生物质颗粒悬浮燃烧锅炉设计研究

韩秀滨 尹军帅

摘要：现在的煤炭资源因为在使用中严重污染环境而被搁置，石油资源占领世界能源的高地，但石油是用多少少多少，导致它必然走向衰败，即使石油因储量巨大，但是石油是不可再生资源，被其它能源所替代也是在情理之中，生物质资源来源非常广泛，如农作物秸秆、禽畜粪便、林业废弃物和能源作物等，但也存在开发具有层次性、政策补贴不到位等难题，生物质能源相对于风能、太阳能产业的发展规模和水平还是很低的。节能一直是最重要的一条途径，并且锅炉的节能是非常重要的，利于改善目前资源紧张、环境恶化的状况，对人类社会实现可持续发展具有重要的经济效益和社会意义。

关键词：生物质；颗粒悬浮燃烧；锅炉设计；

前言：相继开发了固定床、往复炉排、链条炉排、循环流化床等各种用于工业的大、中型生物质颗粒燃烧锅炉，而对用于农村农业的小型生物质颗粒燃烧锅炉研究不够。长期以来，设施养殖业如养鸡、养猪的供暖设备均为小型燃煤锅炉。近年来，随着各地限制燃煤力度的不断加大，生物质颗粒燃烧锅炉替代燃煤锅炉成为发展趋势。

一、生物质粉体燃料特性分析

生物质粉体燃料是生物质原料经干燥、粉碎等预处理后，在特定的设备中被加工成的粉体形状的固体燃料。其中，生物质的堆积密度、机械耐久性等物理特性对燃料的储存和燃料的燃烧技术有着很大的影响。堆积密度是指在自然堆积情况下包括燃料颗粒空间在内的密度，表明了单位容积中燃料的质量。生物质粉体燃料机械耐久性却很好，由于不用考虑生物质燃料的破碎以及松散等问题，因此极有利于生物质粉体燃料的储存和运输，也不会影响生物质粉体燃烧过程烟气排放，受热不均匀以及混合不均匀等情况。我国的此三种生物质粉体燃料具有很强的机械耐久性，也表示我国的生物质粉体燃料的粉碎技术要求不会太过于苛刻。

二、生物质颗粒悬浮燃烧锅炉设计

1.结构及工作原理。根据生物质燃料挥发分含量高、灰熔点低以及燃烧温度对NOX 生成量的影响等因素，为保证锅炉的正常运行，有必要对燃烧过程的温度加以控制。因此，本设计中，采用了固相和气相两个燃烧室，两个燃烧室的容积之比为1∶23，同时，将燃烧室与换热器结合在一起，围绕燃烧室采用水冷壁进行换热，有效降低了炉膛温度。生物质成型燃料由上方喂料斗，经变频螺旋给料器送入进料管，再通过吹播风将燃料吹播到锅炉固相燃烧室，鼓风机将空气经炉排底部吹入燃烧室，裂解燃烧后产生的可燃烟气和未燃尽的碳粒在出火管处与二次进风混合后，进入气相燃烧室进行充分燃烧放热，在气相燃烧室出烟口进行脱硝处理后的高温烟气经由换热器换热降温后，被吸入袋式除尘器，除尘后的洁净气体由引风机排入大气。在固相燃烧室，生物质颗粒经高温干燥、裂解，挥发分析出后，比重大幅降低，粒度减小，在炉排底部向上风和吹播风的共同作用下，形成旋流悬浮燃烧，使空气氧化剂与颗粒结合更密切，燃烧更充分；同时，由炉排底部进入的冷空气对炉排上方的生物质颗粒燃烧物进行冷却降温，防止结渣和降低氮氧化物的生成量。进入气相燃烧室的火焰在阻火墙阻拦下，形成湍流，使氧化剂与可燃物结合更紧密，燃烧更充分。

2.锅炉炉排及炉膛尺寸。炉排和炉膛尺寸均为锅炉设计的重要参数，直接影响锅炉的供热及燃烧情况。生物质锅炉目前没有成熟的设计理论，参照燃煤锅炉设计理论并结合生物质燃烧特点进行设计。炉排面积热负荷和炉膛容积热负荷是影响燃烧温度控制的重要因素之一。在本设计中，锅炉热功率设计值为0.7 MW，锅炉排烟、散热、气固相未完全燃烧热损失总计按15%考虑，因此，实际燃烧所需功率为0.823 MW；采用了固相和气相两个燃烧室，2 个燃烧室的容积之比为1∶23。由于2 个燃烧室有效分担了热负荷，降低了炉排面积热负荷和炉膛容积热负荷，初步拟定炉排的面积热负荷为485 kW/m2，固相和气相两个燃烧室的容积热负荷分别为595 kW/m3 和582 kW/m3。

