燃用生物质颗粒燃料锅炉的燃烧及排放特性

苏俊林，罗小金，矫振伟，黄海珍

(吉林大学热能工程系，长春130022)

　　摘要：为得到燃用生物质颗粒燃料锅炉的燃烧和排放特性，建立了燃烧模拟实验台，进行了一次风量及二次风量不同配比、不同位置及不同料层厚度等参数对燃烧和排放性能影响的实验，为生物质颗粒燃料锅炉的设计提供了可靠的依据。样机测试和实际应用表明，此形式生物质锅炉高效节能、洁净燃烧、大气污染物排放量低，具有广阔的应用前景。

　　生物质颗粒成型燃料是以木屑、秸秆等农林剩余物为原料，在高压加热条件下，压缩成颗粒状且质地坚实的成型物，可作为工业锅炉、民用炉灶、家庭取暖炉以及农业暖房的燃料。由于成型燃料除具有比重大、便于贮存和运输、着火容易、燃烧性能好、热效率高的优点外，还具有灰分小、燃烧时几乎不产生SO₂，不会造成环境污染等优点，是一种较为理想的清洁燃料，有着广阔的市场开发前景。上世纪30年代开始，许多发达国家如美国、日本、芬兰等都投入了大量人力物力来研究生物质成型技术及颗粒燃料，80年代后，技术日

　　趋成熟，形成了一定规模^[1-4]。到了90年代，日本、美国及欧洲一些国家生物质颗粒燃料燃烧设备已经定型，并形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已推广应用^[5-8]。我国起步较晚，“八五”期间，作为国家重点攻关项目，中国农机院能源动力研究所等机构对生物质成型技术及装置进行了攻关，推进了我国生物质燃料固化成型的研究工作^[9-10]。

　　从目前国内外的研究及应用现状来看，燃烧设备存在着工艺差、专业化程度低、热效率低、排烟污染严重、劳动强度大等缺点，燃烧设备还未定型，还需进一步的研究、实验与开发。作者在自行设计的燃用生物质颗粒燃料锅炉模拟燃烧实验台上，系统研究了燃用生物质颗粒燃料锅炉的燃烧特性、排放特性和结渣特性。通过本实验研究得出了最佳的二次风送风位置、一二次风量配比率和最佳的燃料层厚度。并结合生物质颗粒燃料的燃烧机理及燃烧特性分析，为燃用生物质颗粒燃料锅炉的设计提供了科学依据。为今后燃用生物质颗粒燃料锅炉的结构定型提供参考。

　　1锅炉燃烧模拟实验台

　　1.1实验锅炉结构原理

　　燃烧模拟实验台(亦称实验锅炉)结构如图1所示。

　　该实验锅炉燃烧部分由固相燃烧室、气相燃烧室、灰渣室组成。固相燃烧室为生物质颗粒燃料提供热解气化热量，并产生生物质燃气。下部生物质燃气经燃烧器进入气相燃烧室实现均相动力燃烧，然后高温烟气进入对流受热面。对流受热面为两排设置在气相燃烧室上部的烟管束，烟气高速纵向冲刷管内。在固相燃烧室底部为灰渣室，生物质颗粒燃烧在此燃烬、降尘、结渣。图1中，测温口用于测量燃料层各点温度和燃料层厚度，点火口除了点火外也是测温口和除渣口，二次风口还是炉膛温度测温孔和观火孔。

　　1.2实验台结构原理

　　如图2所示，该实验装置由生物质颗粒燃料锅炉、送风系统、循环水系统、散热系统、烟气排放测试系统等组成。

　　送风系统由罗茨高压风机、一次风管路、二次风管路、浮子流量计和流量调节阀组成。一次风从固相燃烧室上部进入，二次风从气相燃烧室后部进入。

　　锅炉出水管接一块热量表，使用该表测量锅炉供回水温度、瞬时热量等值。锅炉出水流经电动水泵，以保证锅炉水的循环。最后，锅炉出水在散热系统中的换热器内通过强制循环冷却后，流至锅炉的敞口水箱，重新回到锅炉进行循环加热。

