質能利用、工程熱力學、燃燒學、傳熱學、化學動力學、流體力學及鍋爐原理等多方面知識。受試驗條件和研究時間的限制，在諸多方面可能存在不足。

3.1 拓寬生物質種類及成型形狀

主要針對東北地區玉米秸稈進行試驗研究，所得結果較為單一。生物質種類多種多樣，不同種類生物質之間存在差異，為更廣泛的利用生物質能，使生物質鍋爐能適應多種能源物質，需要全面了解不同種生物質成型燃料在燃燒設備中的燃燒規律。建議在今后研究中擴展生物質種類，研究不同形狀的成型燃料，如棒狀或塊狀。

3.2 改進試驗條件

受試驗條件及時間的限制，自行設計的加熱式液壓成型機和進行燃燒特性分析的熱重實驗臺存在不足之處，需要進一步改進。對成型燃料的結渣特性研究以及生物質主要污染物排放變化規律的研究還不夠深入，建議今后在這些方面進行更深入、細致的研究，為更好利用生物質能奠定基礎。

3.3 選用更適應的模擬計算軟件

受模擬計算軟件的限制，對生物質成型燃料鍋爐的研究不夠深入，建議今后采用FLUENT或STARCD等流體計算軟件對鍋爐進行更全面、細致的研究，為生物質鍋爐的改進提供理論依據。

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