0前言
當今世界人類面臨著經濟增長、環境保護和社會發展等多重壓力，改變能源的生產方式和消費方式，對于建立可持續發展的能源系統，促進經濟社會的發展和生態環境的改善具有重大意義，開發可再生能源引起了人們的更加廣泛關注。在所有的可再生能源中，生物質能以其優越性能被人們視為主要選擇之一。生物質能的載體是有機物，是以實物的形式存在的，是唯一種可儲存與可運輸的可再生能源。同時，從化學的角度上看，生物質的組成是C-H化合物，它與常規的礦物能源如石油、煤等是同類，它的特性和利用方式與礦物燃料有很大的相似性，可以充分利用已經發展起來的常規能源技術開發利用生物質能。生物質致密成型技術（利用顆粒機或者秸稈壓塊機壓制成型）的應用，解決了因生物質燃料密度小而貯運困難的問題，為生物質大規模的能源化利用創造了條件。
與國外以木質原料為主生產生物質成型燃料不同，我國以玉米秸稈、稻草、棉桿等秸稈類生物質為原料，其灰分含量比木質類的要高，如棉桿的灰含量超過了20%、玉米秸稈為10%、風干的稻草為24.4%，而木質類要少的多，如白杉的灰含量為0.25、紅木的為0.36%、松樹的為0.29%。并且秸稈灰中堿金屬含量較高，其寫二氧化硅反應生成低熔點的共晶體，降低了生物質灰分的熔點，使秸稈灰極易結渣。國外的生物質成型燃料應用設備是根據木質類成型燃料的特性設計的，不適應我國的秸稈類成型燃料，直接引進的生物質成型燃料鍋爐在我國都不能正常使用。因此，我們根據生物質成型燃料揮發分含量高、灰分易結渣的特性，利用生物質下吸式氣化與炭的分層燃料技術，開發了分段燃燒生物質成型燃料燃燒鍋爐，其對秸稈類成型燃料具有較好的適用性。
1鍋爐設計
1.1生物質成型燃料的理化特性與燃燒方式的確定
生物質成型燃料是指以生物質為原料，經機械加工，生產的具有規則形狀的燃料產品。其密度由原來的0.1t/m
3左右增至1t/m
3以上，含水率在12%以下。其能量的體積密度與中質煤相當，生物質的理化特性決定了其燃燒利用方式，通過其理化特性與煤的對比以，可有效利用煤的燃燒技術，根據生物質的特性，開發出適合生物質成型燃料的燃燒系統。由生物質生成燃料的工業分析、元素分析及發熱量的數值與煤的相比可知，生物質的揮發分遠高于煤，灰分和含碳量遠小于煤，氧含量遠高于煤，發熱量小于煤。生物質燃燒時的理論空氣量小于煤，生物質灰分的軟化溫度低，堿金屬含量高，燃燒過裎中易結渣。生物質成型燃料的理化特性決定了其燃燒過程中，揮發分的燃燒需要較多的空氣，固定炭燃燒的溫度不能超過灰分的結渣溫度。其較密的組織結構限定了揮發分由內向外的析出速度及熱量由外向內的傳遞速度。生物質成型燃料的點火性能比原生物質有所降低，但遠遠優于型煤的點火性能。生物質成型燃料開始燃燒時揮發分慢慢分解，燃燒處于動力區，其燃燒速度由生物質的熱解速度決定。揮發分燒盡后，剩余的焦炭結構緊密，它能保持層狀燃燒。這時炭的燃燒消耗的氧與靜態滲透擴散的氧相當，燃燒穩定持續，燃燒層溫度高，灰分在此階段容易結渣。根據以上特點，生物質成型燃料燃燒時應滿足：揮發分要充分燃燒，固定炭燃燒時的燃燒強度不能過高。
本項目設計的生物質成型燃料燃燒鍋爐有專門的氣化區、炭燃盡區與揮發份燃燒區。氣化區采用下吸氣氣化原理，上部有較大的貯料空間，加料間隔時間在6小時以上，操作方便。固定炭燃燒區可從下爐排與擋灰爐排進風，降低了固定炭的燃燒溫度，灰分不易結渣。揮發分燃燒區四周為耐火材料，可提高此燃燒區的溫度。
1.2鍋爐結構與工作原理
本項目完成的生物質成型燃料燃燒鍋爐主要有爐膛、出灰門、輻射受熱面、對流受熱面，往復移動爐排、煙囪等組成。根據燃料不同的燃燒狀態，爐膛可分為氣化區、固定炭燃燒區與揮發分燃燒區三部分，在爐膛的上部有加料口與一次空氣進口，下部側面有擋渣門與清渣門。往復移動爐排下部為灰室。出灰門有進空氣口與空氣量調整板。爐膛四周為水套，外部為保溫層。其結構布置見圖1所示。
鍋爐的燃燒過程為：燃燒所需的空氣由灰門上的進氣口進入鍋爐后分為三部分：一部分空氣經上行風道進入燃燒室的上部，作為生物質成型燃料氣化時的氣化劑；一部分空氣經擋渣門和爐排進入爐膛，與生物質成型燃料氣化后生成的固定炭反應；另一部分空氣通過灰室上部，從揮發分燃燒室下部進入，與從側面進入的可燃氣混合燃燒，生成的高溫煙氣經對流換熱面后從煙囪排出。成型燃料在氣化區分為三層，上部為貯料與干燥層，中部為熱解層，下部為氧化層。從加料門加入的生物質原料隨一次空氣依次經過干燥層、熱解層與氧化層。由氣化區產生的可燃氣進入揮發分燃燒區迸行高溫燃燒。產生的固定炭在炭燃燒區燃燒。
