生物质颗粒燃烧器燃料适应性试验

生物质能具有环境友好和可再生的双重属性，其 中，生物质固体成型燃料取之于农林废弃物，燃烧特 性明显改善，成为生物质能的主要利用方向之一[1-5]。 生物质颗粒燃料作为一种典型的生物质固体 成型燃料，直径小于 25 mm，体积只有压缩前的 1/8～1/6，且体积和质量较为均匀，流动性较强。 燃烧使用过程中，点火容易，燃烧高效，易于自动 控制，且 CO2 零排放，SO2 低排放[6-10]。 生物质颗粒燃料燃烧器是一种典型的燃烧生 物质颗粒的设备，在日本及欧洲一些国家应用比较 成熟，已经实现产业化经营[11-14]。 国外的颗粒燃料以木质为主，种类单一[15]。但 是中国生物质颗粒燃料原料种类多样化[16]，理化特 性差异大，不同颗粒燃料的燃烧特性有所不同，使 得生物质颗粒燃料燃烧器的燃料适应性不佳，造成 生物质颗粒燃料燃烧器使用范围不广等问题。目前，国内生物质颗粒燃料燃烧方面的文献多 为研究颗粒燃料本身的燃烧特性，王惺等[17]、王翠 苹等[18]利用热重分析技术研究了多种生物质颗粒 的点火及燃烬特性，苏俊林等[19]重点研究了玉米秸 秆颗粒的热工特性，罗娟等[20]研究了生物质颗粒燃 料的燃烧特性及污染物排放特性，侯中兰等[21]、袁 海荣等[22]研究了点火的影响因素，徐飞等[23]研究了 生物质颗粒燃料的热风点火性能，总结了最佳点火 控制条件。 由于农作物秸秆具有周期性，为保证周年生 产，一般采取原料来源多元化的方式，而同一地区 不同种类的秸秆其特性差异较大[24]，造成同一燃烧 设备需要适应多种生物质燃料。但是，设备制造后， 一般难以调整。因此，需要针对生物质燃料燃烧设 备的燃料适应性方面开展研究，明确运行工况。 罗娟等[20]、姚宗路等[25]的文章中均指出颗粒燃 料的灰熔融点、灰分值对燃烧的结渣情况等有影 响，同时，实际燃烧中，发现不同灰含量的生物质 颗粒燃料的燃烧状态有很大不同。因此，本文将灰 分值作为选择燃料的主要依据，探讨不同灰分的颗 粒燃料的适应性。 本文拟基于农业部规划设计研究院研制的 PB-20 型生物质颗粒燃料燃烧器[26-28]，使用多种不 同灰分的生物质颗粒燃料，选取不同进料量，不同 风机转速，测试燃烧器的热工性能，分析生物质颗粒燃料燃烧的效率变化以及其成因，得出适用于 15～25 kW 生物质颗粒燃料燃烧器的燃料最佳匹配 进料和进风，为今后生物质颗粒燃烧设备的推广研 究提供数据支持。

3.1 不同颗粒的燃烧热损失分析 3.1.1 颗粒 1 的燃烧性能指标分析 试验发现，颗粒 1 不管进料量、进风机转速， 清渣量如何改变，燃烧均不能持续到 1 h 以上，燃 烧状态变化较大，不能稳定测量热损失，初步测定 效率在 60%甚至少于 50%，甚至在进料 5 kg/h 的情 况下，燃烧约 15 min 即熄灭，没有试验数据。原因 是颗粒 1 属于高灰燃料（24.41%），发热量低，燃 烧时热量传导差，结渣严重，使得火焰不能持续，如表 4 所示。这说明此类燃烧器并不适用于燃用高 灰分燃料，需要优化调整燃烧器结构。 3.1.2 颗粒 2 的燃烧性能指标分析 颗粒 2 燃烧时的清渣电机均为 3 r/min，启停间 断时间分别为：进料量 3 kg/h，转 5 s/停 40 s；进料 量 4 kg/h，转 5 s/停 35 s；进料量 5 kg/h，转 5 s/ 停 30 s。颗粒 2 的 9 种工况结果如表 4 所示。 试验结果显示，颗粒 2 在进料 3 和 4 kg/h 时的 燃烧效率 η 均在 90%以上，且不同风机转速时相差 不大；进料 5 kg/h 的 η 下降到 70%左右，且随风机 转速增加而增加。 进料 3 和 4 kg/h 的气体未完全燃烧热损失 q3 在 0.10%～0.27%之间，其过量空气系数 α 在 1.48 以上，与进料量匹配较好，热损失较小。进料 5 kg/h 的 q3，高至 18%以上，主要原因在于其进料量较高， α 在 0.92～1.13 之间，空气量明显偏小，与颗粒燃 料之间燃烧不充分，造成烟气中 CO 含量偏高，进 而造成其燃烧效率 η 较低。 进料 3 kg/h 在转速 2 800 r/min 时，固体未完全 燃烧热损失 q4 有所增长，可能原因是进料量少，转 速大，将部分燃料或燃烧中的颗粒物吹出燃烧筒， 造成飞灰中未燃尽的碳增加。此外，进料 5 kg/h 的 q4 在转速 2 600 r/min 时,高于其他 2 种进料 4%以 上，且随转速增多而减小。主要是因为进料量增大， 且颗粒燃料含灰量比较高，空气与固定碳混合不均 匀，燃烧不完全，产生较多的灰渣；转速增加，则 空气和固定碳混合的越好，使得 q4下降。 颗粒 2 的灰渣物理热损失 q6整体较高，进料 3 和 4 kg/h 均在 0.05%～0.08%之间，进料 5 kg/h 在 0.08%～0.10%之间，主要是因为灰含量较大。 颗粒 2 在进料 3 kg/h 时烟尘排放量很高，转速 2800 r/min 时，高达 393 mg/m3 。颗粒 2 灰分大，同 时进料 3 kg/h 时燃烧较为完全，灰分结成渣块较小， 飞灰较多，由烟气夹带飞灰排出，造成烟尘量大， 转速大夹带飞灰更多，建议在烟道添加排烟过滤装 置。进料 4 和 5 kg/h 的烟尘排放和烟气黑度在国家 排放标准之内。 3.1.3 颗粒 3 的燃烧性能指标分析 颗粒 3 燃烧时的清渣电机均为 3 r/min，启停间 断时间分别为：进料量 3 kg/h，转 5 s/停 60 s；进料 量 4 kg/h，转 5 s/停 55 s；进料量 5 kg/h，转 5 s/停 50 s。颗粒 3 的 9 种工况结果如表 4 所示。 试验结果显示,针对 η 而言，有随着进料量增 大而减小的趋势，进料 3 和 4 kg/h 的 η 均在 90%以 上，转速对其影响较小，进料 5 kg/h 的 η 随转速增 大而提高，在 85.01%～87.76%之间。 颗粒 3 的 α 值均在 1.45 以上，相较于同等工况的其他颗粒是最大的，主要原因在于颗粒 3 通过 化学元素组成计算出的理论空气量是最小的。进料 量 3 和 4 kg/h 的 α 均大于 2，其 q3在 1%以下，说 明空气量与进料量比较匹配。进料 5 kg/h 的 α 则在 1.5 左右，相对空气量较少，q3在 3%左右，比进料 3 和 4 kg/h 稍高，但不是影响 η 的主要因素。