秸稈壓塊燃料爐設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉聯(lián)勝，趙君磊，王冬計(jì)，郭志勇

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省熱科學(xué)與能源清潔利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401； 3.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津 300192）

0 引 言

中國(guó)每年的煤炭消耗量約40億t，其中約4億t用于北方取暖，燃煤仍是供暖的主力熱源，供暖過程溫室氣體排放量占建筑行業(yè)溫室氣體排放總量的40%以上。近年來，國(guó)家大力推進(jìn)農(nóng)村地區(qū)“煤改氣、煤改電”的清潔供暖策略，取得了顯著的成效，但存在電力、燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施投資成本高、燃?xì)夤?yīng)不足等局限性，清潔供暖方式亟待優(yōu)化。中國(guó)生物質(zhì)資源豐富，可能源化利用的生物質(zhì)能資源折合為標(biāo)準(zhǔn)煤約4億t。生物質(zhì)作為全生命周期零碳排放的可再生能源，供暖潛力巨大。在“雙碳目標(biāo)”的大背景下，“煤改生物質(zhì)”的清潔供暖方式引起了廣泛關(guān)注。

生物質(zhì)原料通過致密化成型技術(shù)，可得到具有高密度的、形狀規(guī)則的生物質(zhì)成型燃料，使其具備了在小型燃燒室內(nèi)組織穩(wěn)定燃燒過程的必要性。歐盟地區(qū)生物質(zhì)取暖技術(shù)發(fā)展較早，林業(yè)廢棄物資源豐富，成型燃料主要為木質(zhì)顆粒燃料（直徑8 mm），木質(zhì)顆粒燃料的灰熔融溫度一般在1 400 ℃以上，適用于顆粒燃料燃燒的鍋爐（＜15 kW）多采用固定爐排系統(tǒng)。中國(guó)農(nóng)村地區(qū)秸稈資源豐富，成本廉價(jià)，成型燃料主要為秸稈壓塊燃料。秸稈壓塊燃料具有尺寸較大（直徑50～80 mm）、灰熔點(diǎn)較低等特點(diǎn)，采用固定爐排會(huì)增加燃料層灰分結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響鍋爐燃燒穩(wěn)定性。因此，適用于秸稈燃料的壓塊爐需設(shè)計(jì)為搖動(dòng)爐排系統(tǒng)。

Nakahara等基于生物質(zhì)一維燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)燃料的燃燒反應(yīng)持續(xù)時(shí)間僅有5～15 min。Schmidl等對(duì)比研究了8種生物質(zhì)顆粒燃料在自動(dòng)送料燃料爐（6 kW）與人工送料手燒爐（6.5 kW）中的大氣污染物排放行為，自動(dòng)顆粒爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣中CO和PM10排放量分別在51、20 mg/m左右；手燒爐煙氣中CO和PM10濃度分別為1 331～3 971、110～150 mg/m，手燒爐煙氣中污染物排放濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自動(dòng)送料爐，且手燒爐污染物排放濃度波動(dòng)性大。Polá?ik等通過粉塵捕捉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人工送料的木質(zhì)顆粒爐所產(chǎn)生的顆粒物約為自動(dòng)爐的4倍。因此，為保證燃料的充分燃燒，避免在組織燃燒過程中增加污染物氣體的排放，連續(xù)穩(wěn)定輸送生物質(zhì)燃料是必要的。對(duì)于木質(zhì)顆粒燃料爐，采用螺旋或雙螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行間歇式送料，燃燒比較穩(wěn)定，排放較低，整體燃燒性能較好。對(duì)于秸稈壓塊燃料爐而言，送料方式多以人工填料為主，自動(dòng)化程度低，沒有配套自動(dòng)送料裝置，導(dǎo)致壓塊燃料輸送不穩(wěn)定，燃燒波動(dòng)性大，大氣污染物排放高。由于秸稈壓塊燃料尺寸不規(guī)則，適用于木質(zhì)顆粒燃料的螺旋結(jié)構(gòu)送料方式不適合輸送秸稈壓塊燃料。本課題組前期研發(fā)的一種具有自動(dòng)送料功能的戶用秸稈壓塊燃料爐，采用撥料盤進(jìn)行間歇式送料，但由于壓塊燃料硬度高，導(dǎo)致送料裝置的撥片容易損壞。目前關(guān)于配套自動(dòng)送料裝置的秸稈壓塊燃料爐具的研究很少，本文研發(fā)了一種配套自動(dòng)供料機(jī)的秸稈壓塊燃料爐。對(duì)燃料爐具的熱性能和大氣污染物排放進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，以檢測(cè)鍋爐結(jié)構(gòu)的合理性，為后續(xù)生物質(zhì)燃料爐具的開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 秸稈壓塊燃料爐設(shè)計(jì)

