生物质颗粒燃料燃烧模拟实验

矫振伟¹，苏俊林¹，罗小金²

(1.吉林大学热能工程系，吉林　长春　130022；2.广州市计量检测技术研究院，广东　广州　510030)

　　摘要：在生物质颗粒燃料燃烧试验用锅炉平台上，进行了多种配风、一、二次风配比、不同的二次送风位置及改变燃料层厚度四个工况下的实验研究。实验结果表明：生物质颗粒燃料锅炉热效率高达77.69%，而锅炉排烟中NO_X、SO₂等环保指标远远低于燃煤锅炉。燃烧模拟实验为生物质颗粒锅炉设计和运行提供规律性参考数据。

　　0引言

　　生物质固体成型燃料具有易储存、运输及使用方便、清洁环保、燃烧效率高等优点，是开发、利用生物质能的主要方向之一^[1-4]。生物质固体燃料主要分为颗粒、块状、棒状3种形式，其中颗粒燃料具有流动性强、点火容易、燃烧效率高等优点，因此得到人们广泛关注[5]。我国生物质颗粒燃料及其燃烧设备的研究刚刚起步，对生物质颗粒燃料燃烧设备的理论和应用研究很少，缺乏其燃烧运行参考数据。

　　要设计出性能优良的生物质颗粒燃烧设备，必须要有相应的热力特性参数作为设计依据^[6-7]。为此作者经过多次试验，制作了生物质颗粒燃烧试验用锅炉，搭建其热工测试平台，进行了不同工况下生物质颗粒燃烧特性，锅炉热工特性，排烟特性的实验研究。通过系统的实验研究取得了一些规律性数据以期为生物质颗粒锅炉设计和运行提供参考。

　　1试验用装置与燃料特性

　　燃烧模拟实验用炉结构简图如图1所示。试验用锅炉是根据生物质颗粒燃料的燃烧特性，及热力特性参数为设计依据制造的，其供热量为10kW。

　　该锅炉为下部下吸式结构，燃烧部分由固相燃烧室、气相燃烧室、灰渣室组成。对流受热面为两排设置在气相燃烧室上部的烟管束。为实验研究多处留孔便于测量^[8]。

　　采用XBD-370型漩涡气泵分两路供风，分别用浮子流量计计量，用阀门调节流量。二次送风成喷雾状送风。选用CSRD-42N型风机盘管机组为试验用锅炉的热负荷。

　　测量仪器为：KM9106综合烟气分析仪；RY20型积分式热量表；LZB-25型转子流量计；电子秤；热电偶和HR1300/3750型便携式混合记录仪等。

　　实验用的生物质颗粒燃料是用玉米秸秆压缩成型的颗粒，颗粒为圆柱形，直径8mm，长度20～30mm。玉米秸秆的低位发热量16284kJ/kg；水分含量5.08%；挥发份含量85.42%；灰分含量7.22%；固定碳含量2.28%；灰锥的软化温度(ST)<1000℃；热重分析结果表明：玉米秸秆颗粒的挥发份析出温度集中在220～270℃区间，峰值大约在235℃左右；焦炭燃烧的温度区域是280～430℃。

　　2实验方法与实验内容

　　根据GB 15317-1994工业锅炉节能检测方法；GB 10180-2003工业锅炉热工性能试验规程；GB 13271-2001锅炉大气污染物排放标准；及GB 5468-1991锅炉烟尘测试方法，在4种工况下对比试验、分析，对生物质颗粒燃料燃烧运行参数进行试验确定^[9-12]。

　　实验内容：

　　(1)采用一次供风方式，改变送入的空气量，筛选最佳过量空气系数；

　　(2)采用最佳过量空气系数，将供给的风量分为两路供风的方式，筛选最佳的一、二次供风配比；

　　(3)采用优化的过量空气系数和一、二次供风配比，筛选最佳的二次送风位置。二次送风成喷雾状。

　　(4)在最佳的供风工况下，筛选最佳的燃料层厚度。

　　3实验结果与分析

　　(1)不同供风量对排烟中CO浓度和燃料层温度的影响

　　实验结果表明：仅有一次风供给，燃烧效果非常不好，风量增大，燃料层温度增高，参与反应的燃料增多，单位时间内产生的挥发分增多，不完全燃烧损失增大。因此，仅通过改变一次风量大小不能够彻底改善炉膛内燃烧不完全的状况。

　　(2)经过试验筛选认为空气供给量为16m³/h，过量空气系数是1.95时比较好，以此为基础将供给的空气取不同的比率分为两路供给。在不同的配风比例下，实验结果如表1。

　　实验结果表明：当二次风量供给小于50%时，炉膛内供应的氧不足，出现一定的不完全燃烧，当二次风量供给大于50%时，由于冷空气过大将可燃气体吹散，使炉膛温度降低，一些可燃物质来不及燃烧就被带到排烟管道，排烟温度增高，热损失增大。因此，当一、二次风量配比为50%时为最佳。

