孫阮正奇,雷 麗,阮惠葵

(1.山東省實驗中學，山東 濟南 250001;2.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061;3.山東高速文化傳媒有限公司，山東 濟南 250098)

農(nóng)作物秸稈熱解炭化鍋爐的改進

孫阮正奇1,雷 麗2,阮惠葵3

(1.山東省實驗中學，山東 濟南 250001;2.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061;3.山東高速文化傳媒有限公司，山東 濟南 250098)

基于CFD模擬技術(shù)提出了一種改進型的雙層秸稈鍋爐設(shè)計方案，并對相應加工模型進行了實際檢測，同時評價了該鍋爐的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益. 結(jié)果表明，與常規(guī)鍋爐相比，該鍋爐CO排放濃度較低，產(chǎn)炭率較高；僅考慮燃燒節(jié)煤及生物質(zhì)產(chǎn)炭，農(nóng)村單一用戶平均每年可創(chuàng)收3 253.5元.

鍋爐；秸稈；炭化；污染物

中國是世界最大的發(fā)展中國家，2006年鄉(xiāng)村人口總數(shù)達7.37億人[1]，占全國總?cè)丝诘谋壤秊?6.1%. 2008年中國農(nóng)村居民生活用能消費結(jié)構(gòu)中，秸稈占26%，薪柴占15%，煤占27%，電力占2%，沼氣占1%，液化石油氣占22%[2]. 農(nóng)作物秸稈是我國主要的生物質(zhì)資源，全國年產(chǎn)約6億t，除部分作為造紙原料和飼料外，大約有3億t可作為燃料使用，折合1.5億t標準煤，林木枝椏和林業(yè)廢棄物年可獲得量約9億t，約有3億t可作為能源利用，折合2t標準煤. 近幾年，北京霧霾問題日益嚴重，受到社會和媒體的廣泛關(guān)注. 尤其在秋末冬初，農(nóng)作物秸稈就地焚燒更是加劇了空氣污染問題，焚燒過程中產(chǎn)生大量的CO2、CO、氮氧化物、苯以及多環(huán)芳烴等有害氣體，嚴重危害人體健康. 倘若采用熱解炭化的方式，將過量的秸稈制成生物炭返還土壤，一方面能夠有效降低CO2排放；另一方面，可以作為土壤改良劑，吸附土壤中的重金屬及有機污染物.

目前利用炭窯和工業(yè)高溫熱解的方法制備生物炭，采用的原料多為森林樹木，存在污染大、投入高的問題，難以在廣大農(nóng)村進行普及，影響了秸稈資源的有效利用. 在之前所有的鍋爐制造與性能比較中，大多忽略了生物炭這一產(chǎn)物，并未把它視為鍋爐的性能. 20世紀80年代以前，中國農(nóng)村絕大多數(shù)農(nóng)戶使用手工壘砌的傳統(tǒng)舊灶，灶臺大多是磚石結(jié)構(gòu)，主要問題是吊火高度高，灶門大、爐膛大，無爐算、無通風道、無煙囪，以至于在使用中各種燃料的燃燒不充分，釋放出大量濃煙. 這樣不但污染環(huán)境，嚴重損害人的身體健康，同時也損失大量的熱能， 其熱效率很低，只有12%[3].

傳統(tǒng)燃燒需要在可燃物質(zhì)表面充分供氧，經(jīng)常存在與氧氣接觸不充分的地方，容易產(chǎn)生大量的廢氣和高溫煙氣. 在雙層鍋爐內(nèi)，并不是燃料直接燃燒，而是先加熱讓燃料熱解產(chǎn)生可燃氣，可燃氣再進入內(nèi)層燃燒區(qū)與氧氣接觸燃燒，這樣與氧氣可以較為充分接觸，燃燒較為完全.

