生物質(zhì)燃燒技術(shù)分析與裝置設(shè)計

李治平，袁　文*，張宏斌，吳志東,2，許紹華，侯賽忠，張笑語

生物質(zhì)燃燒技術(shù)分析與裝置設(shè)計

李治平1，袁文1*，張宏斌1，吳志東1,2，許紹華1，侯賽忠1，張笑語1

(1.齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾市開農(nóng)科技有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

為解決秸稈、稻草、谷皮等生物質(zhì)的燃燒污染和能源利用問題，通過分析生物質(zhì)燃燒的機(jī)理和特性，改進(jìn)現(xiàn)有生物質(zhì)鍋爐的本體構(gòu)造和爐拱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進(jìn)料、爐排、除渣、引風(fēng)、除塵系統(tǒng)，設(shè)計了一套生物質(zhì)成形燃料燃燒和能量回收裝置。與現(xiàn)有生物質(zhì)鍋爐對比，改進(jìn)型裝置的技術(shù)優(yōu)勢明顯，適用于農(nóng)業(yè)廢物的處理與綜合利用，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源的有效利用，有利于燃料的充分燃燒，提升鍋爐熱效率，減少環(huán)境污染。

生物質(zhì)；燃燒；機(jī)理；特性；裝置

傳統(tǒng)的燃煤鍋爐以煤炭為燃料，煤炭是不可再生資源，終將要面臨枯竭，而且燃煤鍋爐還有能源消耗大、生產(chǎn)成本高、廢渣排放多、環(huán)境污染嚴(yán)重等諸多弊端[1]。生物質(zhì)成型燃料(BFF，Biomass Forming Fuels)技術(shù)是指將粉碎后的秸稈、稻草、蘆葦?shù)壬镔|(zhì)顆粒壓制成型為棒狀，使其密度與普通煤炭相當(dāng)，大幅提高燃燒值，便于存儲與運(yùn)輸[2]。

東北是我國重要的糧食、油料作物產(chǎn)區(qū)，每年有大量秸稈在田間焚燒，產(chǎn)生的廢氣嚴(yán)重污染了環(huán)境[3-5]。目前處理秸稈的裝置主要為直燃鍋爐，其進(jìn)料門多為磚砌結(jié)構(gòu)，存在密封不嚴(yán)、熱量流失大、安全隱患突出等諸多缺點；其水冷振動爐排或固定爐排也容易出現(xiàn)燃料堆積、通風(fēng)不暢、燃燒不充分等問題。為解決上述問題，需要設(shè)計一套適合生物質(zhì)能量回收利用的裝置，達(dá)到節(jié)能增效目的[6]。

1　生物質(zhì)燃燒機(jī)理與特性

1.1　點火過程

生物質(zhì)成型燃料(BFF)作為一種固體燃料，其燃燒過程也要經(jīng)歷點火、燃燒等階段。生物質(zhì)成型燃料的點火過程是指生物質(zhì)成型燃料與氧氣接觸、混合后，從開始反應(yīng)到溫度升高至激烈燃燒前的一段過程。滿足生物質(zhì)成型燃料點火的必要條件是生物質(zhì)成型燃料表面析出一定濃度的揮發(fā)物，同時揮發(fā)物周圍要有足量的空氣，并且具有足夠高的溫度。生物質(zhì)成型燃料的點火過程為以下6步。

(1)在熱源的作用下，生物質(zhì)成型燃料表面的水分被逐漸蒸發(fā)逸出。

(2)生物質(zhì)成型燃料表面層燃料顆粒中的有機(jī)質(zhì)開始分解，有揮發(fā)性的可燃?xì)鈶B(tài)物質(zhì)分解析出。

(3)當(dāng)生物質(zhì)成型燃料表面析出的可燃性揮發(fā)物達(dá)到一定濃度，并遇到達(dá)到燃點的適量空氣，生物質(zhì)成型燃料便開始局部燃燒。

