摘要：针对稻壳成型燃料燃烧特点，研究开发了新型生物质蒸汽锅炉。阐述了此种形式锅炉的基础实验，结构设计及计算要点。实测及运行经验表明，此种锅炉具有洁净燃烧、高效节能、符合环保要求、经久耐用等优点。
关键词：生物质锅炉；稻壳成型燃料；节能；洁净燃烧
生物质能是重要的可再生能源，具有绿色、低碳、清洁、可再生等特点。加快生物质能开发利用，是推进能源生产和消费革命的重要内容，是改善环境质量、发展循环经济的重要任务。目前我国生物质锅炉在供热工程运用中主要使用固体成型燃料（Biomass Moulding Fuel，简称“BMF”），该燃料是以秸秆、木屑、林下物等农林废弃物为原材料，经过烘干、粉碎、混合、挤压等工艺，压制成结构紧密、颗粒状、可在锅炉上直接燃烧的一种便于运输和储藏、燃烧效率高且污染物排放低的新型清洁燃料。但是，我国现有的炉型不符合生物质成型燃料的特性要求，致使燃烧恶化，热效率低下，传热差，换热面结渣，换热面经常堵塞，污染大，灰渣结焦，以及与设计参数偏离较远。如何改进和创新生物质锅炉是当前一个重大课题。
1、基础实验研究
为给燃用稻壳成型燃料锅炉的设计提供可靠的依据，该文做了大量的基础实验研究。
1.1 燃料特性试验
利用SDTGA-3000自动工业分析仪，得到以空气干燥基为基准的稻壳棒状成型燃料的工业分析值。分析结果为：固定碳FＣａｄ＝3.89%；挥发分Vａｄ＝72.93%；灰分Aａｄ＝19.91%；水分Mａｄ＝3.33%。用SDACM-3000自动量热仪得到燃料热值，高位发热量为15332 ｋＪ／ｋｇ，低位发热量为13885 ｋＪ／ｋｇ。通过燃料燃烧模拟试验，并结合灰熔融特征温度来预测稻壳成型燃料燃烧的结渣特性，分析其结渣形成过程及其影响因素，为生物质成型燃料合理燃烧控制、实现安全及经济燃烧提供科学依据。实验得出稻壳成型燃料具有较大的结渣倾向。随着炉内温度增高、过量空气系数的增大、燃料层厚度的增加，稻壳成型燃料在锅炉中的结渣率都有不同程度的增加。为保证锅炉的安全经济运行，燃料层温度应控制在1100 ℃以下。
1.2 热压成型试验
成型压力是生物质原料致密成型最基本的条件。成型压力与密度呈二次函数关系，压力太小，将导致不能成型或成型燃料密度小，但压力超过一定值后，密度增加的不明显。实验发现压力为15～46 ＭＰａ能满足成型，且表面光滑，密度适中。加热温度也是成型的制约因素。温度与成型燃料的密度成线性关系。加热温度在160～200 ℃范围内，可以得到理想的成型效果。在试验设定值范围内，成型压力对成型密度的作用大于成型温度的作用。
1.3 燃烧特性试验
对稻壳成型燃料在纯氧气氛下进行了程序升温法的热重试验，得到了质量、温度和时间的试验数据。通过热重曲线（TG）和微商热重曲线（DTG），获取了燃料燃烧的特征参数。特征参数显示其燃烧过程分为三个阶段：燃料的脱水干燥阶段，挥发分析出和燃烧阶段，焦炭的燃烧阶段。其中最主要的阶段是挥发分的析出和燃烧。通过与型煤的燃烧特性参数比较发现，稻壳成型燃料具有挥发分含量高、着火点低、着火性能好、试验特征温度低、传热传质好、燃尽率高、燃烧时无冒黑烟现象、灰渣中含碳量少、热重曲线无表观增重现象等优点。这些特点可提高锅炉效率，减免除尘脱硫设备及其运行维护费用，节约能源。
2、结构及设计特点
经过几年的研究，反复试制及改进，产品定型为气化复合燃烧、强化传热、一体化形式的高效节能洁净燃烧生物质锅炉。其基本结构为三室结构，即固相燃烧室、气相燃烧室及燃尽除尘室。在固相燃烧室内，为生物质成型燃料提供热解气化热量，并产生生物质燃气。在底部下吸式结构里生物质燃气被滤清净化，然后进入气相燃烧室实现均相动力燃烧。气相燃烧室尾部采用了旋流结构，使燃气火焰得到充分扰流，从而促进燃烧完全。燃尽除尘室采用了燃尽、降尘、凝渣及辐射传热的组合结构，达到洁净燃烧及辐射换热的双重效果。
