0前言
    當(dāng)今世界人類面臨著經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展等多重壓力，改變能源的生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式，對于建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善具有重大意義，開發(fā)可再生能源引起了人們的更加廣泛關(guān)注。在所有的可再生能源中，生物質(zhì)能以其優(yōu)越性能被人們視為主要選擇之一。生物質(zhì)能的載體是有機(jī)物，是以實(shí)物的形式存在的，是唯一種可儲(chǔ)存與可運(yùn)輸?shù)目稍偕�能源。同時(shí)，從化學(xué)的角度上看，生物質(zhì)的組成是C-H化合物，它與常規(guī)的礦物能源如石油、煤等是同類，它的特性和利用方式與礦物燃料有很大的相似性，可以充分利用已經(jīng)發(fā)展起來的常規(guī)能源技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能。生物質(zhì)致密成型技術(shù)（利用顆粒機(jī)或者秸稈壓塊機(jī)壓制成型）的應(yīng)用，解決了因生物質(zhì)燃料密度小而貯運(yùn)困難的問題，為生物質(zhì)大規(guī)模的能源化利用創(chuàng)造了條件。
    與國外以木質(zhì)原料為主生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料不同，我國以玉米秸稈、稻草、棉桿等秸稈類生物質(zhì)為原料，其灰分含量比木質(zhì)類的要高，如棉桿的灰含量超過了20%、玉米秸稈為10%、風(fēng)干的稻草為24.4%，而木質(zhì)類要少的多，如白杉的灰含量為0.25、紅木的為0.36%、松樹的為0.29%。并且秸稈灰中堿金屬含量較高，其寫二氧化硅反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的共晶體，降低了生物質(zhì)灰分的熔點(diǎn)，使秸稈灰極易結(jié)渣。國外的生物質(zhì)成型燃料應(yīng)用設(shè)備是根據(jù)木質(zhì)類成型燃料的特性設(shè)計(jì)的，不適應(yīng)我國的秸稈類成型燃料，直接引進(jìn)的生物質(zhì)成型燃料鍋爐在我國都不能正常使用。因此，我們根據(jù)生物質(zhì)成型燃料揮發(fā)分含量高、灰分易結(jié)渣的特性，利用生物質(zhì)下吸式氣化與炭的分層燃料技術(shù)，開發(fā)了分段燃燒生物質(zhì)成型燃料燃燒鍋爐，其對秸稈類成型燃料具有較好的適用性。
1鍋爐設(shè)計(jì)
1.1生物質(zhì)成型燃料的理化特性與燃燒方式的確定
    生物質(zhì)成型燃料是指以生物質(zhì)為原料，經(jīng)機(jī)械加工，生產(chǎn)的具有規(guī)則形狀的燃料產(chǎn)品。其密度由原來的0.1t/m³左右增至1t/m³以上，含水率在12%以下。其能量的體積密度與中質(zhì)煤相當(dāng)，生物質(zhì)的理化特性決定了其燃燒利用方式，通過其理化特性與煤的對比以，可有效利用煤的燃燒技術(shù)，根據(jù)生物質(zhì)的特性，開發(fā)出適合生物質(zhì)成型燃料的燃燒系統(tǒng)。由生物質(zhì)生成燃料的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量的數(shù)值與煤的相比可知，生物質(zhì)的揮發(fā)分遠(yuǎn)高于煤，灰分和含碳量遠(yuǎn)小于煤，氧含量遠(yuǎn)高于煤，發(fā)熱量小于煤。生物質(zhì)燃燒時(shí)的理論空氣量小于煤，生物質(zhì)灰分的軟化溫度低，堿金屬含量高，燃燒過裎中易結(jié)渣。生物質(zhì)成型燃料的理化特性決定了其燃燒過程中，揮發(fā)分的燃燒需要較多的空氣，固定炭燃燒的溫度不能超過灰分的結(jié)渣溫度。其較密的組織結(jié)構(gòu)限定了揮發(fā)分由內(nèi)向外的析出速度及熱量由外向內(nèi)的傳遞速度。生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火性能比原生物質(zhì)有所降低，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于型煤的點(diǎn)火性能。