秸稈捆燒鍋爐設計及其排放特性研究

賈吉秀，姚宗路，趙立欣，叢宏斌，劉廣華，趙亞男

秸稈捆燒鍋爐設計及其排放特性研究

賈吉秀1，姚宗路1※，趙立欣2，叢宏斌2，劉廣華3，趙亞男1

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2. 農業農村部規劃設計研究院，農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125；3. 承德市本特生態能源技術有限公司，河北 067000）

針對中國現有秸稈捆燒鍋爐燃燒不充分，燃燒后煙氣凈化工藝繁瑣以及自動化程度較低等問題，該文基于原料分級、配風分級技術原理，設計了打捆秸稈分級燃燒系統，研發了多級配風系統和組合式煙氣凈化除塵裝置等關鍵部件，并開發了智能控制系統，實現燃燒過程工藝參數的實時調控和數據采集。以打捆玉米秸稈為原料進行燃燒試驗，結果表明秸稈捆燒供熱鍋爐的熱效率為84.6%，鍋爐功率為230 kW，煙塵排放平均質量濃度19.8 mg/m3，NOX質量濃度133.6 mg/m3，SO2質量濃度小于3 mg/m3，達到《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271—2014）要求，解決了燃燒效率低、煙塵和NOx等污染物排放高的問題，智能化的鍋爐燃燒系統可開展多種工藝試驗的探索，為捆燒鍋爐技術裝備的推廣應用提供平臺支撐。

秸稈；排放控制；設計；秸稈捆；捆燒鍋爐；分級燃燒；煙氣除塵

0 引 言

中國農作物秸稈資源豐富、種類繁多，根據各省秸稈資源量調查和綜合利用終期評估結果，2017年全國秸稈可收集量為8.37億t，利用量為7億t，綜合利用率達到83.67%。然而廢棄或就地焚燒的秸稈接近1.8億t，造成了嚴重的環境污染和資源浪費，引發空氣質量惡化、航班起降受阻等一系列問題[1]。近年來，在國家出臺的一系列政策支持下，秸稈的綜合利用工作得到了長足發展，秸稈捆燒等燃料化利用方式作為秸稈綜合利用的重要途徑之一，與生物轉化和物理轉化方法相比，它具備轉化成本低、轉化效率高、低污染和較好的原料適應性等優點，因此開發先進的秸稈捆燒鍋爐系統裝備，對于防治秸稈散燒，減少環境污染、節約化石能源等具有重要意義[2-6]。

秸稈捆燒技術是一種較好的秸稈能源化利用方式，是將田間松散的秸稈經過撿拾打捆后再燃燒供熱的技術過程。秸稈打捆后提高了能量密度，降低了收儲運成本，同時捆裝后的秸稈半氣化燃燒大幅提高了燃燒效率和鍋爐供熱效率，具有較好的經濟效益。目前秸稈捆燒技術主要有2種，一種是間歇性的打捆秸稈鍋爐燃燒系統，另一種是連續燃燒整捆秸稈的系統。國外秸稈打捆燃燒技術發展較早，在秸稈捆燒特性、配風燃燒技術、鍋爐結構設計以及成套化設備研究等方面取得一定的研究進展，主要集中在歐洲國家的科研機構和企業，較為成熟的國家有丹麥、波蘭、塞爾維亞、英國以及加拿大等[7-9]；中國打捆燃燒技術研究起步較晚，打捆燃燒設備的研究較少，捆燒理論有待完善，河南農業大學對秸稈捆燒的燃燒特性、爐膛設計和煙塵減排等方面進行了研究，取得了較大的進展[10-11]。中國北方地區也有規模化的打捆直燃工程，但是在實際運行中仍然存在燃燒不充分、燃燒效率較低、氮氧化物排放過高、煙氣凈化工藝繁瑣等問題。因此，完善秸稈捆燒理論，優化捆燒工藝，突破秸稈捆燒分級配風、低氮燃燒、爐內降塵、煙氣處理等關鍵技術，提高捆燒燃燒效率，降低煙塵排放等，還需進行深入研究探索。

