PDF《抗结渣生物质固体颗粒燃料燃烧器研究 *》

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0 年11 月农业机械学报第41 卷第11 期DOI:10.

3969 / j. issn. 1000鄄1298. 2010. 11.

017 抗结渣生物质固体颗粒燃料燃烧器研究* 姚宗路摇 孟海波摇 田宜水摇 赵立欣摇 罗摇 娟摇 孙丽英 (农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所, 北京 100125) 摇摇揖摘要铱摇 针对我国秸秆类生物质颗粒燃料灰含量高、灰熔点低而导致燃烧过程中易结渣、燃烧器易熄火、燃烧 不稳定等问题,采用多级配风原理,设计出高效双层燃烧筒装置,实现三级配风,同时研究了螺旋清灰破渣机构,并 在此基础上研制了生物质颗粒燃料燃烧器. 采用玉米秸秆颗粒燃料和落叶松木质颗粒燃料进行了燃烧试验,试验 结果表明,本燃烧器的多级配风结构和破渣清灰机构设计合理,燃烧效率达到 91% ,能够有效地将燃烧过程中产生 的灰渣排出,结渣率明显下降,实现了连续稳定燃烧. 与瑞典 PX

20 型燃烧器相比,以玉米秸秆颗粒为燃料时,本 燃烧器燃烧效率提高了 9% 、结渣率降低了 25郾94% ,燃料适应性广. 关键词: 生物质能摇 颗粒燃料摇 燃烧器摇 秸秆摇 设计摇 试验 中图分类号: S216 文献标识码: A 文章编号: 1000鄄1298(2010)11鄄0089鄄05 Design and Experiment on Anti鄄slagging Biomass Pellet Fuel Burner Yao Zonglu摇Meng Haibo摇Tian Yishui摇Zhao Lixin摇Luo Juan摇Sun Liying (Institute of Energy and Environmental Protection, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China) Abstract A new burner, named PB

20 biomass pellet fuel burner, was developed at the Chinese Academy of Agricultural Engineering to solve the problem of easy flameout and slagging of burner during pellet combustion as there were higher ash and lower ash melting temperature in the pellet made of crop straw in China. The double combustion cylinder efficient device which adopted multi鄄level wind principles, a helix device breaking slagging and cleaning ash were designed. Combustion experiment with the corn straw pellet fuel and larch wood pellet was conducted after this pellet burner was made. The results showed the burner worked well and the ash and slagging were expelled because of double combustion cylinder efficient and helix device. The slagging rate is 23% and the combustion efficiency is up to 91% . The slagging rate of PB

20 biomass pellet fuel burner decreased by 25郾94% and combustion efficiency increased by 9% compared with burner made from Sweden. Key words摇Biomass energy, Pellet fuel, Burner, Crop straw, Design, Experiment 收稿日期:

2010 04 27摇 修回日期:

2010 05

04 * 农业部引进国际先进农业科学技术项目(2008G2) 作者简介: 姚宗路,工程师,博士,主要从事生物质能技术与设备开发与利用研究, E鄄mail: yaozonglu@ 163. com 通讯作者: 田宜水,高级工程师,主要从事节能、可再生能源技术和设备开发与推广研究, E鄄mail: yishuit@ yahoo. com 摇摇引言 生物质颗粒燃料是一种典型的生物质固体成型 燃料,具有高效、洁净、容易点火、 CO2 近零排放等优 点,可替代煤炭等化石燃料应用于炊事、供暖等民用 领域和锅炉燃烧、发电等工业领域,近几年来在欧 盟、北美、中国得到了迅速发展[1 ~ 3] . 生物质颗粒燃 料另一优点是能够应用于小型生物质锅炉、热风炉、 采暖炉中,通过采用颗粒燃料燃烧器实现自动控制 以及连续自动燃烧[4 ~ 5] . 经过多年的研究,生物质颗粒燃烧器已经得到 了迅速发展,尤其是在瑞典,仅2006 年生物质颗粒 燃烧器( <

25 kW)年销售量达到

32 000 台[6] . 根据 进料方式不同,燃烧器可分为

3 种类型:上进料式、 下进料式、水平进料式,目前欧洲市场上多采用上进 料式颗粒燃烧器[7 ~ 8] . 这些燃烧器主要采用木质颗 粒作为燃料,木质颗粒具有热值高、灰分低、灰熔点 较高,燃烧后不易结渣等优点,因此国外燃烧器在设 计方面没有专门的破渣、清灰机构,多采用人工清 灰,间隔在

1 ~

2 周[9 ~ 10] . 近年来我国在生物质燃 气燃烧器方面进行了一些研究[11] ,但在生物质固体 成型燃料燃烧器方面的研究较少,同时由于我国的 生物质成型燃料以农作物秸秆为主,与木质颗粒燃 料相比,秸秆类颗粒燃料中的灰分高、灰熔点低、碱 金属含量较高,燃烧过程中易出现结渣、碱金属及氯 腐蚀、设备内积灰严重等问题[12 ~ 13] ,试验表明国外 的燃烧器不适合我国的秸秆类生物质颗粒燃料. 因此本文针对秸秆类生物质颗粒燃料的特性, 采用多级配风原理,设计出高效双层燃烧筒装置,实 现三级配风,同时研究螺旋清灰破渣装置,并在此基 础上设计生物质颗粒燃料燃烧器,并分别采用秸秆 颗粒燃料和木质颗粒燃料进行相关燃烧试验,并与 瑞典的 PX

