0、前言
由于全球性能源危機，對可再生能源的開發利用逐漸引起了人們的重視。中國在2005年2月通過了《可再生能源法》，并于2006年1月1日起施行。隨后，相關的價格、稅收、強制性市場配額和并網接人等鼓勵扶持政策也相繼出臺，為我國可再生能源產業加速發展奠定了良好的基礎。隨著我國經濟發展和居民生活水平的提高，對于優質燃料的需求日益迫切。生物質壓縮成型技術可有效提高生物質的利用價值，雖然熱值沒有增高，但其燃燒特性大為改善，燃料的利用率大大提高。
生物質成型顆粒燃料作為一種新型燃料，其燃燒特性的理論研究還處于初級階段，我國對燃用生物質成型顆粒燃料的專用燃燒設備的研制開發也起步較晚。目前，世界上燃用生物質成型顆粒燃料的燃燒設備主要是小顆粒燃料爐和壁爐，對于大塊成型顆粒燃料的燃燒設備在世界上研究較少。國內某些企業在未弄清生物質成型燃燒機理的情況下，將原有的燃煤鍋爐直接改造成生物質鍋爐，但改造后的鍋爐仍因爐膛的容積、形狀與生物質成型燃燒不匹配，鍋爐的受熱面與生物質成型顆粒燃料不匹配，過剩空氣系數與生物質成型燃燒不匹配等原因，致使鍋爐燃燒效率及熱效率較低，污染物排放超標，富通新能源銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒
木屑顆粒機、
秸稈顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
本研究通過對生物質成型顆粒燃料的燃燒特性進行了分析，針對現有生物質成型顆粒燃料燃燒設備的不足創新設計出一種具有特殊結構，特殊燃燒方式的新型生物質鍋爐，并對該鍋爐進行了相關性能試驗。
1、生物質成型顆粒燃料燃燒特性分析
1.1生物質成型顆粒燃料的工業分析
表1列出了玉米稈、小麥稈、稻稈及2種煤的工業分析和發熱量。從表1中可以看出秸稈的含氧量和揮發分遠高于煤；而灰分和固定碳的含量遠低于煤，其熱值也小于煤。因此，生物質成型顆粒燃料的特點決定了它的燃燒具有一定的特征。
1.2原生物質燃燒特性
秸稈類原生物質具有密度小、體積大、揮發分高(60%～70%)以及點火溫度低等特點。同時，其熱分解的溫度也比較低，一般在350℃就分解釋放出80%左右的揮發分，燃燒平穩性較差，燃燒開始不久燃燒迅速由動力區進入擴散區，揮發分在短時期內迅速燃燒，放熱量劇增，高溫煙氣來不及傳熱就流出煙囪，造成大量的排煙熱損失。另一方面揮發分劇烈燃燒所需要的氧氣量遠遠大于外界擴散所供應的氧量，使供氧明顯不足，較多的揮發分不能燃盡，大量形成CO、H2、CH4等中間產物，產生大量的氣體不能完全燃燒。
揮發分燃燒完畢，進入焦炭燃燒階段時，由于生物質焦炭的結構為散狀，氣流的擾動就可使其解體懸浮起來，脫離燃燒層，迅速進入爐膛的上方空間，經過煙道進入煙囪，形成大量的固體不完全燃燒熱損失。此時燃燒層所剩焦炭量很少，形不成燃燒中心，使得燃燒后勁不足，如不嚴格控制進入空氣量，將使空氣大量過剩，不但降低爐溫，而且增加排煙熱損失。
1.3生物質成型顆粒燃料燃燒特性
