秸稈壓塊燃料爐設計與試驗

劉聯(lián)勝，趙君磊，王冬計，郭志勇

（1.河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津 300401；2.河北省熱科學與能源清潔利用技術重點實驗室，天津 300401； 3.天津城建大學能源與安全工程學院，天津 300192）

0 引 言

中國每年的煤炭消耗量約40億t，其中約4億t用于北方取暖，燃煤仍是供暖的主力熱源，供暖過程溫室氣體排放量占建筑行業(yè)溫室氣體排放總量的40%以上。近年來，國家大力推進農(nóng)村地區(qū)“煤改氣、煤改電”的清潔供暖策略，取得了顯著的成效，但存在電力、燃氣基礎設施投資成本高、燃氣供應不足等局限性，清潔供暖方式亟待優(yōu)化。中國生物質資源豐富，可能源化利用的生物質能資源折合為標準煤約4億t。生物質作為全生命周期零碳排放的可再生能源，供暖潛力巨大。在“雙碳目標”的大背景下，“煤改生物質”的清潔供暖方式引起了廣泛關注。

生物質原料通過致密化成型技術，可得到具有高密度的、形狀規(guī)則的生物質成型燃料，使其具備了在小型燃燒室內(nèi)組織穩(wěn)定燃燒過程的必要性。歐盟地區(qū)生物質取暖技術發(fā)展較早，林業(yè)廢棄物資源豐富，成型燃料主要為木質顆粒燃料（直徑8 mm），木質顆粒燃料的灰熔融溫度一般在1 400 ℃以上，適用于顆粒燃料燃燒的鍋爐（＜15 kW）多采用固定爐排系統(tǒng)。中國農(nóng)村地區(qū)秸稈資源豐富，成本廉價，成型燃料主要為秸稈壓塊燃料。秸稈壓塊燃料具有尺寸較大（直徑50～80 mm）、灰熔點較低等特點，采用固定爐排會增加燃料層灰分結焦的風險，嚴重影響鍋爐燃燒穩(wěn)定性。因此，適用于秸稈燃料的壓塊爐需設計為搖動爐排系統(tǒng)。

Nakahara等基于生物質一維燃燒試驗發(fā)現(xiàn)，生物質燃料的燃燒反應持續(xù)時間僅有5～15 min。Schmidl等對比研究了8種生物質顆粒燃料在自動送料燃料爐（6 kW）與人工送料手燒爐（6.5 kW）中的大氣污染物排放行為，自動顆粒爐滿負荷運行時，煙氣中CO和PM10排放量分別在51、20 mg/m左右；手燒爐煙氣中CO和PM10濃度分別為1 331～3 971、110～150 mg/m，手燒爐煙氣中污染物排放濃度遠遠高于自動送料爐，且手燒爐污染物排放濃度波動性大。Polá?ik等通過粉塵捕捉試驗發(fā)現(xiàn)，人工送料的木質顆粒爐所產(chǎn)生的顆粒物約為自動爐的4倍。因此，為保證燃料的充分燃燒，避免在組織燃燒過程中增加污染物氣體的排放，連續(xù)穩(wěn)定輸送生物質燃料是必要的。對于木質顆粒燃料爐，采用螺旋或雙螺旋結構進行間歇式送料，燃燒比較穩(wěn)定，排放較低，整體燃燒性能較好。對于秸稈壓塊燃料爐而言，送料方式多以人工填料為主，自動化程度低，沒有配套自動送料裝置，導致壓塊燃料輸送不穩(wěn)定，燃燒波動性大，大氣污染物排放高。由于秸稈壓塊燃料尺寸不規(guī)則，適用于木質顆粒燃料的螺旋結構送料方式不適合輸送秸稈壓塊燃料。本課題組前期研發(fā)的一種具有自動送料功能的戶用秸稈壓塊燃料爐，采用撥料盤進行間歇式送料，但由于壓塊燃料硬度高，導致送料裝置的撥片容易損壞。目前關于配套自動送料裝置的秸稈壓塊燃料爐具的研究很少，本文研發(fā)了一種配套自動供料機的秸稈壓塊燃料爐。對燃料爐具的熱性能和大氣污染物排放進行測試和評價，以檢測鍋爐結構的合理性，為后續(xù)生物質燃料爐具的開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 秸稈壓塊燃料爐設計

1.1 秸稈壓塊燃料爐設計依據(jù)

