生物质燃烧技术分析与装置设计

李治平，袁　文*，张宏斌，吴志东,2，许绍华，侯赛忠，张笑语

生物质燃烧技术分析与装置设计

李治平1，袁文1*，张宏斌1，吴志东1,2，许绍华1，侯赛忠1，张笑语1

(1.齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔市开农科技有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

为解决秸秆、稻草、谷皮等生物质的燃烧污染和能源利用问题，通过分析生物质燃烧的机理和特性，改进现有生物质锅炉的本体构造和炉拱结构，优化进料、炉排、除渣、引风、除尘系统，设计了一套生物质成形燃料燃烧和能量回收装置。与现有生物质锅炉对比，改进型装置的技术优势明显，适用于农业废物的处理与综合利用，可实现农业生物质能源的有效利用，有利于燃料的充分燃烧，提升锅炉热效率，减少环境污染。

生物质；燃烧；机理；特性；装置

传统的燃煤锅炉以煤炭为燃料，煤炭是不可再生资源，终将要面临枯竭，而且燃煤锅炉还有能源消耗大、生产成本高、废渣排放多、环境污染严重等诸多弊端[1]。生物质成型燃料(BFF，Biomass Forming Fuels)技术是指将粉碎后的秸秆、稻草、芦苇等生物质颗粒压制成型为棒状，使其密度与普通煤炭相当，大幅提高燃烧值，便于存储与运输[2]。

东北是我国重要的粮食、油料作物产区，每年有大量秸秆在田间焚烧，产生的废气严重污染了环境[3-5]。目前处理秸秆的装置主要为直燃锅炉，其进料门多为砖砌结构，存在密封不严、热量流失大、安全隐患突出等诸多缺点；其水冷振动炉排或固定炉排也容易出现燃料堆积、通风不畅、燃烧不充分等问题。为解决上述问题，需要设计一套适合生物质能量回收利用的装置，达到节能增效目的[6]。

1　生物质燃烧机理与特性

1.1　点火过程

生物质成型燃料(BFF)作为一种固体燃料，其燃烧过程也要经历点火、燃烧等阶段。生物质成型燃料的点火过程是指生物质成型燃料与氧气接触、混合后，从开始反应到温度升高至激烈燃烧前的一段过程。满足生物质成型燃料点火的必要条件是生物质成型燃料表面析出一定浓度的挥发物，同时挥发物周围要有足量的空气，并且具有足够高的温度。生物质成型燃料的点火过程为以下6步。

(1)在热源的作用下，生物质成型燃料表面的水分被逐渐蒸发逸出。

(2)生物质成型燃料表面层燃料颗粒中的有机质开始分解，有挥发性的可燃气态物质分解析出。

(3)当生物质成型燃料表面析出的可燃性挥发物达到一定浓度，并遇到达到燃点的适量空气，生物质成型燃料便开始局部燃烧。

(4)随后着火面积逐渐扩大，生物质成型燃料其他表面部位也不断出现着火点。

(5)着火面迅速蔓延至整个生物质成型燃料。

(6)燃烧区域逐渐深入生物质成型燃料内部一定深度，完成整个点火过程。

影响点火的因素有：点火温度、生物质类型、外界空气条件、生物质成型燃料密度、生物质成型燃料含水率、生物质成型燃料几何尺寸等。生物质成型燃料由含有易挥发可燃组分的生物质在一定温度下挤压而成，其组织结构决定了挥发组分由内向外析出的速率和热量由外向内传递的速率，且点火所需的氧气比原生物质有所减少，因此生物质成型燃料的点火性能比原生物质有所降低，但远远高于型煤，生物质成型燃料的点火特性更趋于原生物质点火特性。

1.2　燃烧机理

生物质成型燃料(BFF)的燃烧过程包括以下四个阶段[7]。

(1)第一阶段为表面燃烧，燃烧过程只在生物质燃料表面进行，O2与生物质燃料中的碳元素发生放热化学反应，形成长火焰；此阶段耗氧量较低，传热较快，火焰温度较低，如图1(a)所示。

(2)第二阶段为过渡区燃烧，挥发物燃烧伴随着部分焦炭燃烧，放热化学反应生成的CO与O2继续结合反应，形成长火焰；此阶段耗氧量增大，燃烧剧烈，释放大量热量，如图1(b)所示。

(3)第三阶段为渗透扩散燃烧，焦炭燃烧产物向外扩散，CO不断与O2结合成CO2，产生灰壳，一段时间后，灰壳增厚，膨胀产生裂缝，形成短火焰；此阶段耗氧量降低，燃烧趋于平稳，燃烧时间较长，如图1(c)所示。

