任曉平 唐欣彤 孫曉婷

長春工程學(xué)院

引言

我國燃煤層燃鍋爐量大面廣，其熱效率低,能耗大，污染嚴(yán)重等問題十分突出。我國生物質(zhì)資源主要以農(nóng)作物秸稈為主，每年可產(chǎn)生7.05億噸秸稈。目前，我國的秸稈資源除了一部分用作還田肥料和動(dòng)物飼料外，大部分都廢棄或就地焚燒［1，2］，不但浪費(fèi)了寶貴的能源，也帶來了嚴(yán)重的空氣污染。本文提出在層燃爐采用生物質(zhì)與煤層燃?xì)饣瘡?fù)合燃燒技術(shù)，推廣生物質(zhì)能源利用，提高現(xiàn)有層燃爐效率，減少污染物排放。

1 生物質(zhì)復(fù)合燃燒技術(shù)

生物質(zhì)與煤層燃?xì)饣瘡?fù)合燃燒技術(shù)，即煤在爐排上采用層燃方式，而生物質(zhì)以粉狀形態(tài)從爐膛上部噴入爐膛空間，進(jìn)行懸浮燃燒，將煤的層狀燃燒和生物質(zhì)的懸浮燃燒相結(jié)合，使兩種燃料的燃燒優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。通過合理控制一次風(fēng)量，使部分煤發(fā)生氣化，產(chǎn)生煤氣，可減少燃煤煙塵排放。二次風(fēng)用來攜帶粉狀生物質(zhì)從爐膛上部噴入爐膛空間，二次風(fēng)為生物質(zhì)燃燒和煤氣燃燒提供空氣。該燃燒技術(shù)中用部分生物質(zhì)代替煤，不僅減少了燃煤量，使煤層厚度減薄，而且減少了一次風(fēng)量，降低了一次風(fēng)速，從而降低了q3和q4熱損失。另外，二次風(fēng)從上部空間給入，增強(qiáng)了氣流擾動(dòng)，增加煙塵中可燃物在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，所以有效減少了q3、q4熱損失，提高了燃燒效率。此外，生物質(zhì)具有揮發(fā)份高，容易著火燃燒，且燃燒速度快，所以對(duì)穩(wěn)定爐膛燃料的著火和燃燒十分有利，擴(kuò)大了層燃爐煤種適應(yīng)性。

2 確定適宜的燃燒工況

復(fù)合燃燒工況要綜合考慮燃燒效率和煙塵排放濃度。

以DZL6-1.25-AII層燃爐為例，分析復(fù)合燃燒技術(shù)的適宜燃燒工況。該層燃爐燃燒II類煙煤時(shí)，qv=350kW/m3，爐排面積 R=7.27m2，爐膛容積 V=14.295m3。當(dāng)鍋爐改用該新型燃燒技術(shù)，燃料為煙煤和生物質(zhì)組成的混合燃料時(shí)（煙煤燃料特性見表1，生物質(zhì)燃料特性見表2。），爐膛容積熱負(fù)荷qv=350kW/m3，不僅能保證煤燃盡，而且也能使生物質(zhì)燃盡。這是因?yàn)閺拇罅可a(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和研究成果中得到可靠的qv經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是層燃qv=350～450kW/m3，容量小于等于25t/h的室燃爐qv=227～349kW/m3，顯然qv=350kW/m3時(shí)，煤和生物質(zhì)在爐內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，保證燃盡。

該燃燒技術(shù)中，煙煤在爐排上層燃燒，部分煤完全燃燒，部分煤氣化產(chǎn)生煤氣，生物質(zhì)在爐膛中懸浮燃燒，但三者在爐膛中釋放的熱量應(yīng)該滿足爐膛容積熱負(fù)荷qv=350kW/m3。由此計(jì)算得出以下燃燒工況，見表3。表3明確了各燃燒工況的混合燃料的組成及一次/二次風(fēng)的理論空氣量和總的理論空氣量。

（1）分析各燃燒工況q3、q4熱損失

與單純的燃煤層燃技術(shù)相比，該燃燒技術(shù)中用部分生物質(zhì)代替煤，減少了燃煤量，使?fàn)t排上的煤層厚度減薄,這樣有利于減小了q4損失。同時(shí)，爐膛上部空間布置二次風(fēng)，不僅能及時(shí)補(bǔ)充燃燒所需空氣，而且增強(qiáng)了爐膛空間的氣流擾動(dòng)；另外，生物質(zhì)揮發(fā)份高，燃燒反應(yīng)活性高，在較低的溫度下依然能夠保證燃盡率，這樣該燃燒技術(shù)也有利于減小q3熱損失。

