秸秆压块燃料炉设计与试验

刘联胜，赵君磊，王冬计，郭志勇

（1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401；2.河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室，天津 300401； 3.天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300192）

0 引 言

中国每年的煤炭消耗量约40亿t，其中约4亿t用于北方取暖，燃煤仍是供暖的主力热源，供暖过程温室气体排放量占建筑行业温室气体排放总量的40%以上。近年来，国家大力推进农村地区“煤改气、煤改电”的清洁供暖策略，取得了显著的成效，但存在电力、燃气基础设施投资成本高、燃气供应不足等局限性，清洁供暖方式亟待优化。中国生物质资源丰富，可能源化利用的生物质能资源折合为标准煤约4亿t。生物质作为全生命周期零碳排放的可再生能源，供暖潜力巨大。在“双碳目标”的大背景下，“煤改生物质”的清洁供暖方式引起了广泛关注。

生物质原料通过致密化成型技术，可得到具有高密度的、形状规则的生物质成型燃料，使其具备了在小型燃烧室内组织稳定燃烧过程的必要性。欧盟地区生物质取暖技术发展较早，林业废弃物资源丰富，成型燃料主要为木质颗粒燃料（直径8 mm），木质颗粒燃料的灰熔融温度一般在1 400 ℃以上，适用于颗粒燃料燃烧的锅炉（＜15 kW）多采用固定炉排系统。中国农村地区秸秆资源丰富，成本廉价，成型燃料主要为秸秆压块燃料。秸秆压块燃料具有尺寸较大（直径50～80 mm）、灰熔点较低等特点，采用固定炉排会增加燃料层灰分结焦的风险，严重影响锅炉燃烧稳定性。因此，适用于秸秆燃料的压块炉需设计为摇动炉排系统。

Nakahara等基于生物质一维燃烧试验发现，生物质燃料的燃烧反应持续时间仅有5～15 min。Schmidl等对比研究了8种生物质颗粒燃料在自动送料燃料炉（6 kW）与人工送料手烧炉（6.5 kW）中的大气污染物排放行为，自动颗粒炉满负荷运行时，烟气中CO和PM10排放量分别在51、20 mg/m左右；手烧炉烟气中CO和PM10浓度分别为1 331～3 971、110～150 mg/m，手烧炉烟气中污染物排放浓度远远高于自动送料炉，且手烧炉污染物排放浓度波动性大。Poláčik等通过粉尘捕捉试验发现，人工送料的木质颗粒炉所产生的颗粒物约为自动炉的4倍。因此，为保证燃料的充分燃烧，避免在组织燃烧过程中增加污染物气体的排放，连续稳定输送生物质燃料是必要的。对于木质颗粒燃料炉，采用螺旋或双螺旋结构进行间歇式送料，燃烧比较稳定，排放较低，整体燃烧性能较好。对于秸秆压块燃料炉而言，送料方式多以人工填料为主，自动化程度低，没有配套自动送料装置，导致压块燃料输送不稳定，燃烧波动性大，大气污染物排放高。由于秸秆压块燃料尺寸不规则，适用于木质颗粒燃料的螺旋结构送料方式不适合输送秸秆压块燃料。本课题组前期研发的一种具有自动送料功能的户用秸秆压块燃料炉，采用拨料盘进行间歇式送料，但由于压块燃料硬度高，导致送料装置的拨片容易损坏。目前关于配套自动送料装置的秸秆压块燃料炉具的研究很少，本文研发了一种配套自动供料机的秸秆压块燃料炉。对燃料炉具的热性能和大气污染物排放进行测试和评价，以检测锅炉结构的合理性，为后续生物质燃料炉具的开发提供参考依据。

