邢占強(qiáng)

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源儲(chǔ)量相對(duì)豐富,而對(duì)石油、天然氣等能源依存度較高的國(guó)家，所以導(dǎo)致在日常能源供給方面燃煤鍋爐占主導(dǎo)地位。在我國(guó)東北地區(qū)使用熱風(fēng)爐設(shè)備的用戶中95%左右是燃煤型熱風(fēng)爐?；茉吹倪^(guò)渡利用導(dǎo)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(duì)生存環(huán)境越來(lái)越重視，減少非再生能源的利用勢(shì)在必行[1-2]。而生物質(zhì)燃料作為一種可再生的潔凈能源，相比化石能源的優(yōu)勢(shì)明顯，生物質(zhì)是通過(guò)光合作用，將空氣中的CO2、水，土壤中的肥料以化學(xué)反應(yīng)的形式轉(zhuǎn)形成有機(jī)質(zhì)的生命體。如圖1所示。生物質(zhì)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(duì)較少，且在專用燃燒設(shè)備上燃燒時(shí)，其燃燒效率較高，屬于低污染燃料。生物質(zhì)燃料作為清潔能源使用能滿足國(guó)家環(huán)保技術(shù)指標(biāo)的要求。如果生物質(zhì)作為燃料使用在燃燒不充分、燃燒設(shè)備運(yùn)行不佳或污染物處治不當(dāng)?shù)惹闆r下，仍然會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的破壞。本研究主要針對(duì)1 t型生物質(zhì)熱風(fēng)爐，采用多種配風(fēng)方案組合調(diào)試，記錄該生物質(zhì)熱風(fēng)爐燃燒試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)，最終做出相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。

圖1 清潔能源生物質(zhì)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(fēng)爐性能指標(biāo)的重要因素，熱效率是衡量熱風(fēng)爐性能指標(biāo)的重要因素。其中熱效率高低一般通過(guò)熱損失法(反平衡法)進(jìn)行確定，可以通過(guò)控制熱損失中的不利因素來(lái)提高熱風(fēng)爐的實(shí)際熱效率。熱損失法主要理論依據(jù)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?xì)怏w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(duì)鍋爐燃燒效率影響最重要的2個(gè)指標(biāo)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(guò)程中熱損失所占比例最為突出的一項(xiàng)。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(jù)相關(guān)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(zhì)熱風(fēng)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(guò)控制進(jìn)入生物質(zhì)熱風(fēng)爐中空氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)熱風(fēng)爐的高效運(yùn)行，需要使?fàn)t膛內(nèi)的生物質(zhì)燃料充分燃燒。在通過(guò)控制鍋爐進(jìn)風(fēng)量控制排煙溫度這一過(guò)程中，如果進(jìn)入生物質(zhì)熱風(fēng)爐中空氣量過(guò)大，產(chǎn)生的煙氣也會(huì)同時(shí)排放到空氣中，這一過(guò)程反而增加了排煙損失。

本研究的1 t型生物質(zhì)熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)時(shí)采用了增加熱風(fēng)爐尾部換熱器面積的方案。在生物質(zhì)熱風(fēng)爐換熱器處增加換熱量，將爐內(nèi)溫度盡最大程度交換利用。同時(shí)加強(qiáng)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(wèn)題[3-4]。控制排煙溫度時(shí)溫度控制要適當(dāng)，必須基于經(jīng)濟(jì)性和燃燒性能多方面考量，來(lái)選取合理的排煙溫度，因?yàn)樵谥圃煸O(shè)備時(shí)不能無(wú)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(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)吹灰及減少沿?zé)煔庑谐谈魈師煹赖穆╋L(fēng)量等方式來(lái)減小排煙熱損失。

1.2 固體未完全燃燒熱損失(q4)分析

對(duì)于生物質(zhì)燃料來(lái)說(shuō)，硫的含量較少，這就意味著生物質(zhì)燃料燃燒時(shí)更加清潔[5-6]。生物質(zhì)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(zhì)燃料在選用時(shí)要控制好燃料的含水率。生物質(zhì)燃料其揮發(fā)分含量高達(dá) 70%左右，達(dá)到著火點(diǎn)后很容易燃燒，如表2所示。

表2 市面常見玉米秸稈化學(xué)成分分析

在生物質(zhì)燃料的燃燒過(guò)程中，會(huì)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(duì)于設(shè)計(jì)生物質(zhì)熱風(fēng)爐來(lái)說(shuō)，固體未完全燃燒熱損失也是熱風(fēng)爐燃燒中總的熱損失中主要的因素。如果燃料燃燒產(chǎn)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(shí)一般燃料層較厚，處于底層燃料的吸熱和點(diǎn)燃就會(huì)變得非常遲緩，因此如何合理控制鍋爐內(nèi)部燃燒風(fēng)量的配比能得到較理想的燃燒效果需要重點(diǎn)研究。要解決生物質(zhì)燃料鍋爐熱效率及有效控制污染物排放問(wèn)題選取合理的配風(fēng)方案是非常必要的[7-9]。

2 生物質(zhì)熱風(fēng)爐風(fēng)量配置方案

2.1 爐排一次風(fēng)配置選用

為了更好地減少人為因素的干擾，采用機(jī)械鏈條式爐排進(jìn)行自動(dòng)供料。爐排面積的計(jì)算

(2)