(4)隨后著火面積逐漸擴(kuò)大，生物質(zhì)成型燃料其他表面部位也不斷出現(xiàn)著火點。

(5)著火面迅速蔓延至整個生物質(zhì)成型燃料。

(6)燃燒區(qū)域逐漸深入生物質(zhì)成型燃料內(nèi)部一定深度，完成整個點火過程。

影響點火的因素有：點火溫度、生物質(zhì)類型、外界空氣條件、生物質(zhì)成型燃料密度、生物質(zhì)成型燃料含水率、生物質(zhì)成型燃料幾何尺寸等。生物質(zhì)成型燃料由含有易揮發(fā)可燃組分的生物質(zhì)在一定溫度下擠壓而成，其組織結(jié)構(gòu)決定了揮發(fā)組分由內(nèi)向外析出的速率和熱量由外向內(nèi)傳遞的速率，且點火所需的氧氣比原生物質(zhì)有所減少，因此生物質(zhì)成型燃料的點火性能比原生物質(zhì)有所降低，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于型煤，生物質(zhì)成型燃料的點火特性更趨于原生物質(zhì)點火特性。

1.2　燃燒機(jī)理

生物質(zhì)成型燃料(BFF)的燃燒過程包括以下四個階段[7]。

(1)第一階段為表面燃燒，燃燒過程只在生物質(zhì)燃料表面進(jìn)行，O2與生物質(zhì)燃料中的碳元素發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，形成長火焰；此階段耗氧量較低，傳熱較快，火焰溫度較低，如圖1(a)所示。

(2)第二階段為過渡區(qū)燃燒，揮發(fā)物燃燒伴隨著部分焦炭燃燒，放熱化學(xué)反應(yīng)生成的CO與O2繼續(xù)結(jié)合反應(yīng)，形成長火焰；此階段耗氧量增大，燃燒劇烈，釋放大量熱量，如圖1(b)所示。

(3)第三階段為滲透擴(kuò)散燃燒，焦炭燃燒產(chǎn)物向外擴(kuò)散，CO不斷與O2結(jié)合成CO2，產(chǎn)生灰殼，一段時間后，灰殼增厚，膨脹產(chǎn)生裂縫，形成短火焰；此階段耗氧量降低，燃燒趨于平穩(wěn)，燃燒時間較長，如圖1(c)所示。

(4)第四階段為灰塊生成，BFF燃盡，形成灰球，無可見火焰；此階段耗氧和傳熱結(jié)束，如圖1(d)所示。

圖1　生物質(zhì)燃燒過程示意

1.3　燃燒特性

(1)農(nóng)作物生物質(zhì)的燃燒特性。秸稈類、稻草、谷皮等農(nóng)作物生物質(zhì)的揮發(fā)組分高達(dá)70%，揮發(fā)組分燃燒時間短，燃燒耗氧量大，具有體積大、密度小、燃點低、易點火、燃燒速率快、擴(kuò)散迅速等特點。但是在供氧不足的情況下，易生成CO、H2等不完全燃燒產(chǎn)物，伴隨未經(jīng)傳熱的高溫?zé)煔鈴娜紵隣t排出，帶走大量熱量，造成熱能損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染[8]。生物質(zhì)燃燒的速率忽快忽慢，耗氧量與供氧量不平衡，呈現(xiàn)為跳躍式的燃燒形式，使燃燒過程非常不穩(wěn)定。揮發(fā)組分燃燒產(chǎn)物質(zhì)地松軟，懸浮在爐膛中，使燃燒中心偏離，造成熱能損失和空氣污染。