針對上述問題，本文通過半氣化燃燒理論，基于原料分級、配風分級技術原理，設計了打捆秸稈分級燃燒系統并計算燃燒配風量，設計一體化組合除塵凈化裝置，開發關鍵參數的智能控制系統，進行樣機試制并開展燃燒測試，探索捆燒最優工藝參數。

1 結構及工作原理

1.1 總體結構

秸稈捆燒設備主要由秸稈捆燒鍋爐和后端煙氣凈化除塵裝置組成。其中秸稈捆燒鍋爐主要包括一次燃燒室、一次配風、二次燃燒室、二次配風以及擋板除塵器等，后端煙氣凈化除塵裝置主要包括集靜電除塵、旋風除塵和循環噴淋的一體化除塵裝置和污水凈化回用裝置，具體組成結構如圖1所示。

1.一次燃燒室 2.爐門 3.爐底 4.一次配風 5.二次燃燒室 6.二次配風 7.列管換熱器 8.隔板 9.擋板 10.熱煙氣 11.煙氣出口 12.省煤器 13.煙氣入口 14.污水排出口 15.凈化水箱 16.回流泵 17.旋風筒壁 18.魚骨型陰極 19.煙氣出口 20.陰極穿墻套管 21.環形布水管 1.Primary combustion chamber 2.Fire door 3.Hearth bottom 4.Primary air distribution 5.Secondary combustion chamber 6.Secondary air distribution 7.Tube heat transfer 8.A partition 9. Baffle 10.Hot smoke 11.Flue gas outlet 12.Economizer 13. Flue gas inlet 14. Sewage outlet 15.Purification tank 16. Reflux pump 17.Cyclone wall 18.Fishbone cathode 19.Flue gas outlet 20.Cathode wall bushing 21.Annular distribution pipe

1.2 工作原理

設備正常運行時，將打捆后的秸稈放置于一次燃燒爐腔中，爐腔內配備多點均布式的一次風，控制過量空氣系數以保證打捆秸稈的半氣化燃燒，燃燒過程中打捆秸稈依次經歷水分蒸發、揮發分的析出及焦炭形成等階段[12-13]；燃燒產生的揮發分與熱煙氣進入第二燃燒爐腔，通過第二爐腔的切向配風管結構，對煙氣中的揮發分進行二次旋流燃燒，同時第二燃燒爐腔上設置的交叉擋板可以延長煙氣停留時間，促進煙氣中可燃氣體的燃盡。

燃燒過程中產生的熱量經過爐腔的輻射換熱和熱煙氣的對流換熱后傳遞給循環水用于供暖，換熱后的熱煙氣進入煙氣凈化除塵系統，產生的灰渣經過爐排輸送至排渣口排出。煙氣進入凈化除塵系統后，經歷旋風除塵、靜電除塵和噴淋除塵的組合除塵工藝，將煙氣中的灰塵顆粒集中到循環水中，再經歷循環水箱的過濾除塵后，清潔的循環水再經循環泵輸送至除塵器，循環使用，保證捆燒煙氣的達標排放。

1.3 主要技術參數

設計鍋爐功率230 kW，燃料消耗量為60 kg/h，試制的鍋爐外形尺寸長3 026 mm，寬2 178 mm，高2 407 mm；鍋爐可裝填小方捆和大圓捆，小方捆外形尺寸為700 mm×450 mm×350 mm，一次可裝填24捆，大圓捆外形尺寸為1 200 mm×1 300 mm，一次可以裝填1捆。

2 關鍵部件設計

2.1 多級燃燒室配風系統設計

根據捆燒鍋爐結構設計及秸稈燃燒特性，分析捆燒秸稈的燃燒原理如圖2，將秸稈捆燒分為秸稈半氣化一次燃燒和揮發分二次燃燒2個燃燒過程。其中，結合秸稈氣化反應條件[14]，控制一次燃燒室溫度為600～800 ℃，過量空氣系數控制為0.8～1.0，使秸稈中的半纖維素、纖維素和木質素等發生熱分解反應，產成揮發性氣體，氣體中主要的可燃成分為CO、CH4、H2，二次燃燒室配備二次風對可燃氣體進行二次燃燒，生物質中揮發分燃燒產生的熱量約占生物質總熱量的70%，因此捆燒過程中揮發分的充分燃燒控制決定了鍋爐的燃燒效率[15-18]。

