燃煤-秸稈壓塊層燃混燒試驗(yàn)研究

摘 要

摘要：在一臺(tái)蒸發(fā)量為10t/h的鏈條爐排爐上進(jìn)行了燃煤-秸稈壓塊的混燒試驗(yàn)，混燒秸稈壓塊可有效改善燃煤的著火特性，顯著提高燃燒效率。與純粹燃煤相比較，混燒質(zhì)量比20%～30%的生物質(zhì)
摘要：在一臺(tái)蒸發(fā)量為10t/h的鏈條爐排爐上進(jìn)行了燃煤-秸稈壓塊的混燒試驗(yàn)，混燒
秸稈壓塊可有效改善燃煤的著火特性，顯著提高燃燒效率。與純粹燃煤相比較，混燒質(zhì)量比20%～30%的生物質(zhì)壓塊可使鍋爐的熱效率提高3%左右。
關(guān)鍵詞：秸稈壓塊；混燒；鍋爐熱效率；燃燒效率
Experimental Study on Grate Firing Multifuel Combustion of Coal and Straw Briquettes
GU Yan，LIU Liansheng，YANG Junjie，REN Qingsheng，CHEN Jianlun，LIAO Xiong
Abstract：The multifuel combustion test of coal and straw briquettes is conducted in a chain-grate boiler with the evaporation capacity of 10t/h.The combustion of mixing straw briquettes can effectively improve the ignition characteristic of coal and significantly increase the combustion efficiency.Compared to pure coal combustion，the multifuel combustion of biomass briquettes with mixing combustion mass ratio of 20% to 30% can increase the thermal efficiency of boiler by 3%.
Key words：straw briquette；muhituel combustion；thermal efficiency of boiler； combustion efficiency
1 概述
   隨著人類對(duì)環(huán)境問(wèn)題不斷的關(guān)注，生物質(zhì)能作為一種新興的可再生能源越來(lái)越受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。生物質(zhì)能源具有以下特點(diǎn)：分布廣、資源量豐富、清潔可再生，并且其能源化利用過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)C02零排放。在我國(guó)，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出量已經(jīng)超過(guò)7×108t，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤3.5×108t，若全部利用可以減排8.5×108t的C02。因此，有效利用生物質(zhì)能源既可緩解溫室效應(yīng)，又能實(shí)現(xiàn)廢棄物再利用，提高農(nóng)民的生活水平，增加農(nóng)民收入，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，符合我國(guó)現(xiàn)階段的國(guó)情。
   現(xiàn)階段生物質(zhì)能利用方式主要包括生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)、生物質(zhì)制沼氣技術(shù)、生物質(zhì)固化成型技術(shù)、生物質(zhì)液體燃料技術(shù)、生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)等。文獻(xiàn)[1-3]介紹了鏈條爐排爐燃燒生物質(zhì)燃料的技術(shù)現(xiàn)狀，以及燃料變化后所引起的受熱面結(jié)渣現(xiàn)象。通過(guò)在秸稈壓塊成型過(guò)程中加入一定的添加劑，可以減少受熱面結(jié)渣現(xiàn)象，筆者在試驗(yàn)過(guò)程中采取了此項(xiàng)解決方案。本文重點(diǎn)介紹燃煤一秸稈壓塊混燒的試驗(yàn)結(jié)果。
2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況
    混燒試驗(yàn)在一臺(tái)額定壓力為1.3MPa、額定蒸發(fā)量為10t/h的鏈條爐排爐上進(jìn)行。鍋爐用戶的特殊生產(chǎn)工藝造成鍋爐熱負(fù)荷波動(dòng)較大，蒸汽質(zhì)量流量一般為4～8t/h，壓力在0.8MPa左右。
    對(duì)于純粹燃煤工況，鍋爐正平衡計(jì)算熱效率ηp的計(jì)算式為：
 
