0前言
當今世界人類面臨著經(jīng)濟增長、環(huán)境保護和社會發(fā)展等多重壓力,改變能源的生產(chǎn)方式和消費方式,對于建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng),促進經(jīng)濟社會的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善具有重大意義,開發(fā)可再生能源引起了人們的更加廣泛關(guān)注。在所有的可再生能源中,生物質(zhì)能以其優(yōu)越性能被人們視為主要選擇之一。生物質(zhì)能的載體是有機物,是以實物的形式存在的,是唯一種可儲存與可運輸?shù)目稍偕茉。同時,從化學(xué)的角度上看,生物質(zhì)的組成是C-H化合物,它與常規(guī)的礦物能源如石油、煤等是同類,它的特性和利用方式與礦物燃料有很大的相似性,可以充分利用已經(jīng)發(fā)展起來的常規(guī)能源技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能。生物質(zhì)致密成型技術(shù)(利用顆粒機或者秸稈壓塊機壓制成型)的應(yīng)用,解決了因生物質(zhì)燃料密度小而貯運困難的問題,為生物質(zhì)大規(guī)模的能源化利用創(chuàng)造了條件。
與國外以木質(zhì)原料為主生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料不同,我國以玉米秸稈、稻草、棉桿等秸稈類生物質(zhì)為原料,其灰分含量比木質(zhì)類的要高,如棉桿的灰含量超過了20%、玉米秸稈為10%、風(fēng)干的稻草為24.4%,而木質(zhì)類要少的多,如白杉的灰含量為0.25、紅木的為0.36%、松樹的為0.29%。并且秸稈灰中堿金屬含量較高,其寫二氧化硅反應(yīng)生成低熔點的共晶體,降低了生物質(zhì)灰分的熔點,使秸稈灰極易結(jié)渣。國外的生物質(zhì)成型燃料應(yīng)用設(shè)備是根據(jù)木質(zhì)類成型燃料的特性設(shè)計的,不適應(yīng)我國的秸稈類成型燃料,直接引進的生物質(zhì)成型燃料鍋爐在我國都不能正常使用。因此,我們根據(jù)生物質(zhì)成型燃料揮發(fā)分含量高、灰分易結(jié)渣的特性,利用生物質(zhì)下吸式氣化與炭的分層燃料技術(shù),開發(fā)了分段燃燒生物質(zhì)成型燃料燃燒鍋爐,其對秸稈類成型燃料具有較好的適用性。
1鍋爐設(shè)計
1.1生物質(zhì)成型燃料的理化特性與燃燒方式的確定
生物質(zhì)成型燃料是指以生物質(zhì)為原料,經(jīng)機械加工,生產(chǎn)的具有規(guī)則形狀的燃料產(chǎn)品。其密度由原來的0.1t/m
3左右增至1t/m
3以上,含水率在12%以下。其能量的體積密度與中質(zhì)煤相當,生物質(zhì)的理化特性決定了其燃燒利用方式,通過其理化特性與煤的對比以,可有效利用煤的燃燒技術(shù),根據(jù)生物質(zhì)的特性,開發(fā)出適合生物質(zhì)成型燃料的燃燒系統(tǒng)。由生物質(zhì)生成燃料的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量的數(shù)值與煤的相比可知,生物質(zhì)的揮發(fā)分遠高于煤,灰分和含碳量遠小于煤,氧含量遠高于煤,發(fā)熱量小于煤。生物質(zhì)燃燒時的理論空氣量小于煤,生物質(zhì)灰分的軟化溫度低,堿金屬含量高,燃燒過裎中易結(jié)渣。生物質(zhì)成型燃料的理化特性決定了其燃燒過程中,揮發(fā)分的燃燒需要較多的空氣,固定炭燃燒的溫度不能超過灰分的結(jié)渣溫度。