秸秆打捆燃料链条锅炉的设计与研究

摘 要：针对目前秸秆打捆燃料难以充分燃烧及现有燃烧设备与之不兼容的问题，依据秸秆打捆燃料燃烧的独特性，对炉膛结构进行了改良，并开发了一种适用于此类燃料的链条炉排蒸汽锅炉。该锅炉采用单锅筒纵向布置的设计，配备有链条炉排和多管旋风除尘系统。试验结果显示，锅炉的燃烧效率达到98.52%，热效率达到82.38%；同时，烟气中的主要污染物——氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）及颗粒物的排放浓度分别仅为105、28、22 mg/m3，林格曼黑度也低于1级。这些数据表明，该锅炉不仅具有较高的热效率，而且其污染物排放浓度极低，完全满足我国锅炉污染物的排放标准，因此具有显著的环境和社会效益。

关键词：秸秆；打捆燃料；链条炉排；热效率；污染物

中图分类号：S216.2 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）13-135-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.13.031

0 引言

进入21世纪后，随着改革开放的深入，中国的经济得到了快速发展，但是能源的短缺却成了制约经济发展的一个重要因素［1］。生物质作为一种兼具可再生性和环保性的能源，其消费量已经排在石油、煤炭、天然气之后，位居第四［2］。中国是个农业大国，每年都会产生大量的秸秆，其中以玉米、小麦等秸秆为主，而这些生物质大部分都被扔掉或烧毁了，浪费了大量的资源［3］。夏秋两季农田收割废弃的水稻、小麦、玉米等农作物秸秆，经机械压缩、打包捆装、自然干燥等工艺，即可作为锅炉的燃料。但常规的散烧法效率不高，悬浮式燃烧则需要更高的颗粒度，且成型燃料能耗较高［4］。秸秆焚烧排放的二氧化碳与农作物从大气中吸收的二氧化碳基本一致，因此，秸秆焚烧被视为一种高效的“碳中和”途径［5］。

近年来，秸秆打捆技术得到了显著改进，包括秸秆的收集、压缩成型、打包等方面的技术都有所提升。秸秆捆烧技术历经多年研究，在设备结构、配风方式上都具有了较大的突破与创新［6］。刘圣勇等［7］学者对生物质捆烧技术开展了一定的研究，取得了一定的成果，研发出的第一代捆烧锅炉热效率可达到73.13%，但存在自动化程度不高、缺乏相应的烟气治理系统等问题。在层燃炉中，选用固定炉排和下饲式燃烧，一般锅炉热功率小于0.7 MW；如果采用链条炉排或往复炉排燃烧，一般锅炉热功率可超过0.7 MW［8］。笔者通过对相关秸秆打捆锅炉进行研究，设计出层状燃烧方式的链条炉排，旨在解决原本生物质锅炉运行不稳定、热效率低、打捆燃料燃烧不充分、初始排放浓度高、维保管理烦琐等问题。

1 试验装置及设计

1.1 设计参数

该秸秆打捆燃料链条炉排锅炉，依据秸秆打捆燃料燃烧的独特性，对炉膛结构进行了改良，进行了重新设计，具体设计参数如表1所示，辅机参数如表2所示。

1.2 设计依据

该设计依据下列标准进行：TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》；NB/T 47034—2021《工业锅炉技术条件》；GB/T 16508.1～GB/T 16508.8—2022《锅壳锅炉》；GB/T 5468—1991《锅炉烟尘测试方法》；GB/T 17954—2007《工业锅炉经济运行》；GB/T 1576—2018《工业锅炉水质》；GB 50273—2022《锅炉安装工程施工及验收标准》；GB 50211—2014《工业炉砌筑工程施工与验收规范》；TSG 91—2021《锅炉节能环保技术规程》等；DB42/T 1906—2022《生物质锅炉大气污染物排放标准》。

1.3 锅炉主体结构及运行原理

该锅炉是一种以生物质为燃料、以单锅筒纵置式水火管方式布局的锅壳锅炉。该锅炉系统由锅炉主机、链条炉排、燃料输送平台、铸铁省煤器、除尘器、鼓风机、引风机、烟风道、烟囱、阀门仪表、安全联锁保护装置、电控柜等组成。炉膛左右两侧的水冷壁为辐射受热面，炉膛两翼为对流受热面，锅筒内布置螺纹烟管对流受热面，炉墙采用耐火砖砌筑部分采用耐热混凝土浇筑捣制成型工艺，锅炉主机外侧为立体形护板外壳。一次风机及二次风机均配有变频器，可精确控制一次风机及二次风机的进风量。锅炉结构如图1所示。

