摘要：生物質散料密度低，作為鍋爐燃料應用不便；生物質成型燃料的密度高，適于鍋爐燃燒但加工能耗大；園林廢棄物鍘碎料的密度適中且加工能耗低。本文設計、搭建20kW小型生物質鍘碎料直燃熱水鍋爐。該鍋爐由螺旋給料機構和鍋爐本體構成，采用固定爐排設計。料斗內兩個同向旋轉的防架橋撥料輥和螺旋絞龍配合使用，防止燃料架橋。鍘碎料燃料層具有一定的剛性，在螺旋給料機的推動下整體向后移動，與鏈條爐內燃料的運動特性相似。試驗結果表明：喂料系統運行穩定，可通過調速電機在4-8kg- h范圍內微調；鍋爐效率70%左右；煙塵排放符合國家標準GBl3271-2001。
關鍵詞：
生物質；鍘碎料燃料；螺旋給料機；固定爐排
O 引言
隨著我國農村城鎮化的不斷發展，越來越多的農村生物質從灶用能源中分離出來，成為農業廢棄物。目前我國廣大城鄉結合部、小城鎮地區的農林副產物生物質常被作為廢棄物焚燒。城市的園林廢棄物也作為垃圾處理，不但浪費能源，也造成環境污染。我國每年農林廢棄物、能源林業和其他能源作物相當于9億噸標煤。研究開發經濟、實用、環保的生物質能應用技術，對解決農林廢棄物焚燒引起的環境污染和能源浪費問題，滿足廣大農村地區和城鄉結合部大量的小型供熱需求，具有重要意義。
作為生物質能應用的常用方式之一，生物質燃燒技術在國內外發展迅速，不斷涌現各種技術和設備。生物質直燃的主要特點是：能量密度低，大型應用時燃料收集、儲存成本高；S02、NOx排放低；鍋爐中各受熱面的沾污腐蝕，灰分的結焦，煙氣中氯化氫、氣溶膠含量較高等問題嚴重。采用生物質成型燃料能夠顯著提高能量密度，在歐洲得到廣泛應用。然而由于生物質成型過程能耗高、設備磨損快、燃料成本高，在國內推廣收到限制。以木質顆粒為例，不考慮干燥能耗，國內引進技術改進機組的實驗能耗為184. 4kWh．t。國內研究者也開展了捆燒生物質實驗研究，其燃料密度適中，實驗中為130 kg．m-3；加工能耗較低，約30kWh．t。此外，還有部分生物質不容易被收集，亟需一種靈活、方便的方法來減少這部分能源的浪費。本文研究者們設計了一種針對園林廢棄物的小型生物質鍘碎料直燃熱水鍋爐，并進行了實驗研究。實驗所用的燃料密度為126kg．每立方米，與捆燒生物質相當。由于本方案只需要簡單鍘碎而無需切片，燃料加工能耗與生物質成型燃料切片工藝的13. lkWh．t相比，其能耗應該更低。本生物質直燃鍋爐可用于園林廢棄物、果園區和產棉區農業廢棄物的處理兼小型供熱。
1 鍋爐方案設計
鍋爐為固定爐排層燃鍋爐，由防架橋螺旋給料機和鍋爐本體兩部分組成，如圖1所示。
連續、穩定給料是鍋爐穩定運行的前提。鍘碎料特別容易架橋，一方面破壞給料的連續性；另一方面架橋造成物料分布不均勻，導致給料量的波動。本文的研究者們經過反復實驗發現，對于長度小于10cm的鍘碎料，在料斗底部水平布置兩個同向旋轉的撥料輥可有效地解決搭橋問題，較好地實現均勻落料；采用適當螺距的螺旋絞龍可將鍘碎料穩定地輸送至爐排。爐膛和螺旋絞龍之間由10cm長的料管連接，料管中的鍘碎料將絞龍與爐膛高溫隔離開。 由于鍘碎料之間相互交叉、重疊，使燃料層具有一定的“剛度”。螺旋絞龍在將新鮮燃料輸送至爐排的同時也將爐排上的燃料整體向后推移。燃料在爐排上的燃燒可從前向后分為四個區段：燃料預熱干燥段、揮發部排煙分析出燃燒段、焦炭燃燒段、灰渣燃盡段。與鏈條爐的燃燒過程類似，灰渣從爐排末端落人集灰室。本方案的機械化程度較高，只需每3～4h往料斗加一次料，同時集灰室清灰一次即可。
為了簡化結構，降低加工成本，爐膛由半包圍結構的水套和煙氣轉向板圍成。同時在爐膛上部布置了對流一輻射換熱面以使結構更加緊湊。
爐內設有一次風和二次風。煙氣經轉向室后從上部排煙管排出，并可利用高速氣體射流的引射作用輔助排煙。灰分主要從爐排末端爐排孔或側面空隙落入集灰室收集排出。煙氣攜帶部分灰分也落入集灰室。
2燃料及實驗裝置主要參數
本文以校園園林廢棄物為燃料，設計、搭建了20kW浴室鍋爐實驗裝置。收集了校園園林廢棄物，鍘碎至長度小于10cm的碎段，自然晾干后檢測并儲存，以備實驗。燃料特性參數和鍋爐主要參數如表1所示。