1 基于CFD模擬的雙層秸稈鍋爐改進方案

1.1 雙層秸稈鍋爐原理及構(gòu)造改進

本文設(shè)計的雙層秸桿鍋爐采用雙層同心圓筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)層走氣體，夾層放置固體秸稈. 在夾層內(nèi)填滿生物質(zhì)秸稈碎屑，在內(nèi)層爐膛堆放秸稈顆粒燃料，并在內(nèi)層爐膛內(nèi)放置少量的燃料引燃. 燃料在鍋爐內(nèi)層燃燒時會產(chǎn)生大量的熱，當溫度足夠高時，夾層內(nèi)的生物質(zhì)秸稈開始熱解，產(chǎn)生出CO等可燃氣體，從內(nèi)層側(cè)壁的通道孔進入內(nèi)管燃燒，而熱解后的秸稈最終轉(zhuǎn)化為生物炭. 與傳統(tǒng)的燃燒爐相比，雙層秸桿鍋爐中秸稈的氧化過程較為特殊：在無氧氣條件下，有機生物質(zhì)高溫熱解，釋放出大量可燃氣體，通過可燃氣體(主要成分為CO)在內(nèi)層燃燒區(qū)的燃燒獲取熱能.

本文提出的雙層秸稈鍋爐的改進結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，該結(jié)構(gòu)主要由五部分壁體組成：

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

(1)鍋爐外層A：形狀為空心圓柱體，一般材質(zhì)為不銹鋼.

(2)鍋爐內(nèi)層B：形狀為空心圓柱體，一般材質(zhì)為不銹鋼，在內(nèi)層壁體從上到下按需求可開排孔.

(3)鍋爐內(nèi)管底部C：形狀為錐面，其上按需求開排孔.

(4)底座D：將夾層的底面密封，同時將底層墊高，使內(nèi)管底壁可以順利進氣.

(5)頂部環(huán)形蓋E：將夾層的頂部密封，使夾層內(nèi)密閉，而夾層用于填裝供熱解的秸稈燃料.

1.2 改進秸稈鍋爐的CFD模型

雙層秸稈鍋爐改進設(shè)計的關(guān)鍵在于確定各組成部分的幾何尺寸，為降低設(shè)計周期和成本，采用CFD模擬技術(shù)確定設(shè)計方案. 使用商業(yè)軟件FLUENT進行模擬仿真，F(xiàn)LUENT采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，通常能達到最佳的收斂速度和求解精度[4-6]，對本文所研究爐膛結(jié)構(gòu)以及進風狀態(tài)進行數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計具有很好的應用可行性.

本文提出的改進爐型是近似圓柱體的中心對稱，因而僅截取圓柱形燃燒室1/12的扇形體柱體進行三維模擬. 實際鍋爐為圓柱體和圓錐體以及表面中心對稱分布的圓形開口(小圓柱體)構(gòu)成，因而CFD模型由直角梯形繞軸心旋轉(zhuǎn)而成. 再在弧形壁面和扇形底面上構(gòu)建小圓柱型開口(小圓柱形)，最后組合成完整的幾何體. 所構(gòu)成的幾何體為所需模擬的流體域， 幾何模型如圖2所示.

圖2 幾何模型

1.3 網(wǎng)格生成及CFD模擬結(jié)果

計算網(wǎng)格由軟件自動生成，網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為0.5mm，最小尺寸為軟件默認值，采用四面體網(wǎng)格對模型進行剖分，最終生成的網(wǎng)格如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

模擬中，燃燒室壁面設(shè)置為絕熱，無外界熱損失，內(nèi)壁面為輻射灰體. 忽略潛在的高溫固體催化作用，同時忽略Soret效應[3](溫度梯度引起的質(zhì)量擴散)和Dufour效應(濃度梯度引起的熱傳遞). 模擬考慮重力的影響，但忽略壓力功和動能. 模擬的氣流壓力與密度有較大的變化，選擇SIMPLE算法[7]求解. 對流場初始化后開始計算，計算步數(shù)為500步[8]. 本文重點針對鍋爐內(nèi)、外層高度和直徑、底部內(nèi)管錐角以及壁體開孔形式進行CFD模擬改進優(yōu)化. 模擬得到的某一優(yōu)化算例溫度場分布如圖4所示.

