0、引 言
生物质压缩成型技术是将秸秆、稻壳、锯末和木屑等生物质废弃物，用机械加压的方法，压缩成具有一定形状、密度较大的
固体成型燃料。美国在20世纪30年代就开始研究压缩成型燃料及燃烧技术，并研制了螺旋压缩机及相应的燃烧设备；日本在20世纪30年代开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物.1954年研制成棒状燃料成型机及相关的燃烧设备；70年代后期，西欧许多国家也开始重视压缩成型技术及燃烧技术的研究，各国先后有了各类成型机及配套的燃烧设备；20世纪80年代亚洲除日本外，泰国、印度、菲律宾、韩国、马来西亚已建了不少固化、碳化专业生产厂，并已研制出相关的燃烧设备。到20世纪90年代日本、美国及欧洲一些国家生物质颗粒燃料燃烧设备已经定型，并形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用，富通新能源生茶销售的
秸秆颗�；�、
木屑颗�；�、秸秆压块机专业压制生物质成型颗粒燃料。
从20世纪80年代中国引进螺旋推进式秸秆成型机至今，中国生物质压缩成型技术的研究开发已有20多年的历史。但是，相应的专用生物质颗粒燃料燃烧设备的研制还很少。在中国，生物质颗粒燃料作为一种新的燃料，其燃烧特性的理论研究还处于初级阶段，对燃用生物质颗粒燃料的专用燃烧设备的研制开发亦刚刚起步。河南农业大学设计并制造出I型生物质颗粒燃料锅炉，但存在着炉膛温度高、排烟温度高、热损失大等问题。作者根据生物质颗粒燃料的燃烧特性和燃烧
机理，在I型生物质颗粒燃料锅炉的基础上设计出Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉，为把生物质专用燃烧设备推向市场，实现其商品化生产找到了一条合理的途径，解决了I型生物质颗粒燃料锅炉存在的炉膛温度高、排烟温度高、热损失大等问题。
1、Ⅰ型生物质颗粒燃料锅炉存在的问题
1.1 I型生物质颗粒燃料锅炉的结构布置
I型生物质颗粒燃料锅炉采用双层炉排的下吸式燃烧结构，即在手烧炉排一定高度另加一道水冷却的钢管式炉排。双层炉排的上炉门�？�，作为投燃料与供应空气之用；中炉门用于调整下炉排上燃料的燃烧和清除灰渣，仅在点火及清渣时打开；下炉门用于排灰及供给少量空气，正常运行时微开，开度视下炉排上的燃烧情况而定。其结构布置如图1所示。
1.2 I型生物质颗粒燃料锅炉存在的问题
1.2.1 l型生物质颗粒燃料锅炉炉膛温度高、散热损失大
I型生物质颗粒燃料锅炉的辐射受热面即是水冷排的表面，其结构布置如图1所示，该辐射受热面积偏小，导致辐射换热不充分，使得炉膛温度过高，特别是上炉膛，致使上炉门附近炉墙墙体过热，增加了锅炉的散热损失。
1.2.2 I型生物质颗粒燃料锅炉排烟温度高、排烟热损失大
I型生物质颗粒燃料锅炉的对流受热面分为两个部分，降尘对流受热面和降温受热面，两个对流受热面均置于水箱内，水容量小，当烟气与水箱中的水换热不均时，会出现热水部分沸腾现象，增加了锅炉运行的不稳定因素，其设计布置不够合理，烟道长度偏短，烟气与锅炉水箱里的水换热不够充分，使得排烟温度过高，增加了锅炉的排烟热损失。
2、Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉的优点及设计依据
2.1 Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉的优点
在I型生物质颗粒燃料锅炉的基础上，Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉通过对锅炉的结构布置、辐射受热面及对流受热面等方面的改进设计，使锅炉的设计更加合理，辐射换热和对流换热更加充分，并由Ⅱ型与I型生物质颗粒燃料锅炉对比试验结果可以看出，Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉热效率更高，同时较好的解决了I型生物质颗粒燃料锅炉存在的炉膛温度高、排烟温度高、热损失大等问题。
2.2Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉的设计依据
2.2.1生物质颗粒燃料的燃烧过程
