连续式秸秆捆烧锅炉设计与供暖工程减排潜力分析

邓 云，贾吉秀，姚宗路，赵立欣，霍丽丽，杨武英，郭洪伟

连续式秸秆捆烧锅炉设计与供暖工程减排潜力分析

邓 云1，贾吉秀1，姚宗路1※，赵立欣1，霍丽丽1，杨武英2，郭洪伟2

（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； 2. 铁岭众缘环保设备制造有限公司，铁岭 112000）

针对连续式捆烧设备在连续进料过程中，秸秆捆连续稳定燃烧性能差、挥发分气体燃烧不充分、秸秆捆难燃尽，而导致热效率低、排放高的问题，该研究基于分级燃烧原理与秸秆捆燃烧特性，在设计计算过程中，对燃烧、换热、配风系统等较为重要设计参数给出了合理的参考值，并通过烟气预热干燥秸秆捆、增加挥发分二次燃尽的三级风、往复炉排增加捆间间隙等方式提高秸秆捆的燃烧性能。设备试制后，利用玉米秸秆捆为燃料开展了热工与排放性能试验。试验结果表明，连续式秸秆捆烧锅炉的平均热效率为80.37%，颗粒物、NOx、SO2平均排放质量浓度分别为48、197、7 mg/m3，环保与能效指标均符合设计要求与国家标准。并对建立的采暖示范工程进行排放、污染物等测算，结果表明采用秸秆捆烧供暖单位面积可减少标煤使用量23.1 kg/m2，CO2当量排放量58 kg/m2。该研究能为秸秆能源化利用与北方清洁区域供暖提供技术支撑，助力农业农村领域碳达峰、碳中和的目标实现。

排放；热效率；设计；捆烧；清洁供暖

0 引 言

据全国第二次污染源普查[1]，2017年中国秸秆产生量为8.05亿t，可收集资源量为6.74亿t，利用量为5.85亿t，综合利用率为86.79%。未利用秸秆资源量达0.89亿t，处理方式为田间焚烧或废弃[2]。此外，中国北方地区以燃煤为主的取暖方式，年消耗约4亿t标煤，其中散烧煤约2亿t[3]。秸秆田间焚烧、散煤燃烧导致冬季污染物排放量大幅增加，重度污染、雾霾天气时有发生，严重影响人民生活健康[4]。在国家政策的支持下，中国北方地区多个城市和乡村地区纷纷开展清洁供暖工作[5]，但目前清洁能源占比总体水平仍然偏低，由能源结构不合理而引发的环境污染物问题日益严重，持续引发社会各界的广泛关注[6-8]。为推动现代绿色循环农业高质量发展，同时促进碳达峰、碳中和的目标实现，秸秆能源化利用技术革新十分重要。

