小型生物质颗粒燃料锅炉燃烧室设计研究

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(1．吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林 长春 130022；2．吉林大学 热能工程系，吉林 长春 130022；3．哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

随着化石能源的枯竭，生物质能的开发与利用得到了国际广泛关注[1-3]。生物质能要发展好，关键要有生物质能转化装备的技术突破。燃烧是生物质能利用最为广泛的技术之一。玉米是中国北方主要农作物品种，种植量大覆盖面广，其秸秆主要转化方式是燃烧。将玉米秸秆制成颗粒燃料进行利用符合国家能源局在生物质能发展“十三五”规划中提倡的“急需探索就近收集、就近转化、就近消费的生物质能分布式商业化开发利用模式”[4]。小型锅炉投资成本低，如果能燃用玉米秸秆颗粒燃料，在农村区域推广利用，有利于解决由于农民就地燃烧玉米秸秆而造成的环境污染与能源浪费问题。然而，玉米秸秆颗粒燃料在气化、燃烧过程中会产生焦油污染、灰渣结焦问题，在小型生物质锅炉中尤为严重,使玉米秸秆颗粒燃料在生物质锅炉中的应用受到影响。欧盟和北美国家生物质颗粒原料主要是废木材、纸和垃圾，没有针对玉米秸秆颗粒燃料的焦油污染问题，灰渣结焦问题研究的相关报道。国内一些小型生物质锅炉设计者和生产者，缺乏对玉米秸秆颗粒燃料的焦油裂解特性、灰熔融性、结焦渣特性以及小型锅炉炉内燃烧过程的了解，燃烧室结构设计存在不足，在燃烧玉米秸秆颗粒燃料时出现燃烧效率低、冒烟呛人、焦油污染、结焦渣等现象[5-9]。锅炉燃烧室结构对燃烧过程起着决定性作用。锅炉燃用的燃料种类不同，在不同的燃烧空间内燃烧，其燃烧特性是不尽相同的。玉米秸秆颗粒燃料与煤的燃烧特性有很大差别。小型锅炉与大型锅炉相比燃烧条件差别很大。本文在分析小型生物颗粒燃料锅炉燃烧室结构合理性设计要求的基础上，设计了适用于小型锅炉燃用生物质颗粒燃料的燃烧室结构，并利用玉米秸秆颗粒燃料进行了燃烧实验研究。

1 对小型生物质颗粒燃料锅炉燃烧室结构合理性设计的要求

锅炉内燃料的燃烧属于扩散燃烧。影响燃烧过程的因素很多，比如配风方式、流动工况、火场温度、传热方式和过程、燃烧反应时间、可燃物质与氧化剂扩散过程、灰渣特性等。其中很多因素可以通过燃烧空间结构的合理设计起到改善燃烧过程的作用，以实现预期要求。

1.1 合理组织炉内燃烧

燃烧室一般是由前拱、后拱、火床及侧墙构成。炉拱是火床炉重要组成部分，起着引燃和组织炉内空气动力工况的作用[10-11]。

炉拱对不同的燃料起的作用不同，因而结构设计是有区别的。对于劣质或中质燃煤来讲，主要起及时引燃新燃料、强化传热、使着火区燃料完全燃尽的作用。以典型的α形燃煤炉拱为例，从低长的后拱返回的炽热碳粒和火焰气流，遇到略高的前拱斜面，折返向下冲刷新煤层，形成有利的着火条件。前拱区的回流能形成强烈的涡流，可增强未燃尽的可燃物与氧气间的湍流混合，增加停留时间，改善充满度，低长的后拱将旺盛燃烧区和燃尽区覆盖，使煤完全燃烧，提高燃尽率。而对于容易着火的生物质颗粒燃料来讲，炉拱的主要作用是组织炉内燃烧空气动力工况，加强湍流，延长可燃气体在炉内停留时间，减少可燃气体不完全燃烧热损失和环境污染。

