冷风生物质燃烧机的设计与应用
摘要本文主要介绍在国内40t级滚筒式沥青混凝土搅拌设备上首次使用的冷风生物质燃烧机主要设计技术参数的确定方法，以及该生物质燃烧机在工业性试验和公路施工中的运用情况，并对使用中存在的问题进行了分析。
l 生物质燃烧的过程以及生物质开始着火的合适位置
燃料和反应剂按一定比例通过生物质烧咀，以一定的速度和方向喷入炉膛，生物质与一次风气流喷进炉膛后，受到对流与辐射传热（炉膛已预先加热），局部温度开始升高水份被蒸发，析出可燃的挥发物。同时由于点火源的加热以及对流和辐射传热，把生物质颗粒周围的可燃挥发物点燃而着火，这时生物质颗粒又受到周围火焰的加热再继续析出·可燃挥发物促使燃烧继续进行。由于生物质气流产生的回流区，使气流与周围高温烟气的卷吸混合十分强烈，从而使得煤粉颗粒逐渐变成可燃挥发物很少而温度很高的焦碳粒。当可燃挥物快要烧完时，焦碳粒开始着火燃饶到Zui后，剩下灰渣。
当生物质与一次风气流通过辐射和对流热获得了足够的着火热，再过一段孕育时间它就开始着火了。一般，希望生物质气流在离开生物质烧咀出口400～500mm的位置可靠地着火，如果着火太迟，就错过了初期混合比较强烈而有利于挥发迅速燃烧的良好机会，这样整个燃烧过程就要推迟，生物质就可能在炉膛中来不及燃烧而造成很大的机械不完全燃烧的损失，如果着火太早，可能会使生物质烧咀过热而烧损，也会使烧咀附近严重结渣。
2冷风生物质燃烧机的结构及其工作原理
冷风生物质燃烧机的结构如图l所示。工作原理是；先把50kg左右的块煤加入引火炉中点燃并预热燃烧室（有条件时也可直接用油枪用轻柴油预热燃烧室）。
根据燃用煤的可燃挥发成分含量的高低把燃烧室预热到生物质着火的温度(生物质着火的温度与其挥发成份含量Vr之间的关系见图2)。图2生物质着火温度与生物质挥发成分含量的关系待燃烧室被预热到生物质着火温度以上时，即可启动风扇式磨煤机开始送一次凤粉，一次凤粉经过生物质烧咀中的一次凤粉旋流器后，以一定的速度呈螺旋形进入燃烧室并在中心形成一个回流区，生物质进入燃烧室后受到对流和辐射传热，即开始着火燃烧。生物质着火燃烧后，又与进入炉膛的高速二次风相混合，便开始强烈地燃烧。同时稳定、连续的生物质燃烧火焰进入主机干燥拌合滚筒中继续燃烧并加热，烘干冷集料，一次凤粉外围的根部风，除了给燃烧的一次风粉混合物补充一部分空气外，还因有“凤包煤一的作用，使得燃烧室内壁不致产生严重结渣，它对控制火焰长度以及生物质在燃烧室内的燃尽度起一定的作用。冷风生物质燃烧机除可以单独燃烧挥发成分和发热量比较高的烟煤外，还可以燃烧挥发成分和发热量比较低的贫煤，此时需要用油枪加入适量的轻柴油助燃。
使用该冷风生物质燃烧机的关键，是要根据一定的送煤量，调节好一次风的供给量，使得一次风粉的浓度在一个比较合适的范围内。同时要合理调节好根部风和二次凤的供给量，使生物质能够在不超过其灰分熔化温的情况下稳定、连续和比较完全地燃烧，且不致产生严重地结渣。
3冷风生物质燃烧机主要技术参数的确定方法
冷风生物质燃烧机的技术参数，包括额定燃煤量．以及一次风率和风速、二次风速、根部风速、容积热负荷、断面热负荷、燃烧室结构尺寸等。下面仅就燃烧机额定燃煤量以及燃烧室的结构尺寸的确定方法作一叙述。
3.1 冷风生物质燃烧机额定燃煤量确定的依据，是40t滚筒式沥青搅拌设备在标准工况条件下单位时间所需要提供的热量规定如下：
生产能力(t/h) 40
冷集料含水量(%) 5
冷集料温度(oC) 20
成品料温度(℃) 140
主机在标准工况下需要燃烧装置在单位时间内提供的热量以额定燃煤量的计算如下。
3.1.1主机所需热量的计算公式
Q= Q,+Qz
Q-主机在标准工况下需要燃烧机提供
的有效热量J/h
QJ-冷集料加温需要的有效热量J/h
Q2——水分预热和蒸发需要的有效热量
J/h
下面分别计算Qi和Q2值：
Qi=Crn(I -b) (t2- tI) (J/h)
式中c-砂石料的平均比热，c=0.837×
103J/kg℃
仇一一单位时间内送的砂石料重量
m=40×l03 kg／h
b-冷集料的含水量，b-5%
t2——砂石料升温的终止温度，t：=
140qC
tj-砂石料初始温度，t．=20℃
将上述参数代入Qi式中得：
l06 J/h
Q2-cm(tz—t】)+Lm J/h
式申c-水的平均比热；c—4.187×l03
J/kg．℃
m-烘去的水分重量，
m-40×103×5%=2×l03 kg／h
￡：——水加热到沸点的温度，t2-100℃
￡，——水的初始温度，t1-20℃