　　(3)在试验不同的二次送风的配比率的同时，改变二次送风位置，记录二次送风的位置和配比率对锅炉排烟中CO浓度及锅炉的热效率的试验结果如下。

　　实验结果表明：二次送风的位置在炉膛中部情况最好，更能够增加氧气流与火焰的混合扰动，CO的燃烧更加充分。提高锅炉热效率应当综合考虑二次送风的位置和配比率这两个因素，在炉膛中部送二次风、配比率为50%时，锅炉有最大的热效率77.69%。这是因为改善此处缺氧燃烧不好的现象，降低未燃烧气体损失，从而提高锅炉的热效率。可见二次送风位置应该在炉膛燃烧最不充分的地方，使燃料的化学热充分的释放出来。

　　(4)在确定本锅炉的空气供给量为16m³/h，过量空气系数是1.95，二次送风的配比率为总风量的50%、在炉膛中部送时，考察燃料层厚度的改变对锅炉热性能的影响。试验结果如表2。

　　从表2中可看出，燃料层厚度为450mm时，锅炉工况最佳，CO浓度为最低的364.34mg/m³，热效率为最高的77.69%。这是因为随着燃料层厚度的进一步增大，燃料层内氧化层与还原层的厚度增大，燃烧中心温度增高，单位时间内生物质颗粒燃料产生的挥发分增多，在送风量不变情况下，炉膛内可燃气体缺氧，未能完全燃烧，增加了气体不完全燃烧热损失，引起排烟热损失的增大，从而影响到总的热效率的降低。而当燃料层厚度为较低的400mm时，燃料层出现烧穿现象，料层上方冒火星，燃烧中心温度也增高，单位时间内生物质颗粒燃料产生的挥发分增多，气体不完全燃烧热损失和排烟热损失均增大，锅炉总的热效率也随之降低。当燃料层厚度较低或较高时，料层温度均上升很快，迅速上升至1000℃以上，锅炉结焦渣，燃烧工况恶化，从观火孔观察到炉膛内火焰强度明显减弱。

　　4结论

　　(1)生物质颗粒燃料确定后，它的燃烧速率、传热参数和挥发分析出温度、速率也就一定的，燃料层厚度也存在一个最佳值。过高或过低都会引起中心温度增高，使挥发分析出加快、增多，出现结渣，不完全燃烧现象。

　　(2)生物质颗粒燃烧必须要有二次风供给，合理地使用二次送风，会使炉膛供氧充分，扩大炉膛内高温区域范围，增加可燃物质与氧接触机会和时间，减少不完全燃烧的成分，提高锅炉热工效率。

　　在最佳工况下，生物质颗粒燃料锅炉热效率达到77.69%，比GB /T15317-1994工业锅炉节能检测方法中所规定的热效率合格指标高22.69%^[13]。

　　参考文献

　　[1]苏俊林，陈华艳，矫振伟.生物质型煤研究现状与发展[J].节能技术，2008，26(1)：83-86.

　　[2]苏俊林，王振坤，王巍.强化传热生物质燃料热风炉研究[J].节能技术，2007，25(2)：160-163.

　　[3]李海军.家用生物质颗粒燃料炉的效益分析[J].节能技术，2007，25(6)：566-568.

　　[4]袁艳文，林聪，赵立欣，等.生物质固体成燃料抗结渣研究进展[J].可再生能源，2009(5)：48-51.

　　[5]罗娟，侯书林，赵立欣，等.生物质颗粒燃料燃烧设备的研究进展[J].可再生能源，2009(6)：90-95.

　　[6]苏超杰，罗志华，李文雅，等.生物质成型燃料燃烧设备热力特性参数测试[J].节能技术，2006，24(3)：220-223.

　　[7]王翠苹，李定凯，王风印，等.生物质成型颗粒燃料燃烧特性的试验研究[J].农业工程学报，2006(10)：174-177.

　　[8]刘圣勇，马骏，李荫，等.秸秆成型燃料双层炉排锅炉炉膛温度分布试验与分析[J].农业工程学报，2006(7)：101-104.

　　[9]国家环境保护局污染管理司编写.GB 5468–1991锅炉烟尘测试方法[S].国家技术监督局.国家环境保护局发布.

　　[10]全国能源基础与管理标准化技术委员会能源管理分委员会编写.GB 15317-1994工业锅炉节能检测方法[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会发布.

　　[11]北京电工技术经济研究所编写.GB 10180-2003工业锅炉热工性能试验规程[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布.

　　[12]国家环境保护局科技标准司编写.GB 13271-2001锅炉大气污染物排放标准[S].国家环境保护局.国家质量监督检验检疫总局发布.

　　[13]罗小金.生物质颗粒燃料燃烧的试验研究[D].长春：吉林大学，2008.