PDF《生物质颗粒燃烧器燃料适应性试验》

第30 卷第7期农业工程学报Vol.

30 No.7

2014 年4月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr.

2014 197 生物质颗粒燃烧器燃料适应性试验 王月乔 1,2,3 ,田宜水 1,3 ,侯书林

2 ,赵立欣 1,3 ,孟海波 1,3 (1. 农业部规划设计研究院,北京 100125;

2.中国农业大学工学院,北京 100083;

3.农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京 100125) 摘要:为深入研究生物质颗粒燃料的燃烧特性,探讨自动燃烧器的燃料适应性,该文基于 PB-20 型生物质颗粒 燃烧器,选择了

5 种灰分小于 25%(空气干燥基)的颗粒燃料,分别研究了燃烧工况中进料量和空气量对燃烧性 能的影响.试验结果表明灰分含量大于 20%的颗粒燃料燃烧不充分,工况不稳定,效率低,结渣大,易熄火,不 适用于此类生物质颗粒燃烧器;

灰分含量为 12.40%的颗粒燃料推荐参数为进料量

4 kg/h,风机转速

2 600~

2 800 r/min,清渣速度为

3 r/min,转5s/停35 s;

灰分在 7.21%的颗粒燃料推荐控制参数为进料量 3~4 kg/h,风 机转速

2 600~2

800 r/min,清渣速度相对应为

3 r/min,转5s/停60~55 s;

灰分值低于 1%的颗粒燃料均以进料 量3~4 kg/h,风机转速

2 600~2

800 r/min,不需清渣为推荐参数.该研究总结了生物质颗粒燃烧器的燃料适用 控制参数,为燃烧器的推广应用提供了数据支持. 关键词:生物质;

燃料;

燃烧;

生物质颗粒燃烧器;

灰分;

进料量;

风机转速;

燃料适应性 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.07.023 中图分类号:TK6 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2014)-07-0197-09 王月乔,田宜水,侯书林,等.生物质颗粒燃烧器燃料适应性试验[J].农业工程学报,2014,30(7):197-205. Wang Yueqiao, Tian Yishui, Hou Shulin, et al. Experiment on fuel flexibility of biomass pellet burner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(): 197-205. (in Chinese with English abstract)

0 引言生物质能具有环境友好和可再生的双重属性, 其中,生物质固体成型燃料取之于农林废弃物,燃烧特 性明显改善,成为生物质能的主要利用方向之一[1-5] . 生物质颗粒燃料作为一种典型的生物质固体 成型燃料,直径小于

25 mm,体积只有压缩前的 1/8~1/6,且体积和质量较为均匀,流动性较强. 燃烧使用过程中,点火容易,燃烧高效,易于自动 控制,且CO2 零排放,SO2 低排放[6-10] . 生物质颗粒燃料燃烧器是一种典型的燃烧生 物质颗粒的设备,在日本及欧洲一些国家应用比较 成熟,已经实现产业化经营[11-14] . 国外的颗粒燃料以木质为主,种类单一[15] .但 是中国生物质颗粒燃料原料种类多样化[16] ,理化特 性差异大,不同颗粒燃料的燃烧特性有所不同,使 得生物质颗粒燃料燃烧器的燃料适应性不佳,造成 生物质颗粒燃料燃烧器使用范围不广等问题. 收稿日期:2013-06-10 修订日期:2014-02-24 基金项目: 十二五 国家科技计划课题(2012BAD30B02) 作者简介:王月乔(1989-) ,女,河北保定人,研究方向为机械制造 及其自动化.北京 农业部规划设计研究院,100125. Email:[email protected]. 通信作者:田宜水(1972-) ,男,研究员,主要从事节能,可再生 能源技术和设备的研究、开发与推广,以及能源政策的研究等工作.北京农业部规划设计研究院,100125.Email:[email protected]. 目前,国内生物质颗粒燃料燃烧方面的文献多 为研究颗粒燃料本身的燃烧特性,王惺等[17] 、王翠 苹等[18] 利用热重分析技术研究了多种生物质颗粒 的点火及燃烬特性,苏俊林等[19] 重点研究了玉米秸 秆颗粒的热工特性,罗娟等[20] 研究了生物质颗粒燃 料的燃烧特性及污染物排放特性,侯中兰等[21] 、袁 海荣等[22] 研究了点火的影响因素, 徐飞等[23] 研究了 生物质颗粒燃料的热风点火性能,总结了最佳点火 控制条件. 由于农作物秸秆具有周期性,为保证周年生 产,一般采取原料来源多元化的方式,而同一地区 不同种类的秸秆其特性差异较大[24] ,造成同一燃烧 设备需要适应多种生物质燃料. 但是, 设备制造后, 一般难以调整.因此,需要针对生物质燃料燃烧设 备的燃料适应性方面开展研究,明确运行工况. 罗娟等[20] 、 姚宗路等[25] 的文章中均指出颗粒燃 料的灰熔融点、灰分值对燃烧的结渣情况等有影 响,同时,实际燃烧中,发现不同灰含量的生物质 颗粒燃料的燃烧状态有很大不同.因此,本文将灰 分值作为选择燃料的主要依据,探讨不同灰分的颗 粒燃料的适应性. 本文拟基于农业部规划设计研究院研制的 PB-20 型生物质颗粒燃料燃烧器[26-28] ,使用多种不 同灰分的生物质颗粒燃料,选取不同进料量,不同 风机转速,测试燃烧器的热工性能,分析生物质颗 ・农业生物环境与能源工程・ 农业工程学报

