秸稈打捆燃料鏈條鍋爐的設計與研究

摘 要：針對目前秸稈打捆燃料難以充分燃燒及現有燃燒設備與之不兼容的問題，依據秸稈打捆燃料燃燒的獨特性，對爐膛結構進行了改良，并開發了一種適用于此類燃料的鏈條爐排蒸汽鍋爐。該鍋爐采用單鍋筒縱向布置的設計，配備有鏈條爐排和多管旋風除塵系統。試驗結果顯示，鍋爐的燃燒效率達到98.52%，熱效率達到82.38%；同時，煙氣中的主要污染物——氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）及顆粒物的排放濃度分別僅為105、28、22 mg/m3，林格曼黑度也低于1級。這些數據表明，該鍋爐不僅具有較高的熱效率，而且其污染物排放濃度極低，完全滿足我國鍋爐污染物的排放標準，因此具有顯著的環境和社會效益。

關鍵詞：秸稈；打捆燃料；鏈條爐排；熱效率；污染物

中圖分類號：S216.2 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）13-135-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.13.031

0 引言

進入21世紀后，隨著改革開放的深入，中國的經濟得到了快速發展，但是能源的短缺卻成了制約經濟發展的一個重要因素［1］。生物質作為一種兼具可再生性和環保性的能源，其消費量已經排在石油、煤炭、天然氣之后，位居第四［2］。中國是個農業大國，每年都會產生大量的秸稈，其中以玉米、小麥等秸稈為主，而這些生物質大部分都被扔掉或燒毀了，浪費了大量的資源［3］。夏秋兩季農田收割廢棄的水稻、小麥、玉米等農作物秸稈，經機械壓縮、打包捆裝、自然干燥等工藝，即可作為鍋爐的燃料。但常規的散燒法效率不高，懸浮式燃燒則需要更高的顆粒度，且成型燃料能耗較高［4］。秸稈焚燒排放的二氧化碳與農作物從大氣中吸收的二氧化碳基本一致，因此，秸稈焚燒被視為一種高效的“碳中和”途徑［5］。

近年來，秸稈打捆技術得到了顯著改進，包括秸稈的收集、壓縮成型、打包等方面的技術都有所提升。秸稈捆燒技術歷經多年研究，在設備結構、配風方式上都具有了較大的突破與創新［6］。劉圣勇等［7］學者對生物質捆燒技術開展了一定的研究，取得了一定的成果，研發出的第一代捆燒鍋爐熱效率可達到73.13%，但存在自動化程度不高、缺乏相應的煙氣治理系統等問題。在層燃爐中，選用固定爐排和下飼式燃燒，一般鍋爐熱功率小于0.7 MW；如果采用鏈條爐排或往復爐排燃燒，一般鍋爐熱功率可超過0.7 MW［8］。筆者通過對相關秸稈打捆鍋爐進行研究，設計出層狀燃燒方式的鏈條爐排，旨在解決原本生物質鍋爐運行不穩定、熱效率低、打捆燃料燃燒不充分、初始排放濃度高、維保管理煩瑣等問題。

1 試驗裝置及設計

1.1 設計參數

該秸稈打捆燃料鏈條爐排鍋爐，依據秸稈打捆燃料燃燒的獨特性，對爐膛結構進行了改良，進行了重新設計，具體設計參數如表1所示，輔機參數如表2所示。

1.2 設計依據

該設計依據下列標準進行：TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》；NB/T 47034—2021《工業鍋爐技術條件》；GB/T 16508.1～GB/T 16508.8—2022《鍋殼鍋爐》；GB/T 5468—1991《鍋爐煙塵測試方法》；GB/T 17954—2007《工業鍋爐經濟運行》；GB/T 1576—2018《工業鍋爐水質》；GB 50273—2022《鍋爐安裝工程施工及驗收標準》；GB 50211—2014《工業爐砌筑工程施工與驗收規范》；TSG 91—2021《鍋爐節能環保技術規程》等；DB42/T 1906—2022《生物質鍋爐大氣污染物排放標準》。

