，，，

(1．吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室,吉林 長春 130022；2．吉林大學(xué) 熱能工程系，吉林 長春 130022；3．哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

隨著化石能源的枯竭，生物質(zhì)能的開發(fā)與利用得到了國際廣泛關(guān)注[1-3]。生物質(zhì)能要發(fā)展好，關(guān)鍵要有生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化裝備的技術(shù)突破。燃燒是生物質(zhì)能利用最為廣泛的技術(shù)之一。玉米是中國北方主要農(nóng)作物品種，種植量大覆蓋面廣，其秸稈主要轉(zhuǎn)化方式是燃燒。將玉米秸稈制成顆粒燃料進行利用符合國家能源局在生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃中提倡的“急需探索就近收集、就近轉(zhuǎn)化、就近消費的生物質(zhì)能分布式商業(yè)化開發(fā)利用模式”[4]。小型鍋爐投資成本低，如果能燃用玉米秸稈顆粒燃料，在農(nóng)村區(qū)域推廣利用，有利于解決由于農(nóng)民就地燃燒玉米秸稈而造成的環(huán)境污染與能源浪費問題。然而，玉米秸稈顆粒燃料在氣化、燃燒過程中會產(chǎn)生焦油污染、灰渣結(jié)焦問題，在小型生物質(zhì)鍋爐中尤為嚴重,使玉米秸稈顆粒燃料在生物質(zhì)鍋爐中的應(yīng)用受到影響。歐盟和北美國家生物質(zhì)顆粒原料主要是廢木材、紙和垃圾，沒有針對玉米秸稈顆粒燃料的焦油污染問題，灰渣結(jié)焦問題研究的相關(guān)報道。國內(nèi)一些小型生物質(zhì)鍋爐設(shè)計者和生產(chǎn)者，缺乏對玉米秸稈顆粒燃料的焦油裂解特性、灰熔融性、結(jié)焦渣特性以及小型鍋爐爐內(nèi)燃燒過程的了解，燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計存在不足，在燃燒玉米秸稈顆粒燃料時出現(xiàn)燃燒效率低、冒煙嗆人、焦油污染、結(jié)焦渣等現(xiàn)象[5-9]。鍋爐燃燒室結(jié)構(gòu)對燃燒過程起著決定性作用。鍋爐燃用的燃料種類不同，在不同的燃燒空間內(nèi)燃燒，其燃燒特性是不盡相同的。玉米秸稈顆粒燃料與煤的燃燒特性有很大差別。小型鍋爐與大型鍋爐相比燃燒條件差別很大。本文在分析小型生物顆粒燃料鍋爐燃燒室結(jié)構(gòu)合理性設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了適用于小型鍋爐燃用生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒室結(jié)構(gòu)，并利用玉米秸稈顆粒燃料進行了燃燒實驗研究。

1 對小型生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐燃燒室結(jié)構(gòu)合理性設(shè)計的要求

鍋爐內(nèi)燃料的燃燒屬于擴散燃燒。影響燃燒過程的因素很多，比如配風(fēng)方式、流動工況、火場溫度、傳熱方式和過程、燃燒反應(yīng)時間、可燃物質(zhì)與氧化劑擴散過程、灰渣特性等。其中很多因素可以通過燃燒空間結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計起到改善燃燒過程的作用，以實現(xiàn)預(yù)期要求。

1.1 合理組織爐內(nèi)燃燒

燃燒室一般是由前拱、后拱、火床及側(cè)墻構(gòu)成。爐拱是火床爐重要組成部分，起著引燃和組織爐內(nèi)空氣動力工況的作用[10-11]。

爐拱對不同的燃料起的作用不同，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計是有區(qū)別的。對于劣質(zhì)或中質(zhì)燃煤來講，主要起及時引燃新燃料、強化傳熱、使著火區(qū)燃料完全燃盡的作用。以典型的α形燃煤爐拱為例，從低長的后拱返回的熾熱碳粒和火焰氣流，遇到略高的前拱斜面，折返向下沖刷新煤層，形成有利的著火條件。前拱區(qū)的回流能形成強烈的渦流，可增強未燃盡的可燃物與氧氣間的湍流混合，增加停留時間，改善充滿度，低長的后拱將旺盛燃燒區(qū)和燃盡區(qū)覆蓋，使煤完全燃燒，提高燃盡率。而對于容易著火的生物質(zhì)顆粒燃料來講，爐拱的主要作用是組織爐內(nèi)燃燒空氣動力工況，加強湍流，延長可燃氣體在爐內(nèi)停留時間，減少可燃氣體不完全燃燒熱損失和環(huán)境污染。