1.1 秸稈壓塊燃料爐設(shè)計(jì)依據(jù)

設(shè)計(jì)秸稈壓塊燃料爐，主要依據(jù)壓塊燃料的理化特性。本課題組于張北縣開展農(nóng)村供熱示范項(xiàng)目，選取能源服務(wù)站自制的莜麥秸稈壓塊燃料作為試驗(yàn)燃料。莜麥秸稈壓塊燃料參數(shù)：截面尺寸為30 mm×30 mm，長(zhǎng)度不一（30～60 mm），密度900～1 000 kg/m，采用EA3000元素分析儀和TRGF8000工業(yè)分析儀對(duì)莜麥秸稈壓塊燃料進(jìn)行元素分析和工業(yè)分析，如表1所示。

表1 莜麥秸稈壓塊燃料元素分析與工業(yè)分析 Table 1 Ultimate and proximate analysis of naked oat straw briquetting fuel

秸稈壓塊燃料大小、尺度不規(guī)則，燃料小流量穩(wěn)定輸送具有一定的難度，采用鏈板結(jié)構(gòu)可達(dá)到穩(wěn)定輸送燃料的目的。壓塊燃料主要燃燒組分為揮發(fā)分和固定碳，采用分區(qū)燃燒有利于壓塊燃料的高效率燃燒；其灰分含量過高，燃燒過程中有灰分熔融的風(fēng)險(xiǎn)，采用水冷燃燒室、搖動(dòng)爐排等結(jié)構(gòu)，可有效避免此風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 秸稈壓塊燃料爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

秸稈壓塊燃料爐包括自動(dòng)供料機(jī)和壓塊爐具，如圖1所示。

圖1 秸稈壓塊燃料爐結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure diagram of straw briquette boiler

自動(dòng)供料機(jī)包括燃料箱、時(shí)間控制系統(tǒng)、鏈板等結(jié)構(gòu)，如圖2所示。燃料箱由長(zhǎng)、短擋板與成型鋼板組合而成，整體呈漏斗狀；短擋板上的振動(dòng)機(jī)通過施加振動(dòng)以維持壓塊的流動(dòng)性。時(shí)間控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)的工作、停歇時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)間歇式工作；調(diào)速電機(jī)通過鏈條與鏈輪帶動(dòng)雙鏈板同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，鏈板上的多齒片推動(dòng)壓塊進(jìn)行輸送；第二鏈板末端的大角度通道使經(jīng)過的燃料一部分掉落返還到儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)，另一部分被輸送到爐內(nèi)。料筒用于連接第一鏈板與儲(chǔ)料空間，為壓塊燃料的緩沖通道；儲(chǔ)料空間用于收集第一鏈板上的燃料，同時(shí)提供第二鏈板所輸送的燃料；料渣箱位于最底部，用于收集供料機(jī)運(yùn)行過程中所掉落的殘?jiān)?/p>

圖2 自動(dòng)供料機(jī)結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure diagram of automatic feeder

自動(dòng)供料機(jī)工作原理：將壓塊燃料放置于料箱中，時(shí)間控制器控制調(diào)速電機(jī)進(jìn)行工作，帶動(dòng)雙鏈板機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)；第一鏈板上的多齒片經(jīng)過料箱出口時(shí)，會(huì)推動(dòng)部分壓塊燃料進(jìn)行輸送，經(jīng)料筒進(jìn)入儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)；第二鏈板上的多齒片經(jīng)過儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)，推動(dòng)燃料在鏈板上傳送，經(jīng)過大角度通道時(shí)，少部分燃料會(huì)進(jìn)入爐膛燃燒。