1 秸秆压块燃料炉设计

1.1 秸秆压块燃料炉设计依据

设计秸秆压块燃料炉，主要依据压块燃料的理化特性。本课题组于张北县开展农村供热示范项目，选取能源服务站自制的莜麦秸秆压块燃料作为试验燃料。莜麦秸秆压块燃料参数：截面尺寸为30 mm×30 mm，长度不一（30～60 mm），密度900～1 000 kg/m，采用EA3000元素分析仪和TRGF8000工业分析仪对莜麦秸秆压块燃料进行元素分析和工业分析，如表1所示。

表1 莜麦秸秆压块燃料元素分析与工业分析 Table 1 Ultimate and proximate analysis of naked oat straw briquetting fuel

秸秆压块燃料大小、尺度不规则，燃料小流量稳定输送具有一定的难度，采用链板结构可达到稳定输送燃料的目的。压块燃料主要燃烧组分为挥发分和固定碳，采用分区燃烧有利于压块燃料的高效率燃烧；其灰分含量过高，燃烧过程中有灰分熔融的风险，采用水冷燃烧室、摇动炉排等结构，可有效避免此风险。

1.2 秸秆压块燃料炉结构设计与工作原理

秸秆压块燃料炉包括自动供料机和压块炉具，如图1所示。

图1 秸秆压块燃料炉结构图 Fig.1 Structure diagram of straw briquette boiler

自动供料机包括燃料箱、时间控制系统、链板等结构，如图2所示。燃料箱由长、短挡板与成型钢板组合而成，整体呈漏斗状；短挡板上的振动机通过施加振动以维持压块的流动性。时间控制系统用于调节调速电机的工作、停歇时间，可实现电机间歇式工作；调速电机通过链条与链轮带动双链板同时运转，链板上的多齿片推动压块进行输送；第二链板末端的大角度通道使经过的燃料一部分掉落返还到储料机构，另一部分被输送到炉内。料筒用于连接第一链板与储料空间，为压块燃料的缓冲通道；储料空间用于收集第一链板上的燃料，同时提供第二链板所输送的燃料；料渣箱位于最底部，用于收集供料机运行过程中所掉落的残渣。

图2 自动供料机结构图 Fig.2 Structure diagram of automatic feeder

自动供料机工作原理：将压块燃料放置于料箱中，时间控制器控制调速电机进行工作，带动双链板机构运转；第一链板上的多齿片经过料箱出口时，会推动部分压块燃料进行输送，经料筒进入储料机构；第二链板上的多齿片经过储料机构，推动燃料在链板上传送，经过大角度通道时，少部分燃料会进入炉膛燃烧。

压块炉具结构如图3a所示。基于分区燃烧原理，炉膛设计为双燃烧室结构。一次燃烧室用于焦炭和少部分挥发分的燃烧，二次燃烧室用于大部分挥发分的燃烧，一次燃烧室为水套包覆的水冷燃烧室。循环水套、烟气换热室、生活热水水套用于高温烟气的对流换热，烟囱端的降尘滤网与活性碳对烟气进行净化除尘。

图3 压块炉具结构图及剖面俯视图 Fig.3 Structure diagram and top section view of briquette boiler

基于燃烧室结构，压块炉具设计为鼓风、引风相耦合的配风系统，如图3b所示，同时鼓风机与生物质专用点火器配合，组成炉具的点火系统；烟气循环装置用于氮氧化物的减排。烟气循环管道、鼓风机风管与一次燃烧室的风盒相连接。压块炉具的炉排设计为自动炉排系统，包括时间控制系统、自动推拉杆和摇动炉排。自动供料机的时间控制系统控制自动推拉杆，拉动摇动炉排进行定时除灰，松动燃料。

压块炉具工作原理：炉膛中的燃料在空气氛围下发生剧烈燃烧反应，其中少部分挥发分和焦炭在一次燃烧室燃烧，大部分挥发分在二次燃烧室燃烧。燃烧所产生的灰渣通过自动炉排系统收集于灰斗中；产生的烟气依次经过一次燃烧室、二次燃烧室、烟气换热室、降尘滤网后，大部分被排放到大气中，少部分重新输送到炉内。