1.2 提供焦油熱解條件

生物質(zhì)焦油是伴隨生物質(zhì)燃料熱解氣化過程產(chǎn)生的，200℃以下溫度時呈黑褐色黏稠狀液體，含有毒物質(zhì)，對人體的健康有害，且污染設(shè)備。凝結(jié)后的焦油不能完全燃燒，容易產(chǎn)生炭黑顆粒，對環(huán)境造成不利影響。焦油成分很復(fù)雜，由100多種組分構(gòu)成。隨著溫度的提高，組分中的大分子鍵容易斷裂成小分子氣體。在600℃左右溫度時苯及其衍生物和多環(huán)芳烴分解成CO、CH4、H2等小分子可燃氣體。一般900℃時達到很高的裂解率。裂解時間通常在0.5～1.0 s。焦油的裂解特性為燃燒除焦油的研究提供了理論依據(jù)[12-15]。

1.3 避免結(jié)焦渣現(xiàn)象

從生物質(zhì)燃料的元素分析、工業(yè)分析和TG實驗結(jié)果看出，和煤相比主要差別是:(1)碳及固定碳含量低；(2)揮發(fā)分含量高，且析出溫度低，析出集中。因此，燃燒生物質(zhì)顆粒燃料需要二次給風(fēng)，補充氧化劑；(3)氧含量高，易于被點燃；(4)硫、氮含量低，利于環(huán)境保護。在生物質(zhì)燃料中玉米秸稈顆粒燃料的灰熔融性比較特殊，在爐排上溫度800～900℃時就會發(fā)生軟化，溫度再高時灰分全部或者部分發(fā)生融化，遇冷形成玻璃狀堅硬爐渣，難以清除。煙氣中夾帶著融化或半融化的堿金屬硅酸鹽，在與其接觸到的壁面上凝結(jié)產(chǎn)生嚴重的積灰、結(jié)渣[16-17]。生物質(zhì)固體燃盡溫度比煤低，本文在研究玉米秸稈顆粒燃料的灰熔融特性過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化劑充足的條件下，600℃就可以使玉米秸稈顆粒燃料的固定碳完全燃燒掉。

1.4 合理的配風(fēng)及流場、溫度場

首先，小型鍋爐爐膛容積小，鍋爐配風(fēng)與大型鍋爐比流量少，氣體動能小，流速非常低，很難形成湍流?？扇細庠谌紵臻g運動軌跡短，停留時間短。生物質(zhì)燃料進入爐膛，大部分揮發(fā)分集中析出，有些可燃氣體成分來不及與氧化劑擴散、混合、燃燒，就隨煙氣排出，產(chǎn)生嗆人的黃煙。其次，小型鍋爐爐膛熱容量比較小，冷空氣進入對爐膛對其降溫影響大，爐膛溫度不穩(wěn)定，燃燒狀態(tài)就不好。生物質(zhì)焦油得不到熱解的能量，不能裂解成小分子可燃氣體。還有，目前小型生物質(zhì)鍋爐送料裝置多采用螺旋輸送，燃料落料點、固體燃燒區(qū)和灰渣區(qū)共處同一位置，灰層內(nèi)局部溫度高，易引起灰渣融化、結(jié)焦。小型鍋爐不設(shè)置司爐工，沒有專人值守，不能及時發(fā)現(xiàn)結(jié)渣并及時清理。即使清理，對小爐子的燃燒工況影響很大，甚至?xí)袛嗳紵?/p>

