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生物质颗粒燃烧器的设计与性能测试

发布时间:2016-11-22 13:02内容来源:网络整理 点击:

夏许宁1,刘圣勇1,刘洪福1,管泽云1,翟万里1,王鹏晓1,刘霞2

(1.河南农业大学生物质能源河南省协同创新中心,郑州450002;2.滑县环境保护局,河南滑县456400)

  摘要:针对生物质颗粒燃烧器燃烧不充分及燃烧效率低等问题,设计了一款小型生物质颗粒燃烧器。该燃烧器换热量为0.5t/h,进料量为20kg/h,并采用三次配风系统,设置7个配风口。本研究对小麦、玉米、水稻3种作物的秸秆制成的生物质颗粒燃料进行了锅炉换热试验。试验结果表明:小型生物质颗粒燃烧器采用的三级配风系统配风均匀分布,满足燃料的充分燃烧;3种颗粒燃料燃烧效率均在95%以上,最终的结渣率均不超过5%,燃烧产物达到环保标准。该设计为生物质颗粒燃烧器的应用与推广提供了理论依据。

  0引言

  由于化石燃料的日益减少及燃烧化石燃料带来的环境污染等问题,造成了能源危机和环境危机,而生物质燃料因其可再生、零污染、储量大等优势引起世界的关注[1]。生物质颗粒成型燃料主要以农林废弃物为原料,采用机械加压的方法,把松散的生物质原料压缩为体积小、密度大、便于运输的成型燃料[2]

  生物质颗粒成型燃料因其质地均匀且耐燃烧、点火容易、燃烧效率高且燃烧稳定,以及燃烧产物污染小等优点[3],广泛用于各种燃烧设备中。

  目前,国外关于生物质颗粒燃烧器的研究比较多,主要是以木质类的颗粒成型燃料燃烧器为主,种类单一,已经形成了比较成熟的木质类成型燃料燃烧设备[4]。我国是农业大国,农作物种植面积广阔,农业废弃物年生产量约7亿t[5],预计2020年生物质成型燃料年利用率将达到5000万t[6],研究出适合我国秸秆类颗粒成型燃料的燃烧器是非常必要的。

  我国生物质颗粒燃料主要是以秸秆为主,但原料种类较多,且因地理位置、环境等差异,燃料的燃烧特性也各有不同,因此生物质颗粒燃烧器的适用性不强。由于生物质成型燃料中碱金属和硅元素(K、Na、Cl、S、Ca、Si、P等)含量较高,主要以低熔点(700~900℃)的盐和氧化物的形式存在于生物质原料内[7],当生物质成型燃料燃烧时,炉膛温度高于碱金属化合物的熔点,使其软化并粘结在受热面上,出现结渣、沾污等现象,不仅影响燃烧设备的热性能及燃烧效率,严重时还危及燃烧设备的安全运行[8],这是影响生物质成型燃料广泛应用的难点。向衡等在生物质燃烧器上运用自激脉动技术,设计了提高效率、减少污染的脉动生物质燃烧器[9];包应时等研究了生物质颗粒燃烧器进料方式,总结了防回火的方法[10];姚宗路等研究了螺旋清灰破渣机构,设计了抗结渣生物质固体颗粒燃料燃烧器[11];王月乔等研究了生物质颗粒的燃烧特性,总结了生物质颗粒燃烧器的适用控制参数[12]

  目前,我国的秸秆类生物质颗粒燃料存在易结渣、点火不易及燃烧不平稳、效率低等不足。因此,根据生物质颗粒燃料燃烧特性的3个阶段的燃烧特性,采用三级配风系统,通过风量来调节炉排温度,并配套设计生物质颗粒燃烧器以保证生物质颗粒燃料的充分燃烧并降低结渣率。为了验证该设计的合理性,需要进行蒸汽锅炉的性能试验,该研究为生物质颗粒燃烧器的应用与推广提供了理论依据。

  1燃烧器的设计

  1.1设计思路

  根据生物质颗粒燃料的理化特性和燃烧特性,针对生物质颗粒成型燃料的密度大、挥发分含量高及燃烧不充分等特点,设计蒸发量为500kg/h的生物质颗粒燃烧器。该燃烧器设计7个风口进行3次配风,并配置底风,保证颗粒燃料的各个燃烧阶段都有足量的氧气,提高燃烧效率,并且通过供风量来调节炉排温度,防止温度过高导致底灰结渣率增大。

  1.2总体设计

  1.2.1温度设计

  根据生物质颗粒燃料的燃烧特性,生物质颗粒燃料的燃烧分为3个阶段,首先是挥发分的分解、析出与扩散,然后是挥发分的燃烧阶段,最后为焦炭的层状燃烧。由于生物质灰分含量高、灰熔点低、易结渣,若温度过高容易导致灰分的融化、粘结,因此通过配风量来调控温度。燃烧器内燃料燃烧析出的挥发分及燃烧室内的烟气温度较高,因此此阶段的温度设计在1200℃左右,剩余的焦炭燃烧温度不宜过高,不能超过生物质颗粒成型燃料的软化温度,所以温度设计在900℃以下,以保证燃料燃烧充分及降低底灰的结渣率。

  1.2.2理论空气量的设计

  生物质颗粒燃料中主要是碳、氢、硫等元素的燃烧,因此1kg燃料燃烧所需的理论氧气量为

  我国小麦、玉米和水稻种植面积大,农业废弃物资源丰富,所用燃烧器的设计采用小麦秸秆、玉米秸秆和稻秆颗粒成型燃料,取三者的平均值,计算得出1kg燃料所需的理论空气量为3.633m3;设计颗粒燃料燃烧器为常压换热蒸汽锅炉,进料量为20kg/h,换热量为0.5t/h;所需理论空气量为72.66m3/h,选取过量空气系数为1.3[13],计算得出实际空气量为95m3/h,产灰量为2kg/h。

  1.2.3燃烧器容积计算

  燃烧器的容积与燃料的进料量、发热量成正比,与容积热负荷成反比。因此燃烧器容积计算公式为

  1.2.6配风系统的工作原理

  由于生物质颗粒燃料压缩成型,其本身具有质地密实、密度大及耐燃烧的特性,为了实现颗粒燃料的充分燃烧,所以,燃烧器设计了三级配风系统,如图1所示。

  该燃烧器配置两个风机,在燃烧器的炉排下部设计一次风机配风装置,称为底风。底风不仅可以翻动炉排上部的燃料层,供给足量的氧气与燃料均匀混合,使燃料能够充分燃烧,并且大量的空气搅动炉排上的灰分,促使灰分下落到炉排下部,使灰渣更容易清除。

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