(2)生物質(zhì)成型燃料(BFF)的燃燒特性。BFF是指生物質(zhì)顆粒經(jīng)高壓壓制成形的塊狀燃料，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通農(nóng)作物生物質(zhì)燃料，其緊實的組織結(jié)構(gòu)介于原木制燃料和煤炭之間。相較于普通農(nóng)作物生物質(zhì)燃料，BFF燃料的揮發(fā)組分的逸出速率和傳熱速率偏低，燃點偏高，點火性能雖有所降低，但優(yōu)于普通煤炭。BFF燃料的速率均勻適中，在需氧量與實際耗氧量達(dá)到均衡時開始燃燒，燃燒從動力區(qū)、過渡區(qū)到擴(kuò)散區(qū)穩(wěn)步蔓延，燃燒狀態(tài)平穩(wěn)，燃燒充分，排煙熱量損失小。揮發(fā)組分燃燒產(chǎn)物緊密排列，固定在基底，保持層狀燃燒，有效延長燃燒時間，傳熱效果顯著提升。針對BFF燃料的燃燒特性，開發(fā)相應(yīng)的燃燒裝置，對提高生物質(zhì)能利用率，減少環(huán)境污染具有重要意義[9]。

1.4　傳熱機(jī)理

生物質(zhì)成型燃料(BFF)的燃燒過程傳熱方式是將熱量通過間壁式換熱作用在冷熱流體之間傳遞。其機(jī)理是當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫度差異時，物體中溫度較高部分的分子因振動而與相鄰分子碰撞，并將能量的一部分傳給后者。基于熱傳導(dǎo)機(jī)理，在燃燒裝置中，將冷熱兩種流體以間壁(或隔板)隔開，使高溫?zé)煔夂偷蜏亟橘|(zhì)分隔在兩端流動，高溫?zé)煔鈱崃侩S著流動傳遞給間壁外表面，利用間壁良好的導(dǎo)熱性，再將熱量傳遞給遞低溫介質(zhì)，以此實現(xiàn)熱量在冷熱流體間的傳遞過程。

2　燃燒裝置設(shè)計

2.1　進(jìn)料系統(tǒng)

該裝置采用液壓傳動給料，將BFF燃料輸送至傳送帶再由液壓推桿將其推進(jìn)燃燒爐內(nèi)。由于BFF體積大，為保證進(jìn)料暢通，該燃燒裝置頂部高度設(shè)計為1500mm，使得燃燒室空間合理，熱效率提高。該進(jìn)料系統(tǒng)具有作業(yè)環(huán)境好，自動化程度高，操作簡單[8,10]等優(yōu)點，如圖2所示。

2.2　燃燒爐拱

燃燒爐前拱為窯式波形爐拱，后拱為坡型爐拱。這兩種爐拱能讓BFF燃料充分燃燒，燃燒爐內(nèi)快速升溫且保持恒定。爐墻用輕質(zhì)型耐火磚砌于爐底座上，內(nèi)為普通耐火磚，外側(cè)為珍珠巖保溫層，起到隔熱保溫作用。使用耐火混凝土搗制翼形煙道，加入珍珠巖保溫層內(nèi)起到保溫隔熱作用。在砌筑爐拱時，各角接處應(yīng)預(yù)留膨脹縫，保證熱脹冷縮性能。

2.3　裝置本體

裝置本體由進(jìn)料系統(tǒng)、爐拱、爐排、鍋筒、集箱、水冷壁、下降管、煙管以及引風(fēng)、除渣、除塵系統(tǒng)組成。采用拱型管板與螺紋管組成的煙管有受熱面大、傳熱面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小等優(yōu)點。因螺紋管內(nèi)有煙氣擾動，使灰渣不易聚集，可以保證燃燒裝置排除灰渣順暢。在鍋筒上設(shè)有水位計、安全閥、壓力表、排污閥，確保裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，如圖2所示。

圖2　裝置本體結(jié)構(gòu)形式

2.4　其它結(jié)構(gòu)

(1)爐排及除渣系統(tǒng)。燃燒裝置爐排采用鏈條形式，在原有的鏈條爐排上加裝鏈節(jié)，使BFF燃料在爐排上充分燃燒，提高通風(fēng)效果。與同規(guī)格燃煤鍋爐相比，該爐排運(yùn)行速度提高150%左右，燃料利用率顯著提高，燃料輸送效果良好。燃燒裝置采用刮板式結(jié)構(gòu)除灰渣，可保證排除灰渣工作順暢。

