關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；鍘碎料燃料；螺旋給料機(jī)；固定爐排
O 引言
隨著我國(guó)農(nóng)村城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的農(nóng)村生物質(zhì)從灶用能源中分離出來(lái)，成為農(nóng)業(yè)廢棄物。目前我國(guó)廣大城鄉(xiāng)結(jié)合部、小城鎮(zhèn)地區(qū)的農(nóng)林副產(chǎn)物生物質(zhì)常被作為廢棄物焚燒。城市的園林廢棄物也作為垃圾處理，不但浪費(fèi)能源，也造成環(huán)境污染。我國(guó)每年農(nóng)林廢棄物、能源林業(yè)和其他能源作物相當(dāng)于9億噸標(biāo)煤。研究開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、環(huán)保的生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)，對(duì)解決農(nóng)林廢棄物焚燒引起的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)問(wèn)題，滿足廣大農(nóng)村地區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部大量的小型供熱需求，具有重要意義。
作為生物質(zhì)能應(yīng)用的常用方式之一，生物質(zhì)燃燒技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速，不斷涌現(xiàn)各種技術(shù)和設(shè)備。生物質(zhì)直燃的主要特點(diǎn)是：能量密度低，大型應(yīng)用時(shí)燃料收集、儲(chǔ)存成本高；S02、NOx排放低；鍋爐中各受熱面的沾污腐蝕，灰分的結(jié)焦，煙氣中氯化氫、氣溶膠含量較高等問(wèn)題嚴(yán)重。采用生物質(zhì)成型燃料能夠顯著提高能量密度，在歐洲得到廣泛應(yīng)用。然而由于生物質(zhì)成型過(guò)程能耗高、設(shè)備磨損快、燃料成本高，在國(guó)內(nèi)推廣收到限制。以木質(zhì)顆粒為例，不考慮干燥能耗，國(guó)內(nèi)引進(jìn)技術(shù)改進(jìn)機(jī)組的實(shí)驗(yàn)?zāi)芎臑?84. 4kWh．t。國(guó)內(nèi)研究者也開(kāi)展了捆燒生物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究，其燃料密度適中，實(shí)驗(yàn)中為130 kg．m-3；加工能耗較低，約30kWh．t。此外，還有部分生物質(zhì)不容易被收集，亟需一種靈活、方便的方法來(lái)減少這部分能源的浪費(fèi)。本文研究者們?cè)O(shè)計(jì)了一種針對(duì)園林廢棄物的小型生物質(zhì)鍘碎料直燃熱水鍋爐，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所用的燃料密度為126kg．每立方米，與捆燒生物質(zhì)相當(dāng)。由于本方案只需要簡(jiǎn)單鍘碎而無(wú)需切片，燃料加工能耗與生物質(zhì)成型燃料切片工藝的13. lkWh．t相比，其能耗應(yīng)該更低。本生物質(zhì)直燃鍋爐可用于園林廢棄物、果園區(qū)和產(chǎn)棉區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物的處理兼小型供熱。
1 鍋爐方案設(shè)計(jì)
鍋爐為固定爐排層燃鍋爐，由防架橋螺旋給料機(jī)和鍋爐本體兩部分組成，如圖1所示。
連續(xù)、穩(wěn)定給料是鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的前提。鍘碎料特別容易架橋，一方面破壞給料的連續(xù)性；另一方面架橋造成物料分布不均勻，導(dǎo)致給料量的波動(dòng)。本文的研究者們經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于長(zhǎng)度小于10cm的鍘碎料，在料斗底部水平布置兩個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的撥料輥可有效地解決搭橋問(wèn)題，較好地實(shí)現(xiàn)均勻落料；采用適當(dāng)螺距的螺旋絞龍可將鍘碎料穩(wěn)定地輸送至爐排。爐膛和螺旋絞龍之間由10cm長(zhǎng)的料管連接，料管中的鍘碎料將絞龍與爐膛高溫隔離開(kāi)。 由于鍘碎料之間相互交叉、重疊，使燃料層具有一定的“剛度”。螺旋絞龍?jiān)趯⑿迈r燃料輸送至爐排的同時(shí)也將爐排上的燃料整體向后推移。燃料在爐排上的燃燒可從前向后分為四個(gè)區(qū)段：燃料預(yù)熱干燥段、揮發(fā)部排煙分析出燃燒段、焦炭燃燒段、灰渣燃盡段。與鏈條爐的燃燒過(guò)程類似，灰渣從爐排末端落人集灰室。本方案的機(jī)械化程度較高，只需每3～4h往料斗加一次料，同時(shí)集灰室清灰一次即可。
為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低加工成本，爐膛由半包圍結(jié)構(gòu)的水套和煙氣轉(zhuǎn)向板圍成。同時(shí)在爐膛上部布置了對(duì)流一輻射換熱面以使結(jié)構(gòu)更加緊湊。
爐內(nèi)設(shè)有一次風(fēng)和二次風(fēng)。煙氣經(jīng)轉(zhuǎn)向室后從上部排煙管排出，并可利用高速氣體射流的引射作用輔助排煙。灰分主要從爐排末端爐排孔或側(cè)面空隙落入集灰室收集排出。煙氣攜帶部分灰分也落入集灰室。
2燃料及實(shí)驗(yàn)裝置主要參數(shù)
本文以校園園林廢棄物為燃料，設(shè)計(jì)、搭建了20kW浴室鍋爐實(shí)驗(yàn)裝置。收集了校園園林廢棄物，鍘碎至長(zhǎng)度小于10cm的碎段，自然晾干后檢測(cè)并儲(chǔ)存，以備實(shí)驗(yàn)。燃料特性參數(shù)和鍋爐主要參數(shù)如表1所示。
3試驗(yàn)及結(jié)果
3.1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法
1)給料的穩(wěn)定性：在料斗中一次性裝入15kg燃料，開(kāi)動(dòng)給料機(jī)，記錄每5min內(nèi)出料量。
