生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)是指在一定的壓力條件下，用機(jī)械壓縮（通常的生物質(zhì)燃料成型設(shè)備有顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)、飼料顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等設(shè)備）將松散細(xì)碎的無 定型的秸稈擠壓成質(zhì)地致密、形狀規(guī)則的成型燃料。如下圖所示：
原料擠壓成型后，密度可達(dá)0.8～1.3 t／m ，能量密度 與中質(zhì)煤相當(dāng)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)礦物化石能源用于生產(chǎn)和生活領(lǐng) 域，該技術(shù)已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展。 目前，世界上關(guān)于生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備有生物質(zhì)燃料鍋爐等燃燒爐和壁爐，主要用于家庭取暖。對于大塊成型 燃料的燃燒設(shè)備在世界上研究還不多。國內(nèi)曾有將 0.8t立式燃煤爐改造為燃用生物質(zhì)成型燃料鍋爐。 但改造后鍋爐燃燒秸稈成型燃料存在 3個(gè)突出問 題：①燃燒不穩(wěn)定。在燃燒初期，大量的揮發(fā)份析 出，使部分揮發(fā)份來不及燃燒或燃燒不完全，冒黑煙 現(xiàn)象嚴(yán)重，并且燃燒速度在很短時(shí)間內(nèi)迅速下降；② 存在著嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象。結(jié)渣增加了一次風(fēng)的阻 力，減少了一次風(fēng)的進(jìn)入量，從而影響秸稈成型塊的 燃燒效率；③煙氣中飄塵含量偏高。秸稈成型塊燃 燒過程中的飄塵現(xiàn)象比秸稈散燒有所緩解，但仍達(dá) 不到國家環(huán)保要求 。為了探討適合生物質(zhì)成型燃裝置，同時(shí)解決秸稈成型塊在燃燒過 程中存在的這些問題，筆者對秸稈成型燃料在馬弗 爐上進(jìn)行了單顆粒燃燒試驗(yàn)，對單顆粒成型燃料的 燃燒速度和燃燒機(jī)理進(jìn)行了探討，并設(shè)計(jì)出一種能 使秸稈成型燃料穩(wěn)定、充分燃燒的燃燒裝置 。
1、秸稈生物質(zhì)成型燃料燃燒試驗(yàn)
1.1秸稈燃料的工業(yè)分析
表1為玉米稈、小麥稈、稻稈及二種煤的工業(yè)分析和發(fā)熱量分析結(jié)果。從表中可以看出秸稈的揮發(fā)分和含氧量遠(yuǎn)高 于煤；而灰分和含碳量，特別是固定碳的含量遠(yuǎn)低于 煤，其熱值也小于煤。
1.2秸稈成型燃料燃燒試驗(yàn)
1.2.1試驗(yàn)裝置和方法
該試驗(yàn)在馬弗爐中進(jìn)行，由熱電偶數(shù)字顯示儀 控制和測量溫度，用電子天平、托盤天平稱量。試驗(yàn)材料采用單個(gè)秸稈成型燃料棒。
1.2.2秸稈成型燃料燃燒試驗(yàn)結(jié)果
影響秸稈成型燃料燃燒速度的因素 包括： 秸稈的種類，燃燒溫度，燃燒時(shí)供風(fēng)量，成型密度，成 型棒質(zhì)量及成型燃料的幾何尺寸等。秸稈成型燃料 燃燒試驗(yàn)按以下參數(shù)判斷燃燒速度：①成型燃料的 燒失量 m：在某段時(shí)間內(nèi)，成型燃料燃燒和揮發(fā)所失 去的物質(zhì)質(zhì)量，單位為 g；②成型燃料的平均燃燒速 度 ：在某段時(shí)間內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)成型燃料燃燒和揮 發(fā)所失去的物質(zhì)質(zhì)量，單位為 g·min