纵观整个锅炉结构，其自动送料机采用双链板机构进行匀速输送燃料，可实现连续稳定输送燃料；大角度通道具有限制燃料输出的功能，有助于供料机小流量输送燃料。压块炉具采用双燃烧室结构，以实现生物质组分的分区燃烧，鼓风与引风耦合的配风系统实现燃料的完全燃烧；其点火系统缩短了压块的点燃时间，有助于减燃料浪费；其自动炉排系统可实现定时松动燃料，减少人工操作除灰。

1.3 秸秆压块燃料炉关键参数设计

大角度通道的陡坡结构使一部分燃料返还至储料机构中，达到限制压块燃料输出的目的，其通道坡度对压块输送有至关重要的影响。自动供料机预设工况为3 kg/h，通过重复性预试验对不同坡度的燃料输送情况进行测试。其中70°、75°、80°、85°、90°的平均燃料输送量分别为4.24、3.95、3.58、3.07、2.43 kg/h，85°的通道坡度为最优坡度参数。

设计链板传动电机额定功率由式（1）计算得到。

式中为功率备用系数，取=1.1；为链板计算张力，N；为链板传动速度，m/s；为链板传动效率，取=0.85。

链板计算张力根据式（2）～（4）计算。

式中F、F分别为链板传动的静张力、动载荷，N；为初始张力，N，一般取=2 100 N；为运行阻力系数，取=0.1；L为链板承载运行的水平方向长度，m；L′为链板空载运行的水平方向长度，m；、分别为链板承载、空载运行时的单位长度承载质量，kg/m；为输送燃料上升的高度，m；C为输送链板换算质量的减少系数，设计总长度小于25 m，取C=1。

根据实际设计与重复性测试过程，确定压块燃料自动送料机的尺寸及输送参数，取第二链板最大传动速度=0.07 m/s，L=0.31 m，L′=0.31 m，=20 kg/m，=15 kg/m，=0.71 m，计算得电机额定功率为0.233 kW，考虑裕量后选取0.25 kW的调速电机作为送料机的驱动电机。

生物质燃料炉的炉膛容积与炉排面积主要取决于炉膛容积热强度和炉排面积热强度，过大或过小都不利于秸秆压块燃料的充分燃烧。根据文献[19]，家用生物质压块燃料炉排面积热强度和炉膛容积热强度参数的合理范围分别为150～210和250～330 kW/m。炉排面积和炉膛容积根据由式（5）、式（6）计算。

式中R、V分别为炉排面积与炉膛容积，m、m；为燃料消耗量，kg/h；Q为压块燃料的低位发热量，kJ/kg；q、q分别为炉排面积热强度与炉膛容积热强度，kW/m、kW/m。

根据实际压块燃料炉燃料输送量要求，取额定燃料消耗量3 kg/h，q=200 kW/m，q=290 kW/m，求得炉排面积为0.056 m，炉膛容积为0.039 m。

燃料燃烧所需的空气量主要依据燃料所含的可燃元素含量，燃料炉所需的理论配风量由式（7）计算。

式中V为理论空气量，m/kg；C、S、O、H分别为生物质燃料中的元素含量，%。

由麦秸秆压块燃料的元素分析结果可知，燃料燃烧所需的理论空气量为3.84 m/kg。根据生物质成型燃料炉的最佳过量空气系数（=1.6）及燃料输送量（2.5～4 kg/h），压块炉具燃烧所需的实际配风量为15.4～24.6 m/h，其中引风和鼓风占比分别为85%、15%。通过调控鼓风机、引风机风阀开度，调节实际配风量。

