連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐設(shè)計(jì)與供暖工程減排潛力分析

鄧 云，賈吉秀，姚宗路，趙立欣，霍麗麗，楊武英，郭洪偉

連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐設(shè)計(jì)與供暖工程減排潛力分析

鄧 云1，賈吉秀1，姚宗路1※，趙立欣1，霍麗麗1，楊武英2，郭洪偉2

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081； 2. 鐵嶺眾緣環(huán)保設(shè)備制造有限公司，鐵嶺 112000）

針對(duì)連續(xù)式捆燒設(shè)備在連續(xù)進(jìn)料過程中，秸稈捆連續(xù)穩(wěn)定燃燒性能差、揮發(fā)分氣體燃燒不充分、秸稈捆難燃盡，而導(dǎo)致熱效率低、排放高的問題，該研究基于分級(jí)燃燒原理與秸稈捆燃燒特性，在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，對(duì)燃燒、換熱、配風(fēng)系統(tǒng)等較為重要設(shè)計(jì)參數(shù)給出了合理的參考值，并通過煙氣預(yù)熱干燥秸稈捆、增加揮發(fā)分二次燃盡的三級(jí)風(fēng)、往復(fù)爐排增加捆間間隙等方式提高秸稈捆的燃燒性能。設(shè)備試制后，利用玉米秸稈捆為燃料開展了熱工與排放性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐的平均熱效率為80.37%，顆粒物、NOx、SO2平均排放質(zhì)量濃度分別為48、197、7 mg/m3，環(huán)保與能效指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。并對(duì)建立的采暖示范工程進(jìn)行排放、污染物等測(cè)算，結(jié)果表明采用秸稈捆燒供暖單位面積可減少標(biāo)煤使用量23.1 kg/m2，CO2當(dāng)量排放量58 kg/m2。該研究能為秸稈能源化利用與北方清潔區(qū)域供暖提供技術(shù)支撐，助力農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

排放；熱效率；設(shè)計(jì)；捆燒；清潔供暖

0 引 言

據(jù)全國(guó)第二次污染源普查[1]，2017年中國(guó)秸稈產(chǎn)生量為8.05億t，可收集資源量為6.74億t，利用量為5.85億t，綜合利用率為86.79%。未利用秸稈資源量達(dá)0.89億t，處理方式為田間焚燒或廢棄[2]。此外，中國(guó)北方地區(qū)以燃煤為主的取暖方式，年消耗約4億t標(biāo)煤，其中散燒煤約2億t[3]。秸稈田間焚燒、散煤燃燒導(dǎo)致冬季污染物排放量大幅增加，重度污染、霧霾天氣時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響人民生活健康[4]。在國(guó)家政策的支持下，中國(guó)北方地區(qū)多個(gè)城市和鄉(xiāng)村地區(qū)紛紛開展清潔供暖工作[5]，但目前清潔能源占比總體水平仍然偏低，由能源結(jié)構(gòu)不合理而引發(fā)的環(huán)境污染物問題日益嚴(yán)重，持續(xù)引發(fā)社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[6-8]。為推動(dòng)現(xiàn)代綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，秸稈能源化利用技術(shù)革新十分重要。

