趙曉文，矯振偉，辛玲玲

(1．吉林大學(xué) 汽車動能模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022;

2．吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130022;

3．電裝(中國)投資有限公司長春分公司，吉林 長春 130022)

0 引言

隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，具有環(huán)境友好和可再生的雙重屬性的生物質(zhì)固體燃料受到重視［1］，近幾年來在歐盟、北美、中國得到了迅速發(fā)展。尤其是在瑞典，每年以8% ～10%的速度增加，2008 年瑞典生物質(zhì)顆粒燃料消耗量達(dá)到185 萬t［2］。目前，生物質(zhì)能利用技術(shù)成熟且綜合效益較高的利用方式主要有:厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、燃料乙醇、生物質(zhì)氣化發(fā)電和秸稈固化成型、燃燒。中國對固體生物質(zhì)燃料及爐具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展研究相對較少［3－5］。

在生物質(zhì)燃燒方面還存在一些需要解決的問題。如:生物質(zhì)具有密度小、易壓縮、粘附性強(qiáng)，燃料易出現(xiàn)架拱現(xiàn)象;生物質(zhì)燃?xì)庵薪褂秃扛撸呀饪刂齐y度大;生物質(zhì)灰渣熔融溫度低，易出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，使燃燒不能持續(xù)等問題。從生物質(zhì)氣化爐的研究發(fā)展趨勢來看，改進(jìn)氣化爐的結(jié)構(gòu)和氣化工藝，達(dá)到潔凈燃燒和提高生物質(zhì)能利用系統(tǒng)的熱效率，一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)［6－8］。

我們針對東北地區(qū)主要農(nóng)作物是玉米以及冬季寒冷期長的特點(diǎn)，采用新概念、新技術(shù)、新工藝開發(fā)研制出高效氣化、潔凈燃燒、強(qiáng)化傳熱的集炊事、采暖、洗浴及衛(wèi)生用水為一體的多功能新一代戶用氣化供熱裝置。

1 氣化供熱裝置的設(shè)計與研制

1．1 燃料特性的研究

燃燒裝置的燃料選擇玉米芯為研究對象。玉米芯具有以下特性:

(1)玉米芯的堆積密度為210 kg/m3，有利于玉米芯充分接觸氣化劑;減少氣化燃?xì)馔ㄟ^料層的阻力;

(2)通過熱值測定和工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)得出玉米芯的揮發(fā)分高達(dá)88．65%，固定碳含量為4．32%，氣化特性好?；曳值暮亢艿?，僅為1．03%，如表1，積灰少，氣化爐可連續(xù)多天運(yùn)行;

(3)灰熔性實(shí)驗(yàn)玉米芯的軟化溫度ST 為1 113℃，說明玉米芯存在結(jié)渣的可能，因此在設(shè)計和運(yùn)行過程中氣化爐爐箅子適當(dāng)增大空隙。料層的最高溫度控制在1 000℃以下。

表1 玉米芯的工業(yè)分析及熱值參數(shù)表

通過對玉米芯的熱重實(shí)驗(yàn)和燃燒動力學(xué)分析研究，發(fā)現(xiàn)玉米芯的燃燒是純熱解和多相氧化綜合作用的結(jié)果，有利于揮發(fā)分的產(chǎn)生。

得出的結(jié)論:玉米芯的氣化特性較好，適合作為戶用氣化爐的氣化原料。

1．2 樣機(jī)設(shè)計

我們在設(shè)計玉米芯燃燒裝置時，充分考慮到燃料的燃燒特點(diǎn)，使設(shè)備的性能達(dá)到最優(yōu)。力求結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)簡便易行，耗資少，滿足農(nóng)民用戶需求。裝置如圖1 所示，由氣化反應(yīng)室、燃?xì)庠?、第一燃燒室、第二燃燒室、燃盡除塵室、換熱裝置等部件所構(gòu)成。此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生、燃?xì)夤?yīng)、燃?xì)馊紵崴?yīng)一體化，一機(jī)多用。燃?xì)庠钔ㄟ^燃?xì)廨敵龉艿琅c氣化反應(yīng)室相連接;氣化劑噴環(huán)可上下調(diào)節(jié)位置;氣化反應(yīng)室與第一燃燒室在同一筒內(nèi)，由水冷爐排相隔;第一燃燒室通過火焰通道與第二燃燒室相連通，第二燃燒室通過煙氣通道與燃盡除塵室相連通;燃盡除塵室上部裝有高效強(qiáng)化傳熱對流換熱面，其上布置有間斷肋片。

圖1 生物質(zhì)氣化燃燒裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1．3 樣機(jī)主要零部件優(yōu)化模擬

采用CFD 進(jìn)行了強(qiáng)化傳熱換熱面數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明離散間斷型翅片比煙管內(nèi)加裝扭曲帶有更大的優(yōu)勢。平均換熱系數(shù)隨著翅片的高度而增大。但翅片過高，也會增大沿翅片高度方向的熱阻。研究還發(fā)現(xiàn)，翅片的間距小，煙氣的流線變化快，間斷的翅片在煙氣流道中干擾邊界層的增長。隨著翅片布置的距離增大，這種影響煙氣流動的能力降低了。

