摘 要：針對目前秸稈打捆燃料難以充分燃燒及現(xiàn)有燃燒設(shè)備與之不兼容的問題，依據(jù)秸稈打捆燃料燃燒的獨特性，對爐膛結(jié)構(gòu)進行了改良，并開發(fā)了一種適用于此類燃料的鏈條爐排蒸汽鍋爐。該鍋爐采用單鍋筒縱向布置的設(shè)計，配備有鏈條爐排和多管旋風除塵系統(tǒng)。試驗結(jié)果顯示，鍋爐的燃燒效率達到98.52%，熱效率達到82.38%；同時，煙氣中的主要污染物——氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）及顆粒物的排放濃度分別僅為105、28、22 mg/m3，林格曼黑度也低于1級。這些數(shù)據(jù)表明，該鍋爐不僅具有較高的熱效率，而且其污染物排放濃度極低，完全滿足我國鍋爐污染物的排放標準，因此具有顯著的環(huán)境和社會效益。

關(guān)鍵詞：秸稈；打捆燃料；鏈條爐排；熱效率；污染物

中圖分類號：S216.2 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）13-135-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.13.031

0 引言

進入21世紀后，隨著改革開放的深入，中國的經(jīng)濟得到了快速發(fā)展，但是能源的短缺卻成了制約經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素［1］。生物質(zhì)作為一種兼具可再生性和環(huán)保性的能源，其消費量已經(jīng)排在石油、煤炭、天然氣之后，位居第四［2］。中國是個農(nóng)業(yè)大國，每年都會產(chǎn)生大量的秸稈，其中以玉米、小麥等秸稈為主，而這些生物質(zhì)大部分都被扔掉或燒毀了，浪費了大量的資源［3］。夏秋兩季農(nóng)田收割廢棄的水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物秸稈，經(jīng)機械壓縮、打包捆裝、自然干燥等工藝，即可作為鍋爐的燃料。但常規(guī)的散燒法效率不高，懸浮式燃燒則需要更高的顆粒度，且成型燃料能耗較高［4］。秸稈焚燒排放的二氧化碳與農(nóng)作物從大氣中吸收的二氧化碳基本一致，因此，秸稈焚燒被視為一種高效的“碳中和”途徑［5］。

近年來，秸稈打捆技術(shù)得到了顯著改進，包括秸稈的收集、壓縮成型、打包等方面的技術(shù)都有所提升。秸稈捆燒技術(shù)歷經(jīng)多年研究，在設(shè)備結(jié)構(gòu)、配風方式上都具有了較大的突破與創(chuàng)新［6］。劉圣勇等［7］學者對生物質(zhì)捆燒技術(shù)開展了一定的研究，取得了一定的成果，研發(fā)出的第一代捆燒鍋爐熱效率可達到73.13%，但存在自動化程度不高、缺乏相應(yīng)的煙氣治理系統(tǒng)等問題。在層燃爐中，選用固定爐排和下飼式燃燒，一般鍋爐熱功率小于0.7 MW；如果采用鏈條爐排或往復(fù)爐排燃燒，一般鍋爐熱功率可超過0.7 MW［8］。筆者通過對相關(guān)秸稈打捆鍋爐進行研究，設(shè)計出層狀燃燒方式的鏈條爐排，旨在解決原本生物質(zhì)鍋爐運行不穩(wěn)定、熱效率低、打捆燃料燃燒不充分、初始排放濃度高、維保管理煩瑣等問題。

1 試驗裝置及設(shè)計

1.1 設(shè)計參數(shù)

該秸稈打捆燃料鏈條爐排鍋爐，依據(jù)秸稈打捆燃料燃燒的獨特性，對爐膛結(jié)構(gòu)進行了改良，進行了重新設(shè)計，具體設(shè)計參數(shù)如表1所示，輔機參數(shù)如表2所示。

1.2 設(shè)計依據(jù)

該設(shè)計依據(jù)下列標準進行：TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》；NB/T 47034—2021《工業(yè)鍋爐技術(shù)條件》；GB/T 16508.1～GB/T 16508.8—2022《鍋殼鍋爐》；GB/T 5468—1991《鍋爐煙塵測試方法》；GB/T 17954—2007《工業(yè)鍋爐經(jīng)濟運行》；GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》；GB 50273—2022《鍋爐安裝工程施工及驗收標準》；GB 50211—2014《工業(yè)爐砌筑工程施工與驗收規(guī)范》；TSG 91—2021《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程》等；DB42/T 1906—2022《生物質(zhì)鍋爐大氣污染物排放標準》。