秸稈資源能源轉(zhuǎn)化用于供暖，可促進(jìn)秸稈的綜合利用，推進(jìn)中國(guó)北方地區(qū)冬季清潔供暖[9]。秸稈捆燒技術(shù)是指將田間松散的秸稈經(jīng)過撿拾打捆后，在專門的生物質(zhì)鍋爐中進(jìn)行燃燒的一種清潔能源化利用技術(shù)，具有秸稈處理與供暖利用時(shí)間吻合性強(qiáng)、運(yùn)行成本低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[10-12]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)小型序批式的秸稈捆燒設(shè)備進(jìn)行了較為深入的研究，如Szubel等[13]通過CFD對(duì)不同配風(fēng)管道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，減少配風(fēng)系統(tǒng)的能量消耗，提出一種基于熵產(chǎn)率最小化的分析方法；Kristensen等[14]設(shè)計(jì)了可根據(jù)排煙溫度和煙氣含氧量負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)配風(fēng)系統(tǒng)，提高燃料燃燒效率；姚宗路等[15]探明了捆燒煙氣顆粒物團(tuán)聚、凝結(jié)的形成機(jī)理及分布規(guī)律，創(chuàng)新提出一種耦合凈化技術(shù)。序批式捆燒設(shè)備在排放、熱性能均達(dá)到甚至超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，但其額定熱功率均在0.7 MW以下僅適用于小范圍供暖。針對(duì)大范圍供暖而提出的連續(xù)式捆燒設(shè)備，國(guó)內(nèi)外研究相對(duì)較少。如Singh等[16]提出一種新型的強(qiáng)制通風(fēng)秸稈捆燃燒系統(tǒng)，該燃燒室創(chuàng)新結(jié)合引燃燃油噴射系統(tǒng)和爐內(nèi)嵌入式的水熱交換器，通過燃油經(jīng)過霧化后噴入燃燒室與秸稈進(jìn)行混合燃燒，提高秸稈的燃燒性能；Eri?等[17]借鑒煙氣再循環(huán)技術(shù)，將排放煙氣部分回流與空氣進(jìn)行混合后二次燃燒，研究結(jié)果顯示提高混合煙氣量對(duì)CO的降低具有明顯促進(jìn)作用，最高減排量達(dá)100%，NO最大減排量在30%； Mladenovi?等[18]在試驗(yàn)設(shè)備研究上，設(shè)計(jì)了1.5 MW的中試設(shè)備，二次配風(fēng)系統(tǒng)始終貼合燃料表面與進(jìn)料系統(tǒng)同步運(yùn)動(dòng)，并緩慢旋轉(zhuǎn)形成旋流清理燃料表面灰渣促進(jìn)內(nèi)部燃燒；Repi?等[19]對(duì)上述中試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析，在過量空氣系數(shù)為2.1、進(jìn)料速度為0.12 kg/s時(shí)NOx排放最低約250 mg/m3，爐膛燃燒溫度模擬情況與實(shí)際吻合度較高；張品[20]對(duì)捆燒設(shè)備的爐拱進(jìn)行了數(shù)值分析研究得出，前拱、后拱傾角分別為50°、30°，后拱覆蓋率為50%時(shí)爐內(nèi)流場(chǎng)較優(yōu)。上述研究通過混燃、改進(jìn)配風(fēng)等方式提高秸稈捆的燃燒性能，減少后端污染物排放，但未給出具體的設(shè)計(jì)過程，對(duì)爐膛、換熱面等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)未給出合理的參考值，對(duì)連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐的設(shè)計(jì)仍然較為粗獷。

針對(duì)上述問題，本文在小型秸稈捆燒技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了1.4 MW的連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐。根據(jù)燃料連續(xù)燃燒過程的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，對(duì)爐排面積熱強(qiáng)度、爐膛容積熱強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)給出了合理的參考值?；诜旨?jí)配風(fēng)原理，增加了用于揮發(fā)分二次燃燒的三次配風(fēng)，并通過往復(fù)爐排增加捆間間隙、高溫?zé)煔鈱?duì)燃料進(jìn)行預(yù)熱干燥等方式，提高秸稈捆的燃燒性能。確保秸稈捆在爐膛的連續(xù)、穩(wěn)定燃燒，以此來提高連續(xù)式捆燒設(shè)備的熱效率、降低污染物排放，加快大型先進(jìn)低排放秸稈捆燒鍋爐區(qū)域供暖的項(xiàng)目建設(shè)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

連續(xù)式捆燒鍋爐結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，包含進(jìn)料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、配風(fēng)系統(tǒng)等。進(jìn)料系統(tǒng)包括爐外的液壓推料機(jī)構(gòu)與爐內(nèi)的傳動(dòng)鏈條，實(shí)現(xiàn)勻速進(jìn)料過程；進(jìn)料口位于爐膛最左端，進(jìn)料口設(shè)有推料機(jī)構(gòu)，單次最大可進(jìn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小方捆秸稈，進(jìn)料爐門采用上下伸縮裝置，僅在進(jìn)料過程開啟減少外界空氣流入爐膛影響秸稈捆燃燒。根據(jù)煙氣流動(dòng)特性在爐膛內(nèi)設(shè)置不同配風(fēng)燃燒區(qū)，第一燃燒室位于活動(dòng)爐排處，垂直高壓配風(fēng)，主要發(fā)生秸稈燃燒析出揮發(fā)分、焦炭燃燒；第二燃燒室位于進(jìn)料通道及爐排上部區(qū)域，采用小角度交錯(cuò)配風(fēng)，燃料主要發(fā)生揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)；第三燃燒室用于揮發(fā)分的完全燃盡，采用徑向切角緩速配風(fēng)。爐膛底部設(shè)有往復(fù)爐排，往復(fù)爐排一側(cè)連接有爐排減速機(jī)，換熱裝置設(shè)置在爐膛最上端，布有對(duì)流、輻射換熱管，后端為多級(jí)旋風(fēng)與布袋除塵聯(lián)用對(duì)煙氣進(jìn)行除塵凈化。

