1 概述
隨著人類對環(huán)境問題不斷的關注，生物質能作為一種新興的可再生能源越來越受到各國學者的關注。生物質能源具有以下特點：分布廣、資源量豐富、清潔可再生，并且其能源化利用過程中可以實現C02零排放。在我國，農作物秸稈產出量已經超過7×108t，折合成標準煤3.5×108t，若全部利用可以減排8.5×108t的C02。因此，有效利用生物質能源既可緩解溫室效應，又能實現廢棄物再利用，提高農民的生活水平，增加農民收入，具有明顯的經濟效益和社會效益，符合我國現階段的國情。
現階段生物質能利用方式主要包括生物質熱解氣化技術、生物質制沼氣技術、生物質固化成型技術、生物質液體燃料技術、生物質直燃發(fā)電技術等。文獻[1-3]介紹了鏈條爐排爐燃燒生物質燃料的技術現狀，以及燃料變化后所引起的受熱面結渣現象。通過在秸稈壓塊成型過程中加入一定的添加劑，可以減少受熱面結渣現象，筆者在試驗過程中采取了此項解決方案。本文重點介紹燃煤一秸稈壓塊混燒的試驗結果。
2 試驗現場情況
混燒試驗在一臺額定壓力為1.3MPa、額定蒸發(fā)量為10t/h的鏈條爐排爐上進行。鍋爐用戶的特殊生產工藝造成鍋爐熱負荷波動較大，蒸汽質量流量一般為4～8t/h，壓力在0.8MPa左右。
對于純粹燃煤工況，鍋爐正平衡計算熱效率ηp的計算式為：
式中ηp——純粹燃煤工況下鍋爐正平衡計算熱效率
hs——飽和蒸汽的比焓，kJ/kg
hw——鍋爐給水的比焓，kJ/kg
ms——生產蒸汽量，kg
mf——消耗燃煤的質量，kg
Qf——燃煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg
采用純粹燃煤方法，通過測試得到：hs=2770kJ/kg，hw=84kJ/kg，Qf=22583kJ/kg，mf=180.31kg，ms=1000kg，將測試參數代入式(1)，計算得出ηp=65.96%。
在混燒試驗進行前，我們利用熱重-差熱同步分析儀對純粹燃煤情況下的灰渣含碳量、飛灰含碳量進行了測試和分析。對于灰渣含碳量分析，在升溫過程中，110℃以下的質量損失約22%，是灰渣樣本中的水分。400℃以上存在3個失重峰值，其中第一個峰值是揮發(fā)分的失重造成的，另外兩個則是固定碳在不同溫度下的反應失重。分析結果顯示，灰渣中的可燃成分仍占總質量的23.15%左右，這說明燃煤在爐排上的燃盡程度不高，固體不完全燃燒熱損失和氣體不完全熱損失均較大。
由于該爐燃煤顆粒的粒度較小，因此飛灰嚴重，煙道內沉積的飛灰量很大。由飛灰含碳量分析可知，相對于灰渣，飛灰中水分含量較低，僅為6%。在400℃以上僅有兩個失重峰值，飛灰樣本在高溫的煙道內已經沉積了較長時間，因此其揮發(fā)分含量較小，但其中的固定碳含量卻高達30.64%。由此可見，飛灰損失較為嚴重。
3 混燒試驗過程及爐內燃燒情況
與煤混燒的是花生秧秸稈壓塊，其形狀為長方體，尺寸為30mm×30mm×70mm，運輸過程造成少量壓塊破碎成小塊，但粉末狀顆粒所占比例可忽略。由于成型過程中添加劑的影響，秸稈壓塊中灰的質量分數約15%，低位發(fā)熱量約14562kJ/kg?；鞜^程中，秸稈壓塊與燃煤的摻混比例(質量比)為20%～30%。采用人工摻混，煤斗內的混合情況見圖1，兩者混合比較均勻。