壓塊爐具結(jié)構(gòu)如圖3a所示。基于分區(qū)燃燒原理，爐膛設(shè)計(jì)為雙燃燒室結(jié)構(gòu)。一次燃燒室用于焦炭和少部分揮發(fā)分的燃燒，二次燃燒室用于大部分揮發(fā)分的燃燒，一次燃燒室為水套包覆的水冷燃燒室。循環(huán)水套、煙氣換熱室、生活熱水水套用于高溫?zé)煔獾膶?duì)流換熱，煙囪端的降塵濾網(wǎng)與活性碳對(duì)煙氣進(jìn)行凈化除塵。

圖3 壓塊爐具結(jié)構(gòu)圖及剖面俯視圖 Fig.3 Structure diagram and top section view of briquette boiler

基于燃燒室結(jié)構(gòu)，壓塊爐具設(shè)計(jì)為鼓風(fēng)、引風(fēng)相耦合的配風(fēng)系統(tǒng)，如圖3b所示，同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)與生物質(zhì)專用點(diǎn)火器配合，組成爐具的點(diǎn)火系統(tǒng)；煙氣循環(huán)裝置用于氮氧化物的減排。煙氣循環(huán)管道、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)管與一次燃燒室的風(fēng)盒相連接。壓塊爐具的爐排設(shè)計(jì)為自動(dòng)爐排系統(tǒng)，包括時(shí)間控制系統(tǒng)、自動(dòng)推拉桿和搖動(dòng)爐排。自動(dòng)供料機(jī)的時(shí)間控制系統(tǒng)控制自動(dòng)推拉桿，拉動(dòng)搖動(dòng)爐排進(jìn)行定時(shí)除灰，松動(dòng)燃料。

壓塊爐具工作原理：爐膛中的燃料在空氣氛圍下發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，其中少部分揮發(fā)分和焦炭在一次燃燒室燃燒，大部分揮發(fā)分在二次燃燒室燃燒。燃燒所產(chǎn)生的灰渣通過自動(dòng)爐排系統(tǒng)收集于灰斗中；產(chǎn)生的煙氣依次經(jīng)過一次燃燒室、二次燃燒室、煙氣換熱室、降塵濾網(wǎng)后，大部分被排放到大氣中，少部分重新輸送到爐內(nèi)。

縱觀整個(gè)鍋爐結(jié)構(gòu)，其自動(dòng)送料機(jī)采用雙鏈板機(jī)構(gòu)進(jìn)行勻速輸送燃料，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定輸送燃料；大角度通道具有限制燃料輸出的功能，有助于供料機(jī)小流量輸送燃料。壓塊爐具采用雙燃燒室結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)組分的分區(qū)燃燒，鼓風(fēng)與引風(fēng)耦合的配風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燃料的完全燃燒；其點(diǎn)火系統(tǒng)縮短了壓塊的點(diǎn)燃時(shí)間，有助于減燃料浪費(fèi)；其自動(dòng)爐排系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)松動(dòng)燃料，減少人工操作除灰。

1.3 秸稈壓塊燃料爐關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

大角度通道的陡坡結(jié)構(gòu)使一部分燃料返還至儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)中，達(dá)到限制壓塊燃料輸出的目的，其通道坡度對(duì)壓塊輸送有至關(guān)重要的影響。自動(dòng)供料機(jī)預(yù)設(shè)工況為3 kg/h，通過重復(fù)性預(yù)試驗(yàn)對(duì)不同坡度的燃料輸送情況進(jìn)行測(cè)試。其中70°、75°、80°、85°、90°的平均燃料輸送量分別為4.24、3.95、3.58、3.07、2.43 kg/h，85°的通道坡度為最優(yōu)坡度參數(shù)。

設(shè)計(jì)鏈板傳動(dòng)電機(jī)額定功率由式（1）計(jì)算得到。

式中為功率備用系數(shù)，取=1.1；為鏈板計(jì)算張力，N；為鏈板傳動(dòng)速度，m/s；為鏈板傳動(dòng)效率，取=0.85。

鏈板計(jì)算張力根據(jù)式（2）～（4）計(jì)算。

式中F、F分別為鏈板傳動(dòng)的靜張力、動(dòng)載荷，N；為初始張力，N，一般取=2 100 N；為運(yùn)行阻力系數(shù)，取=0.1；L為鏈板承載運(yùn)行的水平方向長(zhǎng)度，m；L′為鏈板空載運(yùn)行的水平方向長(zhǎng)度，m；、分別為鏈板承載、空載運(yùn)行時(shí)的單位長(zhǎng)度承載質(zhì)量，kg/m；為輸送燃料上升的高度，m；C為輸送鏈板換算質(zhì)量的減少系數(shù)，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度小于25 m，取C=1。