2014 年198 粒燃料燃烧的效率变化以及其成因,得出适用于 15~25 kW 生物质颗粒燃料燃烧器的燃料最佳匹配 进料和进风,为今后生物质颗粒燃烧设备的推广研 究提供数据支持.

1 原料及试验设备 1.1 试验原料 本试验所用的生物质颗粒燃料依据燃料灰分 值介于 0~25%之间依次选择了秸秆和木质共

5 种. 所有颗粒燃料均采用环模成型工艺[2,29] ,基本外形 尺寸为直径 6~8 mm,长度 10~30 mm,颗粒密度 约为 1.2~1.8 g/cm3 .5 种生物质颗粒燃料的工业分 析、元素分析以及热值见表 1.其中,颗粒

1 的灰 份偏高, 为24.41%, 主要原因可能为收获和加工过 程混入土壤等杂质. 表15种生物质颗粒燃料的工业分析、元素分析和低位发热量 Table

1 Proximate analysis, ultimate analysis and net calorific value of

5 kinds of biomass pellets 工业分析 Proximate analysis 元素分析 Ultimate analysis 颗粒 编号 No. 颗粒原料 Pellet material 灰分 Ash/% 全水分 Total moisture/% 挥发分 Volatile/% 固定碳 Fixed carbon/% 碳C/% 氢H/% 氧O/% 氮N/% 硫S/% 低位发热量 Net calorific value/ (kJ・kg-1 )

1 玉米秸秆(高灰) 24.41 7.33 60.14 8.12 34.81 5.67 34.22 0.59 0.45

11501 2 玉米秸秆 12.40 8.44 70.67 8.49 40.32 5.75 31.06 0.70 0.52

13537 3 红松 7.21 9.23 69.70 13.86 42.78 6.00 39.69 0.14 0.54

14729 4 锯末 0.87 8.91 77.68 12.54 45.09 6.63 44.93 0.09 0.57

15158 5 橡木 0.32 5.52 86.53 7.63 48.69 6.53 35.33 0.06 0.54

16712 注:试验依据标准:NY/T 1881.1-2010 生物质固体成型燃料试验方法[30] ;

测定颗粒原料制样后的空气干燥基;

表中数据均为质量分数. Note: According to the standard of NY / T 1881.1-2010: Biomass solid fuel test methods;

Air dried basis samples were used in the test;

