連續式秸稈捆燒鍋爐設計與供暖工程減排潛力分析

鄧 云，賈吉秀，姚宗路，趙立欣，霍麗麗，楊武英，郭洪偉

連續式秸稈捆燒鍋爐設計與供暖工程減排潛力分析

鄧 云1，賈吉秀1，姚宗路1※，趙立欣1，霍麗麗1，楊武英2，郭洪偉2

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081； 2. 鐵嶺眾緣環保設備制造有限公司，鐵嶺 112000）

針對連續式捆燒設備在連續進料過程中，秸稈捆連續穩定燃燒性能差、揮發分氣體燃燒不充分、秸稈捆難燃盡，而導致熱效率低、排放高的問題，該研究基于分級燃燒原理與秸稈捆燃燒特性，在設計計算過程中，對燃燒、換熱、配風系統等較為重要設計參數給出了合理的參考值，并通過煙氣預熱干燥秸稈捆、增加揮發分二次燃盡的三級風、往復爐排增加捆間間隙等方式提高秸稈捆的燃燒性能。設備試制后，利用玉米秸稈捆為燃料開展了熱工與排放性能試驗。試驗結果表明，連續式秸稈捆燒鍋爐的平均熱效率為80.37%，顆粒物、NOx、SO2平均排放質量濃度分別為48、197、7 mg/m3，環保與能效指標均符合設計要求與國家標準。并對建立的采暖示范工程進行排放、污染物等測算，結果表明采用秸稈捆燒供暖單位面積可減少標煤使用量23.1 kg/m2，CO2當量排放量58 kg/m2。該研究能為秸稈能源化利用與北方清潔區域供暖提供技術支撐，助力農業農村領域碳達峰、碳中和的目標實現。

排放；熱效率；設計；捆燒；清潔供暖

0 引 言

據全國第二次污染源普查[1]，2017年中國秸稈產生量為8.05億t，可收集資源量為6.74億t，利用量為5.85億t，綜合利用率為86.79%。未利用秸稈資源量達0.89億t，處理方式為田間焚燒或廢棄[2]。此外，中國北方地區以燃煤為主的取暖方式，年消耗約4億t標煤，其中散燒煤約2億t[3]。秸稈田間焚燒、散煤燃燒導致冬季污染物排放量大幅增加，重度污染、霧霾天氣時有發生，嚴重影響人民生活健康[4]。在國家政策的支持下，中國北方地區多個城市和鄉村地區紛紛開展清潔供暖工作[5]，但目前清潔能源占比總體水平仍然偏低，由能源結構不合理而引發的環境污染物問題日益嚴重，持續引發社會各界的廣泛關注[6-8]。為推動現代綠色循環農業高質量發展，同時促進碳達峰、碳中和的目標實現，秸稈能源化利用技術革新十分重要。

