生物質熱風爐風量控制探究

邢占強

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

我國是一個煤炭資源儲量相對豐富,而對石油、天然氣等能源依存度較高的國家，所以導致在日常能源供給方面燃煤鍋爐占主導地位。在我國東北地區使用熱風爐設備的用戶中95%左右是燃煤型熱風爐。化石能源的過渡利用導致空氣中的碳氧化物和氮氧化物占比不斷增加，隨著人類對生存環境越來越重視，減少非再生能源的利用勢在必行[1-2]。而生物質燃料作為一種可再生的潔凈能源，相比化石能源的優勢明顯，生物質是通過光合作用，將空氣中的CO2、水，土壤中的肥料以化學反應的形式轉形成有機質的生命體。如圖1所示。生物質制作成燃料在燃燒后排放的大氣污染物SO2、NOX、煙塵及顆粒物等污染物相對較少，且在專用燃燒設備上燃燒時，其燃燒效率較高，屬于低污染燃料。生物質燃料作為清潔能源使用能滿足國家環保技術指標的要求。如果生物質作為燃料使用在燃燒不充分、燃燒設備運行不佳或污染物處治不當等情況下，仍然會對環境造成一定程度的破壞。本研究主要針對1 t型生物質熱風爐，采用多種配風方案組合調試，記錄該生物質熱風爐燃燒試驗性能數據，最終做出相應數據分析。

圖1 清潔能源生物質能

1 影響鍋爐性能的重要性因素分析

污染物排放和熱效率是衡量熱風爐性能指標的重要因素，熱效率是衡量熱風爐性能指標的重要因素。其中熱效率高低一般通過熱損失法(反平衡法)進行確定，可以通過控制熱損失中的不利因素來提高熱風爐的實際熱效率。熱損失法主要理論依據為

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6)

(1)

式中η—鍋爐熱效率，%；

q2—排煙熱損失百分率，%；

q3—可燃氣體不完全燃燒熱損失百分率，%；

q4—固體未完全燃燒熱損失百分率，%；

q5—鍋爐散熱損失百分率，%；

q6—灰渣物理熱損失百分率，%。

其中，對鍋爐燃燒效率影響最重要的2個指標為q2和q4損失。

1.1 排煙熱損失(q2)分析

排煙熱損失是鍋爐在使用過程中熱損失所占比例最為突出的一項。排煙熱損失中最重要的影響因素是排煙溫度和煙氣容積，據相關研究，排煙溫度每升高 12 ℃，將使得排煙熱損失的值增加大約1%。因此，要提高生物質熱風爐的燃燒效率采用降低排煙溫度是非常有效的手段之一，可通過控制進入生物質熱風爐中空氣量來實現。實現生物質熱風爐的高效運行，需要使爐膛內的生物質燃料充分燃燒。在通過控制鍋爐進風量控制排煙溫度這一過程中，如果進入生物質熱風爐中空氣量過大，產生的煙氣也會同時排放到空氣中，這一過程反而增加了排煙損失。

本研究的1 t型生物質熱風爐設計時采用了增加熱風爐尾部換熱器面積的方案。在生物質熱風爐換熱器處增加換熱量，將爐內溫度盡最大程度交換利用。同時加強換熱器的換熱能力，降低排煙溫度又可以用于防止換熱器的燒損問題[3-4]。控制排煙溫度時溫度控制要適當，必須基于經濟性和燃燒性能多方面考量，來選取合理的排煙溫度，因為在制造設備時不能無限度的加大換熱器面積這將很大程度上增加了制造成本。

除此之外，在鍋爐正常運行過程中，可以通過吹灰及減少沿煙氣行程各處煙道的漏風量等方式來減小排煙熱損失。

1.2 固體未完全燃燒熱損失(q4)分析

對于生物質燃料來說，硫的含量較少，這就意味著生物質燃料燃燒時更加清潔[5-6]。生物質燃料水分含量的增加又可以使得煙氣的體積增加，從而使排煙熱損失增加，所以生物質燃料在選用時要控制好燃料的含水率。生物質燃料其揮發分含量高達 70%左右，達到著火點后很容易燃燒，如表2所示。

表2 市面常見玉米秸稈化學成分分析

在生物質燃料的燃燒過程中，會存在一部分未燃盡的燃料以灰渣或者飛灰的形式排出鍋爐而引起固體未完全燃燒熱損失。對于設計生物質熱風爐來說，固體未完全燃燒熱損失也是熱風爐燃燒中總的熱損失中主要的因素。如果燃料燃燒產生的灰分越多，則夾雜在灰渣和飛灰中未燃盡的固體可燃物也就越多，從而固體未完全燃燒熱損失也就越大。燃燒時一般燃料層較厚，處于底層燃料的吸熱和點燃就會變得非常遲緩，因此如何合理控制鍋爐內部燃燒風量的配比能得到較理想的燃燒效果需要重點研究。要解決生物質燃料鍋爐熱效率及有效控制污染物排放問題選取合理的配風方案是非常必要的[7-9]。

