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摘要：在分析生物质燃料燃烧特性、压制成型加热温度、结渣原因的基础上，对生物质成型燃料锅炉进行性能模拟计算和实际推广价值分析，针对试验在生物质种类、试验条件、分析软件中存在的不足，提出相应的改进建议，为生物质气化燃烧锅炉的应用研究提供理论基础。
关键词：生物质；燃烧锅炉；玉米秸秆；燃料特性；性能模拟
中图分类号：S216 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0024-02
生物质成型燃料具有与化石燃料相差很大的燃烧特性。在参考大量国内外相关文献资料基础上，研究东北地区玉米秸秆的燃料特性、致密成型规律以及玉米秸秆成型燃料的燃烧特性、积灰结渣特性和气化原理，在此基础上，经过几轮样机试制和结构改进，设计出专门的实验用生物质成型燃料气化燃烧锅炉。对其热工及排放特性进行试验研究，并利用数学计算软件MathCAD对典型生物质气化燃烧锅炉进行性能模拟计算，经过详实的数据处理及分析，取得了阶段性的成果，以期为生物质气化燃烧锅炉的应用提供理论依据。
1 生物质成型燃料燃烧应用条件分析
1.1 燃烧特性
以东北地区玉米秸秆为主要研究对象，经过工业分析和元素分析，同时与煤进行对比，发现玉米秸秆挥发成分、氢和氧的含量大，含碳量少，含硫量低，热值较高。其不仅具有良好的代煤效果，还具有优良的着火燃烧性能。但是，这些特性也使玉米秸秆在燃烧机理、反应速度及燃烧产物成分上与煤存在较大差异，必须对其进行试验研究，为研制相应的燃烧设备提供依据。
1.2 压制成型加热温度
成型压力是生物质成型燃料制备中的关键因素。通过试验确定：当成型压力过小（<10 MPa）时，成型颗粒或松散不能成型，或成型密度小，不能满足运输和贮藏需要；但压力达到一定值时，密度增加不明显，反而结焦变多，压缩功耗增加；成型压力在15～46 MPa范围内时，不仅能满足成型需要，并且表面光滑，密度适中。
适当的加热温度可使木质素软化粘结，对成型有利，但是温度过高会使挥发分析出量增大，甚至使物料碳化严重，失去使用价值。加热温度在160～200 ℃范围内，基本可以获得理想的成型效果。
1.3 替代煤的可行性
通过热重试验分析可知，秸秆成型燃料的燃烧过程在TG—DTG曲线上可分为3个阶段，即燃料脱水干燥阶段、挥发分析出和燃烧阶段、固定碳燃烧阶段。TG—DTG曲线表明，与散料相比，生物质成型燃料挥发分析出相对较慢，且燃烧所需要的氧与外界扩散的氧能很好匹配，从而能够使挥发分燃尽，炉温逐渐升高，燃烧相对稳定且波浪小，燃烧速度均匀。挥发分燃烧后剩余的焦炭骨架仍可保持层燃状态，确保燃烧持续稳定。生物质成型燃料改善了生物质散料的燃烧特性，使其具有燃尽率高、燃烧效率高、燃烧时无黑烟、烟气中烟尘含量少、灰渣中含碳量少、热重曲线无表观增重等优点。生物质成型燃料可部分或全部替代煤应用于工业锅炉中，能提高工业锅炉效率，减免脱硫设备及运行维护费用，节约能源，绿色环保。
1.4 结渣影响因素
生物质成型燃料结渣特性试验结果表明，生物质成型燃料有较严重的结渣倾向，变形温度为1 048 ℃，软化温度为1 112 ℃，只稍高于1 000 ℃。因此，为保证锅炉的安全运行，燃料层的温度最好不高于
1 000℃。
试验分析表明，影响生物质成型燃料结渣的因素主要有生物质燃料特性（碱金属含量高）、管壁表面粗糙度、燃料层厚度和锅炉运行工况等。
2 生物质成型燃料锅炉性能试验
2.1 热效率