秸秆资源能源转化用于供暖，可促进秸秆的综合利用，推进中国北方地区冬季清洁供暖[9]。秸秆捆烧技术是指将田间松散的秸秆经过捡拾打捆后，在专门的生物质锅炉中进行燃烧的一种清洁能源化利用技术，具有秸秆处理与供暖利用时间吻合性强、运行成本低、操作方便等优点[10-12]。目前，国内外对小型序批式的秸秆捆烧设备进行了较为深入的研究，如Szubel等[13]通过CFD对不同配风管道的结构进行了仿真优化，减少配风系统的能量消耗，提出一种基于熵产率最小化的分析方法；Kristensen等[14]设计了可根据排烟温度和烟气含氧量负反馈自动调节配风系统，提高燃料燃烧效率；姚宗路等[15]探明了捆烧烟气颗粒物团聚、凝结的形成机理及分布规律，创新提出一种耦合净化技术。序批式捆烧设备在排放、热性能均达到甚至超过相应标准，但其额定热功率均在0.7 MW以下仅适用于小范围供暖。针对大范围供暖而提出的连续式捆烧设备，国内外研究相对较少。如Singh等[16]提出一种新型的强制通风秸秆捆燃烧系统，该燃烧室创新结合引燃燃油喷射系统和炉内嵌入式的水热交换器，通过燃油经过雾化后喷入燃烧室与秸秆进行混合燃烧，提高秸秆的燃烧性能；Erić等[17]借鉴烟气再循环技术，将排放烟气部分回流与空气进行混合后二次燃烧，研究结果显示提高混合烟气量对CO的降低具有明显促进作用，最高减排量达100%，NO最大减排量在30%； Mladenović等[18]在试验设备研究上，设计了1.5 MW的中试设备，二次配风系统始终贴合燃料表面与进料系统同步运动，并缓慢旋转形成旋流清理燃料表面灰渣促进内部燃烧；Repić等[19]对上述中试设备进行试验与数值模拟分析，在过量空气系数为2.1、进料速度为0.12 kg/s时NOx排放最低约250 mg/m3，炉膛燃烧温度模拟情况与实际吻合度较高；张品[20]对捆烧设备的炉拱进行了数值分析研究得出，前拱、后拱倾角分别为50°、30°，后拱覆盖率为50%时炉内流场较优。上述研究通过混燃、改进配风等方式提高秸秆捆的燃烧性能，减少后端污染物排放，但未给出具体的设计过程，对炉膛、换热面等关键部件的设计未给出合理的参考值，对连续式秸秆捆烧锅炉的设计仍然较为粗犷。

针对上述问题，本文在小型秸秆捆烧技术的研究基础上，设计了1.4 MW的连续式秸秆捆烧锅炉。根据燃料连续燃烧过程的传热传质规律，对炉排面积热强度、炉膛容积热强度等关键参数给出了合理的参考值。基于分级配风原理，增加了用于挥发分二次燃烧的三次配风，并通过往复炉排增加捆间间隙、高温烟气对燃料进行预热干燥等方式，提高秸秆捆的燃烧性能。确保秸秆捆在炉膛的连续、稳定燃烧，以此来提高连续式捆烧设备的热效率、降低污染物排放，加快大型先进低排放秸秆捆烧锅炉区域供暖的项目建设。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

连续式捆烧锅炉结构原理如图1所示，包含进料系统、燃烧系统、换热系统、配风系统等。进料系统包括炉外的液压推料机构与炉内的传动链条，实现匀速进料过程；进料口位于炉膛最左端，进料口设有推料机构，单次最大可进两个标准小方捆秸秆，进料炉门采用上下伸缩装置，仅在进料过程开启减少外界空气流入炉膛影响秸秆捆燃烧。根据烟气流动特性在炉膛内设置不同配风燃烧区，第一燃烧室位于活动炉排处，垂直高压配风，主要发生秸秆燃烧析出挥发分、焦炭燃烧；第二燃烧室位于进料通道及炉排上部区域，采用小角度交错配风，燃料主要发生挥发分的燃烧反应；第三燃烧室用于挥发分的完全燃尽，采用径向切角缓速配风。炉膛底部设有往复炉排，往复炉排一侧连接有炉排减速机，换热装置设置在炉膛最上端，布有对流、辐射换热管，后端为多级旋风与布袋除尘联用对烟气进行除尘净化。

1. 推料机构 2. 进料台 3. 秸秆捆 4. 升降炉门 5. 传送链条 6. 热传导 7. 往复炉排 8. 灰渣室 9. 一次风口 10. 第一燃烧室 11. 高温烟气 12. 二次风口 13. 第二燃烧室 14. 烟道 15. 烟管束 16. 保温层　17. 列管换热器 18. 三次风口 19. 第三燃烧室