￡——水在100℃，l大气压下的汽化热
￡= 2.257×106 J/kg'C
将上述参数代入Q2式可得；
Qz- 5183.92×1 06 J／h
所以 ×l伊 J/h
3.1.2燃烧机额定煤量的计算
． 根据所计算出的0值，按下式可计算出生物质燃烧机的额定燃煤量B:
． Q(kg/h)
B=百：，九
式中 B-燃烧机的额定燃煤量，kg／h
Q-主机所需提供的有效热量，J/h Qy--煤的低位发热量，在此按大同
煤计算：Q:—25.12×l06 Jlkg
n-一生物质燃烧机的燃烧热效率，n=
0.6
将上述各参数代入口式得：
B =597.2kg／h
根据计算所得的燃烧机的额定燃煤量，可以选用合适的附属制粉设备风扇式磨煤机，更重要的是根据燃烧机额定燃煤量计算值，去对燃烧室的结构尺寸进行计算。
3.2燃烧室结构尺寸的确定方法，炉膛尺寸的大小，是由两个因素决定的：首先要使燃料在炉膛内有足够的燃烧时间和空间，力求降低不完全燃烧损失，同时要使炉膛出口的烟气温度低于生物质中的灰熔点温度，尽量避免或减少运行中结渣。目前，常用炉膛容积热负荷g，（每小时每立方米炉膛容积放出的热量）来决定炉膛的容积，用炉膛断面热负荷gFJ／mz．h来决定炉膛的横断面积，炉膛容积热负荷构成了炉膛设计的基础，是确定炉膛大小的一个可比热工指标。炉膛断面热负荷是决定炉膛断面尺寸的关键因素。因此，我们必须根据沥青混凝土搅拌设备的特点和实际情况，借鉴有关方面实践经验，去选取冷风生物质燃烧机的容积热负荷和断面热负荷，然后决定燃烧室的结构尺寸。
3.2.1燃烧室体积y的确定方法
燃烧室的体积y，按下式计算：
一Q：曰
y=(fll3)
一 9v
武中 V-燃烧室的体积，fl13
'Q:-煤的低位发热量，Jlkg
B-燃烧机的额定燃煤量，kg／h
． g，——容积热负荷，J／Ill3
3.2.2燃烧室横断面积F的确定方法
燃烧室的横断面积尸，按下式计算：
，一Q：口 (m2)
F-
g，
式中 F-燃烧室的横断面积，■
gf-断面热负荷，J／mz
3.2.3燃烧室直径和长度的确定方法
根据上述计算的燃烧室体积y和横断面积
F，则可分别按下列公式算出直径d和长度
￡：
d-√孚， L=-(m)
4冷风生物质燃烧机的试验
4.1型式试验，该冷风生物质燃烧机与主机相配，在湖南郴州筑路机械厂厂内进行的，燃烧机使用的原煤是大同烟煤，使用生物质燃烧器正．．式进行烘料试验前，先加入引火炉中50kg左右的烟煤（粒度在lOOmm左右）对燃烧室进行预热，待燃烧室内温度达到煤的挥发分着火温度后，即可供生物质进行燃烧，图3是正式供煤粉燃烧后，用WRB-221铂铑——铂热电偶测得的时间与生物质燃烧火焰温度的关系曲线。由图3可以看出，火焰温度在不到半小时就可升到1000℃以上，在30分钟时火焰温度可达到13000C,温升较快。而供风量的调节与供煤量的变化不同步，会引起生物质燃烧工况瞬时不佳，造成图3中所显示酌温度不稳定现象，如果工况条件稳定，只需调好供风量和供煤量即可使生物质燃烧机工作正常，火焰连续稳定，不冒黑
BJ3时间与火焰温升关系曲线注：工况条件一冷风温度12℃，煤挥发分
29.75%,煤发热量6555cal／k8:烟，火焰颜色呈米黄色，在冷集料含水量为2.15%，平均生产能力31.47t／h时，平均料温可达147.3C。此后，我们使用灰分较高、发热量较低的煤质时，生物质火焰的燃烧温度以及该生物质燃烧机的调节比，表l是在生物质燃烧正常后，逐渐减少煤量所测得的燃烧室出口处火64.7%时，燃烧室出口火焰温度只下降了17,74%，生物质燃烧火焰仍能保持稳定、连续，火焰温度仍能达到了1020℃，由表中的数据可以算得生物质燃烧机的调节比为1：2.83，型式试验汪明，生物质燃烧机可以满足主机生产的需要。
表1 使用资兴煤时，在不同供煤量情
况下燃烧窒出口火焰温度
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┃供煤量 ┃727 ┃641.5 ┃576.7 ┃498.5 ┃ 427┃353.6 ┃256.6 ┃204 ┃
┃(kg／h) ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┣━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━┫
┃燃烧室出 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃口处温度 ┃1240 ┃ 1210 ┃ 1180 ┃ 1120 ┃1060 ┃ 1096 ┃ 1020 ┃960 ┃