1.3 鍋爐主體結(jié)構(gòu)及運行原理

該鍋爐是一種以生物質(zhì)為燃料、以單鍋筒縱置式水火管方式布局的鍋殼鍋爐。該鍋爐系統(tǒng)由鍋爐主機、鏈條爐排、燃料輸送平臺、鑄鐵省煤器、除塵器、鼓風機、引風機、煙風道、煙囪、閥門儀表、安全聯(lián)鎖保護裝置、電控柜等組成。爐膛左右兩側(cè)的水冷壁為輻射受熱面，爐膛兩翼為對流受熱面，鍋筒內(nèi)布置螺紋煙管對流受熱面，爐墻采用耐火磚砌筑部分采用耐熱混凝土澆筑搗制成型工藝，鍋爐主機外側(cè)為立體形護板外殼。一次風機及二次風機均配有變頻器，可精確控制一次風機及二次風機的進風量。鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

鍋爐選用層狀燃燒方式的鏈條爐排，可燃燒捆裝生物質(zhì)秸稈（稻稈、麥稈、玉米稈等），有以下優(yōu)點：技術(shù)成熟、運行可靠、維保管理方便。爐膛采用大容積設(shè)置，前后拱布局適中，滿足捆裝生物質(zhì)燃料的燃燒特征。前拱上的二次風機裝置，下傾角為25°，保證送風有足夠的風壓穿透力，既可以保證未完全燃燒煙氣的二次燃燒，又可以起到對爐膛煙氣的攪動降速降塵的效果［9］。中拱通過設(shè)置擋火墻，不僅可以增加煙氣的滯留時間，而且對傳熱也有一定的強化作用。后拱的合理布置可以提前進行燃料干燥，對于揮發(fā)分的析出和燃燒也有一定的提升［10］。用拱形管板和帶螺紋的煙管構(gòu)成鍋筒，將其從準剛性體變?yōu)闇蕪椥泽w結(jié)構(gòu)，取消了管板區(qū)的拉撐件，減小了應(yīng)力。采用一種新的工藝，將管板內(nèi)煙管改造成單回程，從而很好地解決了管板開裂的問題。在鍋筒的下部，縱向布置了兩排水冷壁，這些水冷壁從鍋筒內(nèi)壁向內(nèi)伸出40 mm。這樣的設(shè)計有助于提高傳熱效率，改善水循環(huán)，并確保鍋筒內(nèi)的溫度分布更加均勻。對螺旋形煙管對換熱進行了強化，使換熱系數(shù)大大增加，使其熱效率大大提高。當煙流速度為6～10 m/s時，煙管中不容易積灰，實現(xiàn)了自清。在爐墻、排煙窗及兩側(cè)的煙道部位都有一定的降塵效果，以此確保了鍋爐的煙氣排放符合國家環(huán)境保護要求［11］。

打捆燃料通過成捆燃料輸送平臺，平臺配置有隧道式軟封閉燃料通道，有利于控制過量空氣進入爐內(nèi)，可以有效控制煙氣中氮氧化物的生成量。燃料進入爐膛在爐排上的爐拱內(nèi)燃燒，燃燒火焰從前后拱的煙氣出口進入爐膛中對輻射受熱面進行加熱，當燃料在一級燃燒室中開始燃燒時，由爐排下部送來一次風，而前拱上部為二次風，這樣的布置更有利于揮發(fā)分的充分燃燒。多拱形結(jié)構(gòu)可使煙氣在燃燒室中停留的時間更長，保證燃燒更充分，換熱效果更好。第三燃燒室既是燃盡室，又是煙灰沉淀室，大粉塵因其自身重力及慣性作用而沉降，可通過爐壁上的清灰裝置進行定時清理。高溫煙氣在鍋筒尾部被分流至兩側(cè)的出煙窗，進入由雙翼對流管束組成的雙翼煙道，然后在前煙箱折回，進入螺旋煙管，再通過省煤器和除塵器，由風機將其排放到大氣中。

1.4 爐膛和爐排計算

由公式（1）和公式（2）可以分別計算出爐膛容積和爐排面積，之后就可以確定爐膛尺寸［12］。

[R=BQnet，arqR]" " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

[V=BQnet，arqV]" " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式（1）和式（2）中，[qV]為爐膛容積強度，kW/m3； [qR]為爐排面積的熱強度，kW/m2；B為燃料消耗量，kg/s；Qnet，ar為收到基（ar）低位發(fā)熱量，kJ/kg；V為爐膛容積，m3；R為爐排面積，m2。