2 小型生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文的設(shè)計思想是通過創(chuàng)新的爐拱結(jié)構(gòu)設(shè)計，在燃燒室內(nèi)區(qū)分氣體燃燒區(qū)域和固體燃燒區(qū)域。在氣體燃燒區(qū)，預(yù)熱的二次風(fēng)噴射而出，強化氣流擾動，形成漩渦，加強湍流，延長可燃氣體在爐內(nèi)停留時間，形成很好的燃燒動力工況。提高氣化燃燒區(qū)內(nèi)溫度，并穩(wěn)定在800～1 000℃范圍內(nèi)，顆粒燃料的揮發(fā)分析出即刻達到著火溫度而燃燒，生物質(zhì)焦油在這個溫度范圍下完全熱解成小分子可燃氣體，提高燃料熱值，解決可燃氣燃燒不充分問題。在固體燃燒區(qū)，降低生物質(zhì)固定碳燃燒溫度，控制在600～800℃范圍內(nèi)。生物質(zhì)顆粒燃料固定碳在旺盛燃燒區(qū)和燃盡區(qū)受到的傳熱不同，溫度不同。降低階梯末端儲灰區(qū)域溫度，減少灰渣融化幾率，解決灰渣結(jié)焦問題。通過上述措施，解決小型生物質(zhì)鍋爐燃燒生物質(zhì)顆粒燃料時的焦油污染、燃燒不完全、不穩(wěn)定以及燃料灰渣結(jié)焦問題。

在鍋爐燃燒室結(jié)構(gòu)中起主要作用的是前拱和后拱，也是本文研究的主要對象[18]。本文研究的小型生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐燃燒室結(jié)構(gòu)剖面及熱電偶測溫點示意圖如圖1所示。生物質(zhì)顆粒燃料著火容易，不需要較長熱輻射前斜面和炙熱氣流折射引燃新燃料，且生物質(zhì)揮發(fā)分含量大，析出集中，氣體燃燒需要空間和時間。因此，在階梯頂面燃料水平入口處與其上部前拱前端處，設(shè)計成較短的30°角上揚斜面，將析出的揮發(fā)分氣體導(dǎo)入燃燒室。燃燒室前拱設(shè)計成象鼻狀結(jié)構(gòu)并向下延長凸出，其中部與階梯之間形成如圖1所示截面的柱狀空腔，形成較大的可燃氣體擴散燃燒區(qū)。前拱體內(nèi)設(shè)計有二次風(fēng)通道，二次風(fēng)在垂直于圖面方向側(cè)墻上的進風(fēng)孔由鼓風(fēng)機送入，在象鼻通道內(nèi)預(yù)熱后，從象鼻通道末端出風(fēng)孔噴射到氣體燃燒區(qū)，擾動氣流，形成漩渦，加強湍流，延長可燃氣體在爐內(nèi)停留時間，組織成良好的燃燒空氣動力工況。一次風(fēng)從階梯型火床前壁送入空腔，然后從階梯面出風(fēng)孔及撥料板四周狹縫進入燃燒室。既預(yù)熱了空氣又冷卻了火床。生物質(zhì)顆粒燃料固定碳含量少，燃盡溫度比煤低，后拱不需要較大的燃盡區(qū)覆蓋率，因此后拱長度設(shè)計很短，上下斜面熱輻射主要傳導(dǎo)到氣體燃燒區(qū)。前拱外側(cè)圓弧形向下傾斜斜面，與后拱上斜面形成煙氣二次擴散擾動區(qū)域。后拱上下斜面交界處凸起，與前拱象鼻型外側(cè)形成喉口，炙熱的煙氣在此處受到擠壓然后擴散，再次擾動。殘留在高溫?zé)煔庵猩倭课捶纸獾纳镔|(zhì)焦油，在擴散燃燒區(qū)域流動速度滯緩和水管換熱面熱交換溫度降低雙重作用下析出，沿象鼻型前拱上外側(cè)圓弧面和后拱上斜面流淌到喉口，遇高溫?zé)煔庠俅螣峤?、燃燒掉，除去焦油?/p>