1. 推料機(jī)構(gòu) 2. 進(jìn)料臺(tái) 3. 秸稈捆 4. 升降爐門 5. 傳送鏈條 6. 熱傳導(dǎo) 7. 往復(fù)爐排 8. 灰渣室 9. 一次風(fēng)口 10. 第一燃燒室 11. 高溫?zé)煔?12. 二次風(fēng)口 13. 第二燃燒室 14. 煙道 15. 煙管束 16. 保溫層　17. 列管換熱器 18. 三次風(fēng)口 19. 第三燃燒室

1.2 工作原理

秸稈捆置于進(jìn)料臺(tái)后，控制推料機(jī)構(gòu)進(jìn)料，在爐內(nèi)傳動(dòng)鏈條勻速帶動(dòng)下進(jìn)入爐膛，進(jìn)料通道含氧量秸稈捆燃燒速度較慢。燃料到達(dá)爐排處，配風(fēng)充足含氧量高，在往復(fù)爐排緩慢的錯(cuò)動(dòng)下增加捆間間隙，燃料表面燃盡的灰渣脫落，內(nèi)外層燃料與空氣的充分接觸開始劇烈燃燒，產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔狻８邷責(zé)煔庹哿饕来瓮ㄟ^第二燃燒室、進(jìn)料通道上端、第三燃燒室、煙管束、煙氣凈化裝置。其中，含有的揮發(fā)分氣體在二次燃燒室大部分燃燒，在三次燃燒室完全燃盡；通過進(jìn)料通道上端時(shí)，與秸稈捆主要以對(duì)流換熱的方式進(jìn)行熱傳導(dǎo)，提高秸稈捆溫度對(duì)其進(jìn)行干燥改善燃燒性能；最后，經(jīng)換熱器換熱、煙氣經(jīng)凈化除塵達(dá)標(biāo)后排放到大氣中。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐為常壓熱水鍋爐，設(shè)計(jì)的額定熱功率為1.4 MW，熱效率為80%，排煙溫度為150℃，其他設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 連續(xù)式捆燒爐膛設(shè)計(jì)

爐膛容積和爐排面積是鍋爐設(shè)計(jì)的2個(gè)重要參數(shù)，設(shè)計(jì)爐膛時(shí)應(yīng)保證具有足夠的爐膛容積使燃料快速著火、燃燒完全，還需考慮秸稈中含有的較多堿金屬元素，使灰熔點(diǎn)較低、易形成顆粒物，避免鍋爐溫度過高使受熱面出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)渣、結(jié)焦、腐蝕等問題，從而引發(fā)安全事故，故需選取合適的爐排面積、爐膛容積等數(shù)據(jù)。由式（1）～（7）可計(jì)算出鍋爐的爐排面積熱強(qiáng)度、爐膛容積熱強(qiáng)度[21-22]。

式中g(shù)l為鍋爐有效利用熱量，kJ/h；為鍋爐循環(huán)水量，t/h；cs、hs為出水和回水焓值，kJ/kg；為燃料消耗量，kg/s；Q為輸入鍋爐熱量，kJ；3、4、6為氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、灰渣物理熱損失，取值分別為0.5%、5%、0.7%；為爐膛有效發(fā)熱量，kJ/kg；Q為空氣帶入爐膛熱量，kJ/kg；V為煙氣平均熱容量，kJ/kg；I″為爐膛出口煙焓，kJ/kg；ll為理論燃燒溫度，℃；1為爐膛出口煙溫，℃；q為輻射受熱面平均熱強(qiáng)度，kW/m2；H為爐膛總有效輻射受熱面積，m2；R為爐排面積，m2；net.ar為秸稈捆燃料收到基凈發(fā)熱量，kJ/kg；q為爐排面積熱強(qiáng)度，kW/m2；V為爐膛容積，m3；q為爐膛容積熱強(qiáng)度，kW/m3。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取爐排面積R=4.89 m2，爐膛容積V=4.46 m3，鍋爐熱效率=80%，空氣帶入爐膛熱量Q、爐膛出口煙焓I″可根據(jù)焓溫表進(jìn)行查詢得出，因設(shè)備無外熱源加熱空氣故輸入鍋爐熱量Q等于燃料收到基凈發(fā)熱量net.ar，理論燃燒溫度ll根據(jù)計(jì)算的爐膛有效發(fā)熱量查焓溫表得出為1 314.6℃，爐膛出口煙溫為先假設(shè)后進(jìn)行校核，最終符合假設(shè)的爐膛出口煙溫js為972.1℃，收到基低位發(fā)熱量net.ar為11 104 kJ/kg，爐膛總有效輻射受熱面積H為4.36 m2。最終可計(jì)算得出連續(xù)式捆燒設(shè)備的輻射受熱面平均熱強(qiáng)度q=106 kW/m2，爐排面積熱強(qiáng)度q=358 kW/m2，爐膛容積熱強(qiáng)度q=393 kW/m3。

