管澤運(yùn)，劉圣勇，翟萬(wàn)里，王鵬曉，夏許寧，劉洪福，劉 霞

生物質(zhì)能源具有總量豐富、來(lái)源廣泛、污染性低的特點(diǎn)，是一種理想的可再生能源［1］。中國(guó)發(fā)展生物質(zhì)能源具有維護(hù)國(guó)家能源安全、減少環(huán)境污染、促進(jìn)農(nóng)村建設(shè)等重要戰(zhàn)略意義［2］。生物質(zhì)能源既能滿足緩解能源危機(jī)的需求，又符合保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求，是中國(guó)進(jìn)行可再生能源開發(fā)利用的必然選擇［3］。因此，減少煤炭的使用，研發(fā)高效清潔的生物質(zhì)鍋爐備受關(guān)注。目前國(guó)外生物質(zhì)鍋爐主要研究應(yīng)用在循環(huán)流化床鍋爐上，如美國(guó)CE公司研制的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐，丹麥奧斯龍公司研制的高倍率循環(huán)流化床鍋爐等，設(shè)備技術(shù)成熟，配套設(shè)施完善［4］。中國(guó)目前生物質(zhì)鍋爐的應(yīng)用主要集中在層燃鍋爐上，6 t·h－1以下的中小型工業(yè)鍋爐占領(lǐng)的市場(chǎng)份額最大，應(yīng)用也最為廣泛［5］。其中生物質(zhì)鏈條蒸汽鍋爐是目前運(yùn)用的較為理想的動(dòng)力設(shè)備，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、高效低排放等優(yōu)點(diǎn)，可在食品、化工、紡織、金屬加工、發(fā)電、供暖等各類行業(yè)與工藝中應(yīng)用［6］。爐膛是生物質(zhì)鍋爐重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)應(yīng)與生物質(zhì)燃料的燃燒特性相適應(yīng)，使燃料盡可能的充分燃燒，提高燃燒效率。目前生產(chǎn)應(yīng)用的大部分生物質(zhì)鍋爐，其爐膛結(jié)構(gòu)盲目模仿燃煤鍋爐設(shè)計(jì)，沒有合理的形狀和尺寸，導(dǎo)致積灰結(jié)渣問題嚴(yán)重，燃燒效率低。近年來(lái)對(duì)生物質(zhì)蒸汽鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)的研究甚少，現(xiàn)以額定蒸發(fā)量1 t·h－1、額定蒸汽壓力 0.7 MPa 的鏈條蒸汽鍋爐為例，介紹爐膛新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，為生物質(zhì)鍋爐的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 生物質(zhì)燃料的選取與燃燒特點(diǎn)分析

在中國(guó)目前發(fā)行的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中，直接燃用秸稈等生物質(zhì)屬于高污染燃料，只能在農(nóng)村大灶中使用，不允許在城市鍋爐領(lǐng)域內(nèi)使用，生物質(zhì)燃料的利用實(shí)際主要是以生物質(zhì)成型燃料的形式。生物質(zhì)成型燃料具有體積小、密度大、儲(chǔ)運(yùn)方便、燃燒穩(wěn)定、燃燒效率高、灰渣及煙氣中污染物含量小等優(yōu)點(diǎn)，是鍋爐燃料的良好替代品［7］。試驗(yàn)選取玉米桿(塊狀)、甘蔗渣(棒狀)、雜木末(顆粒)3種具有代表性的成型原料作為鍋爐燃料。塊狀玉米桿成型截面尺寸為32 mm×32 mm，長(zhǎng)50 mm，收到基含水率為6.95%，低位發(fā)熱量為15 658 kJ·kg－1;棒狀甘蔗渣成型直徑為32 mm，長(zhǎng)度為40 mm，收到基含水率為10.3%，低位發(fā)熱量為13 740 kJ·kg－1;雜木末是由樺木、楊木鋸末加工成型的小圓柱顆粒狀成型燃料，粒徑為8 mm，長(zhǎng)度為15 mm，收到基含水率為4.5%，低位發(fā)熱量為15 933 kJ·kg－1。生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性與化石燃料有較大差別，其燃燒過程的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面:(1)水分含量大，產(chǎn)生的煙氣體積大、流速快，若爐膛結(jié)構(gòu)不合理，則排煙損失將會(huì)很高。(2)燃料密度小，燃燒時(shí)結(jié)構(gòu)松散，迎風(fēng)面積增大，易吹起，爐膛結(jié)構(gòu)不合理將導(dǎo)致爐膛內(nèi)嚴(yán)重的積灰堵灰問題。(3)生物質(zhì)發(fā)熱量低，灰熔點(diǎn)低，沒有合理的爐膛結(jié)構(gòu)，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難。(4)揮發(fā)份高，著火溫度低，焦炭顆粒燃盡困難，爐膛內(nèi)需要合理的溫度場(chǎng)與氣體濃度場(chǎng)才能減小熱損失。

