達冠抗結(jié)渣不結(jié)渣生物質(zhì)燃燒機研究
    【摘要】針對我國秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料灰含量高、灰熔點低而導(dǎo)致燃燒過程中易結(jié)渣、生物質(zhì)燃燒機易熄火、燃燒不穩(wěn)定等問題，采用多級配風(fēng)原理設(shè)計出高效雙層燃燒筒裝置實現(xiàn)三級配風(fēng)同時研究了螺旋清灰破渣機構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上研制了生物質(zhì)顆粒燃料生物質(zhì)燃燒機。采用玉米秸稈顆粒燃料和落葉松木質(zhì)顆粒燃料進行了燃燒試驗，試驗結(jié)果表明，本生物質(zhì)燃燒機的多級配風(fēng)結(jié)構(gòu)和破渣清灰機構(gòu)設(shè)計合理燃燒效率達到91%，能夠有效地將燃燒過程中產(chǎn)生的灰渣排出，結(jié)渣率明顯下降實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定燃燒。與瑞典PX-20型生物質(zhì)燃燒機相比，以玉米秸稈顆粒為燃料時，本生物質(zhì)燃燒機燃燒效率提高了%、結(jié)渣率降低了25 94，燃料適應(yīng)性廣。
列言
    生物質(zhì)顆粒燃料是一種典型的生物質(zhì)固體成型燃料，具有高效、潔凈、容易點火、C（2近零排放等優(yōu)點，可替代煤炭等化石燃料應(yīng)用于炊事、供暖等民用領(lǐng)域和鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域，近幾年來在歐盟、北美、中國得到了迅速發(fā)展[1 q1。生物質(zhì)顆粒燃料另一優(yōu)點是能夠應(yīng)用于小型生物質(zhì)鍋爐、熱風(fēng)爐、采暖爐中，通過采用顆粒燃料生物質(zhì)燃燒機實現(xiàn)自動控制以及連續(xù)自動燃燒‘4~a。
    經(jīng)過多年的研究，生物質(zhì)顆粒生物質(zhì)燃燒機已經(jīng)得到了迅速發(fā)展，尤其是在瑞典，僅2006年生物質(zhì)顆粒生物質(zhì)燃燒機（< 銷售量達到32000臺陽。根據(jù)進料方式不同，生物質(zhì)燃燒機可分為3種類型：上進料式、下進料式、水平進料式，目前歐洲市場上多采用上進料式顆粒生物質(zhì)燃燒機”峭1。這些生物質(zhì)燃燒機主要采用木質(zhì)顆粒作為燃料，木質(zhì)顆粒具有熱值高、灰分低、灰熔點較高燃燒后不易結(jié)渣等優(yōu)點，因此國外生物質(zhì)燃燒機在設(shè)計方面沒有專門的破渣、清灰機構(gòu)，多采用人工清灰，間隔在。近年來我國在生物質(zhì)燃氣生物質(zhì)燃燒機方面進行了一些研究，但在生物質(zhì)固體成型燃料生物質(zhì)燃燒機方面的研究較少，同時由于我國的生物質(zhì)成型燃料以農(nóng)作物秸稈為主，與木質(zhì)顆粒燃料相比，秸稈類顆粒燃料中的灰分高、灰熔點低、堿金屬含量較高燃燒過程中易出現(xiàn)結(jié)渣、堿金屬及氯腐蝕、設(shè)備內(nèi)積灰嚴重等問題，試驗表明國外的生物質(zhì)燃燒機不適合我國的秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料。