圖2 秸稈捆燒原理圖

燃料燃燒所需的空氣量主要取決于燃料中可燃元素成分的含量，可燃元素完全燃燒所需的空氣量即理論空氣量，根據公式 （1）計算。鍋爐實際運行時，通過控制過量空氣系數控制打捆秸稈一次配風量，維持秸稈半氣化燃燒狀態，實際配風量根據公式（2）、（3）計算。其中，根據生物質氣化技術原理，燃燒過程中揮發性氣體約為1.2 m3/kg，具體組分如表1所示，所需二次配風量如式 （4）、（5）所示[19]

結合前人秸稈內熱式氣化原理技術研究[20]，秸稈熱解氣化產生的可燃氣組分主要為CO、H2和CH4。在鍋爐配風計算時，本文參考河北省肥鄉區秸稈氣化站燃氣組分測試結果，如表1所示，由公式（1）、（2）、（3）計算可得，第一燃燒室每千克打捆秸稈燃燒所用的理論空氣量為3.64 m3/kg，實際空氣量為3.28 m3/kg，一次燃燒實際配風量為196.7 m3/h；由公式（4）、（5）計算所得，每標方揮發分氣體燃燒理論空氣量為1.16 m3，實際空氣量為1.74 m3，二次燃燒室實際配風量為125.3 m3/h。

表1 揮發性氣體組分測試結果

2.2 煙氣凈化除塵系統

煙氣凈化除塵系統主要由煙氣入口、旋風筒、魚骨型電極、環形布水管、切向噴頭、排污口、煙氣出口、污水管道、污水凈化裝置和回流泵組成。煙氣入口與旋風筒體切向連接，筒內懸掛魚骨型陰極棒，旋風筒壁為陽極，形成高壓靜電場；筒體內壁固定環形布水管，布水管等間距布置12個水平切向的噴嘴，循環水噴出后在旋風筒內壁形成一層水膜。設備啟動時，含顆粒的煙氣由底部向上運動過程中，顆粒物受離心力和庫侖力的作用向筒壁運動，再由水膜不斷沖刷到底部的排污口，污水經過凈化分離后再回流噴淋利用。集成了旋風分離、靜電除塵和循環水噴淋除污等技術原理，簡化了煙氣凈化除塵工藝，降低了煙氣除塵成本。

經過測定，捆燒秸稈燃燒換熱后煙氣溫度約為150 ℃，參照《除塵技術手冊》，根據公式（4）、（5）、（6）、（7）確定旋分離器尺寸[21-24]。

式中V為標況下煙氣流量，取480 m3/h；V1為工況下煙氣流量，m3/h；為旋風入口的高度，m；為旋風入口的寬度，m；u為高溫煙氣的入口速度，取20 m/s；為旋風筒體直徑，m；為拍塵口直徑，取0.07 m；為旋風筒底錐頂角，°。

將煙氣量代入公式可得旋風入口高度為0.14 m，寬度為0.07 m，旋風筒內直徑為0.28 m，筒底錐頂角為21.2°。魚骨型陰極線上相鄰的魚骨針程90°或60°交錯排列，相鄰的間距為80 mm，根據筒體直徑設計靜電場強度，保證2～3 kV/dm的靜電場強度，實現較好的靜電除塵效果。

2.3 智能控制系統

基于PLC開發的秸稈捆燒鍋爐的控制系統如圖3所示，主要包括人機交互系統、爐膛壓力控制系統、爐膛溫度控制系統、智能配風系統以及溫度和壓力預警系統。其中爐膛壓力采用爐膛負壓傳感器測得的實時爐膛壓力與設計要求值的偏差為調節信號，調節引風機變頻器頻率，實現對爐膛壓力的閉環調節；爐膛溫度是采用溫度傳感器與目標設定偏差為反饋信號，通過調節配風量對燃燒負荷進行閉環調節；根據每個進風口電磁閥的開度，分別調節一次風和二次風配風量。并加設壓力預警和溫度預警模塊，實現整個燃燒狀態的實時監測和控制。