秸稈資源能源轉化用于供暖，可促進秸稈的綜合利用，推進中國北方地區冬季清潔供暖[9]。秸稈捆燒技術是指將田間松散的秸稈經過撿拾打捆后，在專門的生物質鍋爐中進行燃燒的一種清潔能源化利用技術，具有秸稈處理與供暖利用時間吻合性強、運行成本低、操作方便等優點[10-12]。目前，國內外對小型序批式的秸稈捆燒設備進行了較為深入的研究，如Szubel等[13]通過CFD對不同配風管道的結構進行了仿真優化，減少配風系統的能量消耗，提出一種基于熵產率最小化的分析方法；Kristensen等[14]設計了可根據排煙溫度和煙氣含氧量負反饋自動調節配風系統，提高燃料燃燒效率；姚宗路等[15]探明了捆燒煙氣顆粒物團聚、凝結的形成機理及分布規律，創新提出一種耦合凈化技術。序批式捆燒設備在排放、熱性能均達到甚至超過相應標準，但其額定熱功率均在0.7 MW以下僅適用于小范圍供暖。針對大范圍供暖而提出的連續式捆燒設備，國內外研究相對較少。如Singh等[16]提出一種新型的強制通風秸稈捆燃燒系統，該燃燒室創新結合引燃燃油噴射系統和爐內嵌入式的水熱交換器，通過燃油經過霧化后噴入燃燒室與秸稈進行混合燃燒，提高秸稈的燃燒性能；Eri?等[17]借鑒煙氣再循環技術，將排放煙氣部分回流與空氣進行混合后二次燃燒，研究結果顯示提高混合煙氣量對CO的降低具有明顯促進作用，最高減排量達100%，NO最大減排量在30%； Mladenovi?等[18]在試驗設備研究上，設計了1.5 MW的中試設備，二次配風系統始終貼合燃料表面與進料系統同步運動，并緩慢旋轉形成旋流清理燃料表面灰渣促進內部燃燒；Repi?等[19]對上述中試設備進行試驗與數值模擬分析，在過量空氣系數為2.1、進料速度為0.12 kg/s時NOx排放最低約250 mg/m3，爐膛燃燒溫度模擬情況與實際吻合度較高；張品[20]對捆燒設備的爐拱進行了數值分析研究得出，前拱、后拱傾角分別為50°、30°，后拱覆蓋率為50%時爐內流場較優。上述研究通過混燃、改進配風等方式提高秸稈捆的燃燒性能，減少后端污染物排放，但未給出具體的設計過程，對爐膛、換熱面等關鍵部件的設計未給出合理的參考值，對連續式秸稈捆燒鍋爐的設計仍然較為粗獷。

針對上述問題，本文在小型秸稈捆燒技術的研究基礎上，設計了1.4 MW的連續式秸稈捆燒鍋爐。根據燃料連續燃燒過程的傳熱傳質規律，對爐排面積熱強度、爐膛容積熱強度等關鍵參數給出了合理的參考值。基于分級配風原理，增加了用于揮發分二次燃燒的三次配風，并通過往復爐排增加捆間間隙、高溫煙氣對燃料進行預熱干燥等方式，提高秸稈捆的燃燒性能。確保秸稈捆在爐膛的連續、穩定燃燒，以此來提高連續式捆燒設備的熱效率、降低污染物排放，加快大型先進低排放秸稈捆燒鍋爐區域供暖的項目建設。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

連續式捆燒鍋爐結構原理如圖1所示，包含進料系統、燃燒系統、換熱系統、配風系統等。進料系統包括爐外的液壓推料機構與爐內的傳動鏈條，實現勻速進料過程；進料口位于爐膛最左端，進料口設有推料機構，單次最大可進兩個標準小方捆秸稈，進料爐門采用上下伸縮裝置，僅在進料過程開啟減少外界空氣流入爐膛影響秸稈捆燃燒。根據煙氣流動特性在爐膛內設置不同配風燃燒區，第一燃燒室位于活動爐排處，垂直高壓配風，主要發生秸稈燃燒析出揮發分、焦炭燃燒；第二燃燒室位于進料通道及爐排上部區域，采用小角度交錯配風，燃料主要發生揮發分的燃燒反應；第三燃燒室用于揮發分的完全燃盡，采用徑向切角緩速配風。爐膛底部設有往復爐排，往復爐排一側連接有爐排減速機，換熱裝置設置在爐膛最上端，布有對流、輻射換熱管，后端為多級旋風與布袋除塵聯用對煙氣進行除塵凈化。

1. 推料機構 2. 進料臺 3. 秸稈捆 4. 升降爐門 5. 傳送鏈條 6. 熱傳導 7. 往復爐排 8. 灰渣室 9. 一次風口 10. 第一燃燒室 11. 高溫煙氣 12. 二次風口 13. 第二燃燒室 14. 煙道 15. 煙管束 16. 保溫層　17. 列管換熱器 18. 三次風口 19. 第三燃燒室