    因此本文針對秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料的特性，采用多級配風(fēng)原王里，設(shè)計出高效雙層燃燒簡裝置，實現(xiàn)三級配風(fēng)，同時研究螺旋清灰破渣裝置，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計生物質(zhì)顆粒燃料生物質(zhì)燃燒機，并分別采用秸稈顆粒燃料和木質(zhì)顆粒燃料進行相關(guān)燃燒試驗，并與瑞典的PX-20型上進料式生物質(zhì)燃燒機進行對比試驗。
    PB-20型生物質(zhì)固體顆粒燃料生物質(zhì)燃燒機主要應(yīng)用秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料，采用多級配風(fēng)原理，設(shè)計出高效雙層燃燒簡裝置，實現(xiàn)三級配風(fēng)，以保證顆粒燃料的充分燃燒；同時，在燃燒室內(nèi)設(shè)有螺旋清灰破渣裝置，由燃料推進螺旋、燃燒攪動螺旋和灰渣排出螺旋3部分組成。
    工作時，生物質(zhì)顆粒從落料管進入燃燒內(nèi)筒之后，在燃料推進螺旋的作用下，快速、平穩(wěn)的推進到燃燒室，即燃燒內(nèi)筒中間位置。在顆粒燃料燃燒過程中，燃燒攪動螺旋能夠?qū)⑷紵娜剂蠑噭?，有效防止燃料結(jié)渣。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由落料管6清灰破渣裝置2燃燒內(nèi)筒玉外筒4電動機10風(fēng)機蟲自動控制裝置8等部分組成。
    燃燒過程中，顆粒燃料從落料口進入到高效雙層燃燒簡裝置，該裝置由燃燒內(nèi)筒、燃燒外筒組成，過風(fēng)機，實現(xiàn)三緞配風(fēng)：一次空氣和自動點火所需的熱空氣由燃燒內(nèi)筒后端直接進入，二次空氣通過雙層套筒夾層預(yù)熱后由燃燒內(nèi)筒壁上的小孔進入，燃燒室頂端設(shè)有配風(fēng)孔，作為三次風(fēng)。螺旋清灰破渣裝置安裝在燃燒內(nèi)筒中，通過電動機帶動，轉(zhuǎn)速可調(diào)，在顆粒燃料燃燒過程中，顆粒燃料通過螺旋裝置向前輸送，同時燃燒后的灰分、灰渣由螺旋推出。
    該生物質(zhì)燃燒機采用電阻絲加熱點火，不僅能夠用于木質(zhì)顆粒燃料，而且能夠應(yīng)用玉米、小麥、棉花、水稻等秸稈類顆粒燃料，外形尺寸（長×寬×高）
2 1清灰破渣裝置
    為解決秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料燃燒后灰分多、易結(jié)渣等問題，在燃燒室內(nèi)安裝了螺旋清灰破渣裝置，如圖2所示，由燃料推進螺旋、燃燒攪動螺旋和灰渣排出螺旋3部分組成，另外燃燒攪動螺旋上安裝破渣齒，破渣齒上有鋒利的鋸齒，既防止螺旋上結(jié)渣，又防止燃燒內(nèi)筒上結(jié)渣。
    螺旋清灰破渣裝置安裝在燃燒內(nèi)筒中，在整個輸送長度的任一對應(yīng)點都產(chǎn)生相同的軸向推力和離心力，其形式類似于彈簧螺旋輸送杌。螺旋清灰破渣裝置的轉(zhuǎn)速對物料的輸送、燃燒、灰渣的排出有較大的影響，速度過大，導(dǎo)致燃燒不充分，過小將導(dǎo)致灰渣堆積在燃燒筒內(nèi)，影響燃燒性能。該螺旋裝置輸送能力為。
    不同種類的秸稈顆粒燃料燃燒后產(chǎn)生的灰分、灰渣差異較大，試驗表明，每千克玉米秸稈顆粒燃料燃燒后的灰渣量為65～250 g小麥為68～180 g棉稈為216.2～430 g紅松為50.9～135筍該生物質(zhì)燃燒機設(shè)計的最大進料量為10 k9/}1由于燃燒過程中，存在于生物質(zhì)燃燒機內(nèi)簡中的是灰渣與未燃盡燃料的混合物，因此生物質(zhì)燃燒機運行時，清灰破渣裝置的輸送能力應(yīng)在Q 65～12 k9/h之間。