生物质成型燃料锅炉的热工及排放特性试验结果表明：炉膛出口过量空气系数对排烟温度、锅炉热效率和燃烧产物中的CO、SO2、NOx含量具有明显影响；当炉膛出口过量空气系数α=1.58时，燃料燃烧充分，排烟损失及不完全燃烧损失小，锅炉热效率达78.9%，且锅炉排烟中的NOx、SO2等环保指标低于燃煤锅炉，具有良好的环保效益。
2.2 性能模拟
对生物质成型燃料锅炉进行性能模拟计算，为锅炉的优化设计提供理论依据。锅炉运行中，炉膛出口过量空气系数如果过大，会增加排烟容积，从而使锅炉热效率降低；过大的炉膛出口过量空气系数，还会使对流受热面的磨损加剧，影响锅炉安全运行。随着过量空气系数的增加，炉膛内各种阻力增加，能够增加运行的风机电耗。但是，过小的炉膛出口过量空气系数，有可能使燃料燃烧不完全，增加机械和气体不完全燃烧的热损失。炉膛和锅炉管束的结构设计也是影响锅炉运行的重要因素。炉栅面积过小，会使炉栅的工作条件变差，燃料层变厚，燃料层的通风阻力增大，锅炉的运行电耗增加。锅炉管束的横向相对节距过小，在烟气量不变的条件下，烟气速度增加，加剧对流受热面的磨损，增大阻力和风机电耗。横向相对节距变大，烟气速度减小，则对流管束容易积灰，同时增加对流受热面面积，使金属消耗变大，增加制造成本。将模拟计算结果与实际检测结果进行对比，确定该生物质气化燃烧锅炉在炉膛出口的过量空气系数α=1.5，炉栅面积R=4.0 m2；两组对流受热面管束均采用φ51无缝钢管，烟气横向冲刷的顺列管束，当第一管束横向相对节距s11/d1=1.96、第二管束横向相对节距s12/d2=1.78时，工作状况良好，热效率高，性能模拟热效率80.99%，实际平均热效率达82.75%，并且风机电耗合理，燃烧清洁环保。
2.3 实际推广价值
相关部门对已实际应用的生物质气化燃烧锅炉进行热工检测和环保检测，结果均表明，该种生物质气化燃烧锅炉完全符合国家相关标准，具有高效节能、绿色环保等特点，用户反馈良好、满意度高，值得在工程中广泛推广。
3 生物质燃料燃烧设备研究改进建议
研制生物质燃料相应烧设备时，需要对生物质成型燃料燃烧机理、动力学特性、结渣特性及燃烧设备的主要设计参数进行深入研究，涉及面非常广，包括生物质能利用、工程热力学、燃烧学、传热学、化学动力学、流体力学及锅炉原理等多方面知识。受试验条件和研究时间的限制，在诸多方面可能存在不足。
3.1 拓宽生物质种类及成型形状
主要针对东北地区玉米秸秆进行试验研究，所得结果较为单一。生物质种类多种多样，不同种类生物质之间存在差异，为更广泛的利用生物质能，使生物质锅炉能适应多种能源物质，需要全面了解不同种生物质成型燃料在燃烧设备中的燃烧规律。建议在今后研究中扩展生物质种类，研究不同形状的成型燃料，如棒状或块状。
3.2 改进试验条件
受试验条件及时间的限制，自行设计的加热式液压成型机和进行燃烧特性分析的热重实验台存在不足之处，需要进一步改进。对成型燃料的结渣特性研究以及生物质主要污染物排放变化规律的研究还不够深入，建议今后在这些方面进行更深入、细致的研究，为更好利用生物质能奠定基础。
3.3 选用更适应的模拟计算软件
受模拟计算软件的限制，对生物质成型燃料锅炉的研究不够深入，建议今后采用FLUENT或STARCD等流体计算软件对锅炉进行更全面、细致的研究，为生物质锅炉的改进提供理论依据。
参考文献
[1] 胡亚范，马予芳，张永贵.生物质能及其利用技术[J].节能技术，2007（4）：344-347.
[2] 吴根，白丽梅，于洋.生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨[J].环境学与管理，2008（1）：166-168.
[3] 罗小金.生物质颗粒成型燃料燃烧的实验研究[D].吉林：吉林大学，2008.
[4] 刘峰，孙建业.积极推进我国新能源的开发和利用[J].石油规划设计，2008（1）：8-10.
