各种原材的生物质颗粒燃烧的设计与性能测试

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 。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 。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 广泛用于各种燃烧设备中。

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维持了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。

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，维持了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。

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，较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 1 200℃ 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，以维持了燃料燃烧充分及降低底灰的结渣率。

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。

在进料口的两侧设计两个风口进行一次配风，燃烧室的中下部设计了 4 个上下并列两排的风口进行二次配风，烟气出口处设计了一个分口进行三次配风。当燃料进入燃烧室内进行燃烧，燃烧器的上部充满高温气体，燃烧室中下部的 4 个风口形成循环，高温气体由下部风口进入搅拌风机内并对冷空气进行预热，然后加热的空气通过上部风口进入燃烧室内。高温气体与热空气的循环不断翻动燃料层，搅动燃烧室内的空气，增大了燃烧器内部的可燃气体与氧气接触的机率，维持了燃烧器内部的挥发分及可燃气体能够充分燃烧。 

当燃烧器运行时，首先进入燃烧器的是冷空气。由于燃料的燃烧及燃烧器中下部的 4 个风口形成的循环系统，使得搅拌风机内的冷空气逐渐加热。当燃烧器运行一段时间后，除底风外，其他进入燃烧器的冷空气变成热空气。因此，进入进料管两侧的一次风，不仅能够对生物质颗粒燃料进行预热干燥，及与空气均匀混合，并且在一次风的带动下燃料进入燃烧器内，维持了进料后能够在燃烧器内初次燃烧充分，使挥发分能够快速平稳析出，同时也可以降低点火难度。

在烟气出口即炉膛入口处设计了三次配风。由于此时燃烧器内燃料剧烈燃烧产生了高热量烟气，加上鼓风机和引风机的共同作用，此时锅炉炉膛内容易达到负压状态; 而这种状态可以使挥发分和烟气流入炉膛，从而达到了二次燃烧的目的。因此，所设计的三次配风可以使烟气中的可燃气体充分燃烧，提高燃烧效率。但是，三次配风的风量不宜过大，配风量过大容易造成不必要的热损失，影响锅炉的换热效率。

本实验选取了郑州德润锅炉股份有限公司生产的小麦秸秆、玉米秸秆和水稻的颗粒成型燃料。直径约为 10mm，密度约为 1． 15t / m³ ，其工业分析及元素分析

生物质颗粒燃烧器采用螺旋进料方式，燃料由进料口从燃烧器上边垂直进入，一次风直接通入下料管道内，和燃料混合后进入燃烧器。燃料在燃烧室内下降时经高温烟气冲刷，首先进行燃烧，挥发分析出; 随着挥发分的析出，燃料剩下的焦炭结构下降到炉排上进行焦炭燃烧，在炉排下部设置底风，维持了炉排上焦炭的充分燃烧。在燃烧室中间设置并排分布的 4 个风口形成循环进行二次配风，维持了燃烧室内可燃气体的充分燃烧。在引风机和鼓风机的作用下，锅炉炉膛内呈负压状态，燃烧室内部分可燃气体和烟气在压强的作用下进入锅炉炉膛内。在烟气出口出配置三次风，使部分未都燃烧的可燃气体在炉膛内再次燃烧，高温烟气与锅炉换热后经水浴除尘器除尘后排向大气。

该燃烧器通过分级配风，实现燃料的充分燃烧，使排放物达到环保指标; 在燃烧器的底部设置清灰门，通过人工清灰的方法来清除底灰。

2． 4 试验结果

为研究燃烧器的适用性及燃烧效率，试验使用 3 种生物质颗粒燃料，分配恰当的三级配风量和底风，达到合适的燃烧温度，维持了燃烧充分及降低结渣。试

验研究了 3 种生物质颗粒燃料在三级配风下的各阶段燃烧温度、燃烧效率和各项热损失，以及灰渣含碳量等

玉米秸秆热值高，燃烧时炉膛温度和燃烧室温度虽略高于设定温度; 但三级配风分配均匀，使玉米颗粒燃料充分燃烧，灰渣含碳量较少，燃烧效率较好。稻秆热值低、含水率高，燃烧时大量水蒸气和挥发分产生，大量水蒸气和挥发分混合，使得挥发分不能与氧气充分反应; 并且水蒸气随着烟气的排除还带走大量的热，增加气体不都燃烧热损失，因此稻秆燃烧时要加大一次配风量，对燃料进行干燥预热。麦秸秆灰分含量较高，燃烧时炉排温度较高，可燃物被灰分包裹而不能充分燃烧，增大固体不都燃烧热损失，灰渣含碳量也增加，因此要降低底风并增加二次配风量，来增强二次风的循环; 并加大燃料层的搅拌，适当降低进料速度和炉排温度，使燃料在炉排上充分燃烧。