侯中蘭，賈孟立，劉圣勇，趙廷林

(河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)部可再生能源重點實驗室。河南鄭州450002)

　　摘要：生物質密致燃料與煤相比其燃燒性質有較大差別。本次試驗根據(jù)生物質密致燃料的特點采用雙層爐排鍋爐，均勻市點并用熱電偶溫度計和紅外測溫儀測出各點溫度，得出各個方向上的溫度分布圖。對其進行分析比較，為水冷壁的合理布置、進風量選擇及鍋爐穩(wěn)定燃燒、經(jīng)濟燃燒提供了參考。

　　1引言

　　生物質密致燃料也稱為生物質成型燃料，是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其結構與組織特征決定了它既不同于原生物質，也不同于煤。為了較好反映燃料的燃燒特性并使排煙符合環(huán)保要求，提高鍋爐效率，本試驗采取雙層爐排鍋爐。爐膛溫度直接影響爐膛均勻燃燒程度及經(jīng)濟燃燒性，同時也是鍋爐布置受熱面的重要依據(jù)。通過對溫度場的試驗可以找出溫度分布規(guī)律，確定最佳燃燒狀態(tài)，同時也可以找出燃燒設備存在的問題，為爐膛優(yōu)化及燃燒設備改進提供依據(jù)。

　　2實驗內容

　　2.1試驗設計

　　該鍋爐為雙層爐排，此狀態(tài)下上爐膛放料上爐門打開，安裝在下爐門后墻的風機把空氣從上爐門13吸入上爐膛并由上至下經(jīng)過燃料層，與燃料發(fā)生燃燒反應后，煙氣被風機抽走。所用的生物質塊直徑約為120mm。

　　以爐膛為研究對象，適當選取爐排一端為原點，分別以爐膛的深度方向、高度方向及寬度方向為x、Y、z軸。根據(jù)有限元分割方法將爐膛分為若干截面，每個方格的對角線交叉點即為測點的位置。本試驗裝置考慮到實際加工情況，在爐膛右側對稱線上留下35個孔，主要研究爐膛對稱線上溫度場的情況。

　　將熱電偶溫度計與數(shù)字溫度計連接，待讀取顯示的溫度數(shù)值。

　　試驗開始等待燃燒狀態(tài)穩(wěn)定后，在深度方向和寬度方向上爐膛煙氣空間處可將熱電偶(也可用熱傳導較好的其他器材代替)分別放入x軸、z軸測溫口，放人長度為爐膛寬度值。計時3min后，將紅外測溫儀測溫點對準熱電偶10等分的每個點，讀取溫度值，記錄；深度方向及寬度方向其他在爐膛煙氣空間測溫方法同上。測取寬度方向燃料層溫度時，可將熱電偶埋入燃料層，分別測取10等分各點的溫度值。各工況測溫方法相同。所測得的各點溫度在每個方向上求平均值得出各面溫度，從而建立各個方向上的溫度分布圖。

　　3實驗數(shù)據(jù)分析

　　3.1垂直方向溫度分布分析

　　上爐膛燃料層由上至下依次是干餾層、氧化層、還原層、灰渣層，且各層的高度及溫度分布隨著工況的不同而異。

　　如圖1所示：隨著風門由小變大，氧化層被降低，氧化層的厚度增加，還原層厚度減小。由工況4至工況1其最高溫度依次降低。燃料層溫度上方煙氣溫度工況3最高，工況1次之。工況4最低。受進風量大小的影響，工況1，溫度分布均勻。工況2、工況3次之，工況4煙氣溫度變化幅度最大。

　　氧化層的溫度和厚度是布置鍋爐受熱面的一個重要因素。安裝在下爐門后墻的風機把空氣從上爐門口吸入，使之進入上爐膛，由上至下經(jīng)過燃料層，與燃料發(fā)生燃燒反應后，煙氣被風機抽走。當風門較小進空氣量較少時，空氣與爐膛熱交換少，燃料層總高度為35cm，在距爐排12cm處，即達到最高溫度。若高于12cm空氣與爐膛燃料熱交換大，難以達到最高溫度；若低于12cm，雖空氣與爐膛燃料熱交換量進一步減小，但因空氣量不足，燃料不能完全燃燒，形成還原層，亦難以達到最高溫度；而當風門較大，如工況3，受進風量較多的影響，熱交換量增加，氧氣充足，所以其氧化層與還原層的分界點，也即此工況最高溫度距爐排較工況1、工況2近，由圖1可知為7cm。工況4進風量最大，所以其還原層幾乎與灰渣層混合。氧化層與還原層分界點降至爐排2cm處。進空氣量由小變大燃料的燃燒也更加完全，因此氧化層厚度由大變小。