生物质颗粒燃料燃烧属于静态渗透式扩散燃烧，从着火后开始其燃烧过程如下：1）生物质颗粒燃料表面可燃挥发物燃烧，进行可燃气体和氧气的放热化学反应，形成火焰；2）除生物质颗粒燃料表面可燃挥发物燃烧外，成型燃料表层部分的碳处于过渡燃烧区，形成较长火焰；3）生物质颗粒燃料表面仍有较少的挥发分燃烧，燃烧向成型燃料更深层渗透。焦碳的扩散燃烧，燃烧产物C02、CO及其他气体向外扩散，CO不断与02结合成C02，成型燃料表层生成薄灰壳，外层包围着火焰；4)生物质颗粒燃料燃烧进一步向更深层发展，在层内主要进行碳燃烧（即C+02→CO），在其表面进行一氧化碳的燃烧（即CO+O2→C02），形成比较厚的灰壳，由于生物质的燃尽和热膨胀，灰层中呈现微孔组织或空隙通道甚至裂缝，较少的短火焰包围着成型块；5）燃烬壳不断加厚，可燃物基本燃尽，在没有强烈干扰的情况下，形成整体的灰球，灰球表面几乎看不出火焰，灰球变暗红色，至此完成整个燃烧过程。
2.2.2 Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉的设计参数
3、Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉的设计
3.1Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉的结构布置
实践证明I型生物质颗粒燃料锅炉所采用的下吸式的燃烧方式，实现了秸秆成型燃料的分步燃烧，缓解秸秆燃烧速度，达到燃烧需氧与供氧的匹配，使秸秆成型燃料稳定持续完全燃烧，起到了消烟除尘作用。因此，改进设计的Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉同样采取下吸式燃烧的形式。保留两个炉门，上炉门仍�？�，作为投燃料与供应空气之用；把I型的中炉门与下炉门合二为一，用于清除灰渣及供给少量空气，正常运行时微开，在清渣时打开。这样既保留了I型的全部功能，又减少了由于炉门多而造成的散热损失。水冷炉排将炉膛空间分为上炉膛和下炉膛两部分，上炉膛又相当于风室，下炉膛后墙上设有烟气出口，烟气出口不宜过高，以免烟气短路，影响可燃气体的燃烧和火焰充满炉膛，但也不宜过低，以保证下炉排有必要的灰渣层厚度(100～200mm)。
Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉由上炉门、下炉门、水冷炉排、辐射受热面、风室、下炉膛、降尘室、对流受热面、排汽管、烟道、引风机、烟囱等部分组成，其结构布置如图2所示。其工作过程为：一定粒径秸秆成型燃料经上炉门加在炉排上下吸式燃烧，水冷炉排漏下的秸秆屑和灰渣到下炉膛底部继续燃烧并燃尽。秸秆成型燃料在上炉排上燃烧后形成的烟气和部分可燃气体透过燃料层、灰渣层进入下炉膛进行燃烧，并与炉膛底部的燃料产生的烟气一起，经出烟口流向后面的对流受热面。
3.2 Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉炉膛及炉排的设计
在大量试验的基础上，Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉的炉膛和炉排都采取了新的设计参数，由式(l)、(2)可计算出锅炉炉膛及炉排尺寸。
由于改进设计时，将I型生物质颗粒燃料锅炉的中炉门与下炉门合二为一，因此Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉可省去I型锅炉的下炉排，让未燃烬的燃料及灰渣落在下炉膛的底部，只采用一个水冷炉排。由图1、图2可见，I型生物质颗粒燃料锅炉由于水冷炉排与水箱相连，所以有两个连箱；而改进后的Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉水冷排与上方锅筒相连，因此直接做成弯管插入锅筒中。
3.3 Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉受热面的设计
3.3.1 Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉辐射受热面的设计
针对I型生物质颗粒燃料锅炉的辐射受热面设计的不足，在Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉设计时增加了辐射受热面的面积，即除了以水冷炉排为辐射受热面外，还把I型锅炉的水箱改为上下两个锅筒，上锅筒部分置于上炉膛上方，利用锅筒里的水吸收燃料在上炉膛燃烧的部分热量，从而增加辐射受热面积，起到降低上炉膛温度的目的，从而减少锅炉的散热损失。其受热面大小由一定热力计算得出。