圖4 模擬流場溫度分布

1.4 改進方案

通過CFD多方案的模擬和優(yōu)化比較，最終確定鍋爐改進設(shè)計方案如下：

(1)爐膛內(nèi)外高徑比取164∶100，此時中間層熱流密度分布較均勻，燃燒效率最高.實際加工取鍋爐內(nèi)層高164mm，內(nèi)徑65mm，壁厚1.0mm;鍋爐外層高100mm，內(nèi)徑95mm，壁厚1.0mm.

(2)鍋爐內(nèi)管底部錐角取108°，錐面母線長度38.4mm，高度22.6mm，底面直徑31.1mm，其上開置一次通風孔22個，孔徑為4mm，分成3排均勻分布于圓錐表面，最內(nèi)排均勻分布6個通風孔，中間排6個通風孔與最里層相錯，最外排均勻分布10個通風孔，具體開孔尺寸見表1.

表1 內(nèi)管底壁開孔情況

(3)鍋爐內(nèi)層壁體上開置二次通風孔20個，分成兩排均勻分布在距離爐膛上邊緣41.0mm和57.4mm處，每排10個，孔徑大小為5mm；同時在內(nèi)層壁體上開置3排秸稈熱解氣通道孔，第1排距爐膛底部16.4mm處周向均勻分布6個5mm直徑孔，第2排距離爐膛底部32.8mm周向均勻分布6個5mm直徑孔，其分布與第1排孔相錯，第3排距離爐膛底部65.6mm處周向均勻分布4個5mm直徑孔. 內(nèi)層具體開孔數(shù)據(jù)見表2.

表2 內(nèi)層壁體開孔情況

2 鍋爐性能測試

2.1 測試方法

依照《戶用生物質(zhì)爐灶通用技術(shù)條件》(DB11T540-2008)和國際清潔爐灶聯(lián)盟發(fā)布的《WaterBoilingTest》(version4.1.2)兩種測試方法[9]對本文雙層秸稈鍋爐改進方案的實際加工模型開展性能測試. 測試設(shè)備及原料見表3，根據(jù)炊事鍋爐的額定供熱量確定初始鍋水量Gc1和蒸發(fā)鍋直徑(見表4). 將溫度計通過鍋蓋中心孔插入鍋中，用溫度計支架使感溫點距離鍋底約10mm處.

表3 測試設(shè)備及原料

表4 蒸發(fā)鍋規(guī)格與水量

試驗步驟如下：

(1)在蒸發(fā)鍋內(nèi)添加初始鍋水量4kg，蓋上鍋蓋，并記錄初始水溫度tj1.

(2)點火并記下引火物起燃時刻T1，坐鍋，開始試驗.

(3)鍋水溫度升至沸點時，打開鍋蓋并記下此時刻T2和鍋水溫度tc1，開始炊事火力強度試驗.

(4)鍋水蒸發(fā)期間，每隔5min記錄一次鍋水溫度，并計算平均溫度值，直到鍋水溫度下降至95℃時結(jié)束，稱量剩余鍋水量Gc3并記下此時刻T3，結(jié)束炊事火力強度試驗.

(1)

熱效率

(2)

式中：Pc為炊事火力強度(kW)；Gc1為蒸發(fā)鍋內(nèi)初始水量(kg)；Gc2為試驗結(jié)束時剩余鍋水量(kg)；r為鍋水在平均蒸發(fā)溫度狀態(tài)的平均汽化潛熱(kJ/kg)；T3-T1為點火到試驗結(jié)束的時間(s)；ηc為熱效率(%)；Gs為成型燃料質(zhì)量(kg)；Qnet.v.ar為成型燃料的收到基恒容低位發(fā)熱量(kJ/kg)；Gs1為自然風干引火柴量(kg)；Qnet.v.ar1為自然風干引火柴的收到基恒容低位發(fā)熱量(kJ/kg).