(4)第四阶段为灰块生成，BFF燃尽，形成灰球，无可见火焰；此阶段耗氧和传热结束，如图1(d)所示。

图1　生物质燃烧过程示意

1.3　燃烧特性

(1)农作物生物质的燃烧特性。秸秆类、稻草、谷皮等农作物生物质的挥发组分高达70%，挥发组分燃烧时间短，燃烧耗氧量大，具有体积大、密度小、燃点低、易点火、燃烧速率快、扩散迅速等特点。但是在供氧不足的情况下，易生成CO、H2等不完全燃烧产物，伴随未经传热的高温烟气从燃烧炉排出，带走大量热量，造成热能损失和严重的环境污染[8]。生物质燃烧的速率忽快忽慢，耗氧量与供氧量不平衡，呈现为跳跃式的燃烧形式，使燃烧过程非常不稳定。挥发组分燃烧产物质地松软，悬浮在炉膛中，使燃烧中心偏离，造成热能损失和空气污染。

(2)生物质成型燃料(BFF)的燃烧特性。BFF是指生物质颗粒经高压压制成形的块状燃料，其密度远远大于普通农作物生物质燃料，其紧实的组织结构介于原木制燃料和煤炭之间。相较于普通农作物生物质燃料，BFF燃料的挥发组分的逸出速率和传热速率偏低，燃点偏高，点火性能虽有所降低，但优于普通煤炭。BFF燃料的速率均匀适中，在需氧量与实际耗氧量达到均衡时开始燃烧，燃烧从动力区、过渡区到扩散区稳步蔓延，燃烧状态平稳，燃烧充分，排烟热量损失小。挥发组分燃烧产物紧密排列，固定在基底，保持层状燃烧，有效延长燃烧时间，传热效果显著提升。针对BFF燃料的燃烧特性，开发相应的燃烧装置，对提高生物质能利用率，减少环境污染具有重要意义[9]。

1.4　传热机理

生物质成型燃料(BFF)的燃烧过程传热方式是将热量通过间壁式换热作用在冷热流体之间传递。其机理是当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻分子碰撞，并将能量的一部分传给后者。基于热传导机理，在燃烧装置中，将冷热两种流体以间壁(或隔板)隔开，使高温烟气和低温介质分隔在两端流动，高温烟气将热量随着流动传递给间壁外表面，利用间壁良好的导热性，再将热量传递给递低温介质，以此实现热量在冷热流体间的传递过程。

2　燃烧装置设计

2.1　进料系统

该装置采用液压传动给料，将BFF燃料输送至传送带再由液压推杆将其推进燃烧炉内。由于BFF体积大，为保证进料畅通，该燃烧装置顶部高度设计为1500mm，使得燃烧室空间合理，热效率提高。该进料系统具有作业环境好，自动化程度高，操作简单[8,10]等优点，如图2所示。

2.2　燃烧炉拱

燃烧炉前拱为窑式波形炉拱，后拱为坡型炉拱。这两种炉拱能让BFF燃料充分燃烧，燃烧炉内快速升温且保持恒定。炉墙用轻质型耐火砖砌于炉底座上，内为普通耐火砖，外侧为珍珠岩保温层，起到隔热保温作用。使用耐火混凝土捣制翼形烟道，加入珍珠岩保温层内起到保温隔热作用。在砌筑炉拱时，各角接处应预留膨胀缝，保证热胀冷缩性能。

2.3　装置本体

装置本体由进料系统、炉拱、炉排、锅筒、集箱、水冷壁、下降管、烟管以及引风、除渣、除尘系统组成。采用拱型管板与螺纹管组成的烟管有受热面大、传热面积大、结构紧凑、体积较小等优点。因螺纹管内有烟气扰动，使灰渣不易聚集，可以保证燃烧装置排除灰渣顺畅。在锅筒上设有水位计、安全阀、压力表、排污阀，确保装置安全稳定运行，如图2所示。

图2　装置本体结构形式

2.4　其它结构

(1)炉排及除渣系统。燃烧装置炉排采用链条形式，在原有的链条炉排上加装链节，使BFF燃料在炉排上充分燃烧，提高通风效果。与同规格燃煤锅炉相比，该炉排运行速度提高150%左右，燃料利用率显著提高，燃料输送效果良好。燃烧装置采用刮板式结构除灰渣，可保证排除灰渣工作顺畅。