　　由爐膛垂直方向溫度變化可知，由于高溫燃料層的熱輻射降低，爐膛內煙氣隨著爐排高度的增加，溫度逐漸降低。當風門較小。如工況1、工況2，空氣換熱量小，降溫梯度較小約為200℃；風門較大，如工況3、工況4，與空氣換熱量大，溫度降低也非常大，正對爐口處出現(xiàn)較明顯的降溫趨勢，工況4可達400℃。

　　試驗中下爐門沒打開，所以其溫度總變化趨勢降低。但由于煙氣經(jīng)過水冷壁，所以在爐排處溫度較距12cm處低。同樣，由于受風門的影響，工況1、工況2溫度變化小，工況3、工況4，氧化層溫度高易結渣會使燃料層中通風不暢而使下爐膛溫度忽高忽低，溫度變化梯度大，如圖2所示。

　　3.2深度方向溫度場分布分析

　　從爐口到爐膛直至后爐壁，由于各工況進風量及空氣壓力、速度的不同，影響其深度方向溫度分布的原因也不同，主要有三個因素：①空氣與燃料及煙氣的熱交換；②受爐拱形狀影響進入爐膛內的空氣的壓力和流速，此因素決定空氣是否能與燃料充分接觸并與可燃氣體良好混合，即是否能組織氣流使其有利于燃燒；③與爐壁的熱交換。

　　本實驗中鍋爐的爐膛呈較規(guī)則六面體而非流線型，在一定程度上未能有效使空氣與爐膛內各點的燃料煙氣良好混合。在上爐膛爐口處，空氣與煙氣的熱交換量最大，在此進入爐膛的空氣更多地是與距爐口一段距離的煙氣和燃料混合，致使此處形成死角，燃燒差，溫度低；在距爐口7cm處，被加熱的空氣與煙氣及燃料的熱交換較爐口處小，且此處空氣的壓力、速度很大，形成了有利于燃燒的氣流，燃燒狀況最好，因此溫度驟然上升；爐膛更深處空氣壓力、速度降低，燃燒狀況較差，溫度降低。由于空氣與燃料及煙氣的熱交換減小，溫度亦慢慢升高，在距爐口約42cm處出現(xiàn)第二個波峰；由于與后爐壁的熱交換增加致使爐膛溫度再次下降。

　　試驗中上下爐膛溫度分布是有差別的，下爐膛最高溫度出現(xiàn)在爐膛中心(即距爐口32cm處)。由于此狀態(tài)下爐門未打開，影響溫度分布的因素主要有：①燃料層的溫度；②與爐壁的熱交換；③燃料層是否通風順暢。上爐排燃料燃燒時，最高溫度出現(xiàn)在燃料層中間，且在此處與前后爐壁的熱交換最少。致使在爐膛中央出現(xiàn)最高溫度；而上爐門須打開，受空氣熱交換影響使溫度出現(xiàn)兩個波峰，且最高溫度出現(xiàn)在距中心后方10cm處，即距爐口42cm處。

　　由圖3可知，在上爐膛深度方向，工況4因風門最大，且燃料及煙氣發(fā)生熱交換量偏高。排煙熱損失大+導致其溫度最低；工況2、工況3溫度分布大致相同，工況2略高于工況3，且由于受爐膛形狀的影響，在爐口至距爐口12cm處都出現(xiàn)了波動；工況1溫度較工況2、工況3偏低。

　　由圖4可知，在試驗過程中，當風門較大時因氧化層溫度偏高易使燃料層結渣，造成通風不暢而使下爐膛溫度忽高忽低。如工況3、工況4；當風門較小時，空氣量及壓力、速度都較小，料層極易發(fā)生堵塞，使燃料燃燒不完全，爐膛溫度偏低；工況2燃燒狀況最好，不易結渣，不易堵塞，溫度分布較為均勻。

　　3.3寬度方向溫度分布分析

　　決定鍋爐爐膛寬度方向溫度分布的主要因素有：①燃料層的溫度；②與爐壁的熱交換；③與燃料、煙氣和空氣熱交換量。

　　由于空氣直接從爐口進入，增加了因素③對爐溫的影響。使正對爐口的寬度方向出現(xiàn)較低的溫度，圖5所示第3點和第8點處，從而使得溫度分布圖倒過來看像鹿角，風門較大，這種形狀最為明顯，如工況4所示。在上爐膛中，工況2、工況3偏高，且工況2溫度梯度小、分布均勻；工況1溫度分布曲線亦較為平滑但溫度偏低；工況4溫度最低且溫度梯度大。下爐膛溫度分布呈現(xiàn)較規(guī)則的拋物線(如圖6所示)，在第7點出現(xiàn)的溫度陡然降低應是爐壁或爐門處漏風增加了熱交換損失所致。如圖6所示，各工況溫度相差不大，其中工況2、工況3溫度仍偏高，工況1最低。