1.2 工作原理

秸稈捆置于進料臺后，控制推料機構進料，在爐內傳動鏈條勻速帶動下進入爐膛，進料通道含氧量秸稈捆燃燒速度較慢。燃料到達爐排處，配風充足含氧量高，在往復爐排緩慢的錯動下增加捆間間隙，燃料表面燃盡的灰渣脫落，內外層燃料與空氣的充分接觸開始劇烈燃燒，產生大量的高溫煙氣。高溫煙氣折流依次通過第二燃燒室、進料通道上端、第三燃燒室、煙管束、煙氣凈化裝置。其中，含有的揮發分氣體在二次燃燒室大部分燃燒，在三次燃燒室完全燃盡；通過進料通道上端時，與秸稈捆主要以對流換熱的方式進行熱傳導，提高秸稈捆溫度對其進行干燥改善燃燒性能；最后，經換熱器換熱、煙氣經凈化除塵達標后排放到大氣中。

1.3 主要技術參數

連續式秸稈捆燒鍋爐為常壓熱水鍋爐，設計的額定熱功率為1.4 MW，熱效率為80%，排煙溫度為150℃，其他設計參數如表1所示。

表1 連續式秸稈捆燒鍋爐設計參數

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 連續式捆燒爐膛設計

爐膛容積和爐排面積是鍋爐設計的2個重要參數，設計爐膛時應保證具有足夠的爐膛容積使燃料快速著火、燃燒完全，還需考慮秸稈中含有的較多堿金屬元素，使灰熔點較低、易形成顆粒物，避免鍋爐溫度過高使受熱面出現嚴重的結渣、結焦、腐蝕等問題，從而引發安全事故，故需選取合適的爐排面積、爐膛容積等數據。由式（1）～（7）可計算出鍋爐的爐排面積熱強度、爐膛容積熱強度[21-22]。

式中gl為鍋爐有效利用熱量，kJ/h；為鍋爐循環水量，t/h；cs、hs為出水和回水焓值，kJ/kg；為燃料消耗量，kg/s；Q為輸入鍋爐熱量，kJ；3、4、6為氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、灰渣物理熱損失，取值分別為0.5%、5%、0.7%；為爐膛有效發熱量，kJ/kg；Q為空氣帶入爐膛熱量，kJ/kg；V為煙氣平均熱容量，kJ/kg；I″為爐膛出口煙焓，kJ/kg；ll為理論燃燒溫度，℃；1為爐膛出口煙溫，℃；q為輻射受熱面平均熱強度，kW/m2；H為爐膛總有效輻射受熱面積，m2；R為爐排面積，m2；net.ar為秸稈捆燃料收到基凈發熱量，kJ/kg；q為爐排面積熱強度，kW/m2；V為爐膛容積，m3；q為爐膛容積熱強度，kW/m3。

根據設計要求，取爐排面積R=4.89 m2，爐膛容積V=4.46 m3，鍋爐熱效率=80%，空氣帶入爐膛熱量Q、爐膛出口煙焓I″可根據焓溫表進行查詢得出，因設備無外熱源加熱空氣故輸入鍋爐熱量Q等于燃料收到基凈發熱量net.ar，理論燃燒溫度ll根據計算的爐膛有效發熱量查焓溫表得出為1 314.6℃，爐膛出口煙溫為先假設后進行校核，最終符合假設的爐膛出口煙溫js為972.1℃，收到基低位發熱量net.ar為11 104 kJ/kg，爐膛總有效輻射受熱面積H為4.36 m2。最終可計算得出連續式捆燒設備的輻射受熱面平均熱強度q=106 kW/m2，爐排面積熱強度q=358 kW/m2，爐膛容積熱強度q=393 kW/m3。

2.2 多級燃燒室配風系統設計

配風系統為分級配風，一次風為主配風，主要用于秸稈熱解、燃燒與焦炭燃燒反應，二次風用于部分揮發分的燃燒，三次風用于揮發分的燃盡。燃料燃燒所需的空氣量主要取決于燃料中可燃元素成分的含量，因此供給燃料燃燒總配風量可由（8）～（10）計算得出[21-22]。

式中1為秸稈燃燒所需理論空氣量，m3/kg；ar、ar、ar、ar為玉米打捆秸稈中的元素含量，%；1為一次燃燒室過量空氣系數；2為秸稈燃燒所需實際空氣量，m3/kg；3為總配風量，m3/h。