3.3.2 Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉对流受热面的设计
针对I型生物质颗粒燃料锅炉的对流受热面设计的不足，在Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉设计时，降温对流受热面置于上锅筒内，扩大了水容量，加长了烟道长度，使烟气与锅筒的水能充分换热，降低排烟温度，减少了排烟热损失，同时利用锅炉后部的下锅筒及管路引起的烟气通道面积的变化起到降尘作用。其受热面大小由一定热力计算得出。结构如图2所示。
3.4风机的选型
引风机用于克服烟道与风道阻力，根据下吸式燃烧方式计算风量与风压大小，并考虑一定的储备（用储备系数修正），I型生物质颗粒燃料锅炉选用引风机型号为：Y5-47；规格：2.80；风量：1828 m3/h；风压：887 Pa;转速：2900 r/min。根据风机型号选用电机型号为：Y90. S-2；功率：1.5 kW;电流：3.4 A；转速：2840r/min。对于Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉来讲，此种风机的风量和风压显然偏大，但经过市场考察，此型号是最小的风机标准件，若要获得很小的风量及风压需定制非标引风机，为节约费用，仍选用同I型生物质颗粒燃料锅炉一样的风机，但电机选用0.5 kW的，并将电机皮带轮直径选成风机皮带轮直径的一半，选用较窄皮带，从而起到降低风机转速、减少风量及风压的目的。
4、热性能对比试验
根据GB10180 - 2003工业锅炉热工性能试验规程、GB/T15137-1994工业锅炉节能监测方法、GB5468-1991锅炉烟尘测定方法及GB 13271- 2001锅炉大气污染物排放标准，分别对研制的Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉和I型生物质颗粒燃料锅炉进行热性能及环保指标的试验。
4.1试验仪器
1) KM9106综合燃烧分析仪，其各指标的测量精度为：02浓度-0.1%和+0.2%、C0浓度±20 ppm、C02浓度±5%、效率土1%、排烟温度±0.3%；2）3012H型自动烟尘（气）测试仪，精度为±0.5%；3）大气压力计，精度为1．O级；4）QF1901奥氏气体分析仪；5）蠕动泵；6）磅称，米尺，秒表，水银温度计，水表。
4.2对比试验结果
试验燃料为液压成型玉米秸秆，粒度为φ50 mm圆柱，密度为1.2 t/m3，含水率为14%，收到基净发热量为15474 kj/kg。
5、结论
1)由玉米秸秆生物质颗粒燃料对锅炉试验得出，根据其燃烧特性设计出的Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉热效率、热水流量、热水压力与温度等热性能参数达到了设计要求；
2)由试验得出，Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉散热损失由I型锅炉的5. 5%降至4.41%，Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉排烟温度由I型锅炉的225℃降至196℃，Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉排烟热损失由I型锅炉的11. 5%降至9. 76%，Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉反平衡热效率由I型锅炉的81.2%提高至84.3%，说明Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉对I型生物质颗粒燃料锅炉的改进设计是科学合理的；
3)Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉排烟中的烟尘及有害气体含量比I型锅炉都有所降低，且符合国家锅炉的污染物排放要求，具有较好的环保效益。
Ⅱ型生物质颗粒燃料锅炉的研制成功，解决了I型生物质颗粒燃料锅炉的散热损失大、排烟温度高等缺点，使高效利用生物质的专用燃料设备更加完善，这对于中国以秸秆代替煤炭，实现能源的可持续发展具有重要的现实意义。
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