設計秸稈壓塊燃料爐，主要依據(jù)壓塊燃料的理化特性。本課題組于張北縣開展農(nóng)村供熱示范項目，選取能源服務站自制的莜麥秸稈壓塊燃料作為試驗燃料。莜麥秸稈壓塊燃料參數(shù)：截面尺寸為30 mm×30 mm，長度不一（30～60 mm），密度900～1 000 kg/m，采用EA3000元素分析儀和TRGF8000工業(yè)分析儀對莜麥秸稈壓塊燃料進行元素分析和工業(yè)分析，如表1所示。

表1 莜麥秸稈壓塊燃料元素分析與工業(yè)分析 Table 1 Ultimate and proximate analysis of naked oat straw briquetting fuel

秸稈壓塊燃料大小、尺度不規(guī)則，燃料小流量穩(wěn)定輸送具有一定的難度，采用鏈板結構可達到穩(wěn)定輸送燃料的目的。壓塊燃料主要燃燒組分為揮發(fā)分和固定碳，采用分區(qū)燃燒有利于壓塊燃料的高效率燃燒；其灰分含量過高，燃燒過程中有灰分熔融的風險，采用水冷燃燒室、搖動爐排等結構，可有效避免此風險。

1.2 秸稈壓塊燃料爐結構設計與工作原理

秸稈壓塊燃料爐包括自動供料機和壓塊爐具，如圖1所示。

圖1 秸稈壓塊燃料爐結構圖 Fig.1 Structure diagram of straw briquette boiler

自動供料機包括燃料箱、時間控制系統(tǒng)、鏈板等結構，如圖2所示。燃料箱由長、短擋板與成型鋼板組合而成，整體呈漏斗狀；短擋板上的振動機通過施加振動以維持壓塊的流動性。時間控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)調(diào)速電機的工作、停歇時間，可實現(xiàn)電機間歇式工作；調(diào)速電機通過鏈條與鏈輪帶動雙鏈板同時運轉，鏈板上的多齒片推動壓塊進行輸送；第二鏈板末端的大角度通道使經(jīng)過的燃料一部分掉落返還到儲料機構，另一部分被輸送到爐內(nèi)。料筒用于連接第一鏈板與儲料空間，為壓塊燃料的緩沖通道；儲料空間用于收集第一鏈板上的燃料，同時提供第二鏈板所輸送的燃料；料渣箱位于最底部，用于收集供料機運行過程中所掉落的殘渣。

圖2 自動供料機結構圖 Fig.2 Structure diagram of automatic feeder

自動供料機工作原理：將壓塊燃料放置于料箱中，時間控制器控制調(diào)速電機進行工作，帶動雙鏈板機構運轉；第一鏈板上的多齒片經(jīng)過料箱出口時，會推動部分壓塊燃料進行輸送，經(jīng)料筒進入儲料機構；第二鏈板上的多齒片經(jīng)過儲料機構，推動燃料在鏈板上傳送，經(jīng)過大角度通道時，少部分燃料會進入爐膛燃燒。

壓塊爐具結構如圖3a所示。基于分區(qū)燃燒原理，爐膛設計為雙燃燒室結構。一次燃燒室用于焦炭和少部分揮發(fā)分的燃燒，二次燃燒室用于大部分揮發(fā)分的燃燒，一次燃燒室為水套包覆的水冷燃燒室。循環(huán)水套、煙氣換熱室、生活熱水水套用于高溫煙氣的對流換熱，煙囪端的降塵濾網(wǎng)與活性碳對煙氣進行凈化除塵。

圖3 壓塊爐具結構圖及剖面俯視圖 Fig.3 Structure diagram and top section view of briquette boiler

基于燃燒室結構，壓塊爐具設計為鼓風、引風相耦合的配風系統(tǒng)，如圖3b所示，同時鼓風機與生物質專用點火器配合，組成爐具的點火系統(tǒng)；煙氣循環(huán)裝置用于氮氧化物的減排。煙氣循環(huán)管道、鼓風機風管與一次燃燒室的風盒相連接。壓塊爐具的爐排設計為自動爐排系統(tǒng)，包括時間控制系統(tǒng)、自動推拉桿和搖動爐排。自動供料機的時間控制系統(tǒng)控制自動推拉桿，拉動搖動爐排進行定時除灰，松動燃料。