1.2 工作原理

秸秆捆置于进料台后，控制推料机构进料，在炉内传动链条匀速带动下进入炉膛，进料通道含氧量秸秆捆燃烧速度较慢。燃料到达炉排处，配风充足含氧量高，在往复炉排缓慢的错动下增加捆间间隙，燃料表面燃尽的灰渣脱落，内外层燃料与空气的充分接触开始剧烈燃烧，产生大量的高温烟气。高温烟气折流依次通过第二燃烧室、进料通道上端、第三燃烧室、烟管束、烟气净化装置。其中，含有的挥发分气体在二次燃烧室大部分燃烧，在三次燃烧室完全燃尽；通过进料通道上端时，与秸秆捆主要以对流换热的方式进行热传导，提高秸秆捆温度对其进行干燥改善燃烧性能；最后，经换热器换热、烟气经净化除尘达标后排放到大气中。

1.3 主要技术参数

连续式秸秆捆烧锅炉为常压热水锅炉，设计的额定热功率为1.4 MW，热效率为80%，排烟温度为150℃，其他设计参数如表1所示。

表1 连续式秸秆捆烧锅炉设计参数

2 关键部件设计与参数确定

2.1 连续式捆烧炉膛设计

炉膛容积和炉排面积是锅炉设计的2个重要参数，设计炉膛时应保证具有足够的炉膛容积使燃料快速着火、燃烧完全，还需考虑秸秆中含有的较多碱金属元素，使灰熔点较低、易形成颗粒物，避免锅炉温度过高使受热面出现严重的结渣、结焦、腐蚀等问题，从而引发安全事故，故需选取合适的炉排面积、炉膛容积等数据。由式（1）～（7）可计算出锅炉的炉排面积热强度、炉膛容积热强度[21-22]。

式中gl为锅炉有效利用热量，kJ/h；为锅炉循环水量，t/h；cs、hs为出水和回水焓值，kJ/kg；为燃料消耗量，kg/s；Q为输入锅炉热量，kJ；3、4、6为气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失、灰渣物理热损失，取值分别为0.5%、5%、0.7%；为炉膛有效发热量，kJ/kg；Q为空气带入炉膛热量，kJ/kg；V为烟气平均热容量，kJ/kg；I″为炉膛出口烟焓，kJ/kg；ll为理论燃烧温度，℃；1为炉膛出口烟温，℃；q为辐射受热面平均热强度，kW/m2；H为炉膛总有效辐射受热面积，m2；R为炉排面积，m2；net.ar为秸秆捆燃料收到基净发热量，kJ/kg；q为炉排面积热强度，kW/m2；V为炉膛容积，m3；q为炉膛容积热强度，kW/m3。

根据设计要求，取炉排面积R=4.89 m2，炉膛容积V=4.46 m3，锅炉热效率=80%，空气带入炉膛热量Q、炉膛出口烟焓I″可根据焓温表进行查询得出，因设备无外热源加热空气故输入锅炉热量Q等于燃料收到基净发热量net.ar，理论燃烧温度ll根据计算的炉膛有效发热量查焓温表得出为1 314.6℃，炉膛出口烟温为先假设后进行校核，最终符合假设的炉膛出口烟温js为972.1℃，收到基低位发热量net.ar为11 104 kJ/kg，炉膛总有效辐射受热面积H为4.36 m2。最终可计算得出连续式捆烧设备的辐射受热面平均热强度q=106 kW/m2，炉排面积热强度q=358 kW/m2，炉膛容积热强度q=393 kW/m3。

2.2 多级燃烧室配风系统设计

配风系统为分级配风，一次风为主配风，主要用于秸秆热解、燃烧与焦炭燃烧反应，二次风用于部分挥发分的燃烧，三次风用于挥发分的燃尽。燃料燃烧所需的空气量主要取决于燃料中可燃元素成分的含量，因此供给燃料燃烧总配风量可由（8）～（10）计算得出[21-22]。

式中1为秸秆燃烧所需理论空气量，m3/kg；ar、ar、ar、ar为玉米打捆秸秆中的元素含量，%；1为一次燃烧室过量空气系数；2为秸秆燃烧所需实际空气量，m3/kg；3为总配风量，m3/h。