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)與重復(fù)性測(cè)試過程，確定壓塊燃料自動(dòng)送料機(jī)的尺寸及輸送參數(shù)，取第二鏈板最大傳動(dòng)速度=0.07 m/s，L=0.31 m，L′=0.31 m，=20 kg/m，=15 kg/m，=0.71 m，計(jì)算得電機(jī)額定功率為0.233 kW，考慮裕量后選取0.25 kW的調(diào)速電機(jī)作為送料機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

生物質(zhì)燃料爐的爐膛容積與爐排面積主要取決于爐膛容積熱強(qiáng)度和爐排面積熱強(qiáng)度，過大或過小都不利于秸稈壓塊燃料的充分燃燒。根據(jù)文獻(xiàn)[19]，家用生物質(zhì)壓塊燃料爐排面積熱強(qiáng)度和爐膛容積熱強(qiáng)度參數(shù)的合理范圍分別為150～210和250～330 kW/m。爐排面積和爐膛容積根據(jù)由式（5）、式（6）計(jì)算。

式中R、V分別為爐排面積與爐膛容積，m、m；為燃料消耗量，kg/h；Q為壓塊燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg；q、q分別為爐排面積熱強(qiáng)度與爐膛容積熱強(qiáng)度，kW/m、kW/m。

根據(jù)實(shí)際壓塊燃料爐燃料輸送量要求，取額定燃料消耗量3 kg/h，q=200 kW/m，q=290 kW/m，求得爐排面積為0.056 m，爐膛容積為0.039 m。

燃料燃燒所需的空氣量主要依據(jù)燃料所含的可燃元素含量，燃料爐所需的理論配風(fēng)量由式（7）計(jì)算。

式中V為理論空氣量，m/kg；C、S、O、H分別為生物質(zhì)燃料中的元素含量，%。

由麥秸稈壓塊燃料的元素分析結(jié)果可知，燃料燃燒所需的理論空氣量為3.84 m/kg。根據(jù)生物質(zhì)成型燃料爐的最佳過量空氣系數(shù)（=1.6）及燃料輸送量（2.5～4 kg/h），壓塊爐具燃燒所需的實(shí)際配風(fēng)量為15.4～24.6 m/h，其中引風(fēng)和鼓風(fēng)占比分別為85%、15%。通過調(diào)控鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)風(fēng)閥開度，調(diào)節(jié)實(shí)際配風(fēng)量。

2 秸稈壓塊燃料爐性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

測(cè)試秸稈壓塊燃料爐的試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括供暖爐、水箱、循環(huán)水泵等，如圖4所示。試驗(yàn)儀器：TRGF8000工業(yè)分析儀、PFM92K煙塵分析儀、Testo-340煙氣分析儀、高精度渦輪流量計(jì)（測(cè)量精度±1.5%）、K型熱電偶測(cè)溫（0～1300 ℃；測(cè)量精度±1℃）、高精度電計(jì)量插座（測(cè)量精度±1%）、臺(tái)秤（0～30 kg；測(cè)量精度±0.2 kg）等。

圖4 秸稈壓塊燃料爐試驗(yàn)系統(tǒng)圖 Fig.4 Test system diagram of straw briquette boiler

2.2 試驗(yàn)方法

自動(dòng)供料機(jī)連續(xù)穩(wěn)定輸送燃料是壓塊爐具穩(wěn)定燃燒的前提。自動(dòng)供料機(jī)間歇輸送燃料，其工況如表2所示，其中工作時(shí)間為輸送一次燃料的時(shí)間，停歇時(shí)間為輸送燃料的間隔時(shí)間。為檢測(cè)莜麥秸稈壓塊燃料輸送適應(yīng)性及穩(wěn)定性，探究自動(dòng)供料機(jī)不同工況下的燃料輸送情況，使用臺(tái)秤進(jìn)行稱量，測(cè)試單位時(shí)間的燃料輸送量及燃料輸送波動(dòng)性。燃料箱可加裝36 kg左右的壓塊燃料，加料周期在10 h左右，因此，試驗(yàn)總時(shí)間設(shè)置為10 h。