1.2 提供焦油热解条件

生物质焦油是伴随生物质燃料热解气化过程产生的，200℃以下温度时呈黑褐色黏稠状液体，含有毒物质，对人体的健康有害，且污染设备。凝结后的焦油不能完全燃烧，容易产生炭黑颗粒，对环境造成不利影响。焦油成分很复杂，由100多种组分构成。随着温度的提高，组分中的大分子键容易断裂成小分子气体。在600℃左右温度时苯及其衍生物和多环芳烃分解成CO、CH4、H2等小分子可燃气体。一般900℃时达到很高的裂解率。裂解时间通常在0.5～1.0 s。焦油的裂解特性为燃烧除焦油的研究提供了理论依据[12-15]。

1.3 避免结焦渣现象

从生物质燃料的元素分析、工业分析和TG实验结果看出，和煤相比主要差别是:(1)碳及固定碳含量低；(2)挥发分含量高，且析出温度低，析出集中。因此，燃烧生物质颗粒燃料需要二次给风，补充氧化剂；(3)氧含量高，易于被点燃；(4)硫、氮含量低，利于环境保护。在生物质燃料中玉米秸秆颗粒燃料的灰熔融性比较特殊，在炉排上温度800～900℃时就会发生软化，温度再高时灰分全部或者部分发生融化，遇冷形成玻璃状坚硬炉渣，难以清除。烟气中夹带着融化或半融化的碱金属硅酸盐，在与其接触到的壁面上凝结产生严重的积灰、结渣[16-17]。生物质固体燃尽温度比煤低，本文在研究玉米秸秆颗粒燃料的灰熔融特性过程中发现，当氧化剂充足的条件下，600℃就可以使玉米秸秆颗粒燃料的固定碳完全燃烧掉。

1.4 合理的配风及流场、温度场

首先，小型锅炉炉膛容积小，锅炉配风与大型锅炉比流量少，气体动能小，流速非常低，很难形成湍流。可燃气在燃烧空间运动轨迹短，停留时间短。生物质燃料进入炉膛，大部分挥发分集中析出，有些可燃气体成分来不及与氧化剂扩散、混合、燃烧，就随烟气排出，产生呛人的黄烟。其次，小型锅炉炉膛热容量比较小，冷空气进入对炉膛对其降温影响大，炉膛温度不稳定，燃烧状态就不好。生物质焦油得不到热解的能量，不能裂解成小分子可燃气体。还有，目前小型生物质锅炉送料装置多采用螺旋输送，燃料落料点、固体燃烧区和灰渣区共处同一位置，灰层内局部温度高，易引起灰渣融化、结焦。小型锅炉不设置司炉工，没有专人值守，不能及时发现结渣并及时清理。即使清理，对小炉子的燃烧工况影响很大，甚至会中断燃烧。

2 小型生物质颗粒燃料锅炉燃烧室结构设计

本文的设计思想是通过创新的炉拱结构设计，在燃烧室内区分气体燃烧区域和固体燃烧区域。在气体燃烧区，预热的二次风喷射而出，强化气流扰动，形成漩涡，加强湍流，延长可燃气体在炉内停留时间，形成很好的燃烧动力工况。提高气化燃烧区内温度，并稳定在800～1 000℃范围内，颗粒燃料的挥发分析出即刻达到着火温度而燃烧，生物质焦油在这个温度范围下完全热解成小分子可燃气体，提高燃料热值，解决可燃气燃烧不充分问题。在固体燃烧区，降低生物质固定碳燃烧温度，控制在600～800℃范围内。生物质颗粒燃料固定碳在旺盛燃烧区和燃尽区受到的传热不同，温度不同。降低阶梯末端储灰区域温度，减少灰渣融化几率，解决灰渣结焦问题。通过上述措施，解决小型生物质锅炉燃烧生物质颗粒燃料时的焦油污染、燃烧不完全、不稳定以及燃料灰渣结焦问题。