圖1 燃燒室結(jié)構(gòu)CAD剖面圖及熱電偶測溫點布置圖

圖2是燃燒室氣體動力工況數(shù)值模擬計算結(jié)果。仿真主要是觀察一次風(fēng)、二次風(fēng)混合情況，工況為冷態(tài)，流場采用Simple算法進行穩(wěn)態(tài)求解，由于內(nèi)部流動不規(guī)則，存在擾流，因此湍流采用RNGk-e模型。采用四面體網(wǎng)格，對一次風(fēng)的小孔進行了局部加密，網(wǎng)格數(shù)量共35萬。由圖2可以看出，在氣體燃燒區(qū)域形成了良好的渦旋流動，使該處聚集的大量揮發(fā)份的擾動、擴散得到強化，停留時間延長，形成良好的燃燒動力工況。

圖2 燃燒室氣體動力工況數(shù)值模擬計算結(jié)果

階梯狀火床上設(shè)計有往復(fù)移動的撥火裝置，推動生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程中前行，脫落表面裹灰層，完全燃燒。固定碳在旺盛燃燒區(qū)和燃盡區(qū)、儲灰區(qū)受熱不同，溫度不同。預(yù)防灰渣結(jié)焦。

前拱、后拱、火床和側(cè)墻都是采用耐火材料制成，具有耐熱、蓄熱功能，熱容量大。一次風(fēng)、二次風(fēng)都是經(jīng)過預(yù)熱后進入燃燒空間的，對燃燒區(qū)溫度影響波動不大，有利于氣體燃燒區(qū)域和固體燃燒區(qū)保持穩(wěn)定的溫度區(qū)間。

3 實驗與分析

將本文研究設(shè)計的燃燒室結(jié)構(gòu)應(yīng)用在10 kW熱水鍋爐中，主要結(jié)構(gòu)尺寸為：前拱內(nèi)弧半徑150 mm，垂直于圖面方向爐膛側(cè)墻之間寬度250 mm。如圖1所示，在燃燒室內(nèi)布置14個測溫點，其中1、2、3、4、5、6測溫點，在垂直于紙面方向上，測溫點到側(cè)墻距離是：1點，40 mm；2點，80 mm；6點，120 mm；3點，160 mm；4點，200 mm；5點，240 mm；7、8、9、10、11、12、13、14點是在120～130 mm區(qū)間，居于中間位置。另外，在鍋爐外表面、排煙處也布置了測溫點。溫度傳感器選用上海自動化儀表三廠生產(chǎn)的直徑Ф3鎳鉻—鎳硅K型鎧裝熱電偶，其測溫范圍在-200～1 300℃。測溫點數(shù)據(jù)記錄采用日本橫河公司生產(chǎn)的GM10數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸了入電腦，存儲、屏幕顯示。

在對氣體燃燒溫度、固體燃燒溫度、煙氣溫度測量同時采用ALS-SD250型內(nèi)窺視工業(yè)電視，實時采集、監(jiān)視、記錄燃燒室火焰影像。采用德國Testo350煙氣分析儀對鍋爐尾部煙氣進行組分、含量等數(shù)據(jù)測量。

圖3是本文研究搭建的10 kW熱水鍋爐熱工測試實驗臺現(xiàn)場圖片。本文用于燃燒研究的生物質(zhì)顆粒燃料是從市場購買的玉米秸稈顆粒燃料。當(dāng)鍋爐運行處于穩(wěn)定狀態(tài)后，測試各測溫點溫度及煙塵排放濃度，觀察火焰狀態(tài)及灰渣形態(tài)，監(jiān)測煙囪煙塵狀態(tài)。

圖4是ALS-SD250型內(nèi)窺視工業(yè)電視在鍋爐運行處于穩(wěn)定狀態(tài)時實時采集的氣體燃燒圖像和GM10數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集燃燒室內(nèi)溫度傳感器數(shù)據(jù)的電腦屏幕截圖。從監(jiān)視圖像看到，玉米秸稈顆?？扇細馊紵鹧骖伾撬{色光，溫度較高，與測溫點1～6溫度示值816～1 006℃區(qū)間相符?；鹧嬖跔t膛充滿度比較好。Testo350煙氣分析儀對鍋爐排煙采樣測試數(shù)據(jù)中CO含量為零。觀察煙囪排出的煙塵是輕微白色的。