其較密的組織結(jié)構(gòu)限定了揮發(fā)分由內(nèi)向外的析出速度及熱量由外向內(nèi)的傳遞速度。生物質(zhì)成型燃料的點火性能比原生物質(zhì)有所降低,但遠遠優(yōu)于型煤的點火性能。生物質(zhì)成型燃料開始燃燒時揮發(fā)分慢慢分解,燃燒處于動力區(qū),其燃燒速度由生物質(zhì)的熱解速度決定。揮發(fā)分燒盡后,剩余的焦炭結(jié)構(gòu)緊密,它能保持層狀燃燒。這時炭的燃燒消耗的氧與靜態(tài)滲透擴散的氧相當,燃燒穩(wěn)定持續(xù),燃燒層溫度高,灰分在此階段容易結(jié)渣。根據(jù)以上特點,生物質(zhì)成型燃料燃燒時應(yīng)滿足:揮發(fā)分要充分燃燒,固定炭燃燒時的燃燒強度不能過高。
本項目設(shè)計的生物質(zhì)成型燃料燃燒鍋爐有專門的氣化區(qū)、炭燃盡區(qū)與揮發(fā)份燃燒區(qū)。氣化區(qū)采用下吸氣氣化原理,上部有較大的貯料空間,加料間隔時間在6小時以上,操作方便。固定炭燃燒區(qū)可從下爐排與擋灰爐排進風(fēng),降低了固定炭的燃燒溫度,灰分不易結(jié)渣。揮發(fā)分燃燒區(qū)四周為耐火材料,可提高此燃燒區(qū)的溫度。
1.2鍋爐結(jié)構(gòu)與工作原理
本項目完成的生物質(zhì)成型燃料燃燒鍋爐主要有爐膛、出灰門、輻射受熱面、對流受熱面,往復(fù)移動爐排、煙囪等組成。根據(jù)燃料不同的燃燒狀態(tài),爐膛可分為氣化區(qū)、固定炭燃燒區(qū)與揮發(fā)分燃燒區(qū)三部分,在爐膛的上部有加料口與一次空氣進口,下部側(cè)面有擋渣門與清渣門。往復(fù)移動爐排下部為灰室。出灰門有進空氣口與空氣量調(diào)整板。爐膛四周為水套,外部為保溫層。其結(jié)構(gòu)布置見圖1所示。
鍋爐的燃燒過程為:燃燒所需的空氣由灰門上的進氣口進入鍋爐后分為三部分:一部分空氣經(jīng)上行風(fēng)道進入燃燒室的上部,作為生物質(zhì)成型燃料氣化時的氣化劑;一部分空氣經(jīng)擋渣門和爐排進入爐膛,與生物質(zhì)成型燃料氣化后生成的固定炭反應(yīng);另一部分空氣通過灰室上部,從揮發(fā)分燃燒室下部進入,與從側(cè)面進入的可燃氣混合燃燒,生成的高溫?zé)煔饨?jīng)對流換熱面后從煙囪排出。成型燃料在氣化區(qū)分為三層,上部為貯料與干燥層,中部為熱解層,下部為氧化層。從加料門加入的生物質(zhì)原料隨一次空氣依次經(jīng)過干燥層、熱解層與氧化層。由氣化區(qū)產(chǎn)生的可燃氣進入揮發(fā)分燃燒區(qū)迸行高溫燃燒。產(chǎn)生的固定炭在炭燃燒區(qū)燃燒。
可以看出,本鍋爐采用了生物質(zhì)成型燃料氣化、固定炭燃燒與揮發(fā)分燃燒的專用區(qū)域,保證了生物質(zhì)中揮發(fā)分的充分燃燒。兩處進風(fēng)的固定炭燃燒設(shè)計,減小了爐排的熱負荷,降低了固定炭的燃燒溫度,可有效防止生物質(zhì)灰的結(jié)渣。
1.3爐膛及爐排的設(shè)計
爐膛是生物質(zhì)成型鍋爐最重要的結(jié)構(gòu)之一,它的形狀及大小決定了鍋爐內(nèi)溫度及流場的分布,直接影響燃料的燃燒狀況。生物質(zhì)成型燃料的燃燒過程主要有氣化、固定炭的燃燒及揮發(fā)分的燃燒,其中固定炭的燃燒速度最慢,其數(shù)值的選擇決定了爐膛的燃燒負荷,為鍋爐設(shè)計時最重要的參數(shù)之一。參照鍋爐設(shè)計手冊,爐排面積熱強度q
r,選取值為380kw·m-2。鍋爐的輻射受熱面與對流受熱面可參考燃煤鍋爐設(shè)計。