2 秸秆压块燃料炉性能试验

2.1 试验系统

测试秸秆压块燃料炉的试验系统结构主要包括供暖炉、水箱、循环水泵等，如图4所示。试验仪器：TRGF8000工业分析仪、PFM92K烟尘分析仪、Testo-340烟气分析仪、高精度涡轮流量计（测量精度±1.5%）、K型热电偶测温（0～1300 ℃；测量精度±1℃）、高精度电计量插座（测量精度±1%）、台秤（0～30 kg；测量精度±0.2 kg）等。

图4 秸秆压块燃料炉试验系统图 Fig.4 Test system diagram of straw briquette boiler

2.2 试验方法

自动供料机连续稳定输送燃料是压块炉具稳定燃烧的前提。自动供料机间歇输送燃料，其工况如表2所示，其中工作时间为输送一次燃料的时间，停歇时间为输送燃料的间隔时间。为检测莜麦秸秆压块燃料输送适应性及稳定性，探究自动供料机不同工况下的燃料输送情况，使用台秤进行称量，测试单位时间的燃料输送量及燃料输送波动性。燃料箱可加装36 kg左右的压块燃料，加料周期在10 h左右，因此，试验总时间设置为10 h。

表2 自动供料机送料工况 Table 2 Working conditions of automatic feeder

试验前按规定调试试验仪器，点燃秸秆压块燃料炉，当燃料炉达到稳定工况时，依据能源行业标准《NB/T34005-2020清洁采暖炉具试验方法》对秸秆压块燃料炉具进行额定热功率及正平衡效率测试与计算，依据《NB/T 34006清洁采暖炉具技术条件》对热工参数及大气污染排放进行对比分析。

额定热功率按式（8）计算。

式中P为生物质锅炉的额定热功率，kW；G为试验期间的总出水量，kg；T为锅炉总出水平均温度，℃；T为锅炉总进水平均温度，℃；、为分别为试验开始、结束时间，s。

正平衡效率效率按式（9）计算。

式中为η为正平衡效率，%。

全面鉴定燃料炉热性能参数时，需通过测定与分析热损失进行反平衡效率的计算，当正反平衡效率差值小于5%时，热效率取正平衡效率数值。反平衡效率按式（10）进行计算。

式中η为反平衡效率，%；、、、分别为排烟热损失、气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失、散热损失，%。

各项热损失依据文献[25-26]进行测定与计算，其中固体不完全热损失主要产灰量、灰渣及飞灰的可燃物含量有关，使用TRGF8000工业分析仪测试灰分的可燃物含量；排烟热损失主要与排烟温度有关，使用K型热电偶测温测试烟气温度。

测试大气污染物排放的位置选择垂直烟囱，距炉具烟气出口处标高1.0 m处。使用Testo-340烟气分析仪测试CO、NOx、SO的排放量，使用PFM92K烟尘分析仪测试烟气中粉尘排放量。

秸秆压块燃料炉自动化程度较高，需进行耗电量测试。采用高精度电计量插座测试实际运行过程中的耗电量。

3 秸秆压块燃料炉性能分析

3.1 自动供料机稳定性分析

图5为自动供料机连续输送秸秆压块燃料情况。由于秸秆压块燃料的大小、尺度不一，燃料输送具有波动性。随着工况停歇时间的增加，送料机构的燃料输送量减少，燃料输送量的波动越大。工况1～4的平均燃料输送量分别为4.12、3.64、3.11、2.57 kg/h，波动不超过12%，符合各工况下预期设定值，基本满足燃料炉送料稳定性需求。自动供料机可以实现连续10 h稳定、连续、小流量输送燃料，可满足夜间连续供暖，实现无人值守。

图5 自动供料机输送秸秆压块燃料输送量 Fig.5 Fuel delivery of straw briquette by automatic feeder

3.2 燃料炉热性能分析

莜麦秸秆压块燃料燃烧后灰渣、飞灰工业分析结果如表3所示。灰渣、飞灰中的可燃物含量分别为2.34%、4.98%，是固体不完全热损失的重要来源。灰中可燃物成分主要为少量的挥发分及固定碳，由于灰壳包裹阻碍了固定碳和氧化剂的接触，阻碍了挥发分的扩散，导致灰中可燃物存留。通过合理控制摇动炉排，定时松动燃料层，减少灰中可燃物含量。