2.2 測試結(jié)果及分析

同某型號常規(guī)鍋爐相比，改進型雙層秸稈鍋爐模型的火力強度較小，但熱效率有明顯提高，CO排放濃度和煙塵排放濃度大大降低，產(chǎn)炭率提高為原來的3倍. 某型號常規(guī)鍋爐與本文改進型雙層秸稈鍋爐模型各項指標比較見表5.

表5 鍋爐技術(shù)指標比較

3 環(huán)境效益評價

3.1 鍋爐大氣污染物排放標準

戶用秸稈鍋爐的主要大氣污染物為煙塵顆粒物、CO、CO2、SO2、NOx等，其排放指標參考GB13271-2001鍋爐大氣污染物排放標準和北京市地方標準DB11/139鍋爐污染物綜合排放標準[10].

該標準適用于各種容量的用于生活和生產(chǎn)的燃煤、燃油、燃氣熱水鍋爐、蒸汽鍋爐和熱載體爐，除煤粉發(fā)電鍋爐外的單臺出力不大于45.5MW(65t/h)的燃煤、燃油、燃生物質(zhì)的發(fā)電鍋爐.

(1)鍋爐煙塵最高允許排放濃度

鍋爐煙塵污染物排放限值采用GB13271-2014. 標準中所規(guī)定的大氣污染物排放濃度均指標準狀態(tài)下干煙氣的數(shù)值，即煙氣在溫度273K，壓力101 325Pa時的狀態(tài).

(2)鍋爐二氧化硫最高允許排放濃度

鍋爐SO2排放限值采用GB13271-2014.

(3)鍋爐氮氧化物最高允許排放濃度

鍋爐煙塵NOx排放限值采用標準GB13271-2014.

(4)過量空氣系數(shù)

實測的戶用秸稈爐具煙塵、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳排放濃度，應執(zhí)行標準GB/T16157的規(guī)定，采用過量空氣系數(shù)進行折算. 具體的折算系數(shù)見表6.

表6 鍋爐大氣污染物的過量空氣折算系數(shù)

3.2 主要污染物檢測方法

(1)煙塵

煙塵檢測按GB/T16157規(guī)定執(zhí)行，使用皮托管平行測速采樣法. 將煙塵采樣管由采樣孔插入煙道中，使采樣嘴置于測點上，正對氣流，按顆粒物等速采樣原理，抽取一定量的含塵氣體. 根據(jù)采樣管濾筒上所捕集到的顆粒物量和同時抽取的氣體量，計算出排氣中顆粒物濃度.

(2)二氧化硫

二氧化硫檢測按HJ/T56-2000的規(guī)定執(zhí)行(碘量法).

對于氣態(tài)污染物(SO2、NOx)，由于混合比較均勻，其采樣位置可不受上述規(guī)定限制，但應避開渦流區(qū). 氣態(tài)污染物在采樣斷面內(nèi)一般是混合均勻的，所以可取靠近煙道中心的一點作為采樣點.

(3)氮氧化物

氮氧化物檢測按HJ/T43-1999的規(guī)定執(zhí)行(鹽酸萘乙二胺分光光度法).

按順序串聯(lián)一個空的多孔玻板吸收瓶，一支氧化管和兩個各裝75mL吸收液的多孔玻板吸收瓶作為樣品吸收裝置，將其接人采樣系統(tǒng)，并放置于冰浴中，以0.05～0.2L/min的流量，采氣至第2個吸收瓶呈微紅色，停止采樣. 記錄采樣流量、時間、溫度、氣壓，密封吸收瓶進、出口，避光運回實驗室.

采樣后，分別取兩個吸收瓶中的吸收液，于1cm比色皿按繪制校準曲線相同條件測定吸光度，并同時測定空白吸收液的吸光度. 若樣品溶液的吸光度超過測定上限，則取適量樣品溶液，用空白吸收液作適當稀釋后測定吸光度.

(4)一氧化碳

一氧化碳檢測按HJ/T44的規(guī)定執(zhí)行，采用非色散紅外吸收法.

(5)煙氣黑度

煙氣黑度檢測按《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》的規(guī)定執(zhí)行.