    顆粒密度能夠影響燃燒特性，顆粒密度越大，燃燒持續(xù)時間越長，不同種類的秸稈顆粒燃料的密度差異較大，而且不同批次的燃料，其密度也存在差異。一般在1～1.3夥c-nf
    不同用途的彈簧螺旋系數(shù)膨F同，垂直和傾斜輸送時K—0 8水平輸送時K=1.6～1.8本裝置中取Kl．Z
    在燃燒內(nèi)筒中螺旋清灰破渣裝置的直徑越大，越容易將燃燒后的灰渣排出，對生物質(zhì)燃燒機的進風(fēng)影響越小，生物質(zhì)燃燒機內(nèi)簡直徑為125 nry考慮到螺旋的安裝空間以及加工精度，本螺旋的直徑為120 rrrn
    螺旋裝置的轉(zhuǎn)速寫其直徑、螺距有關(guān)，螺旋螺距越大，燃料、灰渣的輸入速度越快，為保證顆粒燃料的快速輸送、燃燒充分以及燃燒后灰渣的快速排出，燃料推進螺旋、攪動螺旋、灰渣排出螺旋的螺距分別為7.5、6．Q 9.0Q11
    將各參數(shù)代入式(1)可得螺旋轉(zhuǎn)速與螺距的關(guān)系，如表1所示。
    表1螺旋轉(zhuǎn)速與螺距的對應(yīng)關(guān)系
    由此可見，由于燃燒過程中螺旋的輸送量比較小。螺旋的轉(zhuǎn)速較低。雖然燃料推進螺旋、攪動螺旋、灰渣排出螺旋3部分螺距不同，但3部分螺旋同軸，轉(zhuǎn)速相同，根據(jù)以上分析，設(shè)計螺旋的轉(zhuǎn)速為
7m乎即可滿足要求。
    螺旋清灰破渣的電機為齒輪減速電動機，功率為is W電壓為220 V固定轉(zhuǎn)速為7rlmtn額定轉(zhuǎn)矩為1. 18 k9 cri配上調(diào)速裝置，電動機的輸出轉(zhuǎn)速可在0～7 rlmin之間無極變速。
    螺旋清灰破渣裝置需要在高溫下工作，因此材質(zhì)選擇耐熱不銹鋼，并進行了相關(guān)調(diào)質(zhì)處理，耐高溫度達到1 200℃以上。
2 2雙層燃燒筒
    針對秸稈顆粒燃料揮發(fā)份高的特性，本生物質(zhì)燃燒機的燃燒筒采用多級配風(fēng)原理設(shè)計了雙層燃燒筒結(jié)構(gòu)，如圖3所示，由燃燒內(nèi)筒和燃燒外筒組成。燃燒釙筒套在內(nèi)筒上，有3～5 rrrn間隙，但在燃燒外筒最外端有倒角，與內(nèi)筒緊密連接，也保證配風(fēng)從燃燒內(nèi)筒的進風(fēng)口進入，同時也能預(yù)熱二次風(fēng)。其中在燃燒內(nèi)筒后端、低端和圓筒周圍開有不同的進風(fēng)孔。
    l燃燒外筒2燃燒內(nèi)筒3進風(fēng)孔
    在燃燒內(nèi)筒的后端開有一排進風(fēng)孔，截面形狀是5 rrrn×10 rrrn的方孑L，能夠提供自動點火時所需要的熱空氣，同時也提供一次進風(fēng)，與揮發(fā)份發(fā)生反應(yīng)。在燃燒內(nèi)筒低端開有6列進風(fēng)孔，間隔為25 rruy其中每列5個進風(fēng)口，間隔為20 rrq二次空氣通過雙層套筒夾層預(yù)熱后由這些小孔進入，與燃料中析出的揮發(fā)分、未燃盡的固定碳等發(fā)生燃燒反應(yīng)。在燃燒筒前端設(shè)有配風(fēng)孔，呈圓周排料，作為三次風(fēng)與揮發(fā)份充分混合在燃燒筒外燃燒，從而提高燃燒效率。
2 3其他部件
    生物質(zhì)燃燒機的進料采用螺旋輸送原理，設(shè)計了可調(diào)式進料裝置，通過料倉能夠?qū)㈩w粒燃料平穩(wěn)地輸送到生物質(zhì)燃燒機的落料口，然后進入燃燒內(nèi)筒。
    生物質(zhì)燃燒機哭用離心式風(fēng)機，具有工作可靠、運轉(zhuǎn)平農(nóng)業(yè)機械學(xué)報穩(wěn)、噪音小、操作簡單等特點。采用電阻絲加熱點火。同時，初步設(shè)計了進料量、燃燒溫度以及進風(fēng)量等的自動控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的進料量、燃燒溫度來控制進風(fēng)量。