生物質(zhì)成型燃料開始燃燒時(shí)揮發(fā)分慢慢分解，燃燒處于動(dòng)力區(qū)，其燃燒速度由生物質(zhì)的熱解速度決定。揮發(fā)分燒盡后，剩余的焦炭結(jié)構(gòu)緊密，它能保持層狀燃燒。這時(shí)炭的燃燒消耗的氧與靜態(tài)滲透擴(kuò)散的氧相當(dāng)，燃燒穩(wěn)定持續(xù)，燃燒層溫度高，灰分在此階段容易結(jié)渣。根據(jù)以上特點(diǎn)，生物質(zhì)成型燃料燃燒時(shí)應(yīng)滿足：揮發(fā)分要充分燃燒，固定炭燃燒時(shí)的燃燒強(qiáng)度不能過高。
    本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的生物質(zhì)成型燃料燃燒鍋爐有專門的氣化區(qū)、炭燃盡區(qū)與揮發(fā)份燃燒區(qū)。氣化區(qū)采用下吸氣氣化原理，上部有較大的貯料空間，加料間隔時(shí)間在6小時(shí)以上，操作方便。固定炭燃燒區(qū)可從下爐排與擋灰爐排進(jìn)風(fēng)，降低了固定炭的燃燒溫度，灰分不易結(jié)渣。揮發(fā)分燃燒區(qū)四周為耐火材料，可提高此燃燒區(qū)的溫度。
1.2鍋爐結(jié)構(gòu)與工作原理
    本項(xiàng)目完成的生物質(zhì)成型燃料燃燒鍋爐主要有爐膛、出灰門、輻射受熱面、對流受熱面，往復(fù)移動(dòng)爐排、煙囪等組成。根據(jù)燃料不同的燃燒狀態(tài)，爐膛可分為氣化區(qū)、固定炭燃燒區(qū)與揮發(fā)分燃燒區(qū)三部分，在爐膛的上部有加料口與一次空氣進(jìn)口，下部側(cè)面有擋渣門與清渣門。往復(fù)移動(dòng)爐排下部為灰室。出灰門有進(jìn)空氣口與空氣量調(diào)整板。爐膛四周為水套，外部為保溫層。其結(jié)構(gòu)布置見圖1所示。

    鍋爐的燃燒過程為：燃燒所需的空氣由灰門上的進(jìn)氣口進(jìn)入鍋爐后分為三部分：一部分空氣經(jīng)上行風(fēng)道進(jìn)入燃燒室的上部，作為生物質(zhì)成型燃料氣化時(shí)的氣化劑；一部分空氣經(jīng)擋渣門和爐排進(jìn)入爐膛，與生物質(zhì)成型燃料氣化后生成的固定炭反應(yīng)；另一部分空氣通過灰室上部，從揮發(fā)分燃燒室下部進(jìn)入，與從側(cè)面進(jìn)入的可燃?xì)饣旌先紵�，生成的高溫�(zé)煔饨?jīng)對流換熱面后從煙囪排出。成型燃料在氣化區(qū)分為三層，上部為貯料與干燥層，中部為熱解層，下部為氧化層。從加料門加入的生物質(zhì)原料隨一次空氣依次經(jīng)過干燥層、熱解層與氧化層。由氣化區(qū)產(chǎn)生的可燃?xì)膺M(jìn)入揮發(fā)分燃燒區(qū)迸行高溫燃燒。產(chǎn)生的固定炭在炭燃燒區(qū)燃燒。
    可以看出，本鍋爐采用了生物質(zhì)成型燃料氣化、固定炭燃燒與揮發(fā)分燃燒的專用區(qū)域，保證了生物質(zhì)中揮發(fā)分的充分燃燒。兩處進(jìn)風(fēng)的固定炭燃燒設(shè)計(jì)，減小了爐排的熱負(fù)荷，降低了固定炭的燃燒溫度，可有效防止生物質(zhì)灰的結(jié)渣。
  1.3爐膛及爐排的設(shè)計(jì)
    爐膛是生物質(zhì)成型鍋爐最重要的結(jié)構(gòu)之一，它的形狀及大小決定了鍋爐內(nèi)溫度及流場的分布，直接影響燃料的燃燒狀況。生物質(zhì)成型燃料的燃燒過程主要有氣化、固定炭的燃燒及揮發(fā)分的燃燒，其中固定炭的燃燒速度最慢，其數(shù)值的選擇決定了爐膛的燃燒負(fù)荷，為鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)最重要的參數(shù)之一。參照鍋爐設(shè)計(jì)手冊，爐排面積熱強(qiáng)度q_r，選取值為380kw·m-2。鍋爐的輻射受熱面與對流受熱面可參考燃煤鍋爐設(shè)計(jì)。
爐排是生物質(zhì)成型燃料分段燃燒技術(shù)中的一個(gè)重要部件，它由三部分組成，分別為轉(zhuǎn)軸、活動(dòng)爐排與固定爐排。轉(zhuǎn)軸可帶動(dòng)活動(dòng)爐排左右移動(dòng)，可完成灰渣的下落，固定爐排可保證灰層具有一定的厚度。活動(dòng)爐排與固定爐排間隔布置其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 