在锅炉燃烧室结构中起主要作用的是前拱和后拱，也是本文研究的主要对象[18]。本文研究的小型生物质颗粒燃料锅炉燃烧室结构剖面及热电偶测温点示意图如图1所示。生物质颗粒燃料着火容易，不需要较长热辐射前斜面和炙热气流折射引燃新燃料，且生物质挥发分含量大，析出集中，气体燃烧需要空间和时间。因此，在阶梯顶面燃料水平入口处与其上部前拱前端处，设计成较短的30°角上扬斜面，将析出的挥发分气体导入燃烧室。燃烧室前拱设计成象鼻状结构并向下延长凸出，其中部与阶梯之间形成如图1所示截面的柱状空腔，形成较大的可燃气体扩散燃烧区。前拱体内设计有二次风通道，二次风在垂直于图面方向侧墙上的进风孔由鼓风机送入，在象鼻通道内预热后，从象鼻通道末端出风孔喷射到气体燃烧区，扰动气流，形成漩涡，加强湍流，延长可燃气体在炉内停留时间，组织成良好的燃烧空气动力工况。一次风从阶梯型火床前壁送入空腔，然后从阶梯面出风孔及拨料板四周狭缝进入燃烧室。既预热了空气又冷却了火床。生物质颗粒燃料固定碳含量少，燃尽温度比煤低，后拱不需要较大的燃尽区覆盖率，因此后拱长度设计很短，上下斜面热辐射主要传导到气体燃烧区。前拱外侧圆弧形向下倾斜斜面，与后拱上斜面形成烟气二次扩散扰动区域。后拱上下斜面交界处凸起，与前拱象鼻型外侧形成喉口，炙热的烟气在此处受到挤压然后扩散，再次扰动。残留在高温烟气中少量未分解的生物质焦油，在扩散燃烧区域流动速度滞缓和水管换热面热交换温度降低双重作用下析出，沿象鼻型前拱上外侧圆弧面和后拱上斜面流淌到喉口，遇高温烟气再次热解、燃烧掉，除去焦油。

图1 燃烧室结构CAD剖面图及热电偶测温点布置图

图2是燃烧室气体动力工况数值模拟计算结果。仿真主要是观察一次风、二次风混合情况，工况为冷态，流场采用Simple算法进行稳态求解，由于内部流动不规则，存在扰流，因此湍流采用RNGk-e模型。采用四面体网格，对一次风的小孔进行了局部加密，网格数量共35万。由图2可以看出，在气体燃烧区域形成了良好的涡旋流动，使该处聚集的大量挥发份的扰动、扩散得到强化，停留时间延长，形成良好的燃烧动力工况。

图2 燃烧室气体动力工况数值模拟计算结果

阶梯状火床上设计有往复移动的拨火装置，推动生物质颗粒燃料燃烧过程中前行，脱落表面裹灰层，完全燃烧。固定碳在旺盛燃烧区和燃尽区、储灰区受热不同，温度不同。预防灰渣结焦。

前拱、后拱、火床和侧墙都是采用耐火材料制成，具有耐热、蓄热功能，热容量大。一次风、二次风都是经过预热后进入燃烧空间的，对燃烧区温度影响波动不大，有利于气体燃烧区域和固体燃烧区保持稳定的温度区间。

3 实验与分析

将本文研究设计的燃烧室结构应用在10 kW热水锅炉中，主要结构尺寸为：前拱内弧半径150 mm，垂直于图面方向炉膛侧墙之间宽度250 mm。如图1所示，在燃烧室内布置14个测温点，其中1、2、3、4、5、6测温点，在垂直于纸面方向上，测温点到侧墙距离是：1点，40 mm；2点，80 mm；6点，120 mm；3点，160 mm；4点，200 mm；5点，240 mm；7、8、9、10、11、12、13、14点是在120～130 mm区间，居于中间位置。另外，在锅炉外表面、排烟处也布置了测温点。温度传感器选用上海自动化仪表三厂生产的直径Ф3镍铬—镍硅K型铠装热电偶，其测温范围在-200～1 300℃。测温点数据记录采用日本横河公司生产的GM10数据采集系统输了入电脑，存储、屏幕显示。

在对气体燃烧温度、固体燃烧温度、烟气温度测量同时采用ALS-SD250型内窥视工业电视，实时采集、监视、记录燃烧室火焰影像。采用德国Testo350烟气分析仪对锅炉尾部烟气进行组分、含量等数据测量。

图3是本文研究搭建的10 kW热水锅炉热工测试实验台现场图片。本文用于燃烧研究的生物质颗粒燃料是从市场购买的玉米秸秆颗粒燃料。当锅炉运行处于稳定状态后，测试各测温点温度及烟尘排放浓度，观察火焰状态及灰渣形态，监测烟囱烟尘状态。