3燃燒試驗所用生物質(zhì)顆粒燃料為玉米秸稈顆粒燃料和落葉松木質(zhì)顆粒燃料，在大興禮賢生物質(zhì)顆粒燃料公司生產(chǎn)，由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研制的485型生物質(zhì)顆粒燃料成型機壓制成圓柱型顆粒燃料，直徑8 rrrrl長度10～30 rruy為保證進料均勻，顆粒燃料處理為長度15 rrrn左右，采用螺旋上料機構(gòu)均勻進3.1試驗材料    料，進料量為6. 67  k9/b兩種顆粒燃料收到基的主
樣機制造后。    要特性如表2所示。
3.2試驗方法
    由于目前沒有生物質(zhì)燃燒機的檢測標準，因此測試生物質(zhì)顆粒燃燒機的相關(guān)參數(shù)日寸，將其安裝熱水鍋爐中，然后進行測試。本試驗是將生物質(zhì)燃燒機安裝在功率20研的生物質(zhì)顆粒鍋爐中，測試內(nèi)容包括燃燒效率、污染物排放、底灰結(jié)渣率以及燃燒后的清渣情況、正常運行時間等，測試標準參考GB/rll0180_ 2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗艦程））o燃燒效率：通過測試進出水溫度、進料量、熱值以及測試燃燒后灰渣可燃物含量和煙氣中一氧化碳的含量等進行正平衡、反平衡兩種方法計算。污染物排放特性：采用綜合煙氣分析儀（KM9106）對煙氣進行實時分析和記錄，煙氣的采樣點在距煙囪與熱水鍋爐相接2倍煙囪直徑處。底灰結(jié)渣率：生物質(zhì)燃燒機停止后，冷卻，將燃燒內(nèi)筒內(nèi)底灰全部取出，稱質(zhì)量并記為q，篩分灰渣中粒度大于6 mm的渣塊，稱質(zhì)量并記為嗎，則粒度大于6 rrrn的渣塊占總灰渣質(zhì)量的百分數(shù)，稱為該試樣的底灰結(jié)渣質(zhì)量率C即C一嗎Iml×100%。清渣情況：燃燒后，將燃燒筒內(nèi)的灰渣清出、稱量。
    試驗儀器主要包括數(shù)字溫度表、流量計、Ⅺ嗎106型綜合煙氣分析儀、G J-2密封式化驗制樣粉碎機、XI-1箱型高溫爐、101-1A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、ZDHW-5型微機全自動量熱儀、Varjo EljL素分析儀、VSE-MPX型等離子發(fā)射光譜儀、BS4223 SCⅣ型分析天平、P12002型電子天平、SZ11]4型往復(fù)式自動振篩機等。
3.3結(jié)果與分析
3.3.1PB-20型生物質(zhì)燃燒機性能測試
    按照試驗要求，該生物質(zhì)顆粒生物質(zhì)燃燒機在匹配生物質(zhì)熱水鍋爐，使用玉米秸稈顆粒為燃料，正常運行3l幅．進行測試相關(guān)參數(shù)。
    燃燒過程中發(fā)現(xiàn)，螺旋清灰破渣裝置能夠平穩(wěn)地將顆粒燃料推送到燃燒室，且能夠有效地排出燃燒后的灰分和灰渣，在燃燒室中未發(fā)現(xiàn)灰分、灰渣堆積現(xiàn)象，保證了生物質(zhì)燃燒機的連續(xù)穩(wěn)定運行。
    額定負荷下，該生物質(zhì)燃燒機的正平衡熱效率為83. 07%反平衡熱效率為84. 84%，平均熱效率達83. 9%，經(jīng)折算，該生物質(zhì)燃燒機燃燒效率為91%。結(jié)果表明該生物質(zhì)燃燒機設(shè)計的多級配風(fēng)機構(gòu)能夠改善顆粒燃料燃燒質(zhì)量，保證充分燃燒。此外，該生物質(zhì)燃燒機在燃燒過程中的污染物排放量較低，在標態(tài)下N蛐勺排放量為74 mg/n/，SQ排放濃度小于1 mg/n/，煙塵排放濃度為40 mg/nf，林格曼黑度小于1級，污染物排放符合國家標準。這表明在燃燒過程中，該生物質(zhì)顆粒燃燒機的多級配風(fēng)結(jié)構(gòu)以及螺旋清灰破渣裝置能夠使顆粒燃料與空氣充分混合，使燃燒更加充分，提高了燃燒效率。