根据元素分析结果，计算玉米秸秆燃烧所需的理论空气量1=3.41 m3/kg。查阅相关文献[23-24]，在小型燃烧设备上，当一次风过量空气系数在1.0、总过量空气系数在1.6时，秸秆燃烧排放效果最佳。结合连续式捆烧设备相关研究[16-19]，综合考虑连续进料过程中炉门处会引入部分空气、漏风系数较大等因素，最终选取较为合适的过量空气系数为1.4，三级配风的占比分别为75%、20%、5%，则一、二、三次燃烧室实际配风量分别为2 027、540、135 m3/h。

2.3 烟气换热与净化系统设计

2.3.1 辐射换热面设计

辐射换热面又称为水冷壁，主要吸收燃料燃烧过程中通过辐射传热方式所传递的热量，使炉膛维持在合适的温度保证燃料稳定燃烧的同时，避免炉膛温度过高而引起部件损坏，其受热面积可由式（11）（12）计算得出。

式中H′为某区域辐射受热面积，m2；为某区域水冷壁有效角系数；F为某区域布置水冷壁炉墙面积，m2；H为炉膛总有效辐射受热面积，m2；

水冷壁有效角系数的数值可根据管子的相对节距和管子中心线离开炉墙的相对距离查表得出，不同区域其值不同。经累加计算得出炉膛总有效辐射受热面积H=4.36 m2。

2.3.2 对流换热面设计

对流换热面主要以对流换热的方式吸收烟气热量并传递给工质的受热面，主要包括锅炉管束、烟管对流管束与火管省煤器，烟管对流管束的根数与长度具体计算过程如式（13）～（17）所示。

式中Q为烟气换热量，kW；py为排烟温度，℃；dl为对流换热面积，m2；为传热系数，kW/(m2·℃)；Δ为平均温差，℃；A为烟气流通截面积，m2；V为烟气量，m3/s；w为烟气流速，m/s；为列管数量；d为烟管直径，m；为烟管长度，m；

经选取后校核符合要求的排烟温度py为147.8℃，传热系数为0.04 kW/m2·℃，平均温差Δ为756.6℃，烟气流速w为21.5 m/s，烟气量V为2.1 m3/s，烟管直径d为63.5 mm，计算得烟管根数=39，烟管长度= 4.5 m。

2.4 往复炉排设计

炉排设计通常需保证其散热性能和强度，对秸秆捆燃料，因其尺寸较大、内部较为紧实，需增加其内部间隙并及时脱除燃料表面灰渣，促进内部燃料的充分燃烧。本文采用一种可变速的高强度炉排片往复炉排，如图2所示，其主要部件包括水冷传动轴、固定炉排片、活动炉排片等。炉排片呈锯齿状，固定炉排片与炉体固定，活动炉排片通过U型槽置于传动轴上，非刚性连接便于维修、更换。在电机及减速器的带动下，两侧传动轴交替运动，带动炉排片绕单侧传动轴小幅旋转，引起燃料位置、配风角改变，从而促进灰渣脱落、增大燃料内部间隙、清除焦块。传动轴底部采用循环水冷却，炉排片利用一次风进行风冷。针对不同燃料燃烧特性，传动轴可通过调节不同的转动速度适应燃料的燃烧情况，燃用玉米秸秆捆时设定旋转次数为4次/min。

1. 固定炉排片　2. 进水口　3. 出水口　4. 左传动轴　5. 右传动轴　6. 活动炉排片　7. 一次风管

2.5 烟气净化系统设计

根据元素分析及相关文献[15-18]可知，秸秆捆烧排放烟气中SO2浓度极低，NOx可以通过燃烧技术进行控制，无需进行脱硫脱销，主要为颗粒物的脱除。因此，利用电子低压冲击器（Eletrical Low Pressure Impactor，ELPI）测得不同过量空气系数下颗粒物排放特性如图3所示，主要集中在第7级和14级，对应的颗粒物粒径为0.32m和8.2m。综合考虑制造成本、环境污染等因素，连续式捆烧设备相较于序批式捆烧设备挥发分燃尽率高，后端焦油产生量少不会造成堵塞等问题，故选用“旋风+布袋”的组合式干除尘。利用旋风除尘器脱除大粒径颗粒物，布袋脱除小粒径颗粒物，综合脱除效率在95%以上。