從強(qiáng)化傳熱的角度看，較優(yōu)的一組參數(shù)為翅片間距4 mm，翅片高度12 mm，翅片厚度0．9 mm。從實(shí)際使用的角度考慮高溫?zé)煔鈱Τ崞瑳_刷的磨損。最終的結(jié)果為翅片間距4 mm，翅片高度12 mm，翅片厚度1．2 mm［9］。

第一燃燒室與第二燃燒室之間的燃燒通道的結(jié)構(gòu)尺寸是強(qiáng)化燃燒及改善燃燒的重要環(huán)節(jié)，它以提高氣體流速的方式來增強(qiáng)擾動，從而達(dá)到增強(qiáng)可燃?xì)怏w與空氣的混合程度，提高燃燒室內(nèi)溫度，有利于可燃?xì)獬浞秩紵?。模擬實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化出當(dāng)燃燒通道為縮放型結(jié)構(gòu)，其喉徑為50 mm 時，第二燃燒室內(nèi)氣流滯留區(qū)面積較小，擾動增強(qiáng)。

2 樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

2．1 氣化燃燒換熱性能實(shí)驗(yàn)臺

實(shí)驗(yàn)臺如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)中測量燃燒室爐膛內(nèi)溫度、鍋爐進(jìn)出水溫度、爐體溫度、熱功率。采用KM9106 綜合煙氣分析儀對尾部煙氣進(jìn)行測量，通過其組分、濃度、溫度等參數(shù)分析燃燒和排放情況。

圖2 多功能生物質(zhì)氣化燃燒供熱裝置試驗(yàn)臺

2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．2．1 燃?xì)庠钤囼?yàn)

當(dāng)將氣化劑噴環(huán)置于爐排上方的300 mm 處，氣化劑通入量在3．5 ～4 m3/h 時，氣化爐熱效率較高，熱解層溫度為400 ～600℃，還原層溫度為600 ～900℃時，生物質(zhì)氣化效果最好，可燃?xì)廪D(zhuǎn)化率高。氣化燃?xì)夤釓?qiáng)度2．32 kW，超過了設(shè)計值2 kW;氣化強(qiáng)度54．34 kg/m2·h?；饎葸m中，燃?xì)鉄崃坷寐首罡摺Ｈ鐖D3。

圖3 氣化劑3．5 m3/h 時可燃?xì)饣饎輬D

2．2．2 供熱試驗(yàn)

在最佳的火焰通道形式基礎(chǔ)上進(jìn)行熱工性能、排放性能實(shí)驗(yàn)，對燃燒裝置進(jìn)行供熱試驗(yàn)和綜合評價。

由于加強(qiáng)了燃燒室內(nèi)氣體的擾動，使生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)分和可燃?xì)馀c空氣的混合度增大，促進(jìn)了揮發(fā)分的繼續(xù)燃燒，同時也增強(qiáng)了其在第二燃燒室內(nèi)的換熱。從而降低了排煙損失和氣體不完全燃燒損失，使得熱效率提高了4%以上。結(jié)果如表2 所示。由此，可以得出結(jié)論，增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的擾動，在生物質(zhì)逆向燃燒裝置中起到了改善爐內(nèi)燃燒環(huán)境，降低污染物排放，加強(qiáng)換熱等積極作用，這為今后生物質(zhì)燃燒裝置的設(shè)計與運(yùn)行管理提供了一定的參考價值［10］。

表2 生物質(zhì)氣化燃燒裝置熱工性能測試數(shù)據(jù)結(jié)果

3 結(jié)論

我們對高效潔凈戶用生物質(zhì)氣化及供熱裝置從基礎(chǔ)性研究開始，建立了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了性能數(shù)字模擬及優(yōu)化設(shè)計。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對高效潔凈戶用生物質(zhì)氣化及供熱裝置進(jìn)行了數(shù)次改型。最終得到較為理想的樣機(jī)。樣機(jī)熱效率76.88%，煙氣林格曼黑度0 ～1 級，出口煙塵濃度34．84 mg/Nm3，二氧化硫濃度17．3 mg/Nm3，氮氧化物濃度135． 7 mg/Nm3，一氧化碳濃度0． 06%。經(jīng)科技查新，此裝置的混吸氣化，層式均流，旋流燃燒及間斷肋強(qiáng)化傳熱等技術(shù)未見國內(nèi)研究。經(jīng)吉林省科技廳組織有關(guān)專家鑒定，鑒定委員會認(rèn)為:所研制的戶用生物質(zhì)氣化及供熱裝置在氣化燃燒方式，結(jié)構(gòu)形式上有獨(dú)特的創(chuàng)新。產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)合理，環(huán)保效果顯著，高效節(jié)能，一機(jī)多用等特點(diǎn)。經(jīng)測試各項指標(biāo)達(dá)到國家熱工、環(huán)保相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該課題在生物質(zhì)氣化燃燒方式及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方面具有創(chuàng)新性。

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