-1；③成型燃料可燃物的相對燃燒速度V
t：在某段時(shí)間內(nèi)，成型燃 料燃燒和揮發(fā)所失去的物質(zhì)質(zhì)量相對于成型燃料中 可燃物和揮發(fā)物質(zhì)量的百分比，單位為％；④成型燃 料中可燃物和揮發(fā)物的質(zhì)量：V
ad+FC
ad 成型棒的 質(zhì)量，單位為 g。燃燒試驗(yàn)結(jié)果示于表 2、表 3和表4。
試驗(yàn)結(jié)果顯示：①不同秸稈的成型燃料具有不同的燃燒速度，但呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。即燃燒初期(0～5 min)平均燃燒速度快，中期為過度段(5～10min)，后期(10～20 min)燃燒速度最慢且趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)槿紵跗谥饕菗]發(fā)份的燃燒，這時(shí)揮發(fā)份濃度最大且基本上沒有灰殼的阻礙作用。燃燒中期是揮發(fā)份和碳的混合燃燒。該階段揮發(fā)份濃度較低，灰殼的逐漸加厚也阻礙揮發(fā)分向外溢出的速度。燃燒后期主要是碳和少量殘余揮發(fā)份的燃燒，不斷加厚的灰層使氧氣向內(nèi)滲透和燃燒產(chǎn)物的向外擴(kuò)散明顯受阻，降低了燃燒速度。在整個(gè)燃燒過程中，揮 發(fā)份含量高的小麥秸稈和玉米秸稈燃燒速度衰減較快。又由于小麥秸稈的灰分小于玉米秸稈的灰份，其燃燒過程中灰層的阻礙小于玉米秸稈，因此小麥 秸稈燃燒速度的衰減速度略大于玉米秸稈；而揮發(fā)份含量較低、灰份含量較高的稻稈燃燒速度衰減較慢。3種秸稈均在燃燒到 15 min時(shí)速度趨于平穩(wěn)且基本燃盡。②由于秸稈原料的揮發(fā)份含量高，使秸稈成型燃料燃燒初期的速度受溫度的影響較大，溫度越高，揮發(fā)份析出速度越快，燃燒平穩(wěn)性愈差。通風(fēng)量對成型燃料燃燒速度的影響主要是溫度的影響，通風(fēng)使?fàn)t膛內(nèi)的溫度降低，揮發(fā)份析出速度相對平穩(wěn)性。由于試驗(yàn)爐膛較小，兩種通風(fēng)工況對燃燒速度的影響沒有明顯區(qū)別。③成型密度、成型直徑（一般圓柱狀生物質(zhì)顆粒燃料直徑6～18mm之間）和成型燃料的質(zhì)量對成型燃料的燃燒速度均有一定的影響。成型密度的增大，一定程度上抑制了成型燃料揮發(fā)份的析出速度。成型直徑和成型質(zhì)量的增加，使得燃燒初期的平均燃燒速度增大，即燃燒初期析出的揮發(fā)份增多，而在中后期揮發(fā)份的析出速度相對穩(wěn)定。④成型燃料的燃燒主要是揮發(fā)分的燃燒，為了使秸稈能在整個(gè)燃燒過程中實(shí)現(xiàn)完全燃燒，最重要的措施是實(shí)現(xiàn)合理配風(fēng)下的控溫燃燒，從而控制秸稈成型燃料在整個(gè)燃燒過程中揮發(fā)份的析出速度能相對平穩(wěn)，對燃燒速度和狀態(tài)產(chǎn)生均衡的影響。
2、生物質(zhì)成型燃料鍋爐設(shè)計(jì)
2.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)
鍋爐產(chǎn)出熱水量 G =1000 kg/h，進(jìn)水溫度 t
js= 20 ℃，熱水溫度 t =95 ℃，冷空氣溫度為 20 ℃，由于缺乏有關(guān)生物質(zhì)成型燃料鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù) 秸稈成型燃料的成分、發(fā)熱量及燃燒與中值煙煤相 當(dāng)?shù)奶匦裕仩t特性參數(shù)的選取中值煙煤為參考進(jìn) 行選取。其固體不完全燃燒損失 q =6％，排煙 溫度為2OO℃，排煙損失 q =10％，氣體不完全燃燒 損失 q =2％ ，散熱損失 q =6％，灰渣物理熱損失 q =2％ ，鍋爐效率70％ ，爐排面積熱強(qiáng)度 q= 430 kW/m ，爐膛體積熱負(fù)荷 q =380 kW/m