爐排是生物質(zhì)成型燃料分段燃燒技術(shù)中的一個重要部件,它由三部分組成,分別為轉(zhuǎn)軸、活動爐排與固定爐排。轉(zhuǎn)軸可帶動活動爐排左右移動,可完成灰渣的下落,固定爐排可保證灰層具有一定的厚度;顒訝t排與固定爐排間隔布置其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2試驗研究與分析
2.1試驗條件與內(nèi)容
本實驗采用的設(shè)備為本項目設(shè)計的生物質(zhì)成型燃料鍋爐,其熱負荷為200kW,分別以直徑為10mm,20 mm,30 mm、40 mm、50 mm、60mm以玉米秸稈加工的生物質(zhì)成型燃料進行試驗,其顆粒密度為1.0~1.2×10
3kg/m
3,收到基含水率10~12%,發(fā)熱量為13. 2MJ/kg。分別對其最大熱負荷、煙氣中CO排放、熱利用效率進行試驗研究。所用的試驗儀表分別為(1) MK9000綜合燃燒分析儀,其各指標的測量精度分別為:0
2濃度-0.1%和+0.2%、CO濃度士20ppm、C0
2濃度±5%、效率±1%、排煙溫度±0.3%:(2) 3012H型自動煙塵(氣)測試儀,精度為士0.5%:(3)大氣壓力計,精度為1.0級:(4) QF1901奧氏氣體分析儀:(5)磅稱,米尺,秒表,水銀溫度計,水表等。每一次測試前對鍋爐爐膛進行了清理,空氣進風(fēng)口調(diào)到最大,點火正常運行30min后開始各項的測試。
2.2不同顆粒直徑與鍋爐出力的關(guān)系
不同顆粒直徑與鍋爐出力的關(guān)系可以看出,在鍋爐負壓一定的情況下,顆粒直徑與鍋爐熱負荷人較大關(guān)系,在直徑為30mm時,鍋爐的熱負荷最大,達到了250kW以上,而隨著成型燃料直徑的增加與減小,鍋爐的熱負荷都變小,這可能是因為在直徑小于30mm時,隨著直徑的小,其間隙也隨著減小,透氣性變差,料層阻力增大,燃燒時的空氣量變小,導(dǎo)致了鍋爐負荷的下降。在直徑大于30mm時,隨著直徑的增加,其間隙進一步增加,而成型燃料表面積與體積比也變小,影響了炭的燃燒。其負荷變小。從曲線可知,燃燒直徑為20~40mm的生物質(zhì)成型燃料,鍋爐可在較大的負荷下運行,燃料直徑的進一步增加或減小,都會影響鍋爐的最大負荷。
2.3不同顆粒直徑與煙氣中CO的關(guān)系
不同顆粒直徑與鍋爐出力的關(guān)系中可以看出,不同直徑的生物質(zhì)成型燃料,其煙氣中CO含量曲線與最大熟負荷的曲線剛好相反,在燃料直徑為30mm時CO含量最低,直徑增大或減小CO的含量都會增加,其原因與熱負荷的變化相似。直徑增加時,燃燒層的透氣性增加,一部分揮發(fā)份在氣化室內(nèi)燃燒,進入第二燃燒室內(nèi)的燃氣中的可燃成分減少,導(dǎo)致第地燃燒室不能正常的穩(wěn)定燃燒,從而增加了煙氣中CO的含量。成型燃料直徑的減小,使第一燃燒室的阻力增加,而第二燃燒室內(nèi)的空氣量相對增加,從而導(dǎo)致了空氣過量系數(shù)增加,第二燃燒室溫度下降,從第一燃燒室內(nèi)流出的氣體中CO不能完全與氧反應(yīng)生成CO,從而使煙氣中CO的含量增加。
2.4不同顆粒直徑與鍋爐熱效率的關(guān)系
不同顆粒直徑與鍋爐效率的關(guān)系可以看出,成型燃料直徑與鍋爐效率的關(guān)系曲線,和成型燃料直徑與最大執(zhí)業(yè)負荷的曲線相似,都是在直徑約30mm時都達到了最大值,其原因可能是利用這種尺寸的成型燃料,鍋爐燃燒最充分,從而導(dǎo)致了鍋爐的熱效率最高。
3結(jié)論
通過對優(yōu)化設(shè)計過的生物質(zhì)成型燃料鍋爐進行測試研究,可以得出如下結(jié)論:
1)通過對生物質(zhì)成型燃料理化特性、燃燒特性的研究,開發(fā)的生物質(zhì)成型燃料鍋爐最佳成型燃料直徑為20~40mm,其燃燒時的熱利用率最高,其污染物排放最低。
2)利用最佳的成型燃科時,鍋爐輸出熱負荷可達到250kW,超過了設(shè)計時的200Kw,熱效率高(達到75%以上),不易結(jié)渣。