2 生物質(zhì)鏈條蒸汽鍋爐爐膛的設(shè)計(jì)

針對(duì)上述生物質(zhì)燃料燃燒特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的新型爐膛結(jié)構(gòu)如圖1所示。爐膛采用全爐拱設(shè)計(jì)，鏈條爐排的上方從前到后依次設(shè)有前拱、中拱和后拱，中拱由豎向的折焰墻構(gòu)成，后拱由豎向的花墻和一道橫向墻構(gòu)成，前拱和中拱以及后拱的花墻由拱頂連接;前拱和中拱圍設(shè)成第1燃燒室，中拱和后拱的花墻圍設(shè)成第2燃燒室，后拱與爐膛后墻圍設(shè)成燃盡室;前拱與中拱上均設(shè)有2次風(fēng)口，爐膛后墻上設(shè)有清灰門。生物質(zhì)燃料隨著鏈條爐排的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入爐膛第1燃燒室。第1燃燒室為主要燃燒區(qū)，在1次風(fēng)和2次風(fēng)系統(tǒng)作用下，燃料大量燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饫@過折焰墻進(jìn)入第2燃燒室。第2燃燒室為2次燃燒區(qū)，高溫?zé)煔夂械募淄椤⒁谎趸嫉瓤扇細(xì)怏w以及固體可燃顆粒繼續(xù)燃燒傳熱，2次燃燒后的煙氣由花墻進(jìn)入燃盡室。煙氣在燃盡室內(nèi)進(jìn)一步降塵和燃燒，再通過出煙氣口在引風(fēng)系統(tǒng)作用下進(jìn)入煙道。爐膛內(nèi)積累的煙塵顆粒和灰渣可由清灰門清除。

設(shè)計(jì)的生物質(zhì)鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)具有如下技術(shù)特點(diǎn):(1)設(shè)計(jì)了新型2次風(fēng)系統(tǒng)。2排2次風(fēng)管相向設(shè)置，位于前拱的2次風(fēng)口向下傾斜約10°，位于中拱的2次風(fēng)口向下傾斜約25°，可在鏈條爐排的燃料層上方區(qū)域形成近似圓形氣流擾動(dòng)。該設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了高溫?zé)煔庠诘?燃燒室的停留時(shí)間，強(qiáng)化煙氣傳熱，降低排煙溫度，減少排煙熱損失，同時(shí)優(yōu)化了爐內(nèi)熱力場(chǎng)，提高鍋爐穩(wěn)定燃燒能力和入爐燃料的燃盡程度。(2)設(shè)計(jì)了新型爐拱結(jié)構(gòu)。爐膛使用全爐拱設(shè)計(jì)，中間增加了1道折焰墻作為中拱，后拱由1道橫向墻和1道花墻組成。爐拱將爐膛分為3個(gè)區(qū)域:第1燃燒室、第2燃燒室和燃燼室，延長(zhǎng)了高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)的行程。煙氣在第2燃燒室內(nèi)進(jìn)行1次降塵和2次燃燒，在燃盡室內(nèi)進(jìn)行2次降塵，提高燃盡率，減少煙塵排放。(3)在爐膛尾部的后爐墻上設(shè)置清灰門。生物質(zhì)燃料燃燒時(shí)，少量灰分由于質(zhì)量輕會(huì)隨著高溫?zé)煔庖黄疬\(yùn)動(dòng)，最終沉積在后拱的橫向墻上，沉積的灰渣和煙塵可由清灰門定期清除。