图3 烟气颗粒物排放特性

3 性能试验与分析

3.1 试验材料

设备研制后，为验证连续式秸秆捆烧锅炉是否满足设计要求，于2019年11月26日在辽宁省铁岭市众缘锅炉厂开展热工及能效测试。试验选用当地玉米秸秆小方捆为原料，原料的工业与元素分析见表2，小方捆截面尺寸为450 mm×350 mm，长度为700 mm，打捆密度约为110 kg/m3，含水率为18%。

表2 玉米秸秆打捆燃料元素及工业分析

注：ad、ad、ad、cad分别为水分、灰分、挥发分、固定碳。

Note:ad,ad,ad,cadare moisture, ash, volatile matter and fixed carbon.

3.2 试验仪器

测试的主要仪器有TESTO350烟气分析仪、LUMEX RA-915M测汞仪、崂应3012H-D大流量低浓度烟尘自动测试仪、林格曼黑度图、崂应3072烟气采样器、便携式快速红外测温仪、秒表、皮尺、电子秤、元素分析仪、量热仪、分析天平、烘干箱、马弗炉等。

3.3 试验方法

将秸秆捆原料置于进料台上，打开锅炉控制、配风系统，炉门内部设有电子点火器进行点火。稳定运行前采用人工进料，可根据仪表参数对上料速度进行调整，待稳定运行后改为自动进料。设备主要热力参数到达额定工况且稳定运行1 h后，进行大气污染物及热工性能测试。锅炉大气污染物排放的检测按照《锅炉烟尘测试方法：GB5468—1991》进行，热工性能检测按照《工业锅炉热工性能试验规范：GB/T10180—2003》进行。

3.4 结果分析

试验测得的结果如表3所示，稳定运行状态下，设备的平均热功率为1.3 MW，锅炉平均热效率为80.37%。排放烟气中，经折算后NOx、SO2、颗粒物的平均排放浓度分别为197、7、48 mg/m3，林格曼黑度＜1，各项排放参数均低于国家排放规定，符合设计要求。

表3 连续式捆烧锅炉燃烧性能试验结果

3.5 供暖示范工程经济与减排潜力测算

针对设计的连续式秸秆捆烧锅炉，建立了一处区域供暖的示范工程，如图4所示。该工程位于榆树市大坡镇，采用两台额定热功率为1.4 MW的连续式捆烧锅炉进行并联，为小区居民进行供暖，在网面积30 000 m2，实际供热面积为28 500 m2。通过对该示范工程一个供暖季的燃料消耗量进行统计，得各月的燃料消耗量如图5所示，总燃料消耗量约为1 719.4 t，根据烟气量测算后的污染物数据如表4所示。基于全生命周期评价方法[11]，该示范工程可有效代替标煤约657.9 t，减少CO2当量排放量1 654 t，则单位面积减少的标煤使用量为23.1 kg/m2，CO2当量减排量为58 kg/m2，减排效果显著，对于实现中国2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，具有较大的推动作用[25]。

图4 供暖工程锅炉房

表4 单个供暖期内秸秆捆烧示范工程测算

4 结 论

1）基于分级燃烧原理，设计了三室分级配风、高温烟气预热干燥秸秆捆、往复炉排增加捆间间隙，额定热功率为1.4 MW的连续式秸秆捆烧锅炉，对较为重要的设计参数给出了合理的参考值。

2）连续式捆烧锅炉的热工与排放测试试验结果表明，锅炉的平均热效率达80.37%，经折算后的NOx、SO2、颗粒物平均排放浓度分别为197、7、48 mg/m3，符合相关标准的要求。