3，爐膛過 剩空氣系數(shù) a=1.2，排煙處過剩空氣系數(shù) a
py= 1.55。
2.2 生物質(zhì)成型燃料鍋爐結(jié)構(gòu)布置
設(shè)計(jì)的生物質(zhì)成型燃料鍋爐采用雙膽反燒結(jié) 構(gòu)。由環(huán)型外膽、環(huán)型內(nèi)膽、上爐門、中爐門、下爐 門、觀火口、上爐排、下爐排、風(fēng)室、二次鳳管、爐膛、 輻射受熱面、對流受熱面、排汽管、煙道、煙囪等部分 組成，其結(jié)構(gòu)布置如圖 1所示。
雙層爐排的上爐門常開，作為投燃料與供應(yīng)空氣之用，中爐門用于調(diào)整 下爐排上燃料的燃燒和清除灰渣，下爐門用于排灰， 觀火口除用于觀火外還用于上爐排的清渣，正常運(yùn) 行時(shí)中爐門、下爐門、觀火口關(guān)閉。上爐排以上的空 間相當(dāng)于風(fēng)室，上爐排下設(shè)雙排二次鳳口，使未燃 盡的氣體在此進(jìn)一步燃燒。上下爐排之間的空間為 爐膛，環(huán)型外膽和環(huán)型內(nèi)膽之間構(gòu)成煙道 ，煙氣通 過煙管進(jìn)人煙囪。
雙膽反燒生物質(zhì)成型燃料鍋爐的工作原理是，一定粒徑生物質(zhì)成型燃料經(jīng)上爐門被送入上爐排上燃燒，一次空氣通過上爐門吸入，上爐排漏下的生物質(zhì)屑和灰渣到下爐排上繼續(xù)燃燒和燃盡。秸稈成型燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的未完全燃燒的 CO及揮發(fā)份穿過爐排，并爐膛內(nèi)與二次風(fēng)混合后進(jìn)行二次燃燒，燃燒后的煙氣與下爐排上燃料產(chǎn)生的煙氣一起，經(jīng)環(huán)型外膽和環(huán)型內(nèi)膽之間構(gòu)成煙道進(jìn)入煙囪。這種燃燒方式，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)成型燃料的分步燃燒，緩解生物質(zhì)燃燒速度，達(dá)到燃燒需氧與供氧的匹配，使生物質(zhì)成型燃料穩(wěn)定持續(xù)完全燃燒。
3、生物質(zhì)成型燃料鍋爐試驗(yàn)
根據(jù)工業(yè)鍋爐熱實(shí)驗(yàn)規(guī)范(GB10108.88)、鍋爐 大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GWPB321999)及鍋爐煙塵測 試方法(GB54682．91)，對該生物質(zhì)成型燃料鍋爐熱 性能及環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行測試。
3.1 主要測試儀表
（1）KM9106綜合燃燒分析儀
（2）IRT22000A手 持式快速紅外測溫儀
（3）SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度 計(jì)
（4）應(yīng)用 3012H型自動(dòng)煙塵(氣)測試儀等。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)燃料為直徑 45mm、50mm、65 mm、75mm、 90mm、130mm6個(gè)水平的玉米秸稈成型燃料。密度為0.9～1.15 t／m 之間，含水率為7.5％，收到基凈發(fā)熱量為 15847 kJ/kg。試驗(yàn)結(jié)果示于表5和表6。
3.3 結(jié)果與討論