3.锅炉换热系统。为提高锅炉换热效率，减少换热器体积，增加单位体积换热面积。采用包覆换热器和燃烧室水冷壁＋管壳式进行热交换结构，水走水冷壁和管程，高温烟气走壳程，逆流换热。换热器结构分为上下2 层，中间隔层为水冷壁，有效延长热交换时间，降低了气、固相燃烧室温度，减少了氮氧化物生成量。在气相燃烧室及换热器烟气侧，燃料与空气混合、着火、燃烧，产生高温烟气与水冷壁进行热交换，以辐射为主，对流为辅；工质侧，管内工质流动，吸收烟气放热量，以对流换热为主。根据热交换原理，单位面积在单位时间内的换热量，对流换热与对数平均温差成正比，辐射换热与温度的四次方之差成正比。然而，由于炉膛、换热器结构复杂多样，火焰温度分布不均等因素的影响，导致目前无成熟换热面积理论计算公式可用，根据大量经验数据结合简化物理模型进行工程计算是目前普遍采用的方法，不同公司的锅炉换热计算，由于其所积累的经验数据的局限性，一般只适用于其所生产的锅炉型式和燃烧方式，并且在不断改进与完善中。

4.锅炉送风系统。通风是锅炉的呼吸器官，关系到锅炉的正常燃烧和换热过程的进行。根据生物质燃烧特性，锅炉采用2 次送风设计。选用平衡通风方式，在锅炉设备中同时装有送风机和引风机。在设计送风系统时，考虑到生物质燃料燃烧后所产生的灰熔点较低，温度过高则容易结渣。采取由炉排底部自下而上吹入冷空气对炉排上方燃烧区进行降温。同时，生物质颗粒裂解产生大量挥发分析出，使颗粒变轻变小，由底风带动向上吹浮的同氧化剂与颗粒接触更紧密，燃烧更充分。由于固相燃烧室小而低，加之一次风量不足，大量析出的挥发分来不及燃烧便在出火口与二次风混合进入气相燃烧室后再充分燃烧。空气过量系数是设计送风系统时的主要技术参数，过小则导致燃烧不充分，过大则使排烟热损失加大。参阅国内相关研究，本锅炉的空气过量系数取值为1.5。送风机风量选取应根据生物质燃烧理论空气量、单位时间燃料消耗量和空气过量系数计算而得，全压确定应由克服风道阻力的计算全压降得到；依据燃烧产生的烟气量和烟道全压降选择引风机，同时，送、引风机风量和全压应具有一定的安全储备系数。烟气颜色呈微白色，说明进入气相燃烧室的挥发分和未燃尽的碳粒得到充分燃烧。

三、建议

生物质悬浮燃烧器是一种效率高的、易使用的、经济好的小型燃烧设备，具有与众不同的特点，有着良好的发展前景。但然，生物质悬浮燃烧器的研究的步伐还是不能停止的，有许多方面的研究还有待深入，比如以下：（1）在燃烧器热性能试验中，所选取的粉体燃料种类较少，为全面了解生物质粉体燃烧效果对燃烧器以及炉膛的影响，建议今后扩展多种生物质粉体燃料的研究；（2）生物质选燃烧器中预燃室内虽然温度不高但是还是造成了一定的能量浪费，建议以后对其进行细致更深入的研究；

结束语：

现在环境污染极其严重，大部分污染物的来源便是化石能源使用过后的排放，因此对清洁能源的需要是大家所渴望的。我国是农业大国，生物质的产量是非常巨大的，而且是非常容易获取，因此生物质是一种适合我国国情的洁净资源。然而，现在的生物质燃烧器比如普通澡堂用的锅炉存在燃烧热效率低，结渣率高等问题，导致了锅炉运行效率低，经济不实惠。为确保燃烧热效率高以及结渣率低，研制新型燃烧器是比较可靠的经济的快有效方法。

参考文献：

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