壓塊爐具工作原理：爐膛中的燃料在空氣氛圍下發(fā)生劇烈燃燒反應，其中少部分揮發(fā)分和焦炭在一次燃燒室燃燒，大部分揮發(fā)分在二次燃燒室燃燒。燃燒所產(chǎn)生的灰渣通過自動爐排系統(tǒng)收集于灰斗中；產(chǎn)生的煙氣依次經(jīng)過一次燃燒室、二次燃燒室、煙氣換熱室、降塵濾網(wǎng)后，大部分被排放到大氣中，少部分重新輸送到爐內(nèi)。

縱觀整個鍋爐結構，其自動送料機采用雙鏈板機構進行勻速輸送燃料，可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定輸送燃料；大角度通道具有限制燃料輸出的功能，有助于供料機小流量輸送燃料。壓塊爐具采用雙燃燒室結構，以實現(xiàn)生物質組分的分區(qū)燃燒，鼓風與引風耦合的配風系統(tǒng)實現(xiàn)燃料的完全燃燒；其點火系統(tǒng)縮短了壓塊的點燃時間，有助于減燃料浪費；其自動爐排系統(tǒng)可實現(xiàn)定時松動燃料，減少人工操作除灰。

1.3 秸稈壓塊燃料爐關鍵參數(shù)設計

大角度通道的陡坡結構使一部分燃料返還至儲料機構中，達到限制壓塊燃料輸出的目的，其通道坡度對壓塊輸送有至關重要的影響。自動供料機預設工況為3 kg/h，通過重復性預試驗對不同坡度的燃料輸送情況進行測試。其中70°、75°、80°、85°、90°的平均燃料輸送量分別為4.24、3.95、3.58、3.07、2.43 kg/h，85°的通道坡度為最優(yōu)坡度參數(shù)。

設計鏈板傳動電機額定功率由式（1）計算得到。

式中為功率備用系數(shù)，取=1.1；為鏈板計算張力，N；為鏈板傳動速度，m/s；為鏈板傳動效率，取=0.85。

鏈板計算張力根據(jù)式（2）～（4）計算。

式中F、F分別為鏈板傳動的靜張力、動載荷，N；為初始張力，N，一般取=2 100 N；為運行阻力系數(shù)，取=0.1；L為鏈板承載運行的水平方向長度，m；L′為鏈板空載運行的水平方向長度，m；、分別為鏈板承載、空載運行時的單位長度承載質量，kg/m；為輸送燃料上升的高度，m；C為輸送鏈板換算質量的減少系數(shù)，設計總長度小于25 m，取C=1。

根據(jù)實際設計與重復性測試過程，確定壓塊燃料自動送料機的尺寸及輸送參數(shù)，取第二鏈板最大傳動速度=0.07 m/s，L=0.31 m，L′=0.31 m，=20 kg/m，=15 kg/m，=0.71 m，計算得電機額定功率為0.233 kW，考慮裕量后選取0.25 kW的調(diào)速電機作為送料機的驅動電機。

生物質燃料爐的爐膛容積與爐排面積主要取決于爐膛容積熱強度和爐排面積熱強度，過大或過小都不利于秸稈壓塊燃料的充分燃燒。根據(jù)文獻[19]，家用生物質壓塊燃料爐排面積熱強度和爐膛容積熱強度參數(shù)的合理范圍分別為150～210和250～330 kW/m。爐排面積和爐膛容積根據(jù)由式（5）、式（6）計算。

式中R、V分別為爐排面積與爐膛容積，m、m；為燃料消耗量，kg/h；Q為壓塊燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg；q、q分別為爐排面積熱強度與爐膛容積熱強度，kW/m、kW/m。

根據(jù)實際壓塊燃料爐燃料輸送量要求，取額定燃料消耗量3 kg/h，q=200 kW/m，q=290 kW/m，求得爐排面積為0.056 m，爐膛容積為0.039 m。

燃料燃燒所需的空氣量主要依據(jù)燃料所含的可燃元素含量，燃料爐所需的理論配風量由式（7）計算。

式中V為理論空氣量，m/kg；C、S、O、H分別為生物質燃料中的元素含量，%。

由麥秸稈壓塊燃料的元素分析結果可知，燃料燃燒所需的理論空氣量為3.84 m/kg。根據(jù)生物質成型燃料爐的最佳過量空氣系數(shù)（=1.6）及燃料輸送量（2.5～4 kg/h），壓塊爐具燃燒所需的實際配風量為15.4～24.6 m/h，其中引風和鼓風占比分別為85%、15%。通過調(diào)控鼓風機、引風機風閥開度，調(diào)節(jié)實際配風量。