2.2 多級(jí)燃燒室配風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配風(fēng)系統(tǒng)為分級(jí)配風(fēng)，一次風(fēng)為主配風(fēng)，主要用于秸稈熱解、燃燒與焦炭燃燒反應(yīng)，二次風(fēng)用于部分揮發(fā)分的燃燒，三次風(fēng)用于揮發(fā)分的燃盡。燃料燃燒所需的空氣量主要取決于燃料中可燃元素成分的含量，因此供給燃料燃燒總配風(fēng)量可由（8）～（10）計(jì)算得出[21-22]。

式中1為秸稈燃燒所需理論空氣量，m3/kg；ar、ar、ar、ar為玉米打捆秸稈中的元素含量，%；1為一次燃燒室過量空氣系數(shù)；2為秸稈燃燒所需實(shí)際空氣量，m3/kg；3為總配風(fēng)量，m3/h。

根據(jù)元素分析結(jié)果，計(jì)算玉米秸稈燃燒所需的理論空氣量1=3.41 m3/kg。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[23-24]，在小型燃燒設(shè)備上，當(dāng)一次風(fēng)過量空氣系數(shù)在1.0、總過量空氣系數(shù)在1.6時(shí)，秸稈燃燒排放效果最佳。結(jié)合連續(xù)式捆燒設(shè)備相關(guān)研究[16-19]，綜合考慮連續(xù)進(jìn)料過程中爐門處會(huì)引入部分空氣、漏風(fēng)系數(shù)較大等因素，最終選取較為合適的過量空氣系數(shù)為1.4，三級(jí)配風(fēng)的占比分別為75%、20%、5%，則一、二、三次燃燒室實(shí)際配風(fēng)量分別為2 027、540、135 m3/h。

2.3 煙氣換熱與凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 輻射換熱面設(shè)計(jì)

輻射換熱面又稱為水冷壁，主要吸收燃料燃燒過程中通過輻射傳熱方式所傳遞的熱量，使?fàn)t膛維持在合適的溫度保證燃料穩(wěn)定燃燒的同時(shí)，避免爐膛溫度過高而引起部件損壞，其受熱面積可由式（11）（12）計(jì)算得出。

式中H′為某區(qū)域輻射受熱面積，m2；為某區(qū)域水冷壁有效角系數(shù)；F為某區(qū)域布置水冷壁爐墻面積，m2；H為爐膛總有效輻射受熱面積，m2；

水冷壁有效角系數(shù)的數(shù)值可根據(jù)管子的相對(duì)節(jié)距和管子中心線離開爐墻的相對(duì)距離查表得出，不同區(qū)域其值不同。經(jīng)累加計(jì)算得出爐膛總有效輻射受熱面積H=4.36 m2。

2.3.2 對(duì)流換熱面設(shè)計(jì)

對(duì)流換熱面主要以對(duì)流換熱的方式吸收煙氣熱量并傳遞給工質(zhì)的受熱面，主要包括鍋爐管束、煙管對(duì)流管束與火管省煤器，煙管對(duì)流管束的根數(shù)與長(zhǎng)度具體計(jì)算過程如式（13）～（17）所示。

式中Q為煙氣換熱量，kW；py為排煙溫度，℃；dl為對(duì)流換熱面積，m2；為傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；Δ為平均溫差，℃；A為煙氣流通截面積，m2；V為煙氣量，m3/s；w為煙氣流速，m/s；為列管數(shù)量；d為煙管直徑，m；為煙管長(zhǎng)度，m；