Data in the table are the mass fraction. 1.2 试验装置及平台 1.2.1 试验仪器及装置 试验仪器:GJ-2 封装式化验制样粉碎机(河南 省天弘仪器有限公司)、6100 氧弹热量计(Parr 公司)、SA223S-CW 型分析天平(赛多利斯科学仪 器(北京)有限公司)、101-1A 型电热鼓风干燥箱 (河南省天弘仪器有限公司)、XL-1 箱型高温炉 ( 河南省天弘仪器有限公司)、2400Series Ⅱ CHNS/O 元素分析仪(PE 公司)、3012H 型烟尘/ 烟气分析仪(青岛崂山应用技术研究所) 、KM9106 烟气分析仪(英国凯恩公司) 、6 mm 孔径筛(安平 分样筛厂) 、热电偶(0~1 200℃,定做) . 试验装置:农业部规划设计研究院研究制作的 PB-20 型生物质颗粒燃烧器[26-28] ,设计热功率为 15~25 kW,点火丝

300 W,风机

25 W,进料电机

25 W,清渣电机

15 W.如图

1 所示,该燃烧器为 上进料式,主要由点火丝、风机、清渣电机及进料 电机(位于落料管上方,通过耐热软管与落料管连 接,图中未画出)组成,点火时间、进料量、风机 转速及清渣频率等控制参数可通过生物质燃烧设 备监控平台进行调节. 1.2.2 试验平台 本文试验是在农业部规划设计研究院依据《工 业锅炉热工性能试验规程 GB/T 10180-2003》[31] 研 发的生物质燃烧设备监控平台[32] 上完成,如图

2 所示.本生物质燃烧设备监控平台包括上位机、燃烧 器和锅炉系统以及多个数据采集传感器,可对生物 质颗粒燃烧器的燃烧控制参数进行调节,也对生物 质锅炉的进出水温、 进出冷热空气温、 循环水流量、 O2/CO 等多个燃烧性能热工参数进行采集和处理. 表2为拟测量的热工参数. 1.清渣螺旋 Slag spiral 2.落料管 Blanking tube 3.控制盒 Control box 4.风机 Fan 5.清渣电机 Slag motor 6.点火丝 Igniter 7.燃烧室 Combustion chamber 注:引自参考文献[26-28]. Note: Cited reference [26-28]. 图1生物质颗粒燃烧器 Fig.1 Biomass pellet burner 第7期王月乔等:生物质颗粒燃烧器燃料适应性试验

199 1.点火丝 Igniter slag spiral 2.风机 Fan 3.清渣电机 Slag motor 4.火焰 传感器 Flame sensor 5.炉膛温度传感器 Temperature sensor in furnace 6.出水温度传感器 Temperature sensor in water-outlet 7.进水温度传感器 Water-inlet temperature sensor 8.循环水流量传感器 Circulating water flow sensor 9.计算机 Computer 10.入炉冷空气温度传感器 Temperature sensor of air into the furnace 11.烟道压力传感器 Flue pressure sensor 12.排烟温度传感器 Gas-in-flue temperature sensor 13.CONS 传感器 CONS sensor 14.进料电机 Feed motor 注:引自参考文献[32] Note: Cited reference [32] 图2生物质燃烧设备监控平台示意图 Fig.2 Diagram of biomass combustion equipment-monitoring platform 表2试验中需要测试的热工参数 Table

2 Main thermodynamic parameters 热工参数 Thermodynamic parameters 测试传感器/仪器 Test sensor/instrument 备注 Remark 热水锅炉循环量 G/(kg・h-1 ) 脉冲型水流量计 进水管

1 m 内 热水锅炉进水温度 tjs/℃ PT1000 热敏电偶 进水管

1 m 内 热水锅炉出水温度 tcs/℃ PT1000 热敏电偶 出水管

1 m 内 燃料消耗量 B/(kg・h-1 ) 电子台秤 测试标定 输入热量 Qr/(kJ・kg-1 ) Parr

6100 氧弹热量计 为低位发热量 炉渣质量 Glz/(kg・h-1 ) 电子台秤 炉渣可燃物含量 Clz/% XL-1 箱型高温炉、SA223S-CW 型分析天平 排烟处 RO2 含量 R/% KM9106 烟气分析仪 排烟道