(2)引风及除尘系统。由于BFF燃料比煤燃点低，容易点火，因此可选用小功率引风机，与同规格燃煤锅炉相比，引风机的功率可减少30%。在燃烧装置运行时，将引风机开启，调节引风机风压，使燃料悬浮在炉排上方呈流化状态。炉膛燃烧内环境为立体式，空气与燃料分布均匀，充分燃烧。BFF燃烧后灰尘比煤灰更细、更轻，更容易悬浮在烟气中，因此锅炉排出的烟气中的烟灰既多又难以排除，通过采用多管除尘器与水膜除尘器结合除尘方法，灰渣依次通过两个除尘器，可将烟气中的灰渣完全除尽，达到环保要求。

2.5　安装要求

该锅炉的安装须按照TSG0001-2012《锅炉安全技术监察规程》和GB50273-2017《锅炉安装工程施工及验收规范》的要求进行，必须由具备与锅炉容量相适应资质的安装单位承担，锅炉安装过程中必须按锅炉及锅炉房设计图纸施工；锅炉辅机的安装应按辅机说明书的要求及相应标准进行；安全阀和压力表应在校验后方可进行安装。

3　结语

为实现生物质再利用和节能减排的目标，针对生物质燃烧的机理和特性，设计了一套生物质燃烧装置。与现有生物质直燃锅炉对比，该燃烧装置采用悬空燃烧、密封炉门、阻火装置、二次风等技术，解决了现有生物质直燃锅炉的技术短板，使燃料燃烧更充分，热效率更高，能量回收利用能力可以达到环保要求。

[1] 路广军.煤与生物质混合燃烧特性实验设计[J].实验技术与管理,2021,38(10):61-64,86.

[2] 王桂英,吴文福,徐岩.生物质燃料在粮食烘干中的应用[J].粮食与饲料工业,2017(7):11-16..

[3] 马隆龙,唐志华,汪丛伟,等.生物质能研究现状及未来发展策略[J].中国科学院院刊,2019,34(4):434-442.

[4] 彭好义,姚昆,曹小玲,等.两种不同生物质成型燃料燃烧特性实验研究[J].太阳能学报,2016,37(4):1002- 1008.

[5] 王华山,房瑀人,成玥祯,等.生物质燃烧特性与动力学分析[J].科学技术与工程,2020,20(24):9886-9892.

[6] 康海燕.玉米秸秆机械化收获技术与秸秆再利用实施途径[J].农机使用与维修,2021(10):137-138.

[7] 廖传华,耿文华,张双伟.燃烧技术、设备与工业应用[M].北京:化学工业出版社,2018.

[8] 刘圣勇.生物质燃烧装备理论与实践[M].北京:科学出版社,2016.

[9] 吉恒松,王谦,郭泽宇,等.高效反烧式生物质成型燃料锅炉的设计与研究[J].锅炉技术,2013,44(4):33-36.

[10]矫金鑫,矫良田.一种圆捆秸秆锅炉给料机: CN209588083U[P]. 2019-11-05.

Biomass combustion technology analysis and device design

LI Zhiping1, YUAN Wen1*, ZHANG Hongbin1, WU Zhidong1,2, XU Shaohua1, HOU Saizhong1, ZHANG Xiaoyu1

(1.School of Mechatronics Engineering, Qiqihar University, Qiqihar, Heilongjiang 161006, China;2.Qiqihar City Kai Nong Technology Co., Qiqihar, Heilongjiang 161006, China)

The burning of biomass such as straw, straw, and husk has problems such as high pollution and low energy utilization. A set of biomass forming fuel combustion and energy recovery device was designed by analyzing the mechanism and characteristics of biomass combustion, improving the body structure and furnace arch structure of the existing biomass boiler, and optimizing the feeding, grate, slag removal, induced draft, and dust removal systems. Compared with the existing biomass boilers, the improved type has obvious technical advantages and is suitable for the treatment and comprehensive utilization of agricultural wastes, which is conducive to the full combustion of fuel, improves the thermal efficiency of the boiler, and reduces environmental pollution.

biomass; combustion; mechanism; characteristics; device

S225

A

2096–8736(2022)02–0022–03

黑龙江省高等教育教学改革研究项目(SJGY20190719)；2021年国家级(黑龙江省)大学生创新创业训练计划资助项目(202110232072、202110232028、202110232158)；齐齐哈尔大学教育科学研究项目(GJZRZX202007、GJZRYB202006)。

李治平(2001—)，男，黑龙江肇东人，大学本科，主要研究方向为农机设计与维修。

通信作者：袁文(1964—)，男，黑龙江巴彦人，硕士研究生，副教授，主要研究方向为过程设备设计。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：唐琦军