由于生物質成型顆粒燃料是經過高壓形成的塊狀燃料，其密度遠遠大于原生物質，其結構與組織特征就決定了揮發分的溢出速度與傳熱速度都大大降低。燃料的點火溫度有所升高，點火性能變差，但比型煤的點火性能要好，從點火性能考慮，仍不失生物質的點火特性。燃燒開始時揮發分慢慢分解，燃燒處于動力區，隨著揮發分燃燒逐漸進入過渡區與擴散區，燃燒速度適中能夠使揮發分放出的熱量及時傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時揮發分燃燒所需的氧與外界擴散的氧可以較好的匹配，揮發分能夠燃盡，又不過多的加入空氣，爐溫逐漸升高，減少了大量的氣體不完全燃燒損失與排煙熱損失。
揮發分燃燒后，剩余的焦炭骨架結構緊密，像型煤焦炭骨架一樣，運動的氣流不能使骨架解體懸浮，能保持層狀燃燒，并且形成層狀燃燒核心。這時炭的燃燒所需要的氧與靜態滲透擴散的氧相當，燃燒穩定持續，爐溫較高，從而減少了固體與排煙熱損失。在燃燒過程中可以清楚的看到炭的燃燒過程，藍色火焰包裹著明亮的炭塊，燃燒時間明顯延長。
總之，生物質成型顆粒燃料燃燒均勻適中，燃燒所需的氧量與外界滲透擴散的氧量能夠較好匹配，燃燒波浪較小，燃燒相對穩定。
1.4生物質成型顆粒燃料與煤的燃燒特性比較
生物質成型顆粒燃料的燃燒性能介于原生物質和褐煤之間。由于生物質成型顆粒燃料是經過高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠遠大于原生物質，燃燒相對穩定。雖然點火溫度有所升高，點火性能變差，但與煤的點火性能相比要好的多。生物質成型顆粒燃料及煤的顆粒粒徑、升溫速率、樣品質量和揮發分釋放特性指數都對兩者的著火及燃燒同樣產生不同程度的影響。由于生物質成型顆粒燃料是經過高壓而形成的塊狀燃料，其結構與組織特征就決定了揮發分的溢出速度與傳熱速度較原生物質秸稈大大降低，但是與煤相比顯得更為容易，因此，生物質成型顆粒燃料的揮發分特性指數與燃燒特性指數是大于煤的。
2、鍋爐的設計
2.1主要設計參數
鍋爐產水量（鍋爐出力）G-500kg/h，進水溫度T=20℃，出水溫度T=95℃，冷空氣溫度為20℃。由于缺乏有關生物質成型顆粒燃料鍋爐設計參數，根據秸稈成型顆粒燃料的成分、發熱量及燃燒與中值煙煤相當的特性，鍋爐特性參數的選取中值煙煤為參考進行選取。其固體不完全燃燒損失q4=3%，排煙溫度為100℃，排煙損失q2=8%，氣體不完全燃燒損失q=1%，散熱損失qs =5%，灰渣物理熱損失q=2%，爐排面積熱強度qR=370 kW/m2，爐膛容積熱強度qv一340 kW/m2，輻射受熱面強度qf=70 kW/m2，爐膛過剩空氣系數ajl一1.7，排煙處過剩空氣系數apj=1.85，煙道總阻力333 Pa。
2.2反燒式生物質成型顆粒燃料鍋爐結構布置
新型生物質成型顆粒燃料鍋爐采用反燒結構。包括鍋爐本體、開水箱、溫水箱、橫向熱交換水管組、隔煙板、煙氣凈化器、引風機、煙囪等部分組成，其結構布置如圖1。在鍋爐體內上下設置的上爐膛和下爐膛，上爐膛直通至鍋爐體頂部與外界相通，設置人口為進料口，進料口常開，作為投燃料與供應空氣之用。爐體正面設置有風門和出灰口分別與下爐膛和集灰室相通。由風門進入下爐膛的二次風使未燃盡的氣體在此處進一步燃燒。開水箱與溫水箱的內腔作為煙道下端與下爐膛排煙道連通，內腔設置有橫向熱交換水管組。溫水箱內腔上半部分由一塊隔煙板縱向分隔成2個空間，排煙口處設置有煙氣凈化器，內置高效過濾材料。