圖1 新型爐膛結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of new furnace

3 爐膛燃燒性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)鍋爐結(jié)構(gòu)及工作原理

為判斷設(shè)計(jì)的實(shí)際運(yùn)行水平，將該爐膛結(jié)構(gòu)應(yīng)用在單鍋筒縱置式水火管窩殼式蒸汽鍋爐上進(jìn)行試驗(yàn)，燃燒設(shè)備為鏈條爐排，額定蒸發(fā)量為1 t·h－1，額定蒸汽壓力為 0.7 MPa，結(jié)構(gòu)如圖 2所示。工作過程為燃料由進(jìn)料斗落入鏈條爐排上，隨著爐排的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入爐膛燃燒，燃料層厚度可由閘門調(diào)節(jié)，燃燒所需要的風(fēng)量由1次和2次風(fēng)送入;水冷壁受熱后形成汽水化合物，蒸汽向上進(jìn)入鍋筒，下降管中的水由于密度大壓迫下集箱填充水冷壁管束，形成水循環(huán);燃燒產(chǎn)生的煙氣在爐膛內(nèi)呈擾動(dòng)狀流動(dòng)，沿鍋筒底部經(jīng)出口煙窗進(jìn)入兩翼對(duì)流管束，通過前煙箱進(jìn)入螺紋煙管，經(jīng)過省煤器、除塵器，由引風(fēng)機(jī)抽引通過煙囪排入大氣。

圖2 生物質(zhì)鏈條蒸汽鍋爐結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of biomass steam boiler

以上述鍋爐為基礎(chǔ)，進(jìn)行了爐膛熱性能、溫度場(chǎng)、氣體濃度場(chǎng)3種試驗(yàn)研究。試驗(yàn)儀器主要包括:(1)MRU DELTA65煙氣分析儀(北京西林子科技發(fā)展有限公司)，其各指標(biāo)的測(cè)量精度分別為:O2體積濃度精度為±0.1%、CO體積濃度精度為 ±10 ×10－6、CO2體積濃度精度為 ±0.1%、效率精度為±1%、排煙溫度精度為±0.5%;(2)TN435高溫型紅外測(cè)溫儀(北京寶安康電子有限公司)，測(cè)量精度為讀數(shù)值1% ±1℃;(3)DH－WRNⅡ級(jí)數(shù)字熱電偶溫度計(jì)(江蘇兆龍電氣有限公司)，精度為0.3% ±2.5℃;(4)testo350型自動(dòng)煙塵(氣)測(cè)試儀(河北潤(rùn)聯(lián)集團(tuán)公司)，精度為±0.2%;(5)C型壓力表，精度為1.0級(jí)。

3.2 爐膛燃燒效率與污染物排放試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 10180—2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程 》及GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行鍋爐試驗(yàn)。另選取1臺(tái)市場(chǎng)上流通的生物質(zhì)鍋爐作為對(duì)比試驗(yàn)，該鍋爐由鍋爐生產(chǎn)廠家提供，除爐膛結(jié)構(gòu)外，其余結(jié)構(gòu)布置與上述提出的生物質(zhì)鍋爐基本一致，二者對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，設(shè)計(jì)的新型爐膛燃燒效率為96.67% ～97.91%，比對(duì)比鍋爐提高8%左右;設(shè)計(jì)的新型爐膛出口煙氣溫度在799～835℃之間，比對(duì)比鍋爐爐膛出口煙氣溫度降低150℃左右，排煙熱損失將大幅度減少;設(shè)計(jì)的新型爐膛污染物排放大幅度降低，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。從燃燒過程來(lái)看，對(duì)比鍋爐爐膛內(nèi)火焰大幅度劇烈波動(dòng)，火焰及飛灰在爐膛未密封處冒出，煙氣黑度大，燃燒不穩(wěn)定;設(shè)計(jì)的新型爐膛內(nèi)火焰不貼壁、不沖墻、充滿度高，壁面熱負(fù)荷均勻。燃燒結(jié)束后對(duì)比鍋爐爐膛內(nèi)各段受熱面積灰、堵灰問題嚴(yán)重，且不易清理;設(shè)計(jì)的新型爐膛內(nèi)積灰問題較輕，且沉積的飛灰可由清灰門清除。

表1 2種不同爐膛結(jié)構(gòu)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Comparison test results of two different furnace structures

影響爐膛燃燒效率的主要熱損失是氣體不完全燃燒熱損失q3與固體不完全燃燒熱損失q4［8］。通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)的風(fēng)門大小，對(duì)設(shè)計(jì)爐膛出口處過量空氣系數(shù)αpy與q3，q4的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果如圖3所示。

圖3 爐膛出口處過量空氣系數(shù)αpy與q3，q4的關(guān)系Fig.3 The relationship of excess air factor(αpy)at the furnace exit and q3，q4