表3 秸秆压块燃料灰渣、飞灰中的可燃物成分分析 Table 3 Analysis of combustible components in straw briquette fuel ash and fly ash %

秸秆压块燃料炉额定热功率和热效率结果如表4所示，试验测得额定热功率约为8 kW，正平衡效率为71.2%，反平衡效率为71.51%。其中，排烟热损失占22.5%，主要原因是引风方式会造成排烟热损失增大，通过调节风阀开度及增大烟气循环量，减少排烟热损失；散热损失占4.11%，原因是炉体未作保温，所研究的燃料炉主要用于农村建筑物室内，散失的热量可以承担室内的供热部分。正反平衡效率差值为0.31%，生物质锅炉的热效率选取为71.20%，满足标准规定的热效率（＞65%）。

表4 锅炉试验参数测试及正、反平衡效率计算 Table 4 Test of boiler experimental parameters and calculation of positive and negative balance efficiency

3.3 大气污染物排放分析

试验工况3下，烟气中大气污染物浓度情况如图6所示。燃烧工况稳定时，SO排放量为0，粉尘、NOx、CO平均排放量分别为35.78 mg/m、191.1 mg/m、0.104%，符合国家标准规定的排放限值，表明秸秆压块燃料炉结构设计的合理性。

图6 烟气中大气污染物排放量 Fig.6 Emissions of air pollutants in flue gas

秸秆压块燃料炉在不同工况下的大气污染物排放如表5所示。粉尘的排放量基本稳定在35～37 mg/m。工况1下，燃料输送量较少，炉排燃料层较薄，CO、NOx排放量分别为0.141%、204.4 mg/m。随着燃料层厚度增加（工况2），NOx和CO排放量降低，空气燃烧参数趋于最优值，燃烧比较充分。当燃料层的厚度进一步增加（工况3），燃料燃烧更加完全，燃烧中心温度高，CO排放量降低，NOx排放量增加。燃料层厚度再次增加（工况4），导致空气量不足，空气不易穿过燃料层，造成CO排放量增加。秸秆压块燃料炉的4种工况均满足标准中的2级排放指标（粉尘排放量30～50 mg/m，CO排放量0.1～0.2%，NOx排放量150～250 mg/m），工况3为最佳燃烧工况。

表5 不同送料工况下大气污染物的排放情况 Table 5 Emission of air pollutants under different feeding conditions

3.4 燃料炉耗电量分析

燃料炉的主要耗电量部件包括点火器、调速电机、鼓风机、引风机等，其理论耗电量及实测总耗电量如表6所示。秸秆压块燃料炉的理论耗电量为2.97 (kW·h)/d，实际耗电量为3.83 (kW·h)/d，主要原因是调速电机及振动机的启动耗电量较大，导致实际耗电量测试偏高。

表6 秸秆压块燃料炉理论及实测耗电量情况 Table 6 Theoretical and measured power consumption of straw briquette boiler in one day

4 结 论

1）本文设计的秸秆压块燃料炉，其自动供料机可以实现10 h连续、稳定、小流量输送燃料；双燃烧室结构可以实现燃料的分区燃烧；引风与鼓风相耦合的配风方式保证了燃烧室的充分燃烧，鼓风点火系统缩短了点火时间；自动炉排系统可实现定时除灰，减少人工操作除灰。

2）秸秆压块燃料炉性能及大气污染物排放测试结果表明，额定热功率为8 kW，热效率为71.2%，耗电量为3.83 kW·h/d；在最佳燃烧工况下，粉尘、CO、NOx排放浓度分别为35.78 mg/m、0.104%、191.1 mg/m，符合国家排放标准的限值，锅炉结构设计合理。