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。混燒過(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。
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。