　　散热系统采用型号为CSRD-42N的风机盘管机组，用空气进行强制对流换热来模拟锅炉的热负荷。

　　为有效监控锅炉运行状况，需准确测量锅炉排烟中主要污染物的浓度，测试仪器选用英国凯恩公司生产的型号为KM9106的综合烟气分析仪。该仪器能够精确测量出烟气中O₂、CO、SO₂、NO、NO_x的体积分数以及烟气温度和环境温度，并能自动计算12个燃烧参数。

　　2锅炉燃烧模拟实验分析

　　本实验的目的是通过对专门设计的实验用燃用生物质颗粒燃料锅炉进行热工性能测试、大气污染物排放测试，考察在不同工况下，燃用生物质颗粒燃料热水锅炉实际运行过程中的燃烧及排放特性，分析其燃烧性能和环保性能，为今后设计、改进及运行此种锅炉提供可靠依据。

　　2.1一次风量对燃烧排放的影响

　　2.1.1一次风量对烟气中CO体积分数的影响

　　一次风量对烟气中CO体积分数的影响如图3所示。随着一次风量的增大，烟气中CO体积分数先减小然后又逐渐升高。由分析可知，由于炉膛内缺乏气流扰动，有些可燃分子在燃烧时难以找到氧化剂，所以仅通过改变一次风量大小不能够较好改善炉膛内燃烧不完全的状况。

　　2.1.2一次风量对燃料层温度的影响

　　图4为燃料层最高温度随一次风量的变化曲线图。随一次风量的逐渐增大，燃料层内温度也逐渐升高，当风量超过10m³/h时，过量空气系数约为1.2左右，燃料层内最高温度超过1000℃，锅炉很快结焦渣，燃烧工况恶化。

　　2.2一、二次风量配比率及二次送风位置的影响

　　2.2.1一、二次风量配比率对烟气中CO体积分数的影响

　　如图5所示，随着一、二次风量配比率的增加，CO体积分数先是从大到小，当风量配比率为50%时，CO体积分数达到一个最小值(505×10^-6)，当配比率继续增加，CO体积分数又逐渐增大。

　　2.2.2一、二次风量配比率对炉膛内温度的影响

　　由图6可知，当配比率为50%时，炉膛内温度达到最大值，炉膛中空气量合适，燃料燃烧及挥发速度适中，生物质燃气与空气量混合均匀，炉膛内温度达到最大值，此时燃烧工况最好。

　　2.2.3一、二次风量配比率对氮氧化物体积分数的影响

　　NO_x有3种生成机理：热力型NO_x由燃烧空气中气体氮氧化而成；燃料型NO_x由燃料中的化学氮转换而成；快速型NO_x由碳氢基同分子氮发生反应，随后原子氮又与氢氧基相互作用而形成的，在一般的燃烧装置中其生成量很少。本实验排烟中的NO_x主要是由燃料中的化学氮转换而成的燃料型NO_x。如图7所示，NO_x体积分数在一、二次风量配比率约52%左右达到最大值，但是，其体积分数值小于190×10^-6，优于燃煤锅炉的指标。

　　2.2.4一、二次风量配比率对锅炉各项热损失的影响

　　表1列出了一、二次风量配比率对锅炉各项热损失的影响。实验表明：当一、二次风量配比率为50%时，燃用锅炉达到较佳性能，此时气体不完全燃烧损失最低，而锅炉的热效率达到最大值。

　　2.4 SO₂质量浓度变化

　　用烟气分析仪检测各实验中烟气的SO2质量浓度，其值均在5mg/m3以下。这是由于生物质颗粒燃料中硫的含量很小，因此燃烧后生成的SO2质量浓度很低，或检测不出。这也是生物质颗粒燃料燃烧可减轻对环境污染的重要原因之一。

　　2.5实验结果分析

　　通过实验研究得出了最佳的二次风送风位置，一、二次风量配比率和最佳的燃料层厚度。在炉膛中部送二次风，一、二次风量配比率为50%，燃料层厚度为450mm时，锅炉为最佳工况，热效率最高。

