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    在眾多的可再生能源中，生物質能以其資源儲量豐富、清潔方便和可再生的特點，具有極大的開發潛力。美國、日本、巴西及印度都相繼制定了各自的生物質能源研究開發計劃，就我國的基本國情和生物質利用開發水平而言，生物質直接燃燒技術無疑是最簡便可行的高效利用生物質資源的方式之。生物質燃料在燃燒過程中的燃燒機理、反應速度以及燃燒產物的成分與化石燃料相比存在較大差別。目前，根據所采用生物質燃料種類及特性的不同，甘蔗渣鍋爐、生物質廢料流化床鍋爐、垃圾焚燒爐、稻殼流化床鍋爐及燃木屑、木粉等新型鍋爐應運而生。鍋爐技術的成熟及鍋爐類型的多樣化為生物質燃料代替煤作燃料創造了條件。
    生物質成型燃料是經過高壓而形成的密度為塊狀燃料，其結構與組織特征決定了它的燃燒性質優于原生物質，同時也不盡同于煤。為了較好反映該燃料的燃燒特性并使排煙符合環保要求，提高鍋爐效率，本試驗采取雙層爐排鍋爐。其中爐膛溫度直接影響爐膛均勻燃燒程度及經濟燃燒性，同時也是鍋爐布置受熱面的重要依據。通過對溫度場的試驗可以找出溫度分布規律，確定最佳燃燒狀態，同時也可以找出燃燒設備存在問題，為爐膛優化及燃燒設備改進提供依據，富通新能源銷售生產生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
1、試驗內容
1.1  試驗設計
該鍋爐為雙層爐排，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口吸入上爐膛并由上至下經過燃料層，與燃料發生燃燒反應后，煙氣被風機抽走。所用的生物質塊直徑約為120 mm。
    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某個截面內某個測點的位置。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情況。
    燃燒設備分別在四種工況下燃燒：工況1 apy=1.6，工況2apy=2.2，工況3apy=3.2，工況4 apy=4.4，其中apy為排煙處過量空氣系數。
1.2試驗設備
    (1)鉑銠一鉑鎧裝熱電偶，測溫范圍0℃N1 200℃，分辨率1℃，穩定度+2℃，響應時間
10 s，環境溫度-10～50℃，濕度”85%。
    (2) Raynger3iLTDL2便攜式紅外測溫儀：測溫范圍-30℃～1200℃，光分辨率75:1，光譜范圍8am～14am，雙激光瞄準方式。
    c3) SWJ-m精密數字式溫度計、秒表、米尺。
1.3試驗方法
    試驗開始前，先用米尺量得爐膛寬度X=73 cm，深度Y=55 cm，高度2=37 cm，爐膛一側測溫口的直徑d=3cm，各測溫口間距m=8cm，均勻分布。將寬度方向值10等分，每等分8 cm，并做標記。
    將熱電偶溫度計與數字溫度計連接，待讀取顯示的溫度數值。
    試驗開始等待燃燒狀態穩定后，在深度方向和寬度方向上爐膛煙氣空間處可將熱電偶分別放入x軸、Z軸測溫口，放入長度為爐膛寬度值。計時3 min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，從而建立各個方向溫度分布圖。
2、試驗數據分析
2.1  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，并由于受進風量大小的影響工況1溫度分布較均勻，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，進入上爐膛，由上至下經過燃料層，與燃料發生燃燒反應后，煙氣被風機抽走。當風門較小進空氣量較少時，空氣與燃料熱交換少，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空氣與燃料熱交換大，難以達到最高溫度：若低于12 cm，雖空氣與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，由于進風量較多的影響，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工況3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2 cm處。進空氣量由小變大燃料的燃燒也完全，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，正對爐膛出口處出現較明顯的降溫趨勢，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，但由于煙氣經過水冷壁，所以在爐排處溫度較距12 cm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。
2.2深度方向溫度場分布分析
    從爐門至爐膛及后墻，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，即是否能很好組織氣流使其有利于燃燒；③與爐壁的熱交換。
    本試驗中鍋爐的爐膛呈較規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。在上爐膛出口處，空氣與煙氣的熱交換量最大，且在此處，進入爐膛的空氣更多與距出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：在距出口7 cm處，被加熱的空氣與煙氣及燃料的熱交換較爐膛出口處小，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，在距爐膛出口約42 cm處出現第二個波峰；由于與后墻的熱交換增加，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在爐膛中心（即距出口32 cm處）。由于此狀態下爐門未打開，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，最高溫度出現在燃料層中間，且在此處與前后爐壁的熱交換最少，兩個有利因素致使在爐膛中央出現最高溫度：而上爐門須打開，由于空氣熱交換影響致使溫度出現兩個波峰，且最高溫度出現在距中心后方10cm處，即距出口42 cm處。
    由圖3可知，上爐膛深度方向，工況4因風門最大，且燃料及煙氣發生熱交換量偏高，排煙熱損失大，致使其溫度最低：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，在距出口12cm范圍內都出現了波動：工況1較工況2、工況3溫度偏低。
    由圖4可知，在試驗過程中，當風門較大時氧化層溫度偏高易結渣，致使燃料層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。
2.3  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燃料、煙氣和空氣之間熱換交量。
    由于空氣直接從出口進入，增加了燃料、煙氣和空氣間熱換交量對爐溫的影響，使正對出口的寬度方向出現較低的溫度，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較規則的拋物線，如圖6，在第7點出現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。
3、結論
3.1  分布特點
    (1)工況1燃料燃燒較不完全，燃料層容易發生堵塞而熄火，溫度偏低：工況2燃料燃燒完全，燃料層不發生堵塞，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。
    (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1各方向溫度分布都比較均勻。
3.2各工況比較
    (1)在本試驗中，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。
    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，所以必須供給足夠的空氣量。空氣量太少，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。本次試驗中工況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，己達到經濟運行。
4、對改進生物質成型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分、焦碳反應產物CO及單層爐排狀態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，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。本試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組織氣流，一方面使部分爐膛形成死角處于未工作狀態，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律的曲線型：
    (3)由于雙層爐排狀態上爐膛溫度較高，所以可在上爐膛項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120 mm，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，以更好確定最佳工況，富通新能源生產銷售生物質鍋爐，而且我們還大量銷售生物質鍋爐燃燒使用的木屑生物質顆粒燃料。