1 m 内 排烟处 O2 含量 O/% KM9106 烟气分析仪 排烟道

1 m 内 排烟处 CO 含量 E/% KM9106 烟气分析仪 排烟道

1 m 内 入炉冷空气温度 tlk/℃ PT1000 热敏电偶 为室温 排烟温度 tpy/℃ PT1000 热敏电偶 排烟道

1 m 内 燃烧室排出炉渣温度 tlz/℃ PT1000 热敏电偶 注:引自参考文献[31,33];

RO2 为二氧化物,一般为 CO2 与NO2 含量之和. Note: Cited references [31,33]. RO2 is dioxide, RO2 =CO2+NO2. 1.3 试验方法 1.3.1 测试燃烧特性 PB-20 型生物质颗粒燃烧器设计功率为 15~

25 kW,所以每种颗粒均分别选择

3 种进料量,为

3、

4、5 kg/h,颗粒燃料的热输入如表

3 所示;

风 机转速分为 0~9 等,正弦波调速,0~2

800 r/min,

5 级以下风量过小,不适用于正常燃烧状态.通过 前期试验我们发现,由于风量与压力有关,微调风 机转速,风量及过量空气系数变化不敏感,因此选 择了

5、7 和9共3种转速,为

2600、2

700、

2 800 r/min,做3*3 种工况测试. 表35种颗粒燃料的理论输入功率 Table

3 Theoretical input power of

5 kinds of pellet fuel 不同进料量的理论输入功率 Theoretical input power of

3 kinds of feed rate/kW 颗粒编号 No.

3 kg・h-1

4 kg・h-1

5 kg・h-1

1 9.58 12.78 16.00

2 11.28 15.04 18.80

3 12.27 16.37 20.46

4 12.63 16.84 21.05

5 13.93 18.57 23.21 每种工况单独测试,清渣电机则在燃烧过程中 多次调试,取燃烧状况最好的情况下的电机转速和 停机占空比;

待燃烧稳定后,连续测试

1 h. 每隔

1 min 记录测试参数,烟尘排放每隔

15 min 测量

1 次. 1.3.2 测试灰渣特性 试验开始前,将炉膛内底灰清理干净,试验结 束后,使用热电偶测量灰渣温度,并取出全部底灰 及渣块,迅速平摊散热,防止在空气中继续燃烧, 称量灰渣质量.将全部灰渣研磨成粒径小于

100 目 的粉末,取空气干燥基测取底灰可燃物含量.

2 性能指标 锅炉热工性能是指锅炉的热力学效率,用来评 判锅炉性能.由于国家未发布生物质颗粒燃烧器测 试标准,可测试配套锅炉热工性能,反推燃烧器性 能.本文依据《工业锅炉热工性能试验规程GB/T 10180-2003》[31] 重点考察燃烧器的燃烧效率、 其中的各项热损失以及烟尘排放,通过分析可以得 到不同灰分值的燃料在不同风机转速下的燃烧状 态及原因,为研究燃料的适应性和燃烧器及燃烧系 统的改进优化提供参考. 2.1 燃烧效率 燃烧效率取反平衡效率,通过确定锅炉各项热 量损失,根据热平衡方程确定锅炉效率: η=100%?(q2+q3+q4+q5+q6) (1) 式中:η 为燃烧效率,%;

q2 为排烟热损失,%;

q3 为气体不完全燃烧热损失,%;

q4 为固体不完全燃 烧热损失,%;

q5 为散热损失,%;

q6 为灰渣物理 热损失,%. 其中 q2 排烟热损失主要与排烟温度和冷空气 温度差相关,排烟温度由锅炉的热交换决定,q5 散 热损失同样主要由锅炉大小决定,因此可不考虑 q2 和q5.燃烧器的燃烧效率为公式(2) : η =100%?(q3+q4+q6) (2) 农业工程学报

2014 年200 2.2 热损失 2.2.1 气体未完全燃烧热损失 q3 q3=(1?q4)*Vgy*12636*E/Qr*100%(3) 式中:Vgy 为排烟干烟气体积,m3 /kg;

E 为CO 排 放量,%;

Qr 为输入热量,即低位发热量,kJ/kg. 2.2.2 固体未完........