根據元素分析結果，計算玉米秸稈燃燒所需的理論空氣量1=3.41 m3/kg。查閱相關文獻[23-24]，在小型燃燒設備上，當一次風過量空氣系數在1.0、總過量空氣系數在1.6時，秸稈燃燒排放效果最佳。結合連續式捆燒設備相關研究[16-19]，綜合考慮連續進料過程中爐門處會引入部分空氣、漏風系數較大等因素，最終選取較為合適的過量空氣系數為1.4，三級配風的占比分別為75%、20%、5%，則一、二、三次燃燒室實際配風量分別為2 027、540、135 m3/h。

2.3 煙氣換熱與凈化系統設計

2.3.1 輻射換熱面設計

輻射換熱面又稱為水冷壁，主要吸收燃料燃燒過程中通過輻射傳熱方式所傳遞的熱量，使爐膛維持在合適的溫度保證燃料穩定燃燒的同時，避免爐膛溫度過高而引起部件損壞，其受熱面積可由式（11）（12）計算得出。

式中H′為某區域輻射受熱面積，m2；為某區域水冷壁有效角系數；F為某區域布置水冷壁爐墻面積，m2；H為爐膛總有效輻射受熱面積，m2；

水冷壁有效角系數的數值可根據管子的相對節距和管子中心線離開爐墻的相對距離查表得出，不同區域其值不同。經累加計算得出爐膛總有效輻射受熱面積H=4.36 m2。

2.3.2 對流換熱面設計

對流換熱面主要以對流換熱的方式吸收煙氣熱量并傳遞給工質的受熱面，主要包括鍋爐管束、煙管對流管束與火管省煤器，煙管對流管束的根數與長度具體計算過程如式（13）～（17）所示。

式中Q為煙氣換熱量，kW；py為排煙溫度，℃；dl為對流換熱面積，m2；為傳熱系數，kW/(m2·℃)；Δ為平均溫差，℃；A為煙氣流通截面積，m2；V為煙氣量，m3/s；w為煙氣流速，m/s；為列管數量；d為煙管直徑，m；為煙管長度，m；

經選取后校核符合要求的排煙溫度py為147.8℃，傳熱系數為0.04 kW/m2·℃，平均溫差Δ為756.6℃，煙氣流速w為21.5 m/s，煙氣量V為2.1 m3/s，煙管直徑d為63.5 mm，計算得煙管根數=39，煙管長度= 4.5 m。

2.4 往復爐排設計

爐排設計通常需保證其散熱性能和強度，對秸稈捆燃料，因其尺寸較大、內部較為緊實，需增加其內部間隙并及時脫除燃料表面灰渣，促進內部燃料的充分燃燒。本文采用一種可變速的高強度爐排片往復爐排，如圖2所示，其主要部件包括水冷傳動軸、固定爐排片、活動爐排片等。爐排片呈鋸齒狀，固定爐排片與爐體固定，活動爐排片通過U型槽置于傳動軸上，非剛性連接便于維修、更換。在電機及減速器的帶動下，兩側傳動軸交替運動，帶動爐排片繞單側傳動軸小幅旋轉，引起燃料位置、配風角改變，從而促進灰渣脫落、增大燃料內部間隙、清除焦塊。傳動軸底部采用循環水冷卻，爐排片利用一次風進行風冷。針對不同燃料燃燒特性，傳動軸可通過調節不同的轉動速度適應燃料的燃燒情況，燃用玉米秸稈捆時設定旋轉次數為4次/min。

1. 固定爐排片　2. 進水口　3. 出水口　4. 左傳動軸　5. 右傳動軸　6. 活動爐排片　7. 一次風管

2.5 煙氣凈化系統設計

根據元素分析及相關文獻[15-18]可知，秸稈捆燒排放煙氣中SO2濃度極低，NOx可以通過燃燒技術進行控制，無需進行脫硫脫銷，主要為顆粒物的脫除。因此，利用電子低壓沖擊器（Eletrical Low Pressure Impactor，ELPI）測得不同過量空氣系數下顆粒物排放特性如圖3所示，主要集中在第7級和14級，對應的顆粒物粒徑為0.32m和8.2m。綜合考慮制造成本、環境污染等因素，連續式捆燒設備相較于序批式捆燒設備揮發分燃盡率高，后端焦油產生量少不會造成堵塞等問題，故選用“旋風+布袋”的組合式干除塵。利用旋風除塵器脫除大粒徑顆粒物，布袋脫除小粒徑顆粒物，綜合脫除效率在95%以上。