經(jīng)選取后校核符合要求的排煙溫度py為147.8℃，傳熱系數(shù)為0.04 kW/m2·℃，平均溫差Δ為756.6℃，煙氣流速w為21.5 m/s，煙氣量V為2.1 m3/s，煙管直徑d為63.5 mm，計(jì)算得煙管根數(shù)=39，煙管長(zhǎng)度= 4.5 m。

2.4 往復(fù)爐排設(shè)計(jì)

爐排設(shè)計(jì)通常需保證其散熱性能和強(qiáng)度，對(duì)秸稈捆燃料，因其尺寸較大、內(nèi)部較為緊實(shí)，需增加其內(nèi)部間隙并及時(shí)脫除燃料表面灰渣，促進(jìn)內(nèi)部燃料的充分燃燒。本文采用一種可變速的高強(qiáng)度爐排片往復(fù)爐排，如圖2所示，其主要部件包括水冷傳動(dòng)軸、固定爐排片、活動(dòng)爐排片等。爐排片呈鋸齒狀，固定爐排片與爐體固定，活動(dòng)爐排片通過U型槽置于傳動(dòng)軸上，非剛性連接便于維修、更換。在電機(jī)及減速器的帶動(dòng)下，兩側(cè)傳動(dòng)軸交替運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)爐排片繞單側(cè)傳動(dòng)軸小幅旋轉(zhuǎn)，引起燃料位置、配風(fēng)角改變，從而促進(jìn)灰渣脫落、增大燃料內(nèi)部間隙、清除焦塊。傳動(dòng)軸底部采用循環(huán)水冷卻，爐排片利用一次風(fēng)進(jìn)行風(fēng)冷。針對(duì)不同燃料燃燒特性，傳動(dòng)軸可通過調(diào)節(jié)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度適應(yīng)燃料的燃燒情況，燃用玉米秸稈捆時(shí)設(shè)定旋轉(zhuǎn)次數(shù)為4次/min。

1. 固定爐排片　2. 進(jìn)水口　3. 出水口　4. 左傳動(dòng)軸　5. 右傳動(dòng)軸　6. 活動(dòng)爐排片　7. 一次風(fēng)管

2.5 煙氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)元素分析及相關(guān)文獻(xiàn)[15-18]可知，秸稈捆燒排放煙氣中SO2濃度極低，NOx可以通過燃燒技術(shù)進(jìn)行控制，無需進(jìn)行脫硫脫銷，主要為顆粒物的脫除。因此，利用電子低壓沖擊器（Eletrical Low Pressure Impactor，ELPI）測(cè)得不同過量空氣系數(shù)下顆粒物排放特性如圖3所示，主要集中在第7級(jí)和14級(jí)，對(duì)應(yīng)的顆粒物粒徑為0.32m和8.2m。綜合考慮制造成本、環(huán)境污染等因素，連續(xù)式捆燒設(shè)備相較于序批式捆燒設(shè)備揮發(fā)分燃盡率高，后端焦油產(chǎn)生量少不會(huì)造成堵塞等問題，故選用“旋風(fēng)+布袋”的組合式干除塵。利用旋風(fēng)除塵器脫除大粒徑顆粒物，布袋脫除小粒徑顆粒物，綜合脫除效率在95%以上。

圖3 煙氣顆粒物排放特性

3 性能試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料

設(shè)備研制后，為驗(yàn)證連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐是否滿足設(shè)計(jì)要求，于2019年11月26日在遼寧省鐵嶺市眾緣鍋爐廠開展熱工及能效測(cè)試。試驗(yàn)選用當(dāng)?shù)赜衩捉斩捫》嚼樵?，原料的工業(yè)與元素分析見表2，小方捆截面尺寸為450 mm×350 mm，長(zhǎng)度為700 mm，打捆密度約為110 kg/m3，含水率為18%。

表2 玉米秸稈打捆燃料元素及工業(yè)分析

注：ad、ad、ad、cad分別為水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳。

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

3.2 試驗(yàn)儀器

測(cè)試的主要儀器有TESTO350煙氣分析儀、LUMEX RA-915M測(cè)汞儀、嶗應(yīng)3012H-D大流量低濃度煙塵自動(dòng)測(cè)試儀、林格曼黑度圖、嶗應(yīng)3072煙氣采樣器、便攜式快速紅外測(cè)溫儀、秒表、皮尺、電子秤、元素分析儀、量熱儀、分析天平、烘干箱、馬弗爐等。