式中ηp——純粹燃煤工況下鍋爐正平衡計(jì)算熱效率
    hs——飽和蒸汽的比焓，kJ/kg
    hw——鍋爐給水的比焓，kJ/kg
    ms——生產(chǎn)蒸汽量，kg
    mf——消耗燃煤的質(zhì)量，kg
    Qf——燃煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg
    采用純粹燃煤方法，通過(guò)測(cè)試得到：hs=2770kJ/kg，hw=84kJ/kg，Qf=22583kJ/kg，mf=180.31kg，ms=1000kg，將測(cè)試參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得出ηp=65.96%。
    在混燒試驗(yàn)進(jìn)行前，我們利用熱重-差熱同步分析儀對(duì)純粹燃煤情況下的灰渣含碳量、飛灰含碳量進(jìn)行了測(cè)試和分析。對(duì)于灰渣含碳量分析，在升溫過(guò)程中，110℃以下的質(zhì)量損失約22%，是灰渣樣本中的水分。400℃以上存在3個(gè)失重峰值，其中第一個(gè)峰值是揮發(fā)分的失重造成的，另外兩個(gè)則是固定碳在不同溫度下的反應(yīng)失重。分析結(jié)果顯示，灰渣中的可燃成分仍占總質(zhì)量的23.15%左右，這說(shuō)明燃煤在爐排上的燃盡程度不高，固體不完全燃燒熱損失和氣體不完全熱損失均較大。
    由于該爐燃煤顆粒的粒度較小，因此飛灰嚴(yán)重，煙道內(nèi)沉積的飛灰量很大。由飛灰含碳量分析可知，相對(duì)于灰渣，飛灰中水分含量較低，僅為6%。在400℃以上僅有兩個(gè)失重峰值，飛灰樣本在高溫的煙道內(nèi)已經(jīng)沉積了較長(zhǎng)時(shí)間，因此其揮發(fā)分含量較小，但其中的固定碳含量卻高達(dá)30.64%。由此可見(jiàn)，飛灰損失較為嚴(yán)重。
3 混燒試驗(yàn)過(guò)程及爐內(nèi)燃燒情況
與煤混燒的是花生秧秸稈壓塊，其形狀為長(zhǎng)方體，尺寸為30mm×30mm×70mm，運(yùn)輸過(guò)程造成少量壓塊破碎成小塊，但粉末狀顆粒所占比例可忽略。由于成型過(guò)程中添加劑的影響，秸稈壓塊中灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約15%，低位發(fā)熱量約14562kJ/kg?；鞜^(guò)程中，秸稈壓塊與燃煤的摻混比例(質(zhì)量比)為20%～30%。采用人工摻混，煤斗內(nèi)的混合情況見(jiàn)圖1，兩者混合比較均勻。
 

    煤斗內(nèi)的混合燃料靠自重下落，經(jīng)煤閘板后落在爐排前部。由于秸稈壓塊的密度僅為700kg/m3，遠(yuǎn)小于燃煤的密度，因此在煤斗內(nèi)下落過(guò)程中，燃煤顆粒與秸稈壓塊之間存在速度滑移，從而形成燃料分層。在爐排上，沿燃料層高度方向，大部分秸稈壓塊分布在燃料層表層，少部分分布在燃料層內(nèi)。
    多數(shù)的秸稈壓塊分布在混合燃料層表層，秸稈揮發(fā)分含量高以及揮發(fā)分著火溫度低等特點(diǎn)，決定了混合燃料的著火時(shí)間要短于燃煤的著火時(shí)間。進(jìn)入爐膛的秸稈壓塊迅速著火，揮發(fā)分火焰通過(guò)導(dǎo)熱和熱輻射方式，將新鮮的燃煤快速預(yù)熱，使其揮發(fā)分析出速度有所加快。因此，混燒可有效改善燃煤的著火性能。一旦燃煤揮發(fā)分開(kāi)始燃燒后，就會(huì)將燃煤內(nèi)的固定碳溫度提高，并使之具備了著火、燃燒的條件。燃料層著火情況見(jiàn)圖2。對(duì)比燃煤情況下的著火區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，混燒可有效縮短爐排上的燃料預(yù)熱區(qū)長(zhǎng)度，一般縮短10cm左右，在爐排總長(zhǎng)度一定的情況下，相當(dāng)于延長(zhǎng)了燃料主燃區(qū)長(zhǎng)度，從而使燃料燃盡程度和燃燒效率有所提高。
 