锅炉选用层状燃烧方式的链条炉排，可燃烧捆装生物质秸秆（稻秆、麦秆、玉米秆等），有以下优点：技术成熟、运行可靠、维保管理方便。炉膛采用大容积设置，前后拱布局适中，满足捆装生物质燃料的燃烧特征。前拱上的二次风机装置，下倾角为25°，保证送风有足够的风压穿透力，既可以保证未完全燃烧烟气的二次燃烧，又可以起到对炉膛烟气的搅动降速降尘的效果［9］。中拱通过设置挡火墙，不仅可以增加烟气的滞留时间，而且对传热也有一定的强化作用。后拱的合理布置可以提前进行燃料干燥，对于挥发分的析出和燃烧也有一定的提升［10］。用拱形管板和带螺纹的烟管构成锅筒，将其从准刚性体变为准弹性体结构，取消了管板区的拉撑件，减小了应力。采用一种新的工艺，将管板内烟管改造成单回程，从而很好地解决了管板开裂的问题。在锅筒的下部，纵向布置了两排水冷壁，这些水冷壁从锅筒内壁向内伸出40 mm。这样的设计有助于提高传热效率，改善水循环，并确保锅筒内的温度分布更加均匀。对螺旋形烟管对换热进行了强化，使换热系数大大增加，使其热效率大大提高。当烟流速度为6～10 m/s时，烟管中不容易积灰，实现了自清。在炉墙、排烟窗及两侧的烟道部位都有一定的降尘效果，以此确保了锅炉的烟气排放符合国家环境保护要求［11］。

打捆燃料通过成捆燃料输送平台，平台配置有隧道式软封闭燃料通道，有利于控制过量空气进入炉内，可以有效控制烟气中氮氧化物的生成量。燃料进入炉膛在炉排上的炉拱内燃烧，燃烧火焰从前后拱的烟气出口进入炉膛中对辐射受热面进行加热，当燃料在一级燃烧室中开始燃烧时，由炉排下部送来一次风，而前拱上部为二次风，这样的布置更有利于挥发分的充分燃烧。多拱形结构可使烟气在燃烧室中停留的时间更长，保证燃烧更充分，换热效果更好。第三燃烧室既是燃尽室，又是烟灰沉淀室，大粉尘因其自身重力及惯性作用而沉降，可通过炉壁上的清灰装置进行定时清理。高温烟气在锅筒尾部被分流至两侧的出烟窗，进入由双翼对流管束组成的双翼烟道，然后在前烟箱折回，进入螺旋烟管，再通过省煤器和除尘器，由风机将其排放到大气中。

1.4 炉膛和炉排计算

由公式（1）和公式（2）可以分别计算出炉膛容积和炉排面积，之后就可以确定炉膛尺寸［12］。

[R=BQnet，arqR]" " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

[V=BQnet，arqV]" " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式（1）和式（2）中，[qV]为炉膛容积强度，kW/m3； [qR]为炉排面积的热强度，kW/m2；B为燃料消耗量，kg/s；Qnet，ar为收到基（ar）低位发热量，kJ/kg；V为炉膛容积，m3；R为炉排面积，m2。

1.5 受热面计算

锅炉受热面可划分为辐射式和对流式两种形式，其产生的热能通过辐射与对流两种方式向工质水传输［13］。

1.5.1 辐射受热面

首先，假设炉口烟气温度、排烟温度；然后，依据实测的辐射受热面面积来确定辐射受热面的热强度，并对其进行校验，使其在±100 ℃以内。根据式（3）至式（5）［12］，得到辐射受热表面的尺寸。

[θll=Nα\"l+e]" " nbsp; " " " " " " " " " " " " " （3）

[Qf=θll-θ\"ljθll-θpyQgl]" " " " " " " " " " " " " " （4）

[Hf=Qfqf]" " " " " " " " " " " " " " " " "（5）

式（3）至式（5）中，[θll]为理论燃烧温度，℃；[α\"l]为炉口过量空气系数；N为燃质系数；e为燃料系数；[θ\"lj]为炉口烟气温度，℃；[Qgl]为锅炉的有效利用热量（通过热平衡计算得到），kW；[θpy]为排烟温度，℃；[Qf]为辐射受热面吸热量，kW；[Hf]为有效辐射受热面积，m2；[qf]为辐射受热面的热强度，kW/m2。

1.5.2 对流受热面

首先，假设受热面的出口温度；然后，检验对流放热量，根据公式（6）确定烟气侧的放热量，用公式（7）确定受热面的热量。只有这2个数值的误差在2%以内，才能被认为是合格的［14］。

[Qrp=φI'-I\"+ΔαIOlk]" " " " " " " " nbsp; " （6）

[Qcr=3.6KHΔtBj]" " " " " " " " " " " " " " （7）

式（6）至式（7）中，Qrp为烟气侧放热量，kJ/kg；[φ]为保热系数；I′为受热面入口烟气焓，kJ/kg；I″为烟气焓，kJ/kg；Δα为受热面漏风系数；[IOlk]为冷却空气的理论焓，kJ/kg；Qcr为受热面的传热量，kJ/kg；K为热传递系数，W/（m2·K）；H为对流受热面积，m2；Δt为对流受热表面的出入口温度差，℃；Bj为燃料消耗量，kg/h。

1.5.3 除尘器选型

陶瓷旋风除尘器是一种旋流式收尘器，在导流板的带动下，气流沿圆周方向呈螺旋状向下流动，高密度的粉尘与气流被离心力分离，抛落在筒壁上的灰尘在重力的作用下落到箱体中，经净化后的气体呈向上旋流，经排气管排放，实现除尘。该结构适用于大中型工业锅炉排气的除尘。烟气净化除尘系统结构如图2所示。