2 秸稈壓塊燃料爐性能試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

測試秸稈壓塊燃料爐的試驗系統(tǒng)結構主要包括供暖爐、水箱、循環(huán)水泵等，如圖4所示。試驗儀器：TRGF8000工業(yè)分析儀、PFM92K煙塵分析儀、Testo-340煙氣分析儀、高精度渦輪流量計（測量精度±1.5%）、K型熱電偶測溫（0～1300 ℃；測量精度±1℃）、高精度電計量插座（測量精度±1%）、臺秤（0～30 kg；測量精度±0.2 kg）等。

圖4 秸稈壓塊燃料爐試驗系統(tǒng)圖 Fig.4 Test system diagram of straw briquette boiler

2.2 試驗方法

自動供料機連續(xù)穩(wěn)定輸送燃料是壓塊爐具穩(wěn)定燃燒的前提。自動供料機間歇輸送燃料，其工況如表2所示，其中工作時間為輸送一次燃料的時間，停歇時間為輸送燃料的間隔時間。為檢測莜麥秸稈壓塊燃料輸送適應性及穩(wěn)定性，探究自動供料機不同工況下的燃料輸送情況，使用臺秤進行稱量，測試單位時間的燃料輸送量及燃料輸送波動性。燃料箱可加裝36 kg左右的壓塊燃料，加料周期在10 h左右，因此，試驗總時間設置為10 h。

表2 自動供料機送料工況 Table 2 Working conditions of automatic feeder

試驗前按規(guī)定調(diào)試試驗儀器，點燃秸稈壓塊燃料爐，當燃料爐達到穩(wěn)定工況時，依據(jù)能源行業(yè)標準《NB/T34005-2020清潔采暖爐具試驗方法》對秸稈壓塊燃料爐具進行額定熱功率及正平衡效率測試與計算，依據(jù)《NB/T 34006清潔采暖爐具技術條件》對熱工參數(shù)及大氣污染排放進行對比分析。

額定熱功率按式（8）計算。

式中P為生物質鍋爐的額定熱功率，kW；G為試驗期間的總出水量，kg；T為鍋爐總出水平均溫度，℃；T為鍋爐總進水平均溫度，℃；、為分別為試驗開始、結束時間，s。

正平衡效率效率按式（9）計算。

式中為η為正平衡效率，%。

全面鑒定燃料爐熱性能參數(shù)時，需通過測定與分析熱損失進行反平衡效率的計算，當正反平衡效率差值小于5%時，熱效率取正平衡效率數(shù)值。反平衡效率按式（10）進行計算。

式中η為反平衡效率，%；、、、分別為排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、散熱損失，%。

各項熱損失依據(jù)文獻[25-26]進行測定與計算，其中固體不完全熱損失主要產(chǎn)灰量、灰渣及飛灰的可燃物含量有關，使用TRGF8000工業(yè)分析儀測試灰分的可燃物含量；排煙熱損失主要與排煙溫度有關，使用K型熱電偶測溫測試煙氣溫度。

測試大氣污染物排放的位置選擇垂直煙囪，距爐具煙氣出口處標高1.0 m處。使用Testo-340煙氣分析儀測試CO、NOx、SO的排放量，使用PFM92K煙塵分析儀測試煙氣中粉塵排放量。

秸稈壓塊燃料爐自動化程度較高，需進行耗電量測試。采用高精度電計量插座測試實際運行過程中的耗電量。

3 秸稈壓塊燃料爐性能分析

3.1 自動供料機穩(wěn)定性分析

圖5為自動供料機連續(xù)輸送秸稈壓塊燃料情況。由于秸稈壓塊燃料的大小、尺度不一，燃料輸送具有波動性。隨著工況停歇時間的增加，送料機構的燃料輸送量減少，燃料輸送量的波動越大。工況1～4的平均燃料輸送量分別為4.12、3.64、3.11、2.57 kg/h，波動不超過12%，符合各工況下預期設定值，基本滿足燃料爐送料穩(wěn)定性需求。自動供料機可以實現(xiàn)連續(xù)10 h穩(wěn)定、連續(xù)、小流量輸送燃料，可滿足夜間連續(xù)供暖，實現(xiàn)無人值守。