燃料層表層秸稈壓塊的快速著火形成比較長(zhǎng)的揮發(fā)分火焰，見(jiàn)圖3。
 

    由于生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高，因此預(yù)熱區(qū)送風(fēng)量要適當(dāng)增加，以保證揮發(fā)分的燃盡。一般情況下，揮發(fā)分空間擴(kuò)散燃燒過(guò)程需要補(bǔ)充二次風(fēng)來(lái)強(qiáng)化，但由于該爐沒(méi)有設(shè)計(jì)二次風(fēng)系統(tǒng)，因此只能通過(guò)適當(dāng)開(kāi)大一次風(fēng)箱的風(fēng)門來(lái)補(bǔ)充一次風(fēng)。盡管這種送風(fēng)方法可在一定程度上確保揮發(fā)分的燃盡，但一次風(fēng)量提高且事先無(wú)預(yù)熱，導(dǎo)致大量冷空氣進(jìn)入爐膛，易造成爐膛溫度降低。利用紅外熱像儀對(duì)爐膛溫度的檢測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一理論推測(cè)，混燒情況下，爐膛溫度一般為1000～1030℃，比純粹燃煤情況下低70～100℃。
    混燒不僅改善了燃煤的著火性能，還改善了主燃區(qū)燃料層內(nèi)空氣與燃料的混合。秸稈壓塊在冷態(tài)情況下是致密的塊狀結(jié)構(gòu)，受熱時(shí)揮發(fā)分析出，自身將成為疏松的孔狀結(jié)構(gòu)，且膨脹、體積增大。由圖3可以觀察到燃料層表層的體積膨脹后的秸稈壓塊。燃盡后的秸稈壓塊見(jiàn)圖4，其結(jié)構(gòu)是疏松多孔狀的。
 

    同樣，在燃料層內(nèi)部，秸稈壓塊同樣會(huì)發(fā)生膨脹，使燃料層厚度有所增加，秸稈壓塊附近的煤層將出現(xiàn)孔隙。這樣一來(lái)，燃料層通風(fēng)阻力將有所減小，從爐排底部送入的空氣將更容易滲透到燃料層上部，從而使燃料層還原區(qū)厚度有所減小，C0等不完全燃燒產(chǎn)物生成量有所減少。
    對(duì)于混燒工況，鍋爐正平衡計(jì)算熱效率ηm的計(jì)算式為：
 
式中ηm——混燒工況下鍋爐正平衡計(jì)算熱效率
    mf,1——秸稈壓塊的質(zhì)量，kg
    Qf,1——秸稈壓塊的低位發(fā)熱量，kJ/kg
    當(dāng)秸稈壓塊的摻混質(zhì)量比為23%時(shí)，通過(guò)測(cè)試得到：hs=2770kJ/kg，hw=84kJ/kg。消耗燃料的總質(zhì)量為189.76kg，其中mf=146.11kg，mf,1=43.65kg。Qf=22583kJ/kg，Qf,1=14555kJ/kg。將測(cè)試數(shù)據(jù)代入式(2)，計(jì)算得出ηm=68.49%，比純粹燃煤提高了2.53%。
4 結(jié)論
    ① 混燒后經(jīng)過(guò)正平衡計(jì)算，鍋爐熱效率提高到68.49%，比純粹燃煤情況下提高了2.53%，并降低了燃料成本。
    ② 秸稈壓塊與燃煤在一定的摻混比例下混燒，可有效改善燃煤的著火性能，使?fàn)t排主燃區(qū)長(zhǎng)度增加，燃煤燃盡程度提高。
    ③ 秸稈壓塊燃盡后的疏松結(jié)構(gòu)，有效降低了燃料層的通風(fēng)阻力，空氣與燃料的混合加強(qiáng)，從而提高了燃燒效率，并且該疏松結(jié)構(gòu)可以束縛內(nèi)部灰粒，抑制熔融性飛灰造成的受熱面結(jié)渣。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：谷巖1 劉聯(lián)勝2 楊俊杰1 任勃生1 陳建倫1 廖雄1 1.新奧(廊坊)燃?xì)饧夹g(shù)研究發(fā)展有限公司 河北廊坊 065001；2.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 天津 300130)