20 型上进料式燃烧器进行对比试验. 1摇 工作原理与整机结构 PB

20 型生物质固体颗粒燃料燃烧器主要应 用秸秆类生物质颗粒燃料,采用多级配风原理,设计 出高效双层燃烧筒装置,实现三级配风,以保证颗粒 燃料的充分燃烧;

同时,在燃烧室内设有螺旋清灰破 渣装置,由燃料推进螺旋、燃烧搅动螺旋和灰渣排出 螺旋

3 部分组成. 工作时,生物质颗粒从落料管进入燃烧内筒之 后,在燃料推进螺旋的作用下,快速、平稳的推进到 燃烧室,即燃烧内筒中间位置. 在颗粒燃料燃烧过 程中,燃烧搅动螺旋能够将燃烧的燃料搅动,有效防 止燃料结渣. 整机结构如图

1 所示,主要由落料管

6、清灰破渣装置

2、燃烧内筒

3、外筒

4、电动机

10、 风机

9、自动控制装置

8 等部分组成. 燃烧过程中,颗粒燃料从落料口进入到高效双 层燃烧筒装置,该装置由燃烧内筒、燃烧外筒组成, 通过风机,实现三级配风:一次空气和自动点火所需 的热空气由燃烧内筒后端直接进入,二次空气通过 双层套筒夹层预热后由燃烧内筒壁上的小孔进入, 燃烧室顶端设有配风孔,作为三次风. 螺旋清灰破 渣装置安装在燃烧内筒中,通过电动机带动,转速可 调,在颗粒燃料燃烧过程中,颗粒燃料通过螺旋装置 向前输送,同时燃烧后的灰分、灰渣由螺旋推出. 该燃烧器采用电阻丝加热点火,不仅能够用于 木质颗粒燃料,而且能够应用玉米、小麦、棉花、水稻 等秸 秆类颗粒燃料, 外形尺寸(长伊宽伊高) 图 1摇 PB

20 型生物质颗粒燃料高效燃烧器结构简图 Fig. 1摇Schematic diagram of PB

20 biomass pellet fuel burner 1. 破渣齿摇 2. 清灰破渣装置摇 3. 燃烧内筒摇 4. 燃烧外筒摇 5. 活 动接口摇 6. 落料管摇 7. 外壳摇 8. 自动控制装置摇 9. 风机摇 10. 电 动机摇 11. 点火装置摇 12. 燃料推进螺旋摇 13. 燃烧搅动螺旋摇 14. 灰渣排出螺旋 摇525 mm 伊285 mm 伊520 mm,额定功率

20 ~

35 kW, 燃烧效率大于 90% ,螺旋清灰破渣装置电动机功率

15 W,风机功率

30 W,结构质量

15 kg. 2摇 关键部件的设计 2郾 1摇 清灰破渣装置 为解决秸秆类生物质颗粒燃料燃烧后灰分多、 易结渣等问题,在燃烧室内安装了螺旋清灰破渣装 置,如图

2 所示,由燃料推进螺旋、燃烧搅动螺旋和 灰渣排出螺旋

3 部分组成,另外燃烧搅动螺旋上安 装破渣齿,破渣齿上有锋利的锯齿,既防止螺旋上结 渣,又防止燃烧内筒上结渣. 图 2摇 燃烧器螺旋清灰破渣装置 Fig. 2摇Schematic diagram of helix device breaking slagging and cleaning ash 1. 推进螺旋摇 2. 搅动螺旋摇 3. 灰渣排出螺旋摇 4. 破渣齿 摇 螺旋清灰破渣装置安装在燃烧内筒中,在整个 输送长度的任一对应点都产生相同的轴向推力和离 心力,其形式类似于弹簧螺旋输送机. 螺旋清灰破 渣装置的转速对物料的输送、燃烧、灰渣的排出有较 大的影响,速度过大,导致燃烧不充分,过小将导致 灰渣堆积在燃烧筒内,影响燃烧性能. 该螺旋装置 输送能力为[14] Q = 0郾06仔[(rKnS D1 )

2 2 ( - D0 )

2 ]

2 (1)

0 9 农摇 业摇 机摇 械摇 学摇 报摇 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2010年式中摇 Q― ― ―输送能力,kg / h r― ― ―颗粒密度,g / cm3 摇摇K― ― ―系数 n― ― ―螺旋转速,r/ min S― ― ―螺旋螺距,cm摇摇D0 ― ― ―螺旋内径,cm D1 ― ― ―螺旋外径,cm 不同种类的秸秆颗粒燃料燃烧后产生的灰分、 灰渣差异较大,试验表明,每千克玉米秸秆颗粒燃料 燃烧后的灰渣量为