3）采用秸秆捆烧锅炉进行区域供暖，单个供暖期内可实现减少标煤使用量为23.1 kg/m2，CO2当量排放量为58 kg/m2，对进一步促进碳中和、碳达峰的目标实现，具有显著效果。

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Design of continuous baled straw combustion equipment and analysis of emission reduction potential in a demonstration project

Deng Yun1, Jia Jixiu1, Yao Zonglu1※, Zhao Lixin1, Huo Lili1, Yang Wuying2, Guo Hongwei2

(1.100081; 2.112000)

A large amount of straw has been widely returning in China. For example, 89 million tons with a comprehensive utilization rate of 86.79% in 2017. The rest of the unutilized straw can be treated via abandonment or burning in the field, even though it can cause heavy pollution. Alternatively, the crop straws can be utilized as fuels for hot water boilers in cleaning heating. By contrast, there are 400 million tons of standard coal consumed annually for heating in North China. A large amount of coal burning has led to a substantial increase in the emission of pollutants, especially in rural areas in winter. But, there are still so many challenges in the combustion system of straw. In this study, a continuously baled straw combustion boiler was designed to improve the thermal efficiency and emission with the rated thermal power of 1.4 MW suitable for small-scale heating. Some parameters were also determined for the furnace combustion chamber, grate, air distribution, and heat exchange system. A reciprocating grate was designed to increase the gap of the fuel, particularly for the full contact between fuel and oxygen. A state-of-the-art air staging was utilized to design the combustion system for the best distribution of primary and second air volume. The total air excess coefficient was set as 1.4. The reason was that the pollute emission was the largest when the air excess coefficients were around 1.0 and 1.8 in the primary and second combustion chamber, respectively. The heat transfer surfaces were assumed as the radiate and convection heating exchanging system, which were mainly absorbed the heat in the process of fuel combustion, thereby maintaining the furnace in the process at a suitable temperature. The temperature values of the combustion chamber, flue gas at the combustion chamber outlet, flue gas at the chimney outlet were about 1 314, 972,and 147℃, respectively. The heat and emission tests were conducted under the national standard after the boiler was completed. The field tests were carried out in the Tieling County, Liaoning province of China. The fuel was taken as the square bales of corn straw, where the section size was 450 mm×350 mm, the density was 110 kg/m3, and the moisture content was 18%. The results show that excellent performance of combustion boiler was achieved, where the average thermal efficiency was 80.37%, the average emission concentration of particulate matter was 48 mg/m3, the mass concentration of NOx was 197 mg/m3, and the mass concentration of SO2was 7 mg/m3. The environmental protection and energy efficiency indexes were fully met the design requirements and national standards. Furthermore, the total fuel consumption was calculated in a demonstration project using the whole cycle assessment. Specifically, straw heating was utilized to effectively reduce the use of standard coal by about 657.9 t and green gas emissions (CO2 eq.) by 1 654 t. This finding can provide promising technical guidance to launch the large-scale heating project for the low-emission straw burning boiler.

emissions; thermal efficiency; design; baled straw combustion; clean heating

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.029

TQ515

A

1002-6819(2021)-21-0252-07

邓云，贾吉秀，姚宗路，等. 连续式秸秆捆烧锅炉设计与供暖工程减排潜力分析[J]. 农业工程学报，2021，37(21)：252-258.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.029 http://www.tcsae.org

Deng Yun, Jia Jixiu, Yao Zonglu, et al.Design of continuous baled straw combustion equipment and analysis of emission reduction potential in a demonstration project[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 252-258. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.029 http://www.tcsae.org

2021-07-19

2021-10-05

中国农业科学院科技创新工程；财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系资助

邓云，博士生，研究方向为生物质能源技术与装备。Email：dengyun0816@163.com

姚宗路，研究员，研究方向为农业废弃物资源化利用与高值转化技术。Email：yaozonglu@caas.com