图4是ALS-SD250型内窥视工业电视在锅炉运行处于稳定状态时实时采集的气体燃烧图像和GM10数据采集系统同步采集燃烧室内温度传感器数据的电脑屏幕截图。从监视图像看到，玉米秸秆颗粒可燃气燃烧火焰颜色是蓝色光，温度较高，与测温点1～6温度示值816～1 006℃区间相符。火焰在炉膛充满度比较好。Testo350烟气分析仪对锅炉排烟采样测试数据中CO含量为零。观察烟囱排出的烟尘是轻微白色的。

图3 10 kW热水锅炉热工实验台

图5是ALS-SD250型内窥视工业电视实时采集的玉米秸秆颗粒固体燃烧图像。从图像看，火焰颜色呈橘黄色，温度比蓝色火焰低，没有出现灰渣融化迹象。图6是收集的玉米秸秆颗粒燃料灰渣照片。灰渣呈松散状，没有炭黑核心。固定碳完全燃烧掉。

图5 玉米秸秆颗粒固体燃烧图像

图6 玉米秸秆颗粒燃料灰渣图像

燃烧实验全过程没有产生焦油污染。分析其原因是因为燃烧室气体燃烧区温度稳定，且远远高出生物质挥发分的着火温度，玉米秸秆颗粒中挥发分一经析出，即刻点燃。旋转流动的二次风，扰动可燃气流，形成湍流，表现为炉膛火焰充满度好。可燃气成分与氧化剂得到充分的扩散、混合，完全燃烧，没有可燃气体成分排出。所以排烟中没有CO含量，排烟呈微白色。气体燃烧区温度高且稳定，旋流、扰动给生物质焦油热解过程和可燃气体成分燃烧提供足够的时间。气体中所含的生物质焦油在高温中被热解成小分子可燃气体烧掉，不仅清除了生物质焦油的污染，还提高了燃料的热值。

从火焰颜色上判断，气体燃烧区温度高于固体燃烧区温度。虽然测温点8示值965.9℃，但玉米秸秆颗粒固体燃烧旺盛区域火焰图像呈橘黄色，说明玉米秸秆颗粒固体燃烧区域整体温度偏低。燃烧过程没有出现灰渣结焦现象。分析推断测温点8贴近火焰燃点示值较整体区域偏高；往复移动的拨火装置将温度高的玉米秸秆颗粒固体及时推离旺盛燃烧区，及时拉开有粘结倾向的灰层。固体燃烧旺盛区域的温度还需要采取措施降低到800℃以下，更为安全。

采用耐火材料制成的炉拱和火床具有较大的热容量，一次风、二次风进入燃烧空间前在各自通道预热，这些措施缓解冷空气对燃烧空间降温的冲击，实验效果很好。一次风从火床下面喷出，冷却了火床表面，降低灰层温度。同时给固体燃烧区域供给充裕的氧化剂。从燃烧后的玉米秸秆颗粒燃料灰渣没有炭黑、比较松散这一点可以证明本设计结构能够使玉米秸秆颗粒燃料在不结焦的温度下完全燃烧掉。

4 结论

通过实验验证，合理的燃烧室结构设计，利用二次风扰动燃烧室内气流，形成强湍流旋涡，延长可燃气体成分运动轨迹及在高温气体燃烧区停留时间，解决了可燃气燃烧不充分问题；在800～1 000℃温度区间燃烧除焦油方法可行，解决了焦油污染问题。实验证明生物质固定碳在600～800℃温度区间能够完全燃烧。通过在10 kW热水锅炉中试验，实现了在小型锅炉燃烧室内气体燃烧区和固体燃烧区温度区分。阶梯状火床和往复拨火措施有效预防玉米秸秆颗粒燃料灰渣结焦问题。10 kW热水锅炉是热功率很小的炉具，燃烧条件最差。随着锅炉功率增大，其燃烧空间，锅炉配风等设计条件都会改善。本文研究设计的燃烧室结构应用到大于10 kW的热水锅炉，实际效果会更好。

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