表2 自動(dòng)供料機(jī)送料工況 Table 2 Working conditions of automatic feeder

試驗(yàn)前按規(guī)定調(diào)試試驗(yàn)儀器，點(diǎn)燃秸稈壓塊燃料爐，當(dāng)燃料爐達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)，依據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NB/T34005-2020清潔采暖爐具試驗(yàn)方法》對(duì)秸稈壓塊燃料爐具進(jìn)行額定熱功率及正平衡效率測(cè)試與計(jì)算，依據(jù)《NB/T 34006清潔采暖爐具技術(shù)條件》對(duì)熱工參數(shù)及大氣污染排放進(jìn)行對(duì)比分析。

額定熱功率按式（8）計(jì)算。

式中P為生物質(zhì)鍋爐的額定熱功率，kW；G為試驗(yàn)期間的總出水量，kg；T為鍋爐總出水平均溫度，℃；T為鍋爐總進(jìn)水平均溫度，℃；、為分別為試驗(yàn)開始、結(jié)束時(shí)間，s。

正平衡效率效率按式（9）計(jì)算。

式中為η為正平衡效率，%。

全面鑒定燃料爐熱性能參數(shù)時(shí)，需通過測(cè)定與分析熱損失進(jìn)行反平衡效率的計(jì)算，當(dāng)正反平衡效率差值小于5%時(shí)，熱效率取正平衡效率數(shù)值。反平衡效率按式（10）進(jìn)行計(jì)算。

式中η為反平衡效率，%；、、、分別為排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、散熱損失，%。

各項(xiàng)熱損失依據(jù)文獻(xiàn)[25-26]進(jìn)行測(cè)定與計(jì)算，其中固體不完全熱損失主要產(chǎn)灰量、灰渣及飛灰的可燃物含量有關(guān)，使用TRGF8000工業(yè)分析儀測(cè)試灰分的可燃物含量；排煙熱損失主要與排煙溫度有關(guān)，使用K型熱電偶測(cè)溫測(cè)試煙氣溫度。

測(cè)試大氣污染物排放的位置選擇垂直煙囪，距爐具煙氣出口處標(biāo)高1.0 m處。使用Testo-340煙氣分析儀測(cè)試CO、NOx、SO的排放量，使用PFM92K煙塵分析儀測(cè)試煙氣中粉塵排放量。

秸稈壓塊燃料爐自動(dòng)化程度較高，需進(jìn)行耗電量測(cè)試。采用高精度電計(jì)量插座測(cè)試實(shí)際運(yùn)行過程中的耗電量。

3 秸稈壓塊燃料爐性能分析

3.1 自動(dòng)供料機(jī)穩(wěn)定性分析

圖5為自動(dòng)供料機(jī)連續(xù)輸送秸稈壓塊燃料情況。由于秸稈壓塊燃料的大小、尺度不一，燃料輸送具有波動(dòng)性。隨著工況停歇時(shí)間的增加，送料機(jī)構(gòu)的燃料輸送量減少，燃料輸送量的波動(dòng)越大。工況1～4的平均燃料輸送量分別為4.12、3.64、3.11、2.57 kg/h，波動(dòng)不超過12%，符合各工況下預(yù)期設(shè)定值，基本滿足燃料爐送料穩(wěn)定性需求。自動(dòng)供料機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)10 h穩(wěn)定、連續(xù)、小流量輸送燃料，可滿足夜間連續(xù)供暖，實(shí)現(xiàn)無人值守。

圖5 自動(dòng)供料機(jī)輸送秸稈壓塊燃料輸送量 Fig.5 Fuel delivery of straw briquette by automatic feeder

3.2 燃料爐熱性能分析

莜麥秸稈壓塊燃料燃燒后灰渣、飛灰工業(yè)分析結(jié)果如表3所示。灰渣、飛灰中的可燃物含量分別為2.34%、4.98%，是固體不完全熱損失的重要來源。灰中可燃物成分主要為少量的揮發(fā)分及固定碳，由于灰殼包裹阻礙了固定碳和氧化劑的接觸，阻礙了揮發(fā)分的擴(kuò)散，導(dǎo)致灰中可燃物存留。通過合理控制搖動(dòng)爐排，定時(shí)松動(dòng)燃料層，減少灰中可燃物含量。