（1）從試驗(yàn)過程可以看出，采用雙膽反燒結(jié)構(gòu)，冷空氣和秸稈成型燃料不直接進(jìn)入燃燒室，使燃料從爐壁到剛投人爐內(nèi)的新料層溫度逐漸降低形成溫度梯度，使揮發(fā)分的析出速度相對平穩(wěn)，解決秸稈成型塊燃燒的不穩(wěn)定現(xiàn)象；灰渣在料層的壓力和自身的重力作用下自動(dòng)下落，基本上解決了秸稈成型燃料結(jié)渣對燃燒產(chǎn)生的不利影響；采用煙道加寬，使煙氣流速降低，同時(shí)改變煙氣流向迫使煙塵下落，有效解決了煙氣中飄塵問題。
（2）從不同直徑的生物質(zhì)成型燃料試驗(yàn)來看，直徑為 45 mm、55 mm、65mm、75mm和 90 mm的玉米秸稈成型燃料燃燒時(shí)，鍋爐的熱效率、熱水流量、熱水壓力與溫度等熱性能參數(shù)達(dá)到或接近設(shè)計(jì)要求。鍋爐熱效率隨成型燃料直徑的增大而降低，直徑為 130mm的玉米秸稈成型燃料在燃燒裝置內(nèi)的燃燒狀況明顯變差，燃燒效率為 65．4％，一氧化碳的濃度明顯增高。這主要是因?yàn)殡S著成型燃料直徑的增加，成型塊間孔隙增大，供應(yīng)的空氣穿過燃燒層時(shí)易形成空氣束，布風(fēng)不勻，使空氣不能很好的與可燃?xì)膺M(jìn)行混合所致。這說明試驗(yàn)爐對成型燃料直徑有一定的要求。
（3）由試驗(yàn)結(jié)果得出：直徑為 45 mm、55 mm、65mm、75mm和90 mm的玉米秸稈成型燃料燃燒時(shí)， 該種鍋爐氣體不完全燃燒損失基本為0.1％～1.5％，固體不完全燃燒損失為0.67％～6.75％ ，燃燒效率高達(dá)99.23％～91.75％ ，熱效率達(dá)75.6％～85.01％。
（4）試驗(yàn)除開始點(diǎn)火時(shí)有少量黑煙外，燃燒裝置 正常運(yùn)行后，整個(gè)過程燃燒連續(xù)平穩(wěn)，鍋爐排煙中CO、NO 、SO：和煙塵濃度等環(huán)保指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤 鍋爐，符合國家工業(yè)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
（5）從試驗(yàn)結(jié)果來看，生物質(zhì)成型燃料鍋爐的運(yùn) 行參數(shù)與設(shè)計(jì)選用參數(shù)之間存在一定的差別，這可能是由于該爐設(shè)計(jì)參數(shù)是根據(jù)生物質(zhì)(秸稈)成型燃料特性相近的煤質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)確定造成的。因此，需不斷完善生物質(zhì)(秸稈)成型燃料鍋爐主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以提高生物質(zhì)(秸稈)成型燃料鍋爐設(shè)計(jì)精度。
4、結(jié) 語
秸稈成型燃料和燃燒技術(shù)已引起了人們的廣泛興趣。通過對秸稈成型燃料單顆粒燃燒試驗(yàn)和對秸稈成型燃料燃燒規(guī)律的探討，本文針對秸稈成型塊燃燒過程中常見的燃燒不穩(wěn)定，燃燒效率低以及煙氣中飄塵含量偏高等問題，提出了雙膽反燒結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不但有利于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的穩(wěn)定燃燒，還能在很大程度上解決結(jié)渣堵塞一次風(fēng)道的問題和爐具排煙中飄塵含量過高的問題。對設(shè)計(jì)出的秸稈成型燃料鍋爐的測試表明：該爐具有較高的熱效率和環(huán)保效益，燃用秸稈成型燃料燃燒穩(wěn)定、床層不易結(jié)渣且煙氣中飄塵含量達(dá)標(biāo)。