圖3 煙氣顆粒物排放特性

3 性能試驗與分析

3.1 試驗材料

設備研制后，為驗證連續式秸稈捆燒鍋爐是否滿足設計要求，于2019年11月26日在遼寧省鐵嶺市眾緣鍋爐廠開展熱工及能效測試。試驗選用當地玉米秸稈小方捆為原料，原料的工業與元素分析見表2，小方捆截面尺寸為450 mm×350 mm，長度為700 mm，打捆密度約為110 kg/m3，含水率為18%。

表2 玉米秸稈打捆燃料元素及工業分析

注：ad、ad、ad、cad分別為水分、灰分、揮發分、固定碳。

Note:ad,ad,ad,cadare moisture, ash, volatile matter and fixed carbon.

3.2 試驗儀器

測試的主要儀器有TESTO350煙氣分析儀、LUMEX RA-915M測汞儀、嶗應3012H-D大流量低濃度煙塵自動測試儀、林格曼黑度圖、嶗應3072煙氣采樣器、便攜式快速紅外測溫儀、秒表、皮尺、電子秤、元素分析儀、量熱儀、分析天平、烘干箱、馬弗爐等。

3.3 試驗方法

將秸稈捆原料置于進料臺上，打開鍋爐控制、配風系統，爐門內部設有電子點火器進行點火。穩定運行前采用人工進料，可根據儀表參數對上料速度進行調整，待穩定運行后改為自動進料。設備主要熱力參數到達額定工況且穩定運行1 h后，進行大氣污染物及熱工性能測試。鍋爐大氣污染物排放的檢測按照《鍋爐煙塵測試方法：GB5468—1991》進行，熱工性能檢測按照《工業鍋爐熱工性能試驗規范：GB/T10180—2003》進行。

3.4 結果分析

試驗測得的結果如表3所示，穩定運行狀態下，設備的平均熱功率為1.3 MW，鍋爐平均熱效率為80.37%。排放煙氣中，經折算后NOx、SO2、顆粒物的平均排放濃度分別為197、7、48 mg/m3，林格曼黑度＜1，各項排放參數均低于國家排放規定，符合設計要求。

表3 連續式捆燒鍋爐燃燒性能試驗結果

3.5 供暖示范工程經濟與減排潛力測算

針對設計的連續式秸稈捆燒鍋爐，建立了一處區域供暖的示范工程，如圖4所示。該工程位于榆樹市大坡鎮，采用兩臺額定熱功率為1.4 MW的連續式捆燒鍋爐進行并聯，為小區居民進行供暖，在網面積30 000 m2，實際供熱面積為28 500 m2。通過對該示范工程一個供暖季的燃料消耗量進行統計，得各月的燃料消耗量如圖5所示，總燃料消耗量約為1 719.4 t，根據煙氣量測算后的污染物數據如表4所示。基于全生命周期評價方法[11]，該示范工程可有效代替標煤約657.9 t，減少CO2當量排放量1 654 t，則單位面積減少的標煤使用量為23.1 kg/m2，CO2當量減排量為58 kg/m2，減排效果顯著，對于實現中國2030年碳達峰、2060年碳中和的目標，具有較大的推動作用[25]。

圖4 供暖工程鍋爐房

表4 單個供暖期內秸稈捆燒示范工程測算

4 結 論

1）基于分級燃燒原理，設計了三室分級配風、高溫煙氣預熱干燥秸稈捆、往復爐排增加捆間間隙，額定熱功率為1.4 MW的連續式秸稈捆燒鍋爐，對較為重要的設計參數給出了合理的參考值。

