燃煤-秸稈壓塊層燃混燒試驗研究

摘 要

摘要：在一臺蒸發(fā)量為10t/h的鏈條爐排爐上進行了燃煤-秸稈壓塊的混燒試驗，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：在一臺蒸發(fā)量為10t/h的鏈條爐排爐上進行了燃煤-秸稈壓塊的混燒試驗，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
   隨著人類對環(huán)境問題不斷的關(guān)注，生物質(zhì)能作為一種新興的可再生能源越來越受到各國學者的關(guān)注。生物質(zhì)能源具有以下特點：分布廣、資源量豐富、清潔可再生，并且其能源化利用過程中可以實現(xiàn)C02零排放。在我國，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出量已經(jīng)超過7×108t，折合成標準煤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，又能實現(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)濟效益和社會效益，符合我國現(xiàn)階段的國情。
   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[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。通過在秸稈壓塊成型過程中加入一定的添加劑，可以減少受熱面結(jié)渣現(xiàn)象，筆者在試驗過程中采取了此項解決方案。本文重點介紹燃煤一秸稈壓塊混燒的試驗結(jié)果。
2 試驗現(xiàn)場情況
    混燒試驗在一臺額定壓力為1.3MPa、額定蒸發(fā)量為10t/h的鏈條爐排爐上進行。鍋爐用戶的特殊生產(chǎn)工藝造成鍋爐熱負荷波動較大，蒸汽質(zhì)量流量一般為4～8t/h，壓力在0.8MPa左右。
    對于純粹燃煤工況，鍋爐正平衡計算熱效率ηp的計算式為：
 
式中ηp——純粹燃煤工況下鍋爐正平衡計算熱效率
    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，通過測試得到：hs=2770kJ/kg，hw=84kJ/kg，Qf=22583kJ/kg，mf=180.31kg，ms=1000kg，將測試參數(shù)代入式(1)，計算得出ηp=65.96%。
    在混燒試驗進行前，我們利用熱重-差熱同步分析儀對純粹燃煤情況下的灰渣含碳量、飛灰含碳量進行了測試和分析。對于灰渣含碳量分析，在升溫過程中，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個失重峰值，其中第一個峰值是揮發(fā)分的失重造成的，另外兩個則是固定碳在不同溫度下的反應失重。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，相對于灰渣，飛灰中水分含量較低，僅為6%。在400℃以上僅有兩個失重峰值，飛灰樣本在高溫的煙道內(nèi)已經(jīng)沉積了較長時間，因此其揮發(fā)分含量較小，但其中的固定碳含量卻高達30.64%。由此可見，飛灰損失較為嚴重。
3 混燒試驗過程及爐內(nèi)燃燒情況
與煤混燒的是花生秧秸稈壓塊，其形狀為長方體，尺寸為30mm×30mm×70mm，運輸過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。由于成型過程中添加劑的影響，秸稈壓塊中灰的質(zhì)量分數(shù)約15%，低位發(fā)熱量約14562kJ/kg?；鞜^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，遠小于燃煤的密度，因此在煤斗內(nèi)下落過程中，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，決定了混合燃料的著火時間要短于燃煤的著火時間。進入爐膛的秸稈壓塊迅速著火，揮發(fā)分火焰通過導熱和熱輻射方式，將新鮮的燃煤快速預熱，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)分開始燃燒后，就會將燃煤內(nèi)的固定碳溫度提高，并使之具備了著火、燃燒的條件。燃料層著火情況見圖2。對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熱區(qū)長度，一般縮短10cm左右，在爐排總長度一定的情況下，相當于延長了燃料主燃區(qū)長度，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的揮發(fā)分火焰，見圖3。
 

    由于生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高，因此預熱區(qū)送風量要適當增加，以保證揮發(fā)分的燃盡。一般情況下，揮發(fā)分空間擴散燃燒過程需要補充二次風來強化，但由于該爐沒有設(shè)計二次風系統(tǒng)，因此只能通過適當開大一次風箱的風門來補充一次風。盡管這種送風方法可在一定程度上確保揮發(fā)分的燃盡，但一次風量提高且事先無預熱，導致大量冷空氣進入爐膛，易造成爐膛溫度降低。利用紅外熱像儀對爐膛溫度的檢測結(jié)果證實了這一理論推測，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，燃料層通風阻力將有所減小，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。
    對于混燒工況，鍋爐正平衡計算熱效率ηm的計算式為：
 
式中ηm——混燒工況下鍋爐正平衡計算熱效率
    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
    當秸稈壓塊的摻混質(zhì)量比為23%時，通過測試得到：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。將測試數(shù)據(jù)代入式(2)，計算得出ηm=68.49%，比純粹燃煤提高了2.53%。
4 結(jié)論
    ① 混燒后經(jīng)過正平衡計算，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，使爐排主燃區(qū)長度增加，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阻力，空氣與燃料的混合加強，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：
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[2] 孟豐平，樓錦杰.層燃燃煤爐改燒生物質(zhì)燃料引起的事故分析[J].工業(yè)鍋爐，2009(1)：51-53.
[3] 呂玉庭.層燃鍋爐復合顆粒燃料煤的研究[J].黑龍江科技學院學報，2006(1)：35-37.
 
(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)燃氣技術(shù)研究發(fā)展有限公司 河北廊坊 065001；2.河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院 天津 300130)