生物質與煤層燃氣化復合燃燒技術研究

任曉平 唐欣彤 孫曉婷

長春工程學院

引言

我國燃煤層燃鍋爐量大面廣，其熱效率低,能耗大，污染嚴重等問題十分突出。我國生物質資源主要以農作物秸稈為主，每年可產生7.05億噸秸稈。目前，我國的秸稈資源除了一部分用作還田肥料和動物飼料外，大部分都廢棄或就地焚燒［1，2］，不但浪費了寶貴的能源，也帶來了嚴重的空氣污染。本文提出在層燃爐采用生物質與煤層燃氣化復合燃燒技術，推廣生物質能源利用，提高現有層燃爐效率，減少污染物排放。

1 生物質復合燃燒技術

生物質與煤層燃氣化復合燃燒技術，即煤在爐排上采用層燃方式，而生物質以粉狀形態從爐膛上部噴入爐膛空間，進行懸浮燃燒，將煤的層狀燃燒和生物質的懸浮燃燒相結合，使兩種燃料的燃燒優勢互補。通過合理控制一次風量，使部分煤發生氣化，產生煤氣，可減少燃煤煙塵排放。二次風用來攜帶粉狀生物質從爐膛上部噴入爐膛空間，二次風為生物質燃燒和煤氣燃燒提供空氣。該燃燒技術中用部分生物質代替煤，不僅減少了燃煤量，使煤層厚度減薄，而且減少了一次風量，降低了一次風速，從而降低了q3和q4熱損失。另外，二次風從上部空間給入，增強了氣流擾動，增加煙塵中可燃物在爐膛內的停留時間，所以有效減少了q3、q4熱損失，提高了燃燒效率。此外，生物質具有揮發份高，容易著火燃燒，且燃燒速度快，所以對穩定爐膛燃料的著火和燃燒十分有利，擴大了層燃爐煤種適應性。

2 確定適宜的燃燒工況

復合燃燒工況要綜合考慮燃燒效率和煙塵排放濃度。

以DZL6-1.25-AII層燃爐為例，分析復合燃燒技術的適宜燃燒工況。該層燃爐燃燒II類煙煤時，qv=350kW/m3，爐排面積 R=7.27m2，爐膛容積 V=14.295m3。當鍋爐改用該新型燃燒技術，燃料為煙煤和生物質組成的混合燃料時（煙煤燃料特性見表1，生物質燃料特性見表2。），爐膛容積熱負荷qv=350kW/m3，不僅能保證煤燃盡，而且也能使生物質燃盡。這是因為從大量生產經驗和研究成果中得到可靠的qv經驗數據是層燃qv=350～450kW/m3，容量小于等于25t/h的室燃爐qv=227～349kW/m3，顯然qv=350kW/m3時，煤和生物質在爐內有足夠的停留時間，保證燃盡。

該燃燒技術中，煙煤在爐排上層燃燒，部分煤完全燃燒，部分煤氣化產生煤氣，生物質在爐膛中懸浮燃燒，但三者在爐膛中釋放的熱量應該滿足爐膛容積熱負荷qv=350kW/m3。由此計算得出以下燃燒工況，見表3。表3明確了各燃燒工況的混合燃料的組成及一次/二次風的理論空氣量和總的理論空氣量。

（1）分析各燃燒工況q3、q4熱損失

與單純的燃煤層燃技術相比，該燃燒技術中用部分生物質代替煤，減少了燃煤量，使爐排上的煤層厚度減薄,這樣有利于減小了q4損失。同時，爐膛上部空間布置二次風，不僅能及時補充燃燒所需空氣，而且增強了爐膛空間的氣流擾動；另外，生物質揮發份高，燃燒反應活性高，在較低的溫度下依然能夠保證燃盡率，這樣該燃燒技術也有利于減小q3熱損失。

表1 煙煤

表2 生物質燃料

表3 q v=350kW/m3 時各燃燒工況的混合燃料組成及理論空氣量

為了便于分析，假定燃燒條件（爐膛溫度、爐膛結構、過量空氣系數、燃燒方式）不變時，近似認為灰渣含碳量Clz和飛灰含碳量Cfh不變,這樣q4近似只與燃料量B成線性關系，不同燃燒工況下q4見圖3。

圖3

由圖3可見，當γ＜4時，隨著γ的增加，q4急劇增加，當γ＞4時，q4變化趨于平緩，這與混合燃料的組成及其燃燒方式和有關，與生物質相比，煙煤含碳量高，揮發份含量低，更難著火燃燒，另外，煙煤采用層燃，與空氣混合程度較差，所以煙煤燃燒產生q4較大，所以在γ＜4時，隨著γ的增加，煙煤含量增加，生物質含量不斷減少，q4會急劇增加。當γ＞4時，煙煤含量很大，趨近于1，其含量變化對q4影響很小，所以q4變化趨于平緩。

同樣，假定燃燒條件（爐膛溫度、爐膛結構、過量空氣系數、空氣動力場）不變時，近似認為煙氣中的CO含量和燃料的燃燒量B呈線性關系，這樣q3近似只與燃料量B呈線性關系，不同燃燒工況下q3見圖4。

圖4

由圖4可見，當γ＜4時，隨著γ的增加，q3急劇增加，當γ＞4時，q3變化趨于平緩。這與混合燃料的組成有關。隨著γ的增加，混合燃料中生物質質量含量逐漸下降，煤的質量份額逐漸增加，煤氣化產生的煤氣也會逐漸增加，而上部空間投入的二次風量在逐漸減少，使得爐膛空間氣流擾動減弱，所以當γ＜4時，隨著γ的增加，q3急劇增加。當γ＞4時，混合燃料中煙煤含量很大，趨近于1，其含量變化對煤影響q3的很小，所以q3變化趨于平緩。

綜合分析各工況的q3、q4的變化，可知γ＜4時，燃燒效率高。

（2）分析各燃燒工況下的煙塵濃度

圖5

從圖5中可見，當γ＜2時，隨著γ的增加，煙塵濃度μ急劇下降，當γ＞2時，μ逐漸降低，變化趨于平緩。這與混合燃料的組成和燃燒方式有關，煙煤的理論煙氣量遠大于生物質的理論煙氣量，在γ＜2時，隨著γ增加，煙氣總體積會隨著煙煤含量增加而增大；另外，與懸浮燃燒相比，層燃的飛灰份額非常小，所以隨著γ增加，燃燒產生的煙塵總量不斷減小。因此當γ＜2時，隨著γ的增加，煙塵濃度μ會急劇下降。當γ＞2時，混合燃料中煙煤含量很大，趨近于1，其含量的變化對于μ的影響很小，所以μ變化趨于平緩。

（3）分析結果

綜合分析各燃燒工況的燃燒效率和煙塵濃度，層燃爐采用該新型燃燒技術時，在qv=350kW/m3，混合燃料組成滿足2＜γ＜4時，鍋爐燃燒效率高，煙塵排放濃度低，此范圍為最適宜的燃燒工況。

3 結論

（1）該燃燒技術中生物質懸浮和煤層狀燃燒相結合，可以有效地降低了q3、q4熱損失，提高層燃爐的燃燒效率。

（2）該燃燒技術為生物質燃料在層燃爐中應用探索出一條新路，為改進層燃爐熱效率低，解決污染嚴重問題找到了切實可行的有效辦法，具有廣闊的應用前景。

（3）層燃爐采用該燃燒技術適宜的燃燒工況是2＜γ＜4，高效燃燒，潔凈環保。

4）采用該燃燒技術，改進了層燃爐的煤種適應性。