[5] 罗小金.生物质颗粒成型燃料燃烧的实验研究[D].吉林：吉林大学，2008.
[6] 吴创之，马隆龙.生物质能现代化利用技术[M].北京：化学业出版社，2003.
关键词：生物质；燃烧锅炉；玉米秸秆；燃料特性；性能模拟
中图分类号：S216 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0024-02
生物质成型燃料具有与化石燃料相差很大的燃烧特性。在参考大量国内外相关文献资料基础上，研究东北地区玉米秸秆的燃料特性、致密成型规律以及玉米秸秆成型燃料的燃烧特性、积灰结渣特性和气化原理，在此基础上，经过几轮样机试制和结构改进，设计出专门的实验用生物质成型燃料气化燃烧锅炉。对其热工及排放特性进行试验研究，并利用数学计算软件MathCAD对典型生物质气化燃烧锅炉进行性能模拟计算，经过详实的数据处理及分析，取得了阶段性的成果，以期为生物质气化燃烧锅炉的应用提供理论依据。
1 生物质成型燃料燃烧应用条件分析
1.1 燃烧特性
以东北地区玉米秸秆为主要研究对象，经过工业分析和元素分析，同时与煤进行对比，发现玉米秸秆挥发成分、氢和氧的含量大，含碳量少，含硫量低，热值较高。其不仅具有良好的代煤效果，还具有优良的着火燃烧性能。但是，这些特性也使玉米秸秆在燃烧机理、反应速度及燃烧产物成分上与煤存在较大差异，必须对其进行试验研究，为研制相应的燃烧设备提供依据。
1.2 压制成型加热温度
成型压力是生物质成型燃料制备中的关键因素。通过试验确定：当成型压力过小（<10 MPa）时，成型颗粒或松散不能成型，或成型密度小，不能满足运输和贮藏需要；但压力达到一定值时，密度增加不明显，反而结焦变多，压缩功耗增加；成型压力在15～46 MPa范围内时，不仅能满足成型需要，并且表面光滑，密度适中。
适当的加热温度可使木质素软化粘结，对成型有利，但是温度过高会使挥发分析出量增大，甚至使物料碳化严重，失去使用价值。加热温度在160～200 ℃范围内，基本可以获得理想的成型效果。
1.3 替代煤的可行性
通过热重试验分析可知，秸秆成型燃料的燃烧过程在TG—DTG曲线上可分为3个阶段，即燃料脱水干燥阶段、挥发分析出和燃烧阶段、固定碳燃烧阶段。TG—DTG曲线表明，与散料相比，生物质成型燃料挥发分析出相对较慢，且燃烧所需要的氧与外界扩散的氧能很好匹配，从而能够使挥发分燃尽，炉温逐渐升高，燃烧相对稳定且波浪小，燃烧速度均匀。挥发分燃烧后剩余的焦炭骨架仍可保持层燃状态，确保燃烧持续稳定。生物质成型燃料改善了生物质散料的燃烧特性，使其具有燃尽率高、燃烧效率高、燃烧时无黑烟、烟气中烟尘含量少、灰渣中含碳量少、热重曲线无表观增重等优点。生物质成型燃料可部分或全部替代煤应用于工业锅炉中，能提高工业锅炉效率，减免脱硫设备及运行维护费用，节约能源，绿色环保。
1.4 结渣影响因素
生物质成型燃料结渣特性试验结果表明，生物质成型燃料有较严重的结渣倾向，变形温度为1 048 ℃，软化温度为1 112 ℃，只稍高于1 000 ℃。因此，为保证锅炉的安全运行，燃料层的温度最好不高于
1 000℃。
试验分析表明，影响生物质成型燃料结渣的因素主要有生物质燃料特性（碱金属含量高）、管壁表面粗糙度、燃料层厚度和锅炉运行工况等。
2 生物质成型燃料锅炉性能试验
2.1 热效率
生物质成型燃料锅炉的热工及排放特性试验结果表明：炉膛出口过量空气系数对排烟温度、锅炉热效率和燃烧产物中的CO、SO2、NOx含量具有明显影响；当炉膛出口过量空气系数α=1.58时，燃料燃烧充分，排烟损失及不完全燃烧损失小，锅炉热效率达78.9%，且锅炉排烟中的NOx、SO2等环保指标低于燃煤锅炉，具有良好的环保效益。
2.2 性能模拟