　　4試驗結論

　　4.1本次鍋爐實驗溫度特點

　　(1)工況l燃料燃燒較不完全，燃料層容易發(fā)生堵塞而熄火，溫度偏低；工況2燃料燃燒完全，燃料層不發(fā)生堵塞，不易結渣，溫度較高且分布均勻；工況3較易結渣，溫度偏高但分布較不均勻；工況4氧化層溫度高，極易結渣，空氣與爐膛內煙氣熱交換量大。溫度偏低且溫度梯度很大；

　　(2)爐膛煙氣溫度偏高促進了燃燒的良好進行，同時增加了排煙熱損失，其中煙箱溫度隨風門大小而變化：T工況4>T工況3>T工況2>T工況1。

　　(3)各工況爐膛寬度方向溫度分布都比較均勻，其他方向溫度分布不均勻；工況I各方向溫度分布都比較均勻。

　　4.2各工況狀況比較

　　(1)在本實驗中，工況1風門過小，未能及時供給足夠的空氣量，燃燒速度慢且不完全；工況4風門過大，雖然空氣量大，但溫度梯度也很大，爐溫較低。而工況2、工況3溫度較高且分布均勻。由各工況下的爐膛溫度可知，工況2、工況3最佳。

　　(2)工況3排煙熱損失較工況2大，且耗電量大，因此工況2為最佳狀態(tài)。

　　綜上所述，在爐溫較高的條件下，燃燒速度很快，空氣迅速被消耗掉，所阻必須供給足夠的空氣量?？諝饬刻?，不僅限制了燃燒反應速度，而且會使煙氣中的氣體不完全燃燒產(chǎn)物CO等增加，造成燃燒損失增大。但是，過多的空氣量會降低爐溫，同時也使排煙量過大，導致排煙熱損失增加。本次鍋爐實驗中工況2為最佳工況，溫度較高，分布均勻，熱損失小，耗電量少，效率高，已達到經(jīng)濟運行。

　　5對改進生物質密致燃料鍋爐的幾點建議

　　(1)煙氣中可燃物質(包括未完全燃燒的揮發(fā)分、焦碳反應產(chǎn)物CO及單層爐排狀態(tài)時從爐膛吹起的細粒)在爐膛空間一邊運動一邊燃燒，煙氣流動很快，高溫煙氣在爐內來不及更充分與鍋爐受熱面發(fā)生熱交換，即離開爐膛，增大了排煙熱損失。所以，鍋爐設計應注意保證煙氣在爐膛內的停留時間，增大鍋爐受熱面積或添加煙氣回流裝置，充分利用煙氣。減小排煙熱損失。

　　(2)爐膛的形狀應使氣流有良好的充滿度，以保證爐膛容積得到充分利用。本實驗中爐膛是由幾乎平直的幾個面組成，而空氣流及煙氣流是呈曲線流動，平直的爐膛未能達到很好地組織氣流，一方面使部分容積的爐膛形成死角處于未工作狀態(tài)，另一方面未能使空氣與煙氣燃料混合均勻，增加了熱損失。因此爐膛形狀應改進為符合爐膛內氣體流動規(guī)律的曲線型。

　　(3)由于雙層爐排狀態(tài)上爐膛溫度較高，所以可在上爐膛頂部布置受熱面以增大鍋爐熱效率。

　　(4)所用的生物質塊直徑都為120mm，在以后的試驗中，應注意對不同直徑的生物質燃料進行試驗，以更好地確定最佳工況。

　　參考文獻

　　[1]劉圣勇，趙迎芳，張百良，生物質成型燃料燃燒理論分析[J]能源研究與利用，2002，(6)：26—28

　　[2]Obbernberger I，Decentralized biomass combustion state of the att and future development[J]Biomass and Enemy，1998，t4(1)：94—96，

　　[3]馬孝琴，李剛，小型燃煤鍋爐改造成秸稈成型燃料鍋爐的前景分析[J]，農(nóng)村能源，2001，(5)：20—22

　　[4]田宜水，張鑒銘，陳曉夫，等，秸稈直燃熱水鍋爐供熱系統(tǒng)的研究設計[J]，農(nóng)業(yè)工程學報，2002，18(2)：87—89

　　[5]陳煥生溫度測試技術及儀表[M]北京：水利電力出版社，1987，(9)：150—152