圖5 自動供料機輸送秸稈壓塊燃料輸送量 Fig.5 Fuel delivery of straw briquette by automatic feeder

3.2 燃料爐熱性能分析

莜麥秸稈壓塊燃料燃燒后灰渣、飛灰工業(yè)分析結果如表3所示。灰渣、飛灰中的可燃物含量分別為2.34%、4.98%，是固體不完全熱損失的重要來源?；抑锌扇嘉锍煞种饕獮樯倭康膿]發(fā)分及固定碳，由于灰殼包裹阻礙了固定碳和氧化劑的接觸，阻礙了揮發(fā)分的擴散，導致灰中可燃物存留。通過合理控制搖動爐排，定時松動燃料層，減少灰中可燃物含量。

表3 秸稈壓塊燃料灰渣、飛灰中的可燃物成分分析 Table 3 Analysis of combustible components in straw briquette fuel ash and fly ash %

秸稈壓塊燃料爐額定熱功率和熱效率結果如表4所示，試驗測得額定熱功率約為8 kW，正平衡效率為71.2%，反平衡效率為71.51%。其中，排煙熱損失占22.5%，主要原因是引風方式會造成排煙熱損失增大，通過調(diào)節(jié)風閥開度及增大煙氣循環(huán)量，減少排煙熱損失；散熱損失占4.11%，原因是爐體未作保溫，所研究的燃料爐主要用于農(nóng)村建筑物室內(nèi)，散失的熱量可以承擔室內(nèi)的供熱部分。正反平衡效率差值為0.31%，生物質鍋爐的熱效率選取為71.20%，滿足標準規(guī)定的熱效率（＞65%）。

表4 鍋爐試驗參數(shù)測試及正、反平衡效率計算 Table 4 Test of boiler experimental parameters and calculation of positive and negative balance efficiency

3.3 大氣污染物排放分析

試驗工況3下，煙氣中大氣污染物濃度情況如圖6所示。燃燒工況穩(wěn)定時，SO排放量為0，粉塵、NOx、CO平均排放量分別為35.78 mg/m、191.1 mg/m、0.104%，符合國家標準規(guī)定的排放限值，表明秸稈壓塊燃料爐結構設計的合理性。

圖6 煙氣中大氣污染物排放量 Fig.6 Emissions of air pollutants in flue gas

秸稈壓塊燃料爐在不同工況下的大氣污染物排放如表5所示。粉塵的排放量基本穩(wěn)定在35～37 mg/m。工況1下，燃料輸送量較少，爐排燃料層較薄，CO、NOx排放量分別為0.141%、204.4 mg/m。隨著燃料層厚度增加（工況2），NOx和CO排放量降低，空氣燃燒參數(shù)趨于最優(yōu)值，燃燒比較充分。當燃料層的厚度進一步增加（工況3），燃料燃燒更加完全，燃燒中心溫度高，CO排放量降低，NOx排放量增加。燃料層厚度再次增加（工況4），導致空氣量不足，空氣不易穿過燃料層，造成CO排放量增加。秸稈壓塊燃料爐的4種工況均滿足標準中的2級排放指標（粉塵排放量30～50 mg/m，CO排放量0.1～0.2%，NOx排放量150～250 mg/m），工況3為最佳燃燒工況。

表5 不同送料工況下大氣污染物的排放情況 Table 5 Emission of air pollutants under different feeding conditions

3.4 燃料爐耗電量分析

燃料爐的主要耗電量部件包括點火器、調(diào)速電機、鼓風機、引風機等，其理論耗電量及實測總耗電量如表6所示。秸稈壓塊燃料爐的理論耗電量為2.97 (kW·h)/d，實際耗電量為3.83 (kW·h)/d，主要原因是調(diào)速電機及振動機的啟動耗電量較大，導致實際耗電量測試偏高。

表6 秸稈壓塊燃料爐理論及實測耗電量情況 Table 6 Theoretical and measured power consumption of straw briquette boiler in one day

4 結 論

1）本文設計的秸稈壓塊燃料爐，其自動供料機可以實現(xiàn)10 h連續(xù)、穩(wěn)定、小流量輸送燃料；雙燃燒室結構可以實現(xiàn)燃料的分區(qū)燃燒；引風與鼓風相耦合的配風方式保證了燃燒室的充分燃燒，鼓風點火系統(tǒng)縮短了點火時間；自動爐排系統(tǒng)可實現(xiàn)定時除灰，減少人工操作除灰。

2）秸稈壓塊燃料爐性能及大氣污染物排放測試結果表明，額定熱功率為8 kW，熱效率為71.2%，耗電量為3.83 kW·h/d；在最佳燃燒工況下，粉塵、CO、NOx排放濃度分別為35.78 mg/m、0.104%、191.1 mg/m，符合國家排放標準的限值，鍋爐結構設計合理。