2）連續式捆燒鍋爐的熱工與排放測試試驗結果表明，鍋爐的平均熱效率達80.37%，經折算后的NOx、SO2、顆粒物平均排放濃度分別為197、7、48 mg/m3，符合相關標準的要求。

3）采用秸稈捆燒鍋爐進行區域供暖，單個供暖期內可實現減少標煤使用量為23.1 kg/m2，CO2當量排放量為58 kg/m2，對進一步促進碳中和、碳達峰的目標實現，具有顯著效果。

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Design of continuous baled straw combustion equipment and analysis of emission reduction potential in a demonstration project

Deng Yun1, Jia Jixiu1, Yao Zonglu1※, Zhao Lixin1, Huo Lili1, Yang Wuying2, Guo Hongwei2

(1.100081; 2.112000)

A large amount of straw has been widely returning in China. For example, 89 million tons with a comprehensive utilization rate of 86.79% in 2017. The rest of the unutilized straw can be treated via abandonment or burning in the field, even though it can cause heavy pollution. Alternatively, the crop straws can be utilized as fuels for hot water boilers in cleaning heating. By contrast, there are 400 million tons of standard coal consumed annually for heating in North China. A large amount of coal burning has led to a substantial increase in the emission of pollutants, especially in rural areas in winter. But, there are still so many challenges in the combustion system of straw. In this study, a continuously baled straw combustion boiler was designed to improve the thermal efficiency and emission with the rated thermal power of 1.4 MW suitable for small-scale heating. Some parameters were also determined for the furnace combustion chamber, grate, air distribution, and heat exchange system. A reciprocating grate was designed to increase the gap of the fuel, particularly for the full contact between fuel and oxygen. A state-of-the-art air staging was utilized to design the combustion system for the best distribution of primary and second air volume. The total air excess coefficient was set as 1.4. The reason was that the pollute emission was the largest when the air excess coefficients were around 1.0 and 1.8 in the primary and second combustion chamber, respectively. The heat transfer surfaces were assumed as the radiate and convection heating exchanging system, which were mainly absorbed the heat in the process of fuel combustion, thereby maintaining the furnace in the process at a suitable temperature. The temperature values of the combustion chamber, flue gas at the combustion chamber outlet, flue gas at the chimney outlet were about 1 314, 972,and 147℃, respectively. The heat and emission tests were conducted under the national standard after the boiler was completed. The field tests were carried out in the Tieling County, Liaoning province of China. The fuel was taken as the square bales of corn straw, where the section size was 450 mm×350 mm, the density was 110 kg/m3, and the moisture content was 18%. The results show that excellent performance of combustion boiler was achieved, where the average thermal efficiency was 80.37%, the average emission concentration of particulate matter was 48 mg/m3, the mass concentration of NOx was 197 mg/m3, and the mass concentration of SO2was 7 mg/m3. The environmental protection and energy efficiency indexes were fully met the design requirements and national standards. Furthermore, the total fuel consumption was calculated in a demonstration project using the whole cycle assessment. Specifically, straw heating was utilized to effectively reduce the use of standard coal by about 657.9 t and green gas emissions (CO2 eq.) by 1 654 t. This finding can provide promising technical guidance to launch the large-scale heating project for the low-emission straw burning boiler.

emissions; thermal efficiency; design; baled straw combustion; clean heating

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.029

TQ515

A

1002-6819(2021)-21-0252-07

鄧云，賈吉秀，姚宗路，等. 連續式秸稈捆燒鍋爐設計與供暖工程減排潛力分析[J]. 農業工程學報，2021，37(21)：252-258.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.029 http://www.tcsae.org

Deng Yun, Jia Jixiu, Yao Zonglu, et al.Design of continuous baled straw combustion equipment and analysis of emission reduction potential in a demonstration project[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 252-258. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.029 http://www.tcsae.org

2021-07-19

2021-10-05

中國農業科學院科技創新工程；財政部和農業農村部：國家現代農業產業技術體系資助

鄧云，博士生，研究方向為生物質能源技術與裝備。Email：dengyun0816@163.com

姚宗路，研究員，研究方向為農業廢棄物資源化利用與高值轉化技術。Email：yaozonglu@caas.com