1.5 受熱面計算

鍋爐受熱面可劃分為輻射式和對流式兩種形式，其產(chǎn)生的熱能通過輻射與對流兩種方式向工質(zhì)水傳輸［13］。

1.5.1 輻射受熱面

首先，假設(shè)爐口煙氣溫度、排煙溫度；然后，依據(jù)實測的輻射受熱面面積來確定輻射受熱面的熱強度，并對其進行校驗，使其在±100 ℃以內(nèi)。根據(jù)式（3）至式（5）［12］，得到輻射受熱表面的尺寸。

[θll=Nα\"l+e]" " nbsp; " " " " " " " " " " " " " （3）

[Qf=θll-θ\"ljθll-θpyQgl]" " " " " " " " " " " " " " （4）

[Hf=Qfqf]" " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式（3）至式（5）中，[θll]為理論燃燒溫度，℃；[α\"l]為爐口過量空氣系數(shù)；N為燃質(zhì)系數(shù)；e為燃料系數(shù)；[θ\"lj]為爐口煙氣溫度，℃；[Qgl]為鍋爐的有效利用熱量（通過熱平衡計算得到），kW；[θpy]為排煙溫度，℃；[Qf]為輻射受熱面吸熱量，kW；[Hf]為有效輻射受熱面積，m2；[qf]為輻射受熱面的熱強度，kW/m2。

1.5.2 對流受熱面

首先，假設(shè)受熱面的出口溫度；然后，檢驗對流放熱量，根據(jù)公式（6）確定煙氣側(cè)的放熱量，用公式（7）確定受熱面的熱量。只有這2個數(shù)值的誤差在2%以內(nèi)，才能被認為是合格的［14］。

[Qrp=φI'-I\"+ΔαIOlk]" " " " " " " " nbsp; " （6）

[Qcr=3.6KHΔtBj]" " " " " " " " " " " " " " （7）

式（6）至式（7）中，Qrp為煙氣側(cè)放熱量，kJ/kg；[φ]為保熱系數(shù)；I′為受熱面入口煙氣焓，kJ/kg；I″為煙氣焓，kJ/kg；Δα為受熱面漏風系數(shù)；[IOlk]為冷卻空氣的理論焓，kJ/kg；Qcr為受熱面的傳熱量，kJ/kg；K為熱傳遞系數(shù)，W/（m2·K）；H為對流受熱面積，m2；Δt為對流受熱表面的出入口溫度差，℃；Bj為燃料消耗量，kg/h。

1.5.3 除塵器選型

陶瓷旋風除塵器是一種旋流式收塵器，在導(dǎo)流板的帶動下，氣流沿圓周方向呈螺旋狀向下流動，高密度的粉塵與氣流被離心力分離，拋落在筒壁上的灰塵在重力的作用下落到箱體中，經(jīng)凈化后的氣體呈向上旋流，經(jīng)排氣管排放，實現(xiàn)除塵。該結(jié)構(gòu)適用于大中型工業(yè)鍋爐排氣的除塵。煙氣凈化除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 秸稈打捆燃料鏈條鍋爐運行試驗

通過產(chǎn)品研發(fā)驗證關(guān)鍵技術(shù)的可靠性和必然性，繼而開發(fā)出高效、節(jié)能、環(huán)保的鍋爐產(chǎn)品并推向社會普遍使用［15］。試驗項目包括：進行熱工性能試驗、空氣污染物排放試驗等，檢驗其是否符合相關(guān)的熱效率及污染物排放標準。

2.1 試驗材料、裝置及儀器

試驗材料：與玉米秸稈相比，小麥秸稈具有更低的密度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，有利于傳熱，如表3所示。因此，此次試驗選擇了一種尺寸為460 mm×360 mm×360 mm的長方體打捆麥稈作為燃料，用打捆機對其進行拾取和打捆，其質(zhì)量為每捆6.7 kg。

試驗裝置：DZL1-1.25-SCⅢ型秸稈打捆燃料鏈條爐排鍋爐裝置。該裝置由筆者所在研團隊自主研發(fā)，并委托河南恒鑫鍋爐有限公司制造，如圖3所示。

試驗儀器：采用德國菲索AFRISO煙氣分析儀MULTILYZER STX M60X，對煙氣中O2、CO2、CO、SO2和NOx等氣體的含量進行了實時測定，其準確度達到±5%；采用ZR-3260型自動煙塵煙氣綜合測試儀，對煙塵進行取樣，準確度為±5%；IR-AH手持紅外線溫度儀，準確度為±1℃；EcoScan Temp JKT熱電偶溫度計，具有±0.3%的準確度；具有±1%準確度的煙氣黑度儀；皮托管和AMI310便攜式多功能測量儀主要用于測量風速、風壓等參數(shù)。另外，還有烘干箱、馬弗爐、尺子、秒表、溫度計等。