反燒式生物質成型顆粒燃料鍋爐的工作原理是：生物質成型顆粒燃料從上部進料口加入到上爐膛內。鍋爐運行時上爐排上的炙熱燃料和未燃盡的微粒，在引風機和重力作用下，一邊燃燒一邊向下掉落，落在下爐排上，未完全燃燒的燃料顆粒繼續燃燒，燃盡的灰粒從下爐排落人集灰室中。煙氣由下爐膛排煙道進入開水箱內腔，從熱交換水管組內部間隙穿過，再由開水箱排煙道進入溫水箱；煙氣在溫水箱內腔隔煙板的導向下穿過熱交換水管組內部的間隙進入煙氣凈化器，經過進化處理后從溫水箱的排煙口排出，通過引風機進入煙囪。
3、生物質成型顆粒燃料鍋爐試驗
根據GB/T101080-2003《工業鍋爐熱工性能試驗規范》、GWPB321999《鍋爐大氣污染物排放標準》及GB5468-1991《鍋爐煙塵測試方法》，對該生物質成型顆粒燃料鍋爐熱性能及環保指標進行測試。
3.1主要測試儀器
WJ-60B型皮托管平行全自動煙塵采樣器；(2)2000A手持式快速紅外測溫儀，測量精度為讀數值1%±1℃；(3)SWJ精密數字熱電偶溫度計，精度為±0.3%；(4)U型玻璃管壓力計，精度為1.0級；(5)大氣壓力計，精度為1.0級；(6)磅稱，米尺，秒表，水桶。
3.2試驗結果
試驗燃料為：成型玉米稈；成型稻稈；成型小麥稈。燃料直徑均為45mm，密度為1.15 t/m3，含水率為7. 0%，收到基凈發熱量分別為15 847kj/kg、15751 kj/kg、15 380 kj/kg。試驗結果見表2。
4、結語
(1)由3種不同類型生物質成型顆粒燃料試驗得出的結果可以看出，根據其燃燒規律設計出的專用鍋爐的熱效率達到了設計要求，且3個試驗的熱效率相近，說明設計出的專用鍋爐對生物質燃料的適應性強，證明了該設計方法的可行性和科學性。
(2)從試驗過程可以看出，采用雙爐排反燒結構，冷空氣和生物質成型顆粒燃料不直接進入燃燒室，使燃料從上爐排到剛投入爐內的新料層溫度逐漸降低形成溫度梯度，使揮發分的析出速度相對平穩，解決了生物質成型顆粒燃料燃燒的不穩定現象；灰渣在料層的壓力和自身的重力作用下自動下落，基本上解決了秸稈成型顆粒燃料結渣對燃燒產生的不利影響。
(3)成型顆粒燃料燃燒排放的煙氣依次經過開水箱和溫水箱內腔，進行多級換熱，最后從煙囪排人大氣中，而開水箱和溫水箱內腔的橫向熱交換水管組收集的熱量通過熱水補充到鍋爐熱交換水系統中，充分利用了煙氣余熱，提高了鍋爐的熱效率。
(4)試驗除開始點火時有少量白煙（因生物質成型顆粒燃料內含有生物質堿，白煙屬于生物質堿）外，鍋爐正常運行后，整個過程燃燒連續平穩，排煙中不完全燃燒物損失小。鍋爐排煙口處設置有煙氣凈化器，內置高效過濾材料（原料來源廣泛，可以隨時更換）可有效脫除煙氣中的焦油和灰分。鍋爐排煙中CO、SO2、NOx和煙塵濃度等環保指標遠遠低于燃煤鍋爐，符合國家工業鍋爐大氣污染物排放標準要求。
(5)國內外文獻中缺乏生物質成型顆粒燃料鍋爐的具體設計參數，有些參數是按煤質或按經驗確定的，從試驗可看出生物質成型顆粒燃料鍋爐的設計選用參數與運行參數之間還存在一定差別。
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