圖3 10 kW熱水鍋爐熱工實驗臺

圖5是ALS-SD250型內(nèi)窺視工業(yè)電視實時采集的玉米秸稈顆粒固體燃燒圖像。從圖像看，火焰顏色呈橘黃色，溫度比藍色火焰低，沒有出現(xiàn)灰渣融化跡象。圖6是收集的玉米秸稈顆粒燃料灰渣照片。灰渣呈松散狀，沒有炭黑核心。固定碳完全燃燒掉。

圖5 玉米秸稈顆粒固體燃燒圖像

圖6 玉米秸稈顆粒燃料灰渣圖像

燃燒實驗全過程沒有產(chǎn)生焦油污染。分析其原因是因為燃燒室氣體燃燒區(qū)溫度穩(wěn)定，且遠遠高出生物質(zhì)揮發(fā)分的著火溫度，玉米秸稈顆粒中揮發(fā)分一經(jīng)析出，即刻點燃。旋轉(zhuǎn)流動的二次風(fēng)，擾動可燃氣流，形成湍流，表現(xiàn)為爐膛火焰充滿度好。可燃氣成分與氧化劑得到充分的擴散、混合，完全燃燒，沒有可燃氣體成分排出。所以排煙中沒有CO含量，排煙呈微白色。氣體燃燒區(qū)溫度高且穩(wěn)定，旋流、擾動給生物質(zhì)焦油熱解過程和可燃氣體成分燃燒提供足夠的時間。氣體中所含的生物質(zhì)焦油在高溫中被熱解成小分子可燃氣體燒掉，不僅清除了生物質(zhì)焦油的污染，還提高了燃料的熱值。

從火焰顏色上判斷，氣體燃燒區(qū)溫度高于固體燃燒區(qū)溫度。雖然測溫點8示值965.9℃，但玉米秸稈顆粒固體燃燒旺盛區(qū)域火焰圖像呈橘黃色，說明玉米秸稈顆粒固體燃燒區(qū)域整體溫度偏低。燃燒過程沒有出現(xiàn)灰渣結(jié)焦現(xiàn)象。分析推斷測溫點8貼近火焰燃點示值較整體區(qū)域偏高；往復(fù)移動的撥火裝置將溫度高的玉米秸稈顆粒固體及時推離旺盛燃燒區(qū)，及時拉開有粘結(jié)傾向的灰層。固體燃燒旺盛區(qū)域的溫度還需要采取措施降低到800℃以下，更為安全。

采用耐火材料制成的爐拱和火床具有較大的熱容量，一次風(fēng)、二次風(fēng)進入燃燒空間前在各自通道預(yù)熱，這些措施緩解冷空氣對燃燒空間降溫的沖擊，實驗效果很好。一次風(fēng)從火床下面噴出，冷卻了火床表面，降低灰層溫度。同時給固體燃燒區(qū)域供給充裕的氧化劑。從燃燒后的玉米秸稈顆粒燃料灰渣沒有炭黑、比較松散這一點可以證明本設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠使玉米秸稈顆粒燃料在不結(jié)焦的溫度下完全燃燒掉。

4 結(jié)論

通過實驗驗證，合理的燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用二次風(fēng)擾動燃燒室內(nèi)氣流，形成強湍流旋渦，延長可燃氣體成分運動軌跡及在高溫氣體燃燒區(qū)停留時間，解決了可燃氣燃燒不充分問題；在800～1 000℃溫度區(qū)間燃燒除焦油方法可行，解決了焦油污染問題。實驗證明生物質(zhì)固定碳在600～800℃溫度區(qū)間能夠完全燃燒。通過在10 kW熱水鍋爐中試驗，實現(xiàn)了在小型鍋爐燃燒室內(nèi)氣體燃燒區(qū)和固體燃燒區(qū)溫度區(qū)分。階梯狀火床和往復(fù)撥火措施有效預(yù)防玉米秸稈顆粒燃料灰渣結(jié)焦問題。10 kW熱水鍋爐是熱功率很小的爐具，燃燒條件最差。隨著鍋爐功率增大，其燃燒空間，鍋爐配風(fēng)等設(shè)計條件都會改善。本文研究設(shè)計的燃燒室結(jié)構(gòu)應(yīng)用到大于10 kW的熱水鍋爐，實際效果會更好。

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