对生物质成型燃料锅炉进行性能模拟计算，为锅炉的优化设计提供理论依据。锅炉运行中，炉膛出口过量空气系数如果过大，会增加排烟容积，从而使锅炉热效率降低；过大的炉膛出口过量空气系数，还会使对流受热面的磨损加剧，影响锅炉安全运行。随着过量空气系数的增加，炉膛内各种阻力增加，能够增加运行的风机电耗。但是，过小的炉膛出口过量空气系数，有可能使燃料燃烧不完全，增加机械和气体不完全燃烧的热损失。炉膛和锅炉管束的结构设计也是影响锅炉运行的重要因素。炉栅面积过小，会使炉栅的工作条件变差，燃料层变厚，燃料层的通风阻力增大，锅炉的运行电耗增加。锅炉管束的横向相对节距过小，在烟气量不变的条件下，烟气速度增加，加剧对流受热面的磨损，增大阻力和风机电耗。横向相对节距变大，烟气速度减小，则对流管束容易积灰，同时增加对流受热面面积，使金属消耗变大，增加制造成本。将模拟计算结果与实际检测结果进行对比，确定该生物质气化燃烧锅炉在炉膛出口的过量空气系数α=1.5，炉栅面积R=4.0 m2；两组对流受热面管束均采用φ51无缝钢管，烟气横向冲刷的顺列管束，当第一管束横向相对节距s11/d1=1.96、第二管束横向相对节距s12/d2=1.78时，工作状况良好，热效率高，性能模拟热效率80.99%，实际平均热效率达82.75%，并且风机电耗合理，燃烧清洁环保。
2.3 实际推广价值
相关部门对已实际应用的生物质气化燃烧锅炉进行热工检测和环保检测，结果均表明，该种生物质气化燃烧锅炉完全符合国家相关标准，具有高效节能、绿色环保等特点，用户反馈良好、满意度高，值得在工程中广泛推广。
3 生物质燃料燃烧设备研究改进建议
研制生物质燃料相应烧设备时，需要对生物质成型燃料燃烧机理、动力学特性、结渣特性及燃烧设备的主要设计参数进行深入研究，涉及面非常广，包括生物质能利用、工程热力学、燃烧学、传热学、化学动力学、流体力学及锅炉原理等多方面知识。受试验条件和研究时间的限制，在诸多方面可能存在不足。
3.1 拓宽生物质种类及成型形状
主要针对东北地区玉米秸秆进行试验研究，所得结果较为单一。生物质种类多种多样，不同种类生物质之间存在差异，为更广泛的利用生物质能，使生物质锅炉能适应多种能源物质，需要全面了解不同种生物质成型燃料在燃烧设备中的燃烧规律。建议在今后研究中扩展生物质种类，研究不同形状的成型燃料，如棒状或块状。
3.2 改进试验条件
受试验条件及时间的限制，自行设计的加热式液压成型机和进行燃烧特性分析的热重实验台存在不足之处，需要进一步改进。对成型燃料的结渣特性研究以及生物质主要污染物排放变化规律的研究还不够深入，建议今后在这些方面进行更深入、细致的研究，为更好利用生物质能奠定基础。
3.3 选用更适应的模拟计算软件
受模拟计算软件的限制，对生物质成型燃料锅炉的研究不够深入，建议今后采用FLUENT或STARCD等流体计算软件对锅炉进行更全面、细致的研究，为生物质锅炉的改进提供理论依据。
参考文献
[1] 胡亚范，马予芳，张永贵.生物质能及其利用技术[J].节能技术，2007（4）：344-347.
[2] 吴根，白丽梅，于洋.生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨[J].环境学与管理，2008（1）：166-168.
[3] 罗小金.生物质颗粒成型燃料燃烧的实验研究[D].吉林：吉林大学，2008.
[4] 刘峰，孙建业.积极推进我国新能源的开发和利用[J].石油规划设计，2008（1）：8-10.
[5] 罗小金.生物质颗粒成型燃料燃烧的实验研究[D].吉林：吉林大学，2008.
[6] 吴创之，马隆龙.生物质能现代化利用技术[M].北京：化学业出版社，2003.