    燃燒后將灰渣全部取出，稱量、篩分、再稱量，經(jīng)計算，底灰結(jié)渣率為2 3%,結(jié)果表明在燃燒過程中，螺旋清灰破渣裝置的攪動，不僅能提高燃燒效率，同時也能夠降低燃燒過程中的結(jié)渣量。
3.3.2兩種生物質(zhì)燃燒機對比試驗
    試驗中采用玉米秸稈顆粒燃料和落葉松木質(zhì)顆粒燃料與瑞典的PX-20型上進料式生物質(zhì)燃燒機進行了對比試驗．測試結(jié)果如表3所示。
    在燃用落葉松木質(zhì)顆粒燃料時，由于該木質(zhì)顆粒燃料灰含量低、灰熔點高，燃燒過程中無結(jié)渣現(xiàn)象、灰分較少，使用兩種生物質(zhì)燃燒機燃燒時底灰結(jié)渣率均為零，燃燒效率都在90%以上，均能夠連續(xù)穩(wěn)定運行。
    在燃用玉米秸稈顆粒燃料時，由于秸稈類顆燃料灰含量高、灰熔點低，燃燒后結(jié)渣嚴重、灰分較第1 1期    姚宗路等：抗結(jié)渣生物質(zhì)固體顆粒燃料生物質(zhì)燃燒機研究高，PX-20型生物質(zhì)燃燒機由于無清灰裝置以及配風(fēng)不完善等問題，正常運行15～20 min后，由于燃燒室內(nèi)的灰渣較多，生物質(zhì)燃燒機自動停止工作。在正常運行期間，測試的燃燒效率為82%，底灰結(jié)渣率為48. 94%。  PB-20型生物質(zhì)燃燒機，由于采用螺旋清灰破渣裝置，能夠有效地清理灰渣，保證了連續(xù)穩(wěn)定運行，在燃燒過程中，未出現(xiàn)自動熄火現(xiàn)象。另外由于螺旋清灰破渣裝置的攪動以及多級配風(fēng)機構(gòu)，燃燒后底灰結(jié)渣率比PX-20型生物質(zhì)燃燒機有明顯降低，燃燒效率也明顯提高。
    結(jié)果表明，瑞典PX-20型生物質(zhì)燃燒機是針對灰含量低、灰熔點高的木質(zhì)顆粒燃料設(shè)計的，并不適應(yīng)灰含量高、灰熔點低的秸稈類顆粒燃料。
4結(jié)論
    (1) PB-20型生物質(zhì)固體顆粒燃料生物質(zhì)燃燒機采用高效雙層燃燒筒和螺旋清灰破渣裝置，實現(xiàn)了三級配風(fēng)，提高了燃燒效率，燃燒過程中能夠有效將灰渣排出，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定燃燒解決了秸稈顆粒燃料由于灰含量高、灰熔點低導(dǎo)致燃燒過程中易結(jié)渣生物質(zhì)顆粒燃燒機易熄火、燃燒性能差等問題。
    (2)試驗結(jié)果表明，該生物質(zhì)燃燒機采用玉米顆粒燃料，燃燒效率達到91%，結(jié)渣率為23%，污染物排放能夠滿足國家標準要求。與瑞典PX-20犁生物質(zhì)燃燒機相匕匕，兩種生物質(zhì)燃燒機都能應(yīng)用于木質(zhì)顆粒燃料，但以玉米秸稈顆粒為燃料時，本生物質(zhì)燃燒機燃燒效率提高了9%，燃燒后底灰結(jié)渣率明顯降低了25. 94%，燃料適應(yīng)性更廣泛。
    (3)本生物質(zhì)燃燒機能夠與熱風(fēng)爐、采暖鍋爐等設(shè)備匹配，應(yīng)用木質(zhì)顆粒燃料和秸稈類顆粒燃料，滿足供熱采暖等需求，有利于促進我國生物質(zhì)固體成型燃料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。