1.3 鍋爐主體結構及運行原理

該鍋爐是一種以生物質為燃料、以單鍋筒縱置式水火管方式布局的鍋殼鍋爐。該鍋爐系統由鍋爐主機、鏈條爐排、燃料輸送平臺、鑄鐵省煤器、除塵器、鼓風機、引風機、煙風道、煙囪、閥門儀表、安全聯鎖保護裝置、電控柜等組成。爐膛左右兩側的水冷壁為輻射受熱面，爐膛兩翼為對流受熱面，鍋筒內布置螺紋煙管對流受熱面，爐墻采用耐火磚砌筑部分采用耐熱混凝土澆筑搗制成型工藝，鍋爐主機外側為立體形護板外殼。一次風機及二次風機均配有變頻器，可精確控制一次風機及二次風機的進風量。鍋爐結構如圖1所示。

鍋爐選用層狀燃燒方式的鏈條爐排，可燃燒捆裝生物質秸稈（稻稈、麥稈、玉米稈等），有以下優點：技術成熟、運行可靠、維保管理方便。爐膛采用大容積設置，前后拱布局適中，滿足捆裝生物質燃料的燃燒特征。前拱上的二次風機裝置，下傾角為25°，保證送風有足夠的風壓穿透力，既可以保證未完全燃燒煙氣的二次燃燒，又可以起到對爐膛煙氣的攪動降速降塵的效果［9］。中拱通過設置擋火墻，不僅可以增加煙氣的滯留時間，而且對傳熱也有一定的強化作用。后拱的合理布置可以提前進行燃料干燥，對于揮發分的析出和燃燒也有一定的提升［10］。用拱形管板和帶螺紋的煙管構成鍋筒，將其從準剛性體變為準彈性體結構，取消了管板區的拉撐件，減小了應力。采用一種新的工藝，將管板內煙管改造成單回程，從而很好地解決了管板開裂的問題。在鍋筒的下部，縱向布置了兩排水冷壁，這些水冷壁從鍋筒內壁向內伸出40 mm。這樣的設計有助于提高傳熱效率，改善水循環，并確保鍋筒內的溫度分布更加均勻。對螺旋形煙管對換熱進行了強化，使換熱系數大大增加，使其熱效率大大提高。當煙流速度為6～10 m/s時，煙管中不容易積灰，實現了自清。在爐墻、排煙窗及兩側的煙道部位都有一定的降塵效果，以此確保了鍋爐的煙氣排放符合國家環境保護要求［11］。

打捆燃料通過成捆燃料輸送平臺，平臺配置有隧道式軟封閉燃料通道，有利于控制過量空氣進入爐內，可以有效控制煙氣中氮氧化物的生成量。燃料進入爐膛在爐排上的爐拱內燃燒，燃燒火焰從前后拱的煙氣出口進入爐膛中對輻射受熱面進行加熱，當燃料在一級燃燒室中開始燃燒時，由爐排下部送來一次風，而前拱上部為二次風，這樣的布置更有利于揮發分的充分燃燒。多拱形結構可使煙氣在燃燒室中停留的時間更長，保證燃燒更充分，換熱效果更好。第三燃燒室既是燃盡室，又是煙灰沉淀室，大粉塵因其自身重力及慣性作用而沉降，可通過爐壁上的清灰裝置進行定時清理。高溫煙氣在鍋筒尾部被分流至兩側的出煙窗，進入由雙翼對流管束組成的雙翼煙道，然后在前煙箱折回，進入螺旋煙管，再通過省煤器和除塵器，由風機將其排放到大氣中。

1.4 爐膛和爐排計算

由公式（1）和公式（2）可以分別計算出爐膛容積和爐排面積，之后就可以確定爐膛尺寸［12］。

[R=BQnet，arqR]" " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

[V=BQnet，arqV]" " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式（1）和式（2）中，[qV]為爐膛容積強度，kW/m3； [qR]為爐排面積的熱強度，kW/m2；B為燃料消耗量，kg/s；Qnet，ar為收到基（ar）低位發熱量，kJ/kg；V為爐膛容積，m3；R為爐排面積，m2。