可以看出，本鍋爐采用了生物質成型燃料氣化、固定炭燃燒與揮發分燃燒的專用區域，保證了生物質中揮發分的充分燃燒。兩處進風的固定炭燃燒設計，減小了爐排的熱負荷，降低了固定炭的燃燒溫度，可有效防止生物質灰的結渣。
1.3爐膛及爐排的設計
爐膛是生物質成型鍋爐最重要的結構之一，它的形狀及大小決定了鍋爐內溫度及流場的分布，直接影響燃料的燃燒狀況。生物質成型燃料的燃燒過程主要有氣化、固定炭的燃燒及揮發分的燃燒，其中固定炭的燃燒速度最慢，其數值的選擇決定了爐膛的燃燒負荷，為鍋爐設計時最重要的參數之一。參照鍋爐設計手冊，爐排面積熱強度q
r，選取值為380kw·m-2。鍋爐的輻射受熱面與對流受熱面可參考燃煤鍋爐設計。
爐排是生物質成型燃料分段燃燒技術中的一個重要部件，它由三部分組成，分別為轉軸、活動爐排與固定爐排。轉軸可帶動活動爐排左右移動，可完成灰渣的下落，固定爐排可保證灰層具有一定的厚度。活動爐排與固定爐排間隔布置其結構如圖2所示。
2試驗研究與分析
2.1試驗條件與內容
本實驗采用的設備為本項目設計的生物質成型燃料鍋爐，其熱負荷為200kW，分別以直徑為10mm,20 mm，30 mm、40 mm、50 mm、60mm以玉米秸稈加工的生物質成型燃料進行試驗，其顆粒密度為1.0～1.2×10
3kg/m
3，收到基含水率10～12%，發熱量為13. 2MJ/kg。分別對其最大熱負荷、煙氣中CO排放、熱利用效率進行試驗研究。所用的試驗儀表分別為(1) MK9000綜合燃燒分析儀，其各指標的測量精度分別為：0
2濃度-0.1%和+0.2%、CO濃度士20ppm、C0
2濃度±5%、效率±1%、排煙溫度±0.3%：(2) 3012H型自動煙塵（氣）測試儀，精度為士0.5%：(3)大氣壓力計，精度為1.0級：(4) QF1901奧氏氣體分析儀：(5)磅稱，米尺，秒表，水銀溫度計，水表等。每一次測試前對鍋爐爐膛進行了清理，空氣進風口調到最大，點火正常運行30min后開始各項的測試。
2.2不同顆粒直徑與鍋爐出力的關系
不同顆粒直徑與鍋爐出力的關系可以看出，在鍋爐負壓一定的情況下，顆粒直徑與鍋爐熱負荷人較大關系，在直徑為30mm時，鍋爐的熱負荷最大，達到了250kW以上，而隨著成型燃料直徑的增加與減小，鍋爐的熱負荷都變小，這可能是因為在直徑小于30mm時，隨著直徑的小，其間隙也隨著減小，透氣性變差，料層阻力增大，燃燒時的空氣量變小，導致了鍋爐負荷的下降。在直徑大于30mm時，隨著直徑的增加，其間隙進一步增加，而成型燃料表面積與體積比也變小，影響了炭的燃燒。其負荷變小。從曲線可知，燃燒直徑為20～40mm的生物質成型燃料，鍋爐可在較大的負荷下運行，燃料直徑的進一步增加或減小，都會影響鍋爐的最大負荷。
2.3不同顆粒直徑與煙氣中CO的關系
不同顆粒直徑與鍋爐出力的關系中可以看出，不同直徑的生物質成型燃料，其煙氣中CO含量曲線與最大熟負荷的曲線剛好相反，在燃料直徑為30mm時CO含量最低，直徑增大或減小CO的含量都會增加，其原因與熱負荷的變化相似。直徑增加時，燃燒層的透氣性增加，一部分揮發份在氣化室內燃燒，進入第二燃燒室內的燃氣中的可燃成分減少，導致第地燃燒室不能正常的穩定燃燒，從而增加了煙氣中CO的含量。成型燃料直徑的減小，使第一燃燒室的阻力增加，而第二燃燒室內的空氣量相對增加，從而導致了空氣過量系數增加，第二燃燒室溫度下降，從第一燃燒室內流出的氣體中CO不能完全與氧反應生成CO，從而使煙氣中CO的含量增加。
2.4不同顆粒直徑與鍋爐熱效率的關系
不同顆粒直徑與鍋爐效率的關系可以看出，成型燃料直徑與鍋爐效率的關系曲線，和成型燃料直徑與最大執業負荷的曲線相似，都是在直徑約30mm時都達到了最大值，其原因可能是利用這種尺寸的成型燃料，鍋爐燃燒最充分，從而導致了鍋爐的熱效率最高。
3結論
通過對優化設計過的生物質成型燃料鍋爐進行測試研究，可以得出如下結論：
1)通過對生物質成型燃料理化特性、燃燒特性的研究，開發的生物質成型燃料鍋爐最佳成型燃料直徑為20～40mm，其燃燒時的熱利用率最高，其污染物排放最低。
2)利用最佳的成型燃科時，鍋爐輸出熱負荷可達到250kW，超過了設計時的200Kw，熱效率高（達到75%以上），不易結渣。