2)額定工況下鍋爐熱水管出口水溫：采用K型熱電偶檢測(cè)，由OMD- PDQI型采集卡和計(jì)算機(jī)連續(xù)采集記錄。
3)煙氣成分，排煙溫度，排煙含塵量：煙氣過(guò)濾后，由Gasboard-3100紅外煙氣分析儀檢測(cè)CO、C02等含量。排煙溫度檢測(cè)方法同水溫檢測(cè)。排煙含塵量的檢測(cè)應(yīng)用3012H型自動(dòng)煙塵／氣測(cè)試儀，采用GB5468-91標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。
4)飛灰及灰渣含炭量：將灰分在815℃條件下灼燒1h，由灼燒前后質(zhì)量差確定含碳量。
3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.2.1 喂料的穩(wěn)定性
三次喂料實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，鍘碎料的喂料可控制在6kg．h-l上下20%范圍內(nèi)波動(dòng)，并且隨料斗中物料的減少，略有下降趨勢(shì)。這些實(shí)驗(yàn)以及后續(xù)的燃燒實(shí)驗(yàn)表明，給料機(jī)運(yùn)行可靠，總體喂料速率穩(wěn)定，燃燒過(guò)程穩(wěn)定。
3.2.2 鍋爐運(yùn)行時(shí)熱水管出口水溫特性
鍋爐啟動(dòng)后初始有個(gè)非穩(wěn)定態(tài)過(guò)程，約10min接近穩(wěn)定的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)用的鍋爐控制系統(tǒng)無(wú)水溫控制，水溫有一定波動(dòng)。圖3給出其中1次實(shí)驗(yàn)時(shí)熱水管出口水溫隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)表明，在初始水溫為12℃、水流量為450kg．h時(shí)，鍋爐出口水溫維持在48±10℃。
3.2.3鍋爐排煙特性
穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)鍋爐的排煙溫度在250士10℃，煙氣中C02為8%～10%；CO含量為0.23%～0. 27%。生物質(zhì)鍘碎料鍋爐的煙塵排放的平均值在110～170 mg．m-3范圍內(nèi)，低于鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13271-2001中燃煤鍋爐在二類區(qū)200mg．m³的煙塵排放上限，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.4灰分中的殘?zhí)?br /> 灰分主要以灰渣和飛灰的形式存在，其中灰渣的份額平均為91. 6%，飛灰的份額平均為8.4%；各工況下灰渣含碳平均為7. 8%，而飛灰含碳測(cè)得數(shù)值較高，平均為56. 7%。
3.3結(jié)果分析
3.3.1鍋爐正平衡效率
鍋爐熱效率采用正平衡方法計(jì)算，效率為鍋爐熱水吸熱量與燃料放熱量之比。
據(jù)4次穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)溫度檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算出鍋爐的熱效率在65. 8%～74. 2%之間，平均為70%。與歐美多數(shù)生物質(zhì)小鍋爐效率(50%～80 %)和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)的捆燒爐效率（約73%）相當(dāng)。
3.3.2鍋爐熱損失
根據(jù)排煙量和排煙溫度計(jì)算出該鍋爐的排煙損失12. 4%，機(jī)械不完全燃燒熱損失1.4%，由排煙中的CO含量計(jì)算的化學(xué)不完全熱損失為1.1%。鍋爐爐膛由半包圍的水套結(jié)構(gòu)和煙氣轉(zhuǎn)向板圍成，未設(shè)置保溫層，整體散熱較大，計(jì)算散熱損失約為10%。灰渣物理顯熱損失平均為0. 63%。可得鍋爐反平衡效率為74. 47%，與正平衡效率偏差為4.47%，小于5%。
雖然鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其煙塵排放濃度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。主要原因有：城市園林廢棄物灰分含量較低；燃燒時(shí)未經(jīng)粉碎，大多數(shù)灰分存于爐體集灰室的灰渣中；爐體的煙塵沉降室起到了分離沉降煙氣中灰塵的作用。
灰渣含碳量較低，機(jī)械不完全燃燒熱損失小，這表明給料機(jī)構(gòu)、爐排及一次風(fēng)設(shè)計(jì)合理，固體燃料燃盡充分。
檢測(cè)同時(shí)表明，飛灰含碳高，煙氣中CO含量偏高。這可能是由于爐膛高度偏低的原因造成的，需在后續(xù)研究中加以改進(jìn)。
4 結(jié)論和討論
1)園林廢棄物等生物質(zhì)鍘碎料具有較低的燃料生產(chǎn)能耗，適當(dāng)?shù)哪芰棵芏龋捎米鲂⌒湾仩t燃料。
2)采用螺旋給料機(jī)和同向旋轉(zhuǎn)的撥料輥，可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)鍘碎料的穩(wěn)定喂料，機(jī)械化程度好，燃燒穩(wěn)定。
3)小型浴室熱水鍋爐的熱效率約70%，與國(guó)內(nèi)外大多數(shù)小型生物質(zhì)鍋爐相當(dāng)。
4)該實(shí)驗(yàn)鍋爐的主要熱損失是散熱損失和排煙熱損失，可通過(guò)加強(qiáng)保溫、增加傳熱面積、調(diào)整爐膛結(jié)構(gòu)、改善配風(fēng)等措施加以改進(jìn)，提高鍋爐效率。
5)鍋爐排煙中煙塵含量低，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
總體來(lái)說(shuō)，該鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，燃料成本低，適合廣大城鄉(xiāng)結(jié)合部和小城鎮(zhèn)的小型供熱應(yīng)用。
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