1.5 受熱面計算

鍋爐受熱面可劃分為輻射式和對流式兩種形式，其產生的熱能通過輻射與對流兩種方式向工質水傳輸［13］。

1.5.1 輻射受熱面

首先，假設爐口煙氣溫度、排煙溫度；然后，依據實測的輻射受熱面面積來確定輻射受熱面的熱強度，并對其進行校驗，使其在±100 ℃以內。根據式（3）至式（5）［12］，得到輻射受熱表面的尺寸。

[θll=Nα\"l+e]" " nbsp; " " " " " " " " " " " " " （3）

[Qf=θll-θ\"ljθll-θpyQgl]" " " " " " " " " " " " " " （4）

[Hf=Qfqf]" " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式（3）至式（5）中，[θll]為理論燃燒溫度，℃；[α\"l]為爐口過量空氣系數；N為燃質系數；e為燃料系數；[θ\"lj]為爐口煙氣溫度，℃；[Qgl]為鍋爐的有效利用熱量（通過熱平衡計算得到），kW；[θpy]為排煙溫度，℃；[Qf]為輻射受熱面吸熱量，kW；[Hf]為有效輻射受熱面積，m2；[qf]為輻射受熱面的熱強度，kW/m2。

1.5.2 對流受熱面

首先，假設受熱面的出口溫度；然后，檢驗對流放熱量，根據公式（6）確定煙氣側的放熱量，用公式（7）確定受熱面的熱量。只有這2個數值的誤差在2%以內，才能被認為是合格的［14］。

[Qrp=φI'-I\"+ΔαIOlk]" " " " " " " " nbsp; " （6）

[Qcr=3.6KHΔtBj]" " " " " " " " " " " " " " （7）

式（6）至式（7）中，Qrp為煙氣側放熱量，kJ/kg；[φ]為保熱系數；I′為受熱面入口煙氣焓，kJ/kg；I″為煙氣焓，kJ/kg；Δα為受熱面漏風系數；[IOlk]為冷卻空氣的理論焓，kJ/kg；Qcr為受熱面的傳熱量，kJ/kg；K為熱傳遞系數，W/（m2·K）；H為對流受熱面積，m2；Δt為對流受熱表面的出入口溫度差，℃；Bj為燃料消耗量，kg/h。

1.5.3 除塵器選型

陶瓷旋風除塵器是一種旋流式收塵器，在導流板的帶動下，氣流沿圓周方向呈螺旋狀向下流動，高密度的粉塵與氣流被離心力分離，拋落在筒壁上的灰塵在重力的作用下落到箱體中，經凈化后的氣體呈向上旋流，經排氣管排放，實現除塵。該結構適用于大中型工業鍋爐排氣的除塵。煙氣凈化除塵系統結構如圖2所示。

2 秸稈打捆燃料鏈條鍋爐運行試驗

通過產品研發驗證關鍵技術的可靠性和必然性，繼而開發出高效、節能、環保的鍋爐產品并推向社會普遍使用［15］。試驗項目包括：進行熱工性能試驗、空氣污染物排放試驗等，檢驗其是否符合相關的熱效率及污染物排放標準。

2.1 試驗材料、裝置及儀器

試驗材料：與玉米秸稈相比，小麥秸稈具有更低的密度，其內部結構疏松，有利于傳熱，如表3所示。因此，此次試驗選擇了一種尺寸為460 mm×360 mm×360 mm的長方體打捆麥稈作為燃料，用打捆機對其進行拾取和打捆，其質量為每捆6.7 kg。

試驗裝置：DZL1-1.25-SCⅢ型秸稈打捆燃料鏈條爐排鍋爐裝置。該裝置由筆者所在研團隊自主研發，并委托河南恒鑫鍋爐有限公司制造，如圖3所示。

試驗儀器：采用德國菲索AFRISO煙氣分析儀MULTILYZER STX M60X，對煙氣中O2、CO2、CO、SO2和NOx等氣體的含量進行了實時測定，其準確度達到±5%；采用ZR-3260型自動煙塵煙氣綜合測試儀，對煙塵進行取樣，準確度為±5%；IR-AH手持紅外線溫度儀，準確度為±1℃；EcoScan Temp JKT熱電偶溫度計，具有±0.3%的準確度；具有±1%準確度的煙氣黑度儀；皮托管和AMI310便攜式多功能測量儀主要用于測量風速、風壓等參數。另外，還有烘干箱、馬弗爐、尺子、秒表、溫度計等。