3試驗及結果
3.1 試驗內容及方法
1)給料的穩定性：在料斗中一次性裝入15kg燃料，開動給料機，記錄每5min內出料量。
2)額定工況下鍋爐熱水管出口水溫：采用K型熱電偶檢測，由OMD- PDQI型采集卡和計算機連續采集記錄。
3)煙氣成分，排煙溫度，排煙含塵量：煙氣過濾后，由Gasboard-3100紅外煙氣分析儀檢測CO、C02等含量。排煙溫度檢測方法同水溫檢測。排煙含塵量的檢測應用3012H型自動煙塵／氣測試儀，采用GB5468-91標準檢測。
4)飛灰及灰渣含炭量：將灰分在815℃條件下灼燒1h，由灼燒前后質量差確定含碳量。
3.2實驗結果
3.2.1 喂料的穩定性
三次喂料實驗結果如圖2所示。從圖2可以看出，鍘碎料的喂料可控制在6kg．h-l上下20%范圍內波動，并且隨料斗中物料的減少，略有下降趨勢。這些實驗以及后續的燃燒實驗表明，給料機運行可靠，總體喂料速率穩定，燃燒過程穩定。
3.2.2 鍋爐運行時熱水管出口水溫特性
鍋爐啟動后初始有個非穩定態過程，約10min接近穩定的狀態，實驗用的鍋爐控制系統無水溫控制，水溫有一定波動。圖3給出其中1次實驗時熱水管出口水溫隨時間的變化。實驗表明，在初始水溫為12℃、水流量為450kg．h時，鍋爐出口水溫維持在48±10℃。
3.2.3鍋爐排煙特性
穩定運行時鍋爐的排煙溫度在250士10℃，煙氣中C02為8%～10%；CO含量為0.23%～0. 27%。生物質鍘碎料鍋爐的煙塵排放的平均值在110～170 mg．m-3范圍內，低于鍋爐大氣污染物排放標準GB13271-2001中燃煤鍋爐在二類區200mg．m³的煙塵排放上限，符合國家標準。
3.2.4灰分中的殘炭
灰分主要以灰渣和飛灰的形式存在，其中灰渣的份額平均為91. 6%，飛灰的份額平均為8.4%；各工況下灰渣含碳平均為7. 8%，而飛灰含碳測得數值較高，平均為56. 7%。
3.3結果分析
3.3.1鍋爐正平衡效率
鍋爐熱效率采用正平衡方法計算，效率為鍋爐熱水吸熱量與燃料放熱量之比。
據4次穩定實驗運行時溫度檢測結果，計算出鍋爐的熱效率在65. 8%～74. 2%之間，平均為70%。與歐美多數生物質小鍋爐效率(50%～80 %)和河南農業大學的捆燒爐效率（約73%）相當。
3.3.2鍋爐熱損失
根據排煙量和排煙溫度計算出該鍋爐的排煙損失12. 4%，機械不完全燃燒熱損失1.4%，由排煙中的CO含量計算的化學不完全熱損失為1.1%。鍋爐爐膛由半包圍的水套結構和煙氣轉向板圍成，未設置保溫層，整體散熱較大，計算散熱損失約為10%。灰渣物理顯熱損失平均為0. 63%�？傻缅仩t反平衡效率為74. 47%，與正平衡效率偏差為4.47%，小于5%。
雖然鍋爐結構簡單，但其煙塵排放濃度符合國家標準。主要原因有：城市園林廢棄物灰分含量較低；燃燒時未經粉碎，大多數灰分存于爐體集灰室的灰渣中；爐體的煙塵沉降室起到了分離沉降煙氣中灰塵的作用。
灰渣含碳量較低，機械不完全燃燒熱損失小，這表明給料機構、爐排及一次風設計合理，固體燃料燃盡充分。
檢測同時表明，飛灰含碳高，煙氣中CO含量偏高。這可能是由于爐膛高度偏低的原因造成的，需在后續研究中加以改進。
4 結論和討論
1)園林廢棄物等生物質鍘碎料具有較低的燃料生產能耗，適當的能量密度，可用做小型鍋爐燃料。
2)采用螺旋給料機和同向旋轉的撥料輥，可實現生物質鍘碎料的穩定喂料，機械化程度好，燃燒穩定。
3)小型浴室熱水鍋爐的熱效率約70%，與國內外大多數小型生物質鍋爐相當。
4)該實驗鍋爐的主要熱損失是散熱損失和排煙熱損失，可通過加強保溫、增加傳熱面積、調整爐膛結構、改善配風等措施加以改進，提高鍋爐效率。
5)鍋爐排煙中煙塵含量低，符合國家標準。
總體來說，該鍋爐運行穩定，結構簡單，燃料成本低，適合廣大城鄉結合部和小城鎮的小型供熱應用。
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