　　该锅炉的排烟热损失为13.16%～15.68%，在最佳工况时排烟热损失达13.32%，这是由于排烟处的过量空气系数过高，各测温孔、送风孔、炉膛及后部漏风系数大，导致排烟量增大；排烟温度高，一般排烟温度每提高12℃～15℃时，排烟热损失将增加1%。因此在合理供风量下，导致排烟热损失大的主要原因就是排烟温度高。在今后的锅炉设计、优化、改造中，应减少漏风，降低排烟处的过剩空气系数；在保证燃料充分燃烧的情况下，供给空气量越小越好；合理设计对流受热面的大小与形式，从而降低排烟热损失。

　　本文实验结果说明炉膛内燃烧不够完全，在今后的设计中炉膛内应采取一定的措施，如采用旋流结构，使炉膛内生物质燃气能有一定的燃烧空间和时间，从而促进燃烧完全。

　　3研制与应用

　　以基础实验研究为依据，设计开发了数种燃用生物质颗粒燃料的锅炉。这是集生物质颗粒燃料气化、燃烧及传热为一体的新型锅炉。燃烧部分采用三室结构，即固相燃烧室、气相燃烧室及燃烬除尘室。在固相燃烧室内，为生物质成型燃料提供热解气化热量，并产生生物质可燃气。在底部，生物质可燃气被滤清净化，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。燃烧除尘室采用了燃烬、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，新型复合燃烧气化传热一体化锅炉具有高效节能、洁净燃烧、结构新颖、输出功率大和使用方便等特点。燃用生物质颗粒燃料锅炉样机如图10所示。

　　此锅炉设计计算结果为：额定功率为120kW；额定出水温度为80℃；额定回水温度为60℃；循环水流量为5150kg/h；冷空气温度为20℃；燃料为直径10mm的玉米秸秆颗粒燃料；燃料低位发热量为16284kJ/kg；燃料消耗量为33kg/h；设计热效率为80.5%；炉栅有效面积为0.8m²；炉膛容积为0.6m³；炉膛有效辐射受热面积为2.2m²；炉膛出口烟温为743℃；锅炉排烟温度为210℃；烟管直径为0.057m；烟管壁厚为0.0035m；烟管流程数为2；烟管长度为2m；每程烟管根数为6根；总对流换热面积Hd=3.77m²。

　　热工测试结果表明：此型锅炉的主要热损失是排烟热损失，其他热损失较小，其额定负荷热效率达到80.3%。比GB/T15317工业锅炉节能监测方法所规定的合格指标高20%以上。环境检测结果为：烟气林格曼黑度为0－1级，出口烟尘质量浓度为65mg/m³，二氧化硫质量浓度为9mg/m³，氮氧化物质量浓度为235mg/m³。环保指标远优于GB 13271锅炉大气排放污染物排放标准所规定的一类地区锅炉运行排放标准。

　　4结论

　　(1)自行研制的燃用生物质颗粒燃料热水锅炉的热效率、热水流量、热负荷，水温等热性能参数达到了设计要求，说明了该种炉型适合生物质颗粒燃料的燃烧。

　　(2)最佳工况下，该锅炉热效率达到80.3%，比GB/T 15317工业锅炉节能监测方法中所规定的热效率合格指标高出20%以上，同时锅炉排烟中NO_x、SO₂等环保指标远远低于燃煤锅炉，远优于GB 13271锅炉大气排放污染物排放标准所规定一类地区的锅炉运行排放标准，且有较好的环保效益。

　　(3)改变一次风量大小不能够较好地改善炉膛内的燃烧不完全状况。烟气中CO体积分数可大于15000×10^-6，排烟处O₂的体积分数一直保持在1.5左右，未有明显变化趋势，且炉内燃烧工况不稳定，当一次风量过大时锅炉容易结焦渣。

　　(4)通过实验研究得出了最佳的二次风送风位置，一、二次风量配比率和最佳的燃料层厚度。在炉膛中部送二次风，一、二次风量配比率为50%、燃料层厚度为450mm时，锅炉为最佳工况，热效率最高。

　　(5)对实际应用锅炉的结构设计分析及其热工性能和环保性能测试表明，该种炉型的锅炉具有一系列独特的优点，高效节能、环保，值得在工程实际应用当中推广。

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