2.2 試驗方法

在試驗前，應(yīng)做好以下幾個方面準備：選定測試點，預(yù)先進行鉆孔，以保證試驗設(shè)備和試驗系統(tǒng)的安裝與調(diào)試；保證各種輔機的正常工作，保證機組的安全穩(wěn)定運行；對主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、蒸汽流量、給水流量、引風機電流、電量等進行檢查，以保證其顯示的準確性和有效性；檢查閥的控制系統(tǒng)是否正常工作。在60%、80%、100%的額定負載下，對該裝置進行熱效率試驗。檢測煙氣成分（包括含氧量、一氧化碳等）。記錄各負荷下的運行參數(shù)，如燃燒效率等。在不同的負荷條件下進行試驗，記錄相應(yīng)的熱效率。通過煙氣分析儀等工具測量煙氣中的氧氣、一氧化碳等成分。使用專用設(shè)備檢測漏風情況，包括漏風率和漏風系數(shù)。記錄運行參數(shù)，分析試驗數(shù)據(jù)，確保符合國家規(guī)定的標準要求。以上步驟可以全面評估所設(shè)計的秸稈捆燒設(shè)備的熱工性能和環(huán)保指標，確保其在不同負荷下均能滿足上述國家標準要求。這些測試不僅有助于驗證設(shè)備的設(shè)計是否合理，還能為設(shè)備的優(yōu)化提供寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

2.3 結(jié)果分析

以位于河南省太康縣的河南恒鑫鍋爐有限公司為試驗場地，先對其進行了2 d的預(yù)燃試驗，將鍋爐生產(chǎn)時殘存在爐體內(nèi)的水分完全氣化，保證鍋爐處于良好工況。在正式試驗中，每一種工作狀態(tài)連續(xù)試驗4 h以上。試驗結(jié)果如表4所示。

根據(jù)試驗結(jié)果分析可知，該鍋爐的各項性能指標均滿足設(shè)計要求，100%運轉(zhuǎn)時，其熱效率可達82.38%，比第一代捆燒鍋爐有明顯提高，其煙氣中SO2、NOx、顆粒物含量及林格曼黑度均滿足環(huán)保標準［16］。該鏈條爐排鍋爐不僅提高了熱效率，還有效控制了污染物排放，這對生態(tài)保護有重要意義。此外，良好的設(shè)計和高效的熱利用使得該類型的鍋爐成為一種既經(jīng)濟又環(huán)保的選擇。這種鏈條爐排鍋爐的設(shè)計成功，為未來的生物質(zhì)燃料鍋爐設(shè)計提供了有價值的參考［17］。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，秸稈打捆燃料可以在該鏈條鍋爐中高效、穩(wěn)定地燃燒；與第一代捆燒鍋爐相比，該鍋爐具有熱效率更高、技術(shù)成熟、運行可靠、維保管理方便等優(yōu)勢。在額定工作條件下，該鍋爐蒸汽輸出量可達980 kg/h，蒸汽壓力可達1.1 MPa，蒸汽溫度可達188 ℃，與預(yù)期設(shè)計要求基本一致，燃燒效率高達98.52%，熱效率高達82.38%。研究結(jié)果表明，采用鏈式爐排、多拱爐膛可以有效地解決秸稈打捆燃料的燃燒不完全問題，煙氣中的NOx、SO2、顆粒物含量分別為105、28、22 mg/m3，遠遠低于燃煤鍋爐的相應(yīng)指標標準，滿足了國家對工業(yè)鍋爐大氣污染物的排放要求，展現(xiàn)出了良好的環(huán)境效益和廣闊的應(yīng)用前景。

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基金項目：生物質(zhì)捆燒關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研發(fā)（30803163）；河南省科技攻關(guān)項目（232102321084）；河南省聯(lián)合基金（應(yīng)用攻關(guān)類，242103810015）；河南農(nóng)業(yè)大學“百千萬科教服務(wù)行動”基金項目（2024SFBQW22）；本科高校研究性教學改革研究與實踐項目（2022SYJXLX014）。

作者簡介：趙向南（1987—），男，碩士，高級工程師，研究方向：特種設(shè)備檢驗與評價。

通信作者：劉圣勇（1964—），男，博士，教授，研究方向：可再生能源轉(zhuǎn)換與利用技術(shù)。