3.3 試驗(yàn)方法

將秸稈捆原料置于進(jìn)料臺(tái)上，打開鍋爐控制、配風(fēng)系統(tǒng)，爐門內(nèi)部設(shè)有電子點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火。穩(wěn)定運(yùn)行前采用人工進(jìn)料，可根據(jù)儀表參數(shù)對(duì)上料速度進(jìn)行調(diào)整，待穩(wěn)定運(yùn)行后改為自動(dòng)進(jìn)料。設(shè)備主要熱力參數(shù)到達(dá)額定工況且穩(wěn)定運(yùn)行1 h后，進(jìn)行大氣污染物及熱工性能測(cè)試。鍋爐大氣污染物排放的檢測(cè)按照《鍋爐煙塵測(cè)試方法：GB5468—1991》進(jìn)行，熱工性能檢測(cè)按照《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)范：GB/T10180—2003》進(jìn)行。

3.4 結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果如表3所示，穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)備的平均熱功率為1.3 MW，鍋爐平均熱效率為80.37%。排放煙氣中，經(jīng)折算后NOx、SO2、顆粒物的平均排放濃度分別為197、7、48 mg/m3，林格曼黑度＜1，各項(xiàng)排放參數(shù)均低于國(guó)家排放規(guī)定，符合設(shè)計(jì)要求。

表3 連續(xù)式捆燒鍋爐燃燒性能試驗(yàn)結(jié)果

3.5 供暖示范工程經(jīng)濟(jì)與減排潛力測(cè)算

針對(duì)設(shè)計(jì)的連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐，建立了一處區(qū)域供暖的示范工程，如圖4所示。該工程位于榆樹市大坡鎮(zhèn)，采用兩臺(tái)額定熱功率為1.4 MW的連續(xù)式捆燒鍋爐進(jìn)行并聯(lián)，為小區(qū)居民進(jìn)行供暖，在網(wǎng)面積30 000 m2，實(shí)際供熱面積為28 500 m2。通過對(duì)該示范工程一個(gè)供暖季的燃料消耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得各月的燃料消耗量如圖5所示，總?cè)剂舷牧考s為1 719.4 t，根據(jù)煙氣量測(cè)算后的污染物數(shù)據(jù)如表4所示?；谌芷谠u(píng)價(jià)方法[11]，該示范工程可有效代替標(biāo)煤約657.9 t，減少CO2當(dāng)量排放量1 654 t，則單位面積減少的標(biāo)煤使用量為23.1 kg/m2，CO2當(dāng)量減排量為58 kg/m2，減排效果顯著，對(duì)于實(shí)現(xiàn)中國(guó)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的目標(biāo)，具有較大的推動(dòng)作用[25]。

圖4 供暖工程鍋爐房

表4 單個(gè)供暖期內(nèi)秸稈捆燒示范工程測(cè)算

4 結(jié) 論

1）基于分級(jí)燃燒原理，設(shè)計(jì)了三室分級(jí)配風(fēng)、高溫?zé)煔忸A(yù)熱干燥秸稈捆、往復(fù)爐排增加捆間間隙，額定熱功率為1.4 MW的連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐，對(duì)較為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)給出了合理的參考值。

2）連續(xù)式捆燒鍋爐的熱工與排放測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明，鍋爐的平均熱效率達(dá)80.37%，經(jīng)折算后的NOx、SO2、顆粒物平均排放濃度分別為197、7、48 mg/m3，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3）采用秸稈捆燒鍋爐進(jìn)行區(qū)域供暖，單個(gè)供暖期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)減少標(biāo)煤使用量為23.1 kg/m2，CO2當(dāng)量排放量為58 kg/m2，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)碳中和、碳達(dá)峰的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，具有顯著效果。

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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

鄧云，賈吉秀，姚宗路，等. 連續(xù)式秸稈捆燒鍋爐設(shè)計(jì)與供暖工程減排潛力分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程；財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部：國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助

鄧云，博士生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源技術(shù)與裝備。Email：dengyun0816@163.com

姚宗路，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與高值轉(zhuǎn)化技術(shù)。Email：yaozonglu@caas.com