经过计算机优化设计得到高强化传热，低流动阻力的优化对流换热面。实践表明，新型锅炉具有高效节能、洁净燃烧、结构新颖、出力大和使用方便等特点。生物质成型燃料气化燃烧蒸汽锅炉具体结构特点为：
（1）锅炉为三室结构，即固体燃烧的气化反应室、气体燃烧室和燃尽除灰换热室。水冷炉栅是气化反应室与气体燃烧室的分界线。
（2）固体燃烧的气化反应室在炉前上部，此室顶部设进料口兼空气进入口，此室前部还设有清渣除焦口。下部可燃混合气体出口设有水冷炉栅。
（3）气相燃烧室在锅炉前底部，侧部和前部有除灰渣口兼防爆口；后中部设有高速旋流口，高温燃烧产物及未尽可燃气在此旋流混合燃烧。
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（4）火焰冲出旋流口进入具有充分辐射面且高而长的燃尽室，有利于沉降灰渣及进行辐射换热。
（5）在燃尽室后侧，设置两回程水管形式的对流受热面，烟气高速横向冲刷管外，具有优良的传热性能。
（6）该锅炉结构简单、新颖、紧凑，具有高效节能、洁净燃烧的特点。
3、性能指标及设计计算
以DHS 1.0－0.7－SW生物质稻壳成型燃料气化燃烧换热一体化蒸汽锅炉为例，简要地介绍其性能指标及设计计算。利用计算机进行锅炉的设计计算、系列化设计、多方案选择及优化设计。利用MathSoft的Mathcad软件进行编程。该软件数学功能强大，兼容性好，计算速度快，适用性强。为了便于计算机编程，将物性参数、燃烧计算图表、传热计算图表等都在计算机上整理成解析式。设计计算的原始参数及计算结果如下：
（1）额定功率1 ｔ／ｈ
（2）蒸汽压力0.7 ＭＰａ
（3）蒸汽温度170.4 ℃
（4）给水温度20 ℃
（5）冷空气温度20 ℃
（6）排污率5%
（7）稻壳成型燃料
（8）燃料低位发热量13885 ｋＪ／ｋｇ
（9）燃料消耗量250 ｋｇ／ｈ
（10）设计热效率79.56%
（11）炉栅面积2.25 ｍ２
（12）气相燃烧室容积6.5 ｍ３
（13）排烟温度224 ℃
（14）有效辐射受热面积8.5 ｍ２
（15）第一级水管管束受热面积24.2 ｍ２
（16）第二级水管管束受热面积18.1 ｍ２
（17）炉内总压降855 Ｐａ
（18）烟气总流量2751 ｍ３／ｈ
4、样机测试及应用
该锅炉应用于某大学，供应食堂蒸汽及全校的生活用热水，经一年实际应用，用户反应很好。与过去使用的2 ｔ／ｈ型煤锅炉相比，出力明显提高，上汽速度加快4倍，燃料费用节省20%以上，工作环境大大改善。
据省能源利用监测中心对该生物质蒸汽锅炉进行了测试，其热效率达到80.8%，高于型煤锅炉20%以上。
省环保产品质量检验站对其进行了环境监测，结果为：该生物质蒸汽锅炉的烟气林格曼黑度接近0级，原始出口烟尘浓度65.4 ｍｇ／ｍ３，二氧化硫浓度6 ｍｇ／ｍ３，氮氧化物97 ｍｇ／ｍ３。环境指标远优于GB13271-2001 “锅炉大气排放污染物排放标准”。
结语
稻壳成型燃料气化燃烧换热一体化锅炉高效节能、环保；结构简单，容易制造；体积和重量大大降低，成本低廉；性能可靠，寿命长。该生物质蒸汽锅炉符合国家的能源政策和环境保护政策，利国利民，具有广阔的应用推广前景。
参考文献：
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[2]马孝琴，李刚.小型燃煤锅炉改造成秸秆成型燃料锅炉的前景分析［Ｊ］．农村能源，2011，（50）：20－22.
[3]马孝琴，骆仲泱，余春江等.秸秆成型燃料双胆反烧炉的设计［Ｊ］．动力工程，2005，25（6）：800－804.
论文作者:张银志
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：燃料论文; 锅炉论文; 稻壳论文; 燃烧室论文; 温度论文; 生物论文; 结构论文; 《电力设备》2018年第31期论文;