表3 秸稈壓塊燃料灰渣、飛灰中的可燃物成分分析 Table 3 Analysis of combustible components in straw briquette fuel ash and fly ash %

秸稈壓塊燃料爐額定熱功率和熱效率結(jié)果如表4所示，試驗(yàn)測(cè)得額定熱功率約為8 kW，正平衡效率為71.2%，反平衡效率為71.51%。其中，排煙熱損失占22.5%，主要原因是引風(fēng)方式會(huì)造成排煙熱損失增大，通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度及增大煙氣循環(huán)量，減少排煙熱損失；散熱損失占4.11%，原因是爐體未作保溫，所研究的燃料爐主要用于農(nóng)村建筑物室內(nèi)，散失的熱量可以承擔(dān)室內(nèi)的供熱部分。正反平衡效率差值為0.31%，生物質(zhì)鍋爐的熱效率選取為71.20%，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱效率（＞65%）。

表4 鍋爐試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試及正、反平衡效率計(jì)算 Table 4 Test of boiler experimental parameters and calculation of positive and negative balance efficiency

3.3 大氣污染物排放分析

試驗(yàn)工況3下，煙氣中大氣污染物濃度情況如圖6所示。燃燒工況穩(wěn)定時(shí)，SO排放量為0，粉塵、NOx、CO平均排放量分別為35.78 mg/m、191.1 mg/m、0.104%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值，表明秸稈壓塊燃料爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖6 煙氣中大氣污染物排放量 Fig.6 Emissions of air pollutants in flue gas

秸稈壓塊燃料爐在不同工況下的大氣污染物排放如表5所示。粉塵的排放量基本穩(wěn)定在35～37 mg/m。工況1下，燃料輸送量較少，爐排燃料層較薄，CO、NOx排放量分別為0.141%、204.4 mg/m。隨著燃料層厚度增加（工況2），NOx和CO排放量降低，空氣燃燒參數(shù)趨于最優(yōu)值，燃燒比較充分。當(dāng)燃料層的厚度進(jìn)一步增加（工況3），燃料燃燒更加完全，燃燒中心溫度高，CO排放量降低，NOx排放量增加。燃料層厚度再次增加（工況4），導(dǎo)致空氣量不足，空氣不易穿過燃料層，造成CO排放量增加。秸稈壓塊燃料爐的4種工況均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的2級(jí)排放指標(biāo)（粉塵排放量30～50 mg/m，CO排放量0.1～0.2%，NOx排放量150～250 mg/m），工況3為最佳燃燒工況。

表5 不同送料工況下大氣污染物的排放情況 Table 5 Emission of air pollutants under different feeding conditions

3.4 燃料爐耗電量分析

燃料爐的主要耗電量部件包括點(diǎn)火器、調(diào)速電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等，其理論耗電量及實(shí)測(cè)總耗電量如表6所示。秸稈壓塊燃料爐的理論耗電量為2.97 (kW·h)/d，實(shí)際耗電量為3.83 (kW·h)/d，主要原因是調(diào)速電機(jī)及振動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)耗電量較大，導(dǎo)致實(shí)際耗電量測(cè)試偏高。

表6 秸稈壓塊燃料爐理論及實(shí)測(cè)耗電量情況 Table 6 Theoretical and measured power consumption of straw briquette boiler in one day

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)的秸稈壓塊燃料爐，其自動(dòng)供料機(jī)可以實(shí)現(xiàn)10 h連續(xù)、穩(wěn)定、小流量輸送燃料；雙燃燒室結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)燃料的分區(qū)燃燒；引風(fēng)與鼓風(fēng)相耦合的配風(fēng)方式保證了燃燒室的充分燃燒，鼓風(fēng)點(diǎn)火系統(tǒng)縮短了點(diǎn)火時(shí)間；自動(dòng)爐排系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)除灰，減少人工操作除灰。

2）秸稈壓塊燃料爐性能及大氣污染物排放測(cè)試結(jié)果表明，額定熱功率為8 kW，熱效率為71.2%，耗電量為3.83 kW·h/d；在最佳燃燒工況下，粉塵、CO、NOx排放濃度分別為35.78 mg/m、0.104%、191.1 mg/m，符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的限值，鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。