2 生物質熱風爐風量配置方案

2.1 爐排一次風配置選用

為了更好地減少人為因素的干擾，采用機械鏈條式爐排進行自動供料。爐排面積的計算

(2)

式中A—爐排面積；

B—每小時的耗煤量，kg·h-1；

Q—生物質秸稈壓塊的熱值發熱量，kJ·kg-1；

q—爐排熱強度，kJ·(m·h)-1；

ɑ—爐排系數。

1 t型生物質熱風爐是以傳統燃煤鍋爐為原型進行優化改造形成的產品。設計功率為700 kW，設計熱效率為 80%，生物質秸稈壓塊的均位熱值發熱量Q=15 000 kJ·kg-1，計算可得生物質燃料消耗量為B=208 kg·h-1。一般燃煤鍋爐爐排系數為1.2～1.3，由于生物質燃料的密度相對標準煤要小而且熱值相當于標準煤熱值的一半左右，在同樣功率的鍋爐設計過程中每小時填入爐膛內燃料的體積相對較大，所以在設計過程中生物質鍋爐的爐排及爐膛要適當放大，因此，取α=1.8。將數值代入公式(2)，爐排面積最終確定設計尺寸A=3.3 m3。

燃燒時進入爐內的燃料其干燥、干餾過程是在厭氧的條件下進行，生物質燃料400 ℃時燃料的揮發份即可完全析出，導致燃燒室瞬間缺氧，要想充分燃燒，就必須馬上補充充足的氧。生物質熱風爐所消耗的生物質燃料料層厚度要比燃煤鍋爐料層厚，要保證有足夠空氣穿過料層，空氣過量系數選取3.9，來保證燃料燃燒初期的充分性。最終選取風機補充風量范圍2 664～5 268 m3·h-1，可以根據燃燒狀況實時調節空氣供給量。

2.2 爐排二次風配置選用

1 t型生物質熱風爐完成過程中合理配置二次風是改善燃燒效果非常重要的一個環節，本設計中二次風以垂直于高溫煙氣運行的方向，從爐體兩側高溫主燃燒區的上方以交叉對沖的形式高壓高速射入爐膛，強行沖擊高溫煙氣并與其碰撞混合，沖擊使高溫煙氣的氣流的運動狀態發生改變，增加高溫煙氣在爐膛內的行走路線和停留時間。在高溫作用下煙氣內未曾燃燼的可燃性氣體繼續燃燒，釋放出其所含的熱量。對燃煤鍋爐來說，通常二次風約占總風量的 5%～12%，但是煤的揮發份值遠低于生物質燃料，因此，設計生物質鍋爐的二次風約占總風量的 30%，并結合變頻器與一次風比例按工況隨動調整。在項目實施過程中，為保證二次風具有足夠的穿透能力和射程。最終選取風機的補充風量范圍824～1 704 m3·h-1，用以達到將所供應生物質燃料充分燃盡的設計要求。

為使所設計生物質熱風爐工作時二次風多點多孔位布風、強化煙氣在爐內的停留時間，迫使燃燒的煙氣在爐膛中擾動，析出的揮發份隨著高溫煙氣在二次風的引導下迅速燃燒[10]。

基于此方面的考慮，將在該設備上適當選配可調換二次風口部件(圖3)，方便調節二次風出口的數量、出口的口徑及入口形式，這樣最終會改變二次風風口風速及燃燒室煙氣的擾動狀態，可以保證二次風具有足夠的穿透能力和射程，能夠有效阻止未燃揮發分的快速排出，使得空氣能與揮發分混合充分燃燒，從而降低生物質燃料的不完全燃燒損失，提高鍋爐燃燒效率，為后續試驗及試驗數據分析提供必要方案支撐。

圖3 二次風多種供風形式

后期的燃燒試驗中得到的數據結果(圖4)可以看出通過進行上述的方案改造，可以得到符合國家標注排放的生物質熱風爐。

圖4 熱風爐試驗儀器測定數據

3 結語

目前，將原有燃煤熱風爐改造為生物質熱風爐，從環保角度看可以滿足國家環保政策，而且排放技術指標可達到國家標注。通過深入研究燃煤與生物質燃燒性質，在原有燃煤鍋爐基礎上進行合理結構設計及改造，可以得到理想的生物質燃燒爐型。通過智能監測控制燃燒過程中風量的分配方案，使所設計的鍋爐能滿足國標要求。這對于我國可再生的生物質能源處于結構性產能過剩的局面能得以改善。對我國加快調整能源結構，構建清潔低碳高效能源體系是非常有意義的。