┃ (℃) ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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4,2工业性试验
该冷风生物质燃烧机，在湖南郴州107国道上进行了大约200h的工业性试验，然后交用户北京昌平公路管理所沥青搅拌站在北京昌平进一步试验。通过试验，燃烧机工作正常，生物质燃烧稳定且连续。表2是冷风生物质燃烧机与主机相配所测得的有关生产参数平均值。
表2生物质燃烧机与主机相配进
行生产测得的参数
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┃测示 ┃冷集 ┃冷料供 ┃冷料 ┃沥青 ┃油石 ┃燃烧机 ┃煤发 ┃沥青 ┃
┃ ┃料含 ┃给量 ┃温度 ┃温度 ┃比 ┃供煤量 ┃热量 ┃混合 ┃
┃ ┃水量 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃(Cal] ┃料温 ┃
┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃度 ┃
┃项目 ┃(%) ┃(t／h) ┃(℃) ┃(℃) ┃(%) ┃(kg／h) ┃ kg) ┃(℃) ┃
┣━━━╋━━━╋━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━┫
┃测示 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃参数 ┃ l ┃ 46.01 ┃ 25 ┃ 140 ┃5.36 ┃ 400 ┃ 7310 ┃ 144 ┃
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注：冷集料舍水量，系湖南郴州—O七国道指挥部化验室测定
由工业性试验情况证明，冷风生物质燃烧机运用在滚筒式沥青搅拌设备上，完全可以生产出温度合格的沥青混合料。
5冷风生物质燃烧机的应用
冷风生物质燃烧机同主机配合，于1987年上半年小批生产，陆续发往河南洛阳、鹤壁、四川乐山、河北沦州、保定、内蒙古伊克昭盟等公路施工部门。上述用户都在当年进行施工使用，根据施工部门反馈回来的信息可以看出，只要使用方法得当，煤质良好，效果都比较理想。洛阳公路总段使用该生物质燃烧机能在冷集料含水率为1%左右，生产能力达40t／h，每吨成品料耗煤10～15kg的情况下，可使沥青混合料温度达到140～165℃。北京昌平公路管理所沥青供应站反映，在北京一石景山一级公路的铺筑施工中，40t搅拌设备使用简便，灵活，可控，功能齐全，尤其是生物质燃烧系统在比
较大的范围内温度可调，既能保证供给高质量的不同温度的混合料，又能达到节油，节能的目的。通过使用单位在生产实钱中所测得结果反映是良好的，普遍认为40t搅拌设备适应性强，生物质燃烧机预热时，即可燃油，也可燃煤，这种设计在国内有独到之处。
6存在问题及其分析
根据冷风生物质燃烧机在湖南郴州、北京昌平使周情况看，存在主要问题是燃烧室内结渣。使用一天之后，燃烧室内壁上有一层40mm厚的结渣层（煤是湖南鲤鱼江洗煤），原因是在生物质燃烧后，火焰中心区温度很高，熔化了灰渣在凝固以前被冲刷，粘结到炉壁上而产生结渣。
生物质燃烧，结渣历来是一个突出的问题。有关资料分析，煤的灰分特性是产生结渣的内因，它包括灰的成分和灰的熔化温度。目前，一般都用试验的方法来确定灰的熔化性质，从而得到灰分的变形温度(￡，)，软化温度(t2)，熔化温度(￡。)。煤灰的成分比较复杂，对于它的熔化或变形特性，难以按化学成分准确确定，但大致的规律是S102,Al203含量越多熔点高，相反Ca0、Mg0、K20、Na20、Fe203等氧化物存在时，灰的熔点就较低。另外，炉膛内的还原性气体在很高的温度下使熔点较高的氧化物还原成熔点低的氧化物，从而降低煤灰的熔点。经验表明，当炉内的烟气温度不超过灰的软化
温度￡：，炉内结渣的可能性就不大。因此花使用生物质燃烧机时，要尽量使用灰熔点高，结渣指标较低的煤种。其结渣的外因是炉内空气动力场组织的不好，此外各项热负荷指标选得不适当，也容易产生结渣。在使用过程中反映出来的上述问题，需要今后进行研究加以解浃。
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