從圖3可知，3種燃料試驗(yàn)結(jié)果呈相似規(guī)律，過量空氣系數(shù)過小，則 q3、q4會(huì)很大，αpy=0.41時(shí)，q3在5%以上，q4高達(dá)20%，這是由于該工況下部分燃料沒有燃燒而被直接排除爐外，燃燒產(chǎn)生的CO、CH4等可燃?xì)怏w也沒有再次燃燒;隨著過量空氣系數(shù)的增大，q3會(huì)逐漸減小，穩(wěn)定在1%以下;過量空氣系數(shù)過大，則q4會(huì)增大，αpy在2.2到3.5之間時(shí)，q4會(huì)接近10%，這是由于該工況下排煙溫度和排煙容積都過大，帶走的熱量過高，少部分燃料燃燒不充分;αpy在1.3～1.5之間時(shí)，該爐膛燃燒效率會(huì)取得較高數(shù)值。

3.3 爐膛溫度場(chǎng)測(cè)試

溫度場(chǎng)是生物質(zhì)鏈條鍋爐重要的運(yùn)行參數(shù)［9］。試驗(yàn)在爐膛內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置情況如圖4所示，圓圈代表測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)點(diǎn)高度為布風(fēng)板以上爐膛凈高度，工況條件為80%負(fù)荷，原料選取塊狀玉米桿成型燃料，燃料層高度為30 cm。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Arrangement of measuring points

試驗(yàn)測(cè)定了爐膛第1、2燃燒室沿高度方向的溫度場(chǎng)分布，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，高度在0.4 m處，爐膛溫度最高，第1燃燒室為1 080℃，第2燃燒室為1 024℃。這是由于此處燃料濃度大，O2充分，燃料迅速燃燒放熱，溫度可達(dá)最高值。第1燃燒室內(nèi)，在0.6 m到0.8 m高度范圍內(nèi)，由于2次風(fēng)吹入，煙氣中的可燃物繼續(xù)燃燒，溫度出現(xiàn)小范圍的升高，隨后隨著高度的增加，爐溫逐漸降低，由于2次風(fēng)的圓形氣流擾動(dòng)作用，使高溫?zé)煔馔Ａ魰r(shí)間延長(zhǎng)，溫差梯度小，降溫平緩;第2燃燒室內(nèi)，隨著高度的繼續(xù)增加，爐溫逐漸降低至776℃，溫差梯度大，降溫明顯。這是由于此區(qū)域內(nèi)沒有2次風(fēng)的吹入，高溫?zé)煔鈺?huì)經(jīng)花墻直接進(jìn)入燃盡室，停留時(shí)間短。

圖5 沿爐膛高度方向溫度分布Fig.5 Temperature distribution in the furnace height direction

試驗(yàn)期間，還在第1燃燒室布分板以上高度0.4、1.2、1.6 m 3 處爐膛橫向截面積內(nèi)測(cè)定了爐膛溫度場(chǎng)分布，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在0.4 m高度處，由于2次風(fēng)的中間風(fēng)量大，使?fàn)t膛中心區(qū)域溫度高于前墻與折焰墻附近溫度，隨著爐膛高度的增加，截面溫度變化很小，1.2 m高度處截面溫度在950～1 000℃之間，1.6 m高度處截面溫度在903～935℃之間。從整體上看，第1燃燒室為主要燃燒區(qū)，其橫向截面溫度分布均勻，說明爐內(nèi)布風(fēng)合理，入爐燃料燃盡程度高，爐膛內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，傳熱平衡。

圖7 爐膛沿高度方向氣體體積濃度分布Fig.7 Gas concentration distribution along height direction in the furnace

圖6 爐膛第1燃燒室橫向截面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of transverse section in the first combustion chamber

3.4 爐膛氣體體積濃度場(chǎng)測(cè)試

氣體體積濃度分布是判斷爐膛內(nèi)燃燒是否合理的重要依據(jù)［10］。作者對(duì)爐膛中 O2、CO2與 CO沿爐膛高度、深度方向上的分布情況進(jìn)行了試驗(yàn)。沿爐膛高度方向氣體體積濃度分布試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在0～0.4 m高度范圍內(nèi)，O2體積濃度迅速降低，由12.74%降至4.11%，CO2體積濃度由7.09%提升至12.60%，說明爐內(nèi)供風(fēng)充足，入爐燃料燃燒充分;隨著高度的增加，燃燒減弱，O2體積濃度逐漸升高，CO2體積濃度逐漸降低，1.2 m到拱頂范圍內(nèi)趨于恒定，O2體積濃度穩(wěn)定在9.00%左右，CO2體積濃度穩(wěn)定在8.20%左右。在0.4～0.8 m高度范圍內(nèi)，CO2體積濃度下降不顯著，CO體積濃度由1.84%降至0.72%，這是由于2次風(fēng)的氣流擾動(dòng)作用，CO繼續(xù)燃燒向CO2轉(zhuǎn)化，說明2次風(fēng)的布置合理，實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w的再次燃燒。