圖3 智能控制系統原理

利用組態軟件Visual Basic開發的人機界面如圖4所示，主要分為控制界面、參數設置界面和參數保存界面，可以在控制界面實現進料、點火、水循環、引風及鼓風的起停控制，在參數設定界面設定溫度和壓力的預警范圍，在參數的保存界面實現爐膛溫度、出水溫度、煙氣溫度、爐膛壓力、配風量以及煙氣流量等參數的采集與存儲，并可以調出進行表格顯示或者曲線顯示等功能。

圖4 智能控制人機交互界面

3 燃燒與排放特性試驗

3.1 試驗材料與測試方法

樣機完成后進行了秸稈燃燒與排放特性試驗，選取遼寧省朝陽市小方捆玉米秸稈作為原料，原料的工業分析見表2，低位熱值為12.5 MJ/kg，含水率為15%。小方捆橫截面為450 mm×350 mm、長度為700 mm，共計24捆一次性裝入爐膛中，打捆燃料密度約為108.8 kg/m3。

表2 玉米秸稈打捆燃料分析

裝入原料后打開鍋爐控制系統和配風系統，設定爐膛溫度為800 ℃，爐膛壓力為10 Pa，人工點火后約15 min爐膛溫度達到穩定狀態，此時進行煙氣排放測試和鍋爐熱平衡測試，穩定狀態下測試時長3 h，根據GB13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》和GB5468—1991《鍋爐煙塵測試方法》進行鍋爐煙氣排放的檢測，采用的主要儀器有QUINTOX-KM9106綜合煙氣分析測量儀、F732-VJ測汞儀、林格曼黑度圖、嶗應3072型智能雙路煙氣采樣器等設備[25]；按照GB/T10180—2003《工業鍋爐熱工性能試驗規范》測量鍋爐和回水溫度差、管道水流量檢測、排煙溫度、過量空氣系數、爐渣熱損失、爐體外表面溫度等指標來計算鍋爐正反平衡熱效率，采用的主要儀器有QUINTOX-KM9106綜合煙氣分析測量儀、便攜式快速紅外測溫儀、煙氣黑度儀、微機全自動立式量熱儀、林格曼黑度圖、烘干箱以及馬弗爐等儀器設備[25]。

3.2 結果分析

試驗測得的結果如表3所示，秸稈捆燒鍋爐的出水流量、出水溫度均滿足設計要求，鍋爐熱效率達84.6%，平均功率達230 kW；同時秸稈捆燒鍋爐的煙氣排放中NOx質量濃度為133.6 mg/m3，SO2質量濃度小于3 mg/m3，均低于國家排放要求，煙塵含量和林格曼黑度也符合環保指標，說明該鍋爐達到了設計要求。

表3 秸稈捆燒鍋爐燃燒性能試驗結果

3.3 效益分析

以該秸稈捆燒鍋為例，每小時消耗秸稈量為60 kg，功率達230 kW，供暖面積可達1 200 m2，秸稈捆的市場價格在180～240元/t，供暖季按照150 d計算，每天平均供熱8 h，每年供暖的燃料成本為10.8～14.4元/m2。如表 4所示，對比煙煤供暖的燃料成本為11.7～16.8元/m2，生物質顆粒燃料供暖的燃料成本為24.4～32.5元/m2，秸稈捆燒供暖在燃料使用費上具有較好的經濟性[26-27]。另外，捆燒秸稈供暖代替煤炭供暖，每年每平米減少SO2排放0.38 kg，減少CO2排放1.54 g，具有較好的環保效益[28]。

表4 不同供暖方式運行燃料成本

4 結 論

1）針對中國現有秸稈捆燒鍋爐燃燒不充分，燃燒后煙氣凈化工藝繁瑣以及自動化程度較低等問題，基于原料分級、配風分級技術原理，設計了打捆秸稈分級燃燒系統和組合式煙氣凈化除塵裝置，開發了智能控制系統，為秸稈捆燒試驗提供平臺支撐。

2）玉米秸稈的捆燒試驗表明，鍋爐熱效率達84.6%，煙塵排放平均質量濃度19.8 mg/m3，NOX質量濃度133.6 mg/m3，SO2質量濃度小于3 mg/m3，達到《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271—2014）要求，具有較好的經濟效益和環保效益。