式中A—爐排面積；

B—每小時(shí)的耗煤量，kg·h-1；

Q—生物質(zhì)秸稈壓塊的熱值發(fā)熱量，kJ·kg-1；

q—爐排熱強(qiáng)度，kJ·(m·h)-1；

ɑ—爐排系數(shù)。

1 t型生物質(zhì)熱風(fēng)爐是以傳統(tǒng)燃煤鍋爐為原型進(jìn)行優(yōu)化改造形成的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)功率為700 kW，設(shè)計(jì)熱效率為 80%，生物質(zhì)秸稈壓塊的均位熱值發(fā)熱量Q=15 000 kJ·kg-1，計(jì)算可得生物質(zhì)燃料消耗量為B=208 kg·h-1。一般燃煤鍋爐爐排系數(shù)為1.2～1.3，由于生物質(zhì)燃料的密度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煤要小而且熱值相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤熱值的一半左右，在同樣功率的鍋爐設(shè)計(jì)過(guò)程中每小時(shí)填入爐膛內(nèi)燃料的體積相對(duì)較大，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中生物質(zhì)鍋爐的爐排及爐膛要適當(dāng)放大，因此，取α=1.8。將數(shù)值代入公式(2)，爐排面積最終確定設(shè)計(jì)尺寸A=3.3 m3。

燃燒時(shí)進(jìn)入爐內(nèi)的燃料其干燥、干餾過(guò)程是在厭氧的條件下進(jìn)行，生物質(zhì)燃料400 ℃時(shí)燃料的揮發(fā)份即可完全析出，導(dǎo)致燃燒室瞬間缺氧，要想充分燃燒，就必須馬上補(bǔ)充充足的氧。生物質(zhì)熱風(fēng)爐所消耗的生物質(zhì)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(guò)料層，空氣過(guò)量系數(shù)選取3.9，來(lái)保證燃料燃燒初期的充分性。最終選取風(fēng)機(jī)補(bǔ)充風(fēng)量范圍2 664～5 268 m3·h-1，可以根據(jù)燃燒狀況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空氣供給量。

2.2 爐排二次風(fēng)配置選用

1 t型生物質(zhì)熱風(fēng)爐完成過(guò)程中合理配置二次風(fēng)是改善燃燒效果非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)中二次風(fēng)以垂直于高溫?zé)煔膺\(yùn)行的方向，從爐體兩側(cè)高溫主燃燒區(qū)的上方以交叉對(duì)沖的形式高壓高速射入爐膛，強(qiáng)行沖擊高溫?zé)煔獠⑴c其碰撞混合，沖擊使高溫?zé)煔獾臍饬鞯倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，增加高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)的行走路線和停留時(shí)間。在高溫作用下煙氣內(nèi)未曾燃燼的可燃性氣體繼續(xù)燃燒，釋放出其所含的熱量。對(duì)燃煤鍋爐來(lái)說(shuō)，通常二次風(fēng)約占總風(fēng)量的 5%～12%，但是煤的揮發(fā)份值遠(yuǎn)低于生物質(zhì)燃料，因此，設(shè)計(jì)生物質(zhì)鍋爐的二次風(fēng)約占總風(fēng)量的 30%，并結(jié)合變頻器與一次風(fēng)比例按工況隨動(dòng)調(diào)整。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，為保證二次風(fēng)具有足夠的穿透能力和射程。最終選取風(fēng)機(jī)的補(bǔ)充風(fēng)量范圍824～1 704 m3·h-1，用以達(dá)到將所供應(yīng)生物質(zhì)燃料充分燃盡的設(shè)計(jì)要求。

為使所設(shè)計(jì)生物質(zhì)熱風(fēng)爐工作時(shí)二次風(fēng)多點(diǎn)多孔位布風(fēng)、強(qiáng)化煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間，迫使燃燒的煙氣在爐膛中擾動(dòng)，析出的揮發(fā)份隨著高溫?zé)煔庠诙物L(fēng)的引導(dǎo)下迅速燃燒[10]。

基于此方面的考慮，將在該設(shè)備上適當(dāng)選配可調(diào)換二次風(fēng)口部件(圖3)，方便調(diào)節(jié)二次風(fēng)出口的數(shù)量、出口的口徑及入口形式，這樣最終會(huì)改變二次風(fēng)風(fēng)口風(fēng)速及燃燒室煙氣的擾動(dòng)狀態(tài)，可以保證二次風(fēng)具有足夠的穿透能力和射程，能夠有效阻止未燃揮發(fā)分的快速排出，使得空氣能與揮發(fā)分混合充分燃燒，從而降低生物質(zhì)燃料的不完全燃燒損失，提高鍋爐燃燒效率，為后續(xù)試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供必要方案支撐。

圖3 二次風(fēng)多種供風(fēng)形式

后期的燃燒試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)結(jié)果(圖4)可以看出通過(guò)進(jìn)行上述的方案改造，可以得到符合國(guó)家標(biāo)注排放的生物質(zhì)熱風(fēng)爐。

圖4 熱風(fēng)爐試驗(yàn)儀器測(cè)定數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

目前，將原有燃煤熱風(fēng)爐改造為生物質(zhì)熱風(fēng)爐，從環(huán)保角度看可以滿足國(guó)家環(huán)保政策，而且排放技術(shù)指標(biāo)可達(dá)到國(guó)家標(biāo)注。通過(guò)深入研究燃煤與生物質(zhì)燃燒性質(zhì)，在原有燃煤鍋爐基礎(chǔ)上進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改造，可以得到理想的生物質(zhì)燃燒爐型。通過(guò)智能監(jiān)測(cè)控制燃燒過(guò)程中風(fēng)量的分配方案，使所設(shè)計(jì)的鍋爐能滿足國(guó)標(biāo)要求。這對(duì)于我國(guó)可再生的生物質(zhì)能源處于結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過(guò)剩的局面能得以改善。對(duì)我國(guó)加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建清潔低碳高效能源體系是非常有意義的。