在試驗(yàn)中，測(cè)定了爐膛0.4 m高度處沿深度方向氣體體積濃度分布，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，左、右兩側(cè)壁面處氣體體積濃度很低，左墻 O2體積濃度為 2.84%，CO2體積濃度為2.36%，CO體積濃度為0.22%;右墻O2體積濃度為2.51%，CO2體積濃度為2.62%，CO體積濃度為0.19%。這是由于水冷壁溫度偏低，壁面處存在高濃度的氣體下降流，使得氣體體積濃度出現(xiàn)急劇變化。爐膛中心處O2體積濃度低，為3.80% ～5.61%;CO2體積濃度高，為 9.60% ～13.27%;CO體積濃度高，為1.77% ～1.85%。這是由于爐膛中心區(qū)域燃燒強(qiáng)烈，氧量消耗大，大量的CO2與CO產(chǎn)出。氣體濃度分布曲線平滑，沒有出現(xiàn)劇烈的上下波動(dòng)，說明爐內(nèi)氣體與燃料混合良好，燃燒合理。

圖8 爐膛沿深度方向氣體體積濃度分布Fig.8 Gas concentration distribution along depth direction in the furnace

4 結(jié)論

低，在0.4 m 高度時(shí)最高為12.60%，到1.2 m 高度時(shí)穩(wěn)定在8.20%左右;CO體積濃度呈現(xiàn)先增加后減小再趨于恒定的趨勢(shì)，在0.4 m到0.8 m高度范圍內(nèi)向CO2轉(zhuǎn)化，體積濃度下降。爐膛中心區(qū)域燃燒強(qiáng)烈，CO2與CO體積濃度高，O2體積濃度低。爐膛內(nèi)氣體體積濃度分布符合生物質(zhì)燃料燃燒規(guī)律，說明爐膛設(shè)計(jì)合理，能有效地組織爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)，提高燃燒效率，緩解生物質(zhì)燃燒過程中積灰結(jié)渣問題。

1)由熱性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)的新型爐膛內(nèi)燃用玉米桿、甘蔗渣、雜木末3種生物質(zhì)成型燃料，熱性能明顯優(yōu)于對(duì)比鍋爐，其燃燒效率分別提高至 97.57%、96.67% 和 97.91%;爐膛出口煙溫分別降低至817、799、835℃;受熱面結(jié)渣以及積灰堵灰情況明顯減輕;煙氣中污染物NOX質(zhì)量濃度分別降低至 12、12、8 mg·m－3，SO2質(zhì)量濃度分別降低至 17、16、12 mg·m－3，煙塵質(zhì)量濃度分別降低至 19、23、11 mg·m－3，均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。說明該爐膛結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)為適合生物質(zhì)燃料燃燒的爐膛結(jié)構(gòu)。

2)試驗(yàn)得出新型爐膛內(nèi)溫度分布規(guī)律。沿爐膛高度方向上，第1、2燃燒室溫度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，0.4 m高度處溫度達(dá)到峰值，分別為1 080℃和1 024℃;第1燃燒室在0.6～0.8 m高度范圍內(nèi)由于2次風(fēng)作用，溫度出現(xiàn)回升。沿爐膛橫向截面方向上，第 1 燃燒室在 0.4、1.2、1.6 m 高度處溫度分布均勻。爐膛溫度分布符合生物質(zhì)燃料燃燒特性，證實(shí)爐膛設(shè)計(jì)的合理性，能組織生物質(zhì)成型燃料穩(wěn)定、高效的燃燒。

3)試驗(yàn)得出新型爐膛內(nèi)氣體體積濃度分布規(guī)律。沿爐膛高度方向上，O2體積濃度先減小后增大，在0.4 m高度時(shí)最低為4.11%，到1.2 m高度時(shí)穩(wěn)定在9.00%左右;CO2體積濃度先升高后降

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