煤斗內的混合燃料靠自重下落，經煤閘板后落在爐排前部。由于秸稈壓塊的密度僅為700kg/m3，遠小于燃煤的密度，因此在煤斗內下落過程中，燃煤顆粒與秸稈壓塊之間存在速度滑移，從而形成燃料分層。在爐排上，沿燃料層高度方向，大部分秸稈壓塊分布在燃料層表層，少部分分布在燃料層內。
多數的秸稈壓塊分布在混合燃料層表層，秸稈揮發(fā)分含量高以及揮發(fā)分著火溫度低等特點，決定了混合燃料的著火時間要短于燃煤的著火時間。進入爐膛的秸稈壓塊迅速著火，揮發(fā)分火焰通過導熱和熱輻射方式，將新鮮的燃煤快速預熱，使其揮發(fā)分析出速度有所加快。因此，混燒可有效改善燃煤的著火性能。一旦燃煤揮發(fā)分開始燃燒后，就會將燃煤內的固定碳溫度提高，并使之具備了著火、燃燒的條件。燃料層著火情況見圖2。對比燃煤情況下的著火區(qū)域可以發(fā)現，混燒可有效縮短爐排上的燃料預熱區(qū)長度，一般縮短10cm左右，在爐排總長度一定的情況下，相當于延長了燃料主燃區(qū)長度，從而使燃料燃盡程度和燃燒效率有所提高。
燃料層表層秸稈壓塊的快速著火形成比較長的揮發(fā)分火焰。
由于生物質燃料揮發(fā)分含量高，因此預熱區(qū)送風量要適當增加，以保證揮發(fā)分的燃盡。一般情況下，揮發(fā)分空間擴散燃燒過程需要補充二次風來強化，但由于該爐沒有設計二次風系統(tǒng)，因此只能通過適當開大一次風箱的風門來補充一次風。盡管這種送風方法可在一定程度上確保揮發(fā)分的燃盡，但一次風量提高且事先無預熱，導致大量冷空氣進入爐膛，易造成爐膛溫度降低。利用紅外熱像儀對爐膛溫度的檢測結果證實了這一理論推測，混燒情況下，爐膛溫度一般為1000～1030℃，比純粹燃煤情況下低70～100℃。
混燒不僅改善了燃煤的著火性能，還改善了主燃區(qū)燃料層內空氣與燃料的混合。秸稈壓塊在冷態(tài)情況下是致密的塊狀結構，受熱時揮發(fā)分析出，自身將成為疏松的孔狀結構，且膨脹、體積增大。由圖3可以觀察到燃料層表層的體積膨脹后的秸稈壓塊。燃盡后的秸稈壓塊見圖4，其結構是疏松多孔狀的。
同樣，在燃料層內部，秸稈壓塊同樣會發(fā)生膨脹，使燃料層厚度有所增加，秸稈壓塊附近的煤層將出現孔隙。這樣一來，燃料層通風阻力將有所減小，從爐排底部送入的空氣將更容易滲透到燃料層上部，從而使燃料層還原區(qū)厚度有所減小，C0等不完全燃燒產物生成量有所減少。
對于混燒工況，鍋爐正平衡計算熱效率ηm的計算式為：
式中ηm——混燒工況下鍋爐正平衡計算熱效率
mf,1——秸稈壓塊的質量，kg
Qf,1——秸稈壓塊的低位發(fā)熱量，kJ/kg
當秸稈壓塊的摻混質量比為23%時，通過測試得到：hs=2770kJ/kg，hw=84kJ/kg。消耗燃料的總質量為189.76kg，其中mf=146.11kg，mf,1=43.65kg。Qf=22583kJ/kg，Qf,1=14555kJ/kg。將測試數據代入式(2)，計算得出ηm=68.49%，比純粹燃煤提高了2.53%。
4 結論
① 混燒后經過正平衡計算，鍋爐熱效率提高到68.49%，比純粹燃煤情況下提高了2.53%，并降低了燃料成本。
② 秸稈壓塊與燃煤在一定的摻混比例下混燒，可有效改善燃煤的著火性能，使爐排主燃區(qū)長度增加，燃煤燃盡程度提高。
③ 秸稈壓塊燃盡后的疏松結構，有效降低了燃料層的通風阻力，空氣與燃料的混合加強，從而提高了燃燒效率，并且該疏松結構可以束縛內部灰粒，抑制熔融性飛灰造成的受熱面結渣。