2.2 試驗方法

在試驗前，應做好以下幾個方面準備：選定測試點，預先進行鉆孔，以保證試驗設備和試驗系統的安裝與調試；保證各種輔機的正常工作，保證機組的安全穩定運行；對主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、蒸汽流量、給水流量、引風機電流、電量等進行檢查，以保證其顯示的準確性和有效性；檢查閥的控制系統是否正常工作。在60%、80%、100%的額定負載下，對該裝置進行熱效率試驗。檢測煙氣成分（包括含氧量、一氧化碳等）。記錄各負荷下的運行參數，如燃燒效率等。在不同的負荷條件下進行試驗，記錄相應的熱效率。通過煙氣分析儀等工具測量煙氣中的氧氣、一氧化碳等成分。使用專用設備檢測漏風情況，包括漏風率和漏風系數。記錄運行參數，分析試驗數據，確保符合國家規定的標準要求。以上步驟可以全面評估所設計的秸稈捆燒設備的熱工性能和環保指標，確保其在不同負荷下均能滿足上述國家標準要求。這些測試不僅有助于驗證設備的設計是否合理，還能為設備的優化提供寶貴的試驗數據。

2.3 結果分析

以位于河南省太康縣的河南恒鑫鍋爐有限公司為試驗場地，先對其進行了2 d的預燃試驗，將鍋爐生產時殘存在爐體內的水分完全氣化，保證鍋爐處于良好工況。在正式試驗中，每一種工作狀態連續試驗4 h以上。試驗結果如表4所示。

根據試驗結果分析可知，該鍋爐的各項性能指標均滿足設計要求，100%運轉時，其熱效率可達82.38%，比第一代捆燒鍋爐有明顯提高，其煙氣中SO2、NOx、顆粒物含量及林格曼黑度均滿足環保標準［16］。該鏈條爐排鍋爐不僅提高了熱效率，還有效控制了污染物排放，這對生態保護有重要意義。此外，良好的設計和高效的熱利用使得該類型的鍋爐成為一種既經濟又環保的選擇。這種鏈條爐排鍋爐的設計成功，為未來的生物質燃料鍋爐設計提供了有價值的參考［17］。

3 結論

試驗結果表明，秸稈打捆燃料可以在該鏈條鍋爐中高效、穩定地燃燒；與第一代捆燒鍋爐相比，該鍋爐具有熱效率更高、技術成熟、運行可靠、維保管理方便等優勢。在額定工作條件下，該鍋爐蒸汽輸出量可達980 kg/h，蒸汽壓力可達1.1 MPa，蒸汽溫度可達188 ℃，與預期設計要求基本一致，燃燒效率高達98.52%，熱效率高達82.38%。研究結果表明，采用鏈式爐排、多拱爐膛可以有效地解決秸稈打捆燃料的燃燒不完全問題，煙氣中的NOx、SO2、顆粒物含量分別為105、28、22 mg/m3，遠遠低于燃煤鍋爐的相應指標標準，滿足了國家對工業鍋爐大氣污染物的排放要求，展現出了良好的環境效益和廣闊的應用前景。

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基金項目：生物質捆燒關鍵技術及設備研發（30803163）；河南省科技攻關項目（232102321084）；河南省聯合基金（應用攻關類，242103810015）；河南農業大學“百千萬科教服務行動”基金項目（2024SFBQW22）；本科高校研究性教學改革研究與實踐項目（2022SYJXLX014）。

作者簡介：趙向南（1987—），男，碩士，高級工程師，研究方向：特種設備檢驗與評價。

通信作者：劉圣勇（1964—），男，博士，教授，研究方向：可再生能源轉換與利用技術。