65 ~

250 g、小麦为

68 ~

180 g、棉 秆为 216郾2~430 g、红松为 50郾9~135 g,该燃烧器 设计的最大进料量为

10 kg / h,由于燃烧过程中,存 在于燃烧器内简中的是灰渣与未燃尽燃料的混合 物,因此,燃烧器运行时,清灰破渣装置的输送能力 应在 0郾65 ~

12 kg / h 之间. 颗粒密度能够影响燃烧特性,颗粒密度越大,燃 烧持续时间越长,不同种类的秸秆颗粒燃料的密度 差异较大,而且不同批次的燃料,其密度也存在差 异. 一般在

1 ~ 1郾3g/cm3 . 不同用途的弹簧螺旋系数 K 不同,垂直和倾斜 输送时 K = 0郾8,水平输送时 K = 1郾6~1郾 8,本装置 中取 K = 1郾7. 在燃烧内筒中螺旋清灰破渣装置的直径越大, 越容易将燃烧后的灰渣排出,对燃烧器的进风影响 越小,燃烧器内筒直径为

125 mm,考虑到螺旋的安 装空间以及加工精度,本螺旋的直径为

120 mm. 螺旋装置的转速与其直径、螺距有关,螺旋螺距 越大,燃料、灰渣的输入速度越快,为保证颗粒燃料 的快速输送、燃烧充分以及燃烧后灰渣的快速排出, 燃料推进螺旋、搅动螺旋、灰渣排出螺旋的螺距分别 为 7郾

5、6郾

0、9郾0cm. 将各参数代入式(1)可得螺旋转速与螺距的关 系,如表

1 所示. 表 1摇 螺旋转速与螺距的对应关系 Tab. 1摇Corresponding relations of speed and screw pitch 颗粒密度 r/ g ・ cm -

3 螺距 S / cm 转速 n / r ・ min -

1 6郾00郾

58 1郾07郾

5 0郾46 9郾00郾

39 6郾00郾

48 1郾27郾

5 0郾39 9郾00郾

32 6郾00郾

45 1郾37郾

5 0郾36 9郾00郾

30 摇摇由此可见,由于燃烧过程中螺旋的输送量比较 小,螺旋的转速较低. 虽然燃料推进螺旋、搅动螺 旋、灰渣排出螺旋

3 部分螺距不同,但3部分螺旋同 轴,转速相同,根据以上分析,设计螺旋的转速为 0郾5r/ min,即可满足要求. 螺旋清灰破渣的电机为齿轮减速电动机,功率 为15 W,电压为

220 V,固定转速为

7 r/ min,额定转 矩为 1郾18 kg ・ cm,配上调速装置,电动机的输出转速 可在

0 ~

7 r/ min 之间无极变速. 螺旋清灰破渣装置需要在高温下工作,因此材 质选择耐热不锈钢,并进行了相关调质处理,耐高温 度达到

1 200益以上. 2郾 2摇 双层燃烧筒 针对秸秆颗粒燃料挥发份高的特性,本燃烧器 的燃烧筒采用多级配风原理,设计了双层燃烧筒结 构,如图

3 所示,由燃烧内筒和燃烧外筒组成. 燃烧 外筒套在内筒上,有3~5mm 间隙,但在燃烧外筒 最外端有倒角,与内筒紧密连接,也保证配风从燃 烧内筒的进风口进入,同时也能预热二次风. 其 中在燃烧内筒后端、低端和圆筒周围开有不同的 进风孔. 图 3摇 燃烧器双层燃烧筒 Fig. 3摇Double combustion cylinder efficient device 1. 燃烧外筒摇 2. 燃烧内筒摇 3. 进风孔 摇 在燃烧内筒的后端开有一排进风孔,截面形状 是5mm 伊10 mm 的方孔,能够提供自动点火时所需 要的热空气,同时也提供一次进风,与挥发份发生反 应. 在燃 烧内筒低端开有6列进风孔, 间隔为25 mm,其中每列

5 个进风口,间隔为

20 mm,二次空 气通过双层套筒夹层预热后由这些小孔进入,与燃 料中析出的挥发分、未燃尽的固定碳等发生燃烧反 应. 在燃烧筒前端设有配风孔,呈圆周排料,作为三 次风与挥发份充分混合在燃烧筒外燃烧,从而提高 燃烧效率. 2郾 3摇 其他部件 燃烧器的进料采用螺旋输送原理,设计了可调 式进料装置,通过料仓能够将颗粒燃料平稳地输送 到燃烧器的落料口,然后进入燃烧内筒. 燃烧器采用离心式风机,具有工作可靠、运转平

1 9 第11 期摇 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇姚宗路 等: 抗结渣生物质固体颗粒燃料燃烧器研究 稳、噪音小、操作简单等特点. 采用电阻丝加热点 火. 同时,初步设计了进料量、燃烧温度以及进风量 等的自动控制系统,能够根据不同的进料量、燃烧温 度来控制进风量. 3摇 燃烧试验 3郾 1摇 试验材料 样机........