2 秸秆打捆燃料链条锅炉运行试验

通过产品研发验证关键技术的可靠性和必然性，继而开发出高效、节能、环保的锅炉产品并推向社会普遍使用［15］。试验项目包括：进行热工性能试验、空气污染物排放试验等，检验其是否符合相关的热效率及污染物排放标准。

2.1 试验材料、装置及仪器

试验材料：与玉米秸秆相比，小麦秸秆具有更低的密度，其内部结构疏松，有利于传热，如表3所示。因此，此次试验选择了一种尺寸为460 mm×360 mm×360 mm的长方体打捆麦秆作为燃料，用打捆机对其进行拾取和打捆，其质量为每捆6.7 kg。

试验装置：DZL1-1.25-SCⅢ型秸秆打捆燃料链条炉排锅炉装置。该装置由笔者所在研团队自主研发，并委托河南恒鑫锅炉有限公司制造，如图3所示。

试验仪器：采用德国菲索AFRISO烟气分析仪MULTILYZER STX M60X，对烟气中O2、CO2、CO、SO2和NOx等气体的含量进行了实时测定，其准确度达到±5%；采用ZR-3260型自动烟尘烟气综合测试仪，对烟尘进行取样，准确度为±5%；IR-AH手持红外线温度仪，准确度为±1℃；EcoScan Temp JKT热电偶温度计，具有±0.3%的准确度；具有±1%准确度的烟气黑度仪；皮托管和AMI310便携式多功能测量仪主要用于测量风速、风压等参数。另外，还有烘干箱、马弗炉、尺子、秒表、温度计等。

2.2 试验方法

在试验前，应做好以下几个方面准备：选定测试点，预先进行钻孔，以保证试验设备和试验系统的安装与调试；保证各种辅机的正常工作，保证机组的安全稳定运行；对主蒸汽温度、主蒸汽压力、蒸汽流量、给水流量、引风机电流、电量等进行检查，以保证其显示的准确性和有效性；检查阀的控制系统是否正常工作。在60%、80%、100%的额定负载下，对该装置进行热效率试验。检测烟气成分（包括含氧量、一氧化碳等）。记录各负荷下的运行参数，如燃烧效率等。在不同的负荷条件下进行试验，记录相应的热效率。通过烟气分析仪等工具测量烟气中的氧气、一氧化碳等成分。使用专用设备检测漏风情况，包括漏风率和漏风系数。记录运行参数，分析试验数据，确保符合国家规定的标准要求。以上步骤可以全面评估所设计的秸秆捆烧设备的热工性能和环保指标，确保其在不同负荷下均能满足上述国家标准要求。这些测试不仅有助于验证设备的设计是否合理，还能为设备的优化提供宝贵的试验数据。

2.3 结果分析

以位于河南省太康县的河南恒鑫锅炉有限公司为试验场地，先对其进行了2 d的预燃试验，将锅炉生产时残存在炉体内的水分完全气化，保证锅炉处于良好工况。在正式试验中，每一种工作状态连续试验4 h以上。试验结果如表4所示。

根据试验结果分析可知，该锅炉的各项性能指标均满足设计要求，100%运转时，其热效率可达82.38%，比第一代捆烧锅炉有明显提高，其烟气中SO2、NOx、颗粒物含量及林格曼黑度均满足环保标准［16］。该链条炉排锅炉不仅提高了热效率，还有效控制了污染物排放，这对生态保护有重要意义。此外，良好的设计和高效的热利用使得该类型的锅炉成为一种既经济又环保的选择。这种链条炉排锅炉的设计成功，为未来的生物质燃料锅炉设计提供了有价值的参考［17］。

3 结论

试验结果表明，秸秆打捆燃料可以在该链条锅炉中高效、稳定地燃烧；与第一代捆烧锅炉相比，该锅炉具有热效率更高、技术成熟、运行可靠、维保管理方便等优势。在额定工作条件下，该锅炉蒸汽输出量可达980 kg/h，蒸汽压力可达1.1 MPa，蒸汽温度可达188 ℃，与预期设计要求基本一致，燃烧效率高达98.52%，热效率高达82.38%。研究结果表明，采用链式炉排、多拱炉膛可以有效地解决秸秆打捆燃料的燃烧不完全问题，烟气中的NOx、SO2、颗粒物含量分别为105、28、22 mg/m³，远远低于燃煤锅炉的相应指标标准，满足了国家对工业锅炉大气污染物的排放要求，展现出了良好的环境效益和广阔的应用前景。

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基金项目：生物质捆烧关键技术及设备研发（30803163）；河南省科技攻关项目（232102321084）；河南省联合基金（应用攻关类，242103810015）；河南农业大学“百千万科教服务行动”基金项目（2024SFBQW22）；本科高校研究性教学改革研究与实践项目（2022SYJXLX014）。

作者简介：赵向南（1987—），男，硕士，高级工程师，研究方向：特种设备检验与评价。

通信作者：刘圣勇（1964—），男，博士，教授，研究方向：可再生能源转换与利用技术。