表1 煙煤

表2 生物質(zhì)燃料

表3 q v=350kW/m3 時(shí)各燃燒工況的混合燃料組成及理論空氣量

為了便于分析，假定燃燒條件（爐膛溫度、爐膛結(jié)構(gòu)、過量空氣系數(shù)、燃燒方式）不變時(shí)，近似認(rèn)為灰渣含碳量Clz和飛灰含碳量Cfh不變,這樣q4近似只與燃料量B成線性關(guān)系，不同燃燒工況下q4見圖3。

圖3

由圖3可見，當(dāng)γ＜4時(shí)，隨著γ的增加，q4急劇增加，當(dāng)γ＞4時(shí)，q4變化趨于平緩，這與混合燃料的組成及其燃燒方式和有關(guān)，與生物質(zhì)相比，煙煤含碳量高，揮發(fā)份含量低，更難著火燃燒，另外，煙煤采用層燃，與空氣混合程度較差，所以煙煤燃燒產(chǎn)生q4較大，所以在γ＜4時(shí)，隨著γ的增加，煙煤含量增加，生物質(zhì)含量不斷減少，q4會(huì)急劇增加。當(dāng)γ＞4時(shí)，煙煤含量很大，趨近于1，其含量變化對(duì)q4影響很小，所以q4變化趨于平緩。

同樣，假定燃燒條件（爐膛溫度、爐膛結(jié)構(gòu)、過量空氣系數(shù)、空氣動(dòng)力場(chǎng)）不變時(shí)，近似認(rèn)為煙氣中的CO含量和燃料的燃燒量B呈線性關(guān)系，這樣q3近似只與燃料量B呈線性關(guān)系，不同燃燒工況下q3見圖4。

圖4

由圖4可見，當(dāng)γ＜4時(shí)，隨著γ的增加，q3急劇增加，當(dāng)γ＞4時(shí)，q3變化趨于平緩。這與混合燃料的組成有關(guān)。隨著γ的增加，混合燃料中生物質(zhì)質(zhì)量含量逐漸下降，煤的質(zhì)量份額逐漸增加，煤氣化產(chǎn)生的煤氣也會(huì)逐漸增加，而上部空間投入的二次風(fēng)量在逐漸減少，使得爐膛空間氣流擾動(dòng)減弱，所以當(dāng)γ＜4時(shí)，隨著γ的增加，q3急劇增加。當(dāng)γ＞4時(shí)，混合燃料中煙煤含量很大，趨近于1，其含量變化對(duì)煤影響q3的很小，所以q3變化趨于平緩。

綜合分析各工況的q3、q4的變化，可知γ＜4時(shí)，燃燒效率高。

（2）分析各燃燒工況下的煙塵濃度

圖5

從圖5中可見，當(dāng)γ＜2時(shí)，隨著γ的增加，煙塵濃度μ急劇下降，當(dāng)γ＞2時(shí)，μ逐漸降低，變化趨于平緩。這與混合燃料的組成和燃燒方式有關(guān)，煙煤的理論煙氣量遠(yuǎn)大于生物質(zhì)的理論煙氣量，在γ＜2時(shí)，隨著γ增加，煙氣總體積會(huì)隨著煙煤含量增加而增大；另外，與懸浮燃燒相比，層燃的飛灰份額非常小，所以隨著γ增加，燃燒產(chǎn)生的煙塵總量不斷減小。因此當(dāng)γ＜2時(shí)，隨著γ的增加，煙塵濃度μ會(huì)急劇下降。當(dāng)γ＞2時(shí)，混合燃料中煙煤含量很大，趨近于1，其含量的變化對(duì)于μ的影響很小，所以μ變化趨于平緩。

（3）分析結(jié)果

綜合分析各燃燒工況的燃燒效率和煙塵濃度，層燃爐采用該新型燃燒技術(shù)時(shí)，在qv=350kW/m3，混合燃料組成滿足2＜γ＜4時(shí)，鍋爐燃燒效率高，煙塵排放濃度低，此范圍為最適宜的燃燒工況。

3 結(jié)論

（1）該燃燒技術(shù)中生物質(zhì)懸浮和煤層狀燃燒相結(jié)合，可以有效地降低了q3、q4熱損失，提高層燃爐的燃燒效率。

（2）該燃燒技術(shù)為生物質(zhì)燃料在層燃爐中應(yīng)用探索出一條新路，為改進(jìn)層燃爐熱效率低，解決污染嚴(yán)重問題找到了切實(shí)可行的有效辦法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（3）層燃爐采用該燃燒技術(shù)適宜的燃燒工況是2＜γ＜4，高效燃燒，潔凈環(huán)保。

4）采用該燃燒技術(shù)，改進(jìn)了層燃爐的煤種適應(yīng)性。