(2)引風(fēng)及除塵系統(tǒng)。由于BFF燃料比煤燃點低，容易點火，因此可選用小功率引風(fēng)機(jī)，與同規(guī)格燃煤鍋爐相比，引風(fēng)機(jī)的功率可減少30%。在燃燒裝置運(yùn)行時，將引風(fēng)機(jī)開啟，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，使燃料懸浮在爐排上方呈流化狀態(tài)。爐膛燃燒內(nèi)環(huán)境為立體式，空氣與燃料分布均勻，充分燃燒。BFF燃燒后灰塵比煤灰更細(xì)、更輕，更容易懸浮在煙氣中，因此鍋爐排出的煙氣中的煙灰既多又難以排除，通過采用多管除塵器與水膜除塵器結(jié)合除塵方法，灰渣依次通過兩個除塵器，可將煙氣中的灰渣完全除盡，達(dá)到環(huán)保要求。

2.5　安裝要求

該鍋爐的安裝須按照TSG0001-2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和GB50273-2017《鍋爐安裝工程施工及驗收規(guī)范》的要求進(jìn)行，必須由具備與鍋爐容量相適應(yīng)資質(zhì)的安裝單位承擔(dān)，鍋爐安裝過程中必須按鍋爐及鍋爐房設(shè)計圖紙施工；鍋爐輔機(jī)的安裝應(yīng)按輔機(jī)說明書的要求及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；安全閥和壓力表應(yīng)在校驗后方可進(jìn)行安裝。

3　結(jié)語

為實現(xiàn)生物質(zhì)再利用和節(jié)能減排的目標(biāo)，針對生物質(zhì)燃燒的機(jī)理和特性，設(shè)計了一套生物質(zhì)燃燒裝置。與現(xiàn)有生物質(zhì)直燃鍋爐對比，該燃燒裝置采用懸空燃燒、密封爐門、阻火裝置、二次風(fēng)等技術(shù)，解決了現(xiàn)有生物質(zhì)直燃鍋爐的技術(shù)短板，使燃料燃燒更充分，熱效率更高，能量回收利用能力可以達(dá)到環(huán)保要求。

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Biomass combustion technology analysis and device design

LI Zhiping1, YUAN Wen1*, ZHANG Hongbin1, WU Zhidong1,2, XU Shaohua1, HOU Saizhong1, ZHANG Xiaoyu1

(1.School of Mechatronics Engineering, Qiqihar University, Qiqihar, Heilongjiang 161006, China;2.Qiqihar City Kai Nong Technology Co., Qiqihar, Heilongjiang 161006, China)

The burning of biomass such as straw, straw, and husk has problems such as high pollution and low energy utilization. A set of biomass forming fuel combustion and energy recovery device was designed by analyzing the mechanism and characteristics of biomass combustion, improving the body structure and furnace arch structure of the existing biomass boiler, and optimizing the feeding, grate, slag removal, induced draft, and dust removal systems. Compared with the existing biomass boilers, the improved type has obvious technical advantages and is suitable for the treatment and comprehensive utilization of agricultural wastes, which is conducive to the full combustion of fuel, improves the thermal efficiency of the boiler, and reduces environmental pollution.

biomass; combustion; mechanism; characteristics; device

S225

A

2096–8736(2022)02–0022–03

黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項目(SJGY20190719)；2021年國家級(黑龍江省)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(202110232072、202110232028、202110232158)；齊齊哈爾大學(xué)教育科學(xué)研究項目(GJZRZX202007、GJZRYB202006)。

李治平(2001—)，男，黑龍江肇東人，大學(xué)本科，主要研究方向為農(nóng)機(jī)設(shè)計與維修。

通信作者：袁文(1964—)，男，黑龍江巴彥人，碩士研究生，副教授，主要研究方向為過程設(shè)備設(shè)計。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