2試驗(yàn)研究與分析
2.1試驗(yàn)條件與內(nèi)容
    本實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的生物質(zhì)成型燃料鍋爐，其熱負(fù)荷為200kW，分別以直徑為10mm,20 mm，30 mm、40 mm、50 mm、60mm以玉米秸稈加工的生物質(zhì)成型燃料進(jìn)行試驗(yàn)，其顆粒密度為1.0～1.2×10³kg/m³，收到基含水率10～12%，發(fā)熱量為13. 2MJ/kg。分別對其最大熱負(fù)荷、煙氣中CO排放、熱利用效率進(jìn)行試驗(yàn)研究。所用的試驗(yàn)儀表分別為(1) MK9000綜合燃燒分析儀，其各指標(biāo)的測量精度分別為：0₂濃度-0.1%和+0.2%、CO濃度士20ppm、C0₂濃度±5%、效率±1%、排煙溫度±0.3%：(2) 3012H型自動(dòng)煙塵（氣）測試儀，精度為士0.5%：(3)大氣壓力計(jì)，精度為1.0級：(4) QF1901奧氏氣體分析儀：(5)磅稱，米尺，秒表，水銀溫度計(jì)，水表等。每一次測試前對鍋爐爐膛進(jìn)行了清理，空氣進(jìn)風(fēng)口調(diào)到最大，點(diǎn)火正常運(yùn)行30min后開始各項(xiàng)的測試。
2.2不同顆粒直徑與鍋爐出力的關(guān)系
    不同顆粒直徑與鍋爐出力的關(guān)系可以看出，在鍋爐負(fù)壓一定的情況下，顆粒直徑與鍋爐熱負(fù)荷人較大關(guān)系，在直徑為30mm時(shí)，鍋爐的熱負(fù)荷最大，達(dá)到了250kW以上，而隨著成型燃料直徑的增加與減小，鍋爐的熱負(fù)荷都變小，這可能是因?yàn)樵谥睆叫∮?0mm時(shí)，隨著直徑的小，其間隙也隨著減小，透氣性變差，料層阻力增大，燃燒時(shí)的空氣量變小，導(dǎo)致了鍋爐負(fù)荷的下降。在直徑大于30mm時(shí)，隨著直徑的增加，其間隙進(jìn)一步增加，而成型燃料表面積與體積比也變小，影響了炭的燃燒。其負(fù)荷變小。從曲線可知，燃燒直徑為20～40mm的生物質(zhì)成型燃料，鍋爐可在較大的負(fù)荷下運(yùn)行，燃料直徑的進(jìn)一步增加或減小，都會(huì)影響鍋爐的最大負(fù)荷。

2.3不同顆粒直徑與煙氣中CO的關(guān)系
    不同顆粒直徑與鍋爐出力的關(guān)系中可以看出，不同直徑的生物質(zhì)成型燃料，其煙氣中CO含量曲線與最大熟負(fù)荷的曲線剛好相反，在燃料直徑為30mm時(shí)CO含量最低，直徑增大或減小CO的含量都會(huì)增加，其原因與熱負(fù)荷的變化相似。直徑增加時(shí)，燃燒層的透氣性增加，一部分揮發(fā)份在氣化室內(nèi)燃燒，進(jìn)入第二燃燒室內(nèi)的燃?xì)庵械目扇汲煞譁p少，導(dǎo)致第地燃燒室不能正常的穩(wěn)定燃燒，從而增加了煙氣中CO的含量。成型燃料直徑的減小，使第一燃燒室的阻力增加，而第二燃燒室內(nèi)的空氣量相對增加，從而導(dǎo)致了空氣過量系數(shù)增加，第二燃燒室溫度下降，從第一燃燒室內(nèi)流出的氣體中CO不能完全與氧反應(yīng)生成CO，從而使煙氣中CO的含量增加。

2.4不同顆粒直徑與鍋爐熱效率的關(guān)系
    不同顆粒直徑與鍋爐效率的關(guān)系可以看出，成型燃料直徑與鍋爐效率的關(guān)系曲線，和成型燃料直徑與最大執(zhí)業(yè)負(fù)荷的曲線相似，都是在直徑約30mm時(shí)都達(dá)到了最大值，其原因可能是利用這種尺寸的成型燃料，鍋爐燃燒最充分，從而導(dǎo)致了鍋爐的熱效率最高。

3結(jié)論
    通過對優(yōu)化設(shè)計(jì)過的生物質(zhì)成型燃料鍋爐進(jìn)行測試研究，可以得出如下結(jié)論：
    1)通過對生物質(zhì)成型燃料理化特性、燃燒特性的研究，開發(fā)的生物質(zhì)成型燃料鍋爐最佳成型燃料直徑為20～40mm，其燃燒時(shí)的熱利用率最高，其污染物排放最低。
    2)利用最佳的成型燃科時(shí)，鍋爐輸出熱負(fù)荷可達(dá)到250kW，超過了設(shè)計(jì)時(shí)的200Kw，熱效率高（達(dá)到75%以上），不易結(jié)渣。