3）該捆燒鍋爐具有燃燒溫度、進風量、引風量和爐膛壓力等關鍵參數的實時監控和數據記錄等功能，可以進行不同工況的燃燒試驗，為下一步燃燒工藝優化提供平臺支撐。

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Design and emission characteristics of straw bales fuel combustion-boiler

Jia Jixiu1, Yao Zonglu1※, Zhao Lixin2, Cong Hongbin2, Liu Guanghua3, Zhao Yanan1

(1.,,100081,; 2.,,,100125,;3.,067000,)

As an important way of straw comprehensive utilization, straw bales combustion has the advantages of low cost, high efficiency, low pollution and better adaptability of raw materials. However, there still exist the problems such as low combustion efficiency, complex flue gas purification and low automation of straw bales combustion. Based on thecombustion theory of raw material classification and air distribution classification technology, we designed the secondary air distribution device, which consists of two combustion chambers. In the first combustion chamber, a primary air was provided to ensure gasification reaction. In the second combustion chamber, a secondary air was provided to ensure gas combustion, which realized the full combustion of straw. At the same time, we developed a dust removal device and the intelligent control system, and built a straw bale boiler test platform, which realized real-time control of bale burning and data acquisition. The design power of the boiler was 230 kW, the fuel consumption was 60 kg/h, and the overall dimension of the trial boiler was 3 026 mm×2 178 mm×2 407 mm; the boiler could be filled with small square bundles and large round bundles, the overall dimension of small square bundles was 700 mm×450 mm×350 mm, 24 bundles could be filled at a time, and the overall dimension of large round bundles was 1 200 mm×1 300 mm, and one round bundle could be filled at a time. The boiler mainly included primary combustion chamber, primary air distribution chamber, secondary combustion chamber, secondary air distribution and baffle dust remover. The flue gas purification and dedusting device mainly included electrostatic dedusting, cyclone dedusting, circulating spray and sewage purification and reuse device. The intelligent control system mainly included human-computer interaction system, furnace pressure control system, furnace temperature control system, intelligent air distribution system and temperature warning system.When the equipment works, we could open the boiler control system and air distribution system after loading the raw materials, set the furnace temperature as 800 ℃, furnace pressure as 10 Pa, and the furnace temperature would reach a stable state about 15 minutes after manual ignition. At this time, the flue gas emission test and boiler heat balance test were carried out, and the test duration at the stable state was 3 hours. Tested with corn stalk as raw material, the result showed that the thermal efficiency of straw-fired boilers was 84.6%, the heat load was 230 kW, the average concentration of soot emissions was 19.8 mg/m3, the concentration of NOXwas 133.6 mg/m3, and the concentration of SO2was<3 mg/m3, which met the requirements of (GB13271-2014). Taking this boiler as an example, the annual heating fuel cost was 10.8-14.4 yuan/m2, which had an advantage in heating costs, and had a good benefit for environmental protection compared with coal heating and biomass pellet heating. The intelligent combustion platform also can carry out various process tests, and the next step is to carry out combustion tests under different working conditions and explore different combustion processes, which can provide a basis for further optimization.

straw; emission control; design; straw bales fuel; air distribution; dust removal

賈吉秀，姚宗路，趙立欣，叢宏斌，劉廣華，趙亞男. 秸稈捆燒鍋爐設計及其排放特性研究[J]. 農業工程學報，2019，35(22)：148－153.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.017 http://www.tcsae.org

Jia Jixiu, Yao Zonglu, Zhao Lixin, Cong Hongbin, Liu Guanghua, Zhao Yanan. Design and emission characteristics of straw bales fuel combustion-boiler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 148－153. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.017 http://www.tcsae.org

2019-09-05

2019-10-10

中國農業科學院科技創新工程協同創新任務(CAAS- XTCX2016011-01)；現代農業產業技術體系專項資金資助（CARS-02-31）

賈吉秀，工程師，主要從事生物質能源技術與裝備研究。Email：sdaujdjjx@163.com

姚宗路，研究員，博士，主要從事農業廢棄物能源化利用技術研究。Email：yaozonglu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.017

TQ515

A

1002-6819(2019)-22-0148-06