觀測煙氣的部位應選在煙氣黑度最大的地方，該部位應沒有冷凝水蒸氣存在，觀測時將煙囪排出煙氣的黑度與林格曼黑度圖進行比較，記下煙氣的林格曼級數(shù). 如煙氣黑度處于兩個級之間，可估計一個0.5或0.25林格曼級數(shù)[11]，每分鐘觀測4次，觀測者不宜一直盯著煙氣，而應看幾秒而后停幾秒，每次觀測約15s，連續(xù)觀測時間不少于30min.

3.3 檢測結(jié)果計算與分析

鍋爐模型的性能測試結(jié)果見表7.

表7 鍋爐模型性能檢測結(jié)果

由表5和表7可知，相比于常規(guī)鍋爐，改進型鍋爐模型CO排放濃度較低，產(chǎn)炭率較高. 爐膛內(nèi)產(chǎn)生的為顆粒狀炭，夾層內(nèi)則為桿狀炭，均較為完好地保持了燃料的形狀(如圖5所示).

圖5 秸稈鍋爐制備的生物炭

4 經(jīng)濟效益評價

戶用高效低排放秸稈爐具是目前農(nóng)戶使用的比較理想的生活設(shè)施，對農(nóng)村的節(jié)能減排，改善和提高農(nóng)戶室內(nèi)空氣質(zhì)量，提高農(nóng)民的生活質(zhì)量，增進人們的身體健康起著至關(guān)重要的作用.

對秸稈半氣化爐進行的改進設(shè)計，不但創(chuàng)造了很好的社會效益與環(huán)境效益，還可從以下3個方面實現(xiàn)經(jīng)濟效益：

(1)合理利用秸稈熱能，節(jié)約燃煤及天然氣用量，減少了農(nóng)村經(jīng)濟支出.

(2)生產(chǎn)生物炭，燃燒產(chǎn)物附加值增高.

(3)促進秸稈燃燒的節(jié)能減排，通過對低于排放指標的CO2進行碳交易創(chuàng)造經(jīng)濟附加值.

據(jù)中國農(nóng)業(yè)部發(fā)布的數(shù)據(jù)，按目前煤的市價535元/t進行計算[12-13]，我國每年用農(nóng)作物秸稈作為熱源所能節(jié)能的耗煤為

1.5億t×535元/t=802.5億元

我國每年用林木枝椏和林業(yè)廢棄物作為熱源所能節(jié)能的耗煤為

2億t×535元/t=1 070億元

針對單一農(nóng)村用戶，利用優(yōu)化后的秸稈高效半氣化爐進行炊事，在鍋爐內(nèi)層進行燃燒放熱，平均燃燒約1.8kg秸稈原料即可完成一餐飯，燃燒1.0kg用于每天的燒水，每年即可消耗秸稈燃料

2.8kg/次×3次/d×365d/a=3.01t/a

折合成燃煤約為2.04t/a. 按目前煤的市價535元每噸進行計算，每年將節(jié)約經(jīng)濟價值

2.04t/a×535元/t=1 093.5元.

改進的新型秸稈鍋爐的夾層為半氣化層，在內(nèi)層燃燒過程中將使夾層受熱熱解從而產(chǎn)生生物質(zhì)炭，按平均30%的產(chǎn)炭率，該夾層每年可為用戶生產(chǎn)炭量約為0.9t，而目前北京市生物質(zhì)炭的均價約為2 500元/t，因此每戶農(nóng)村用戶將通過生物炭創(chuàng)收

0.9t×2 500元/t=2 160元

僅考慮燃燒節(jié)煤及生物質(zhì)產(chǎn)炭，農(nóng)村單一用戶平均每年可創(chuàng)收3 253.5元.

綜上所述，生物質(zhì)燃料及清潔爐灶的市場競爭力強大，多方面的優(yōu)勢促使市場接受和推廣此項技術(shù)產(chǎn)品.相信在不久的將來，中國農(nóng)村甚至在城市，生物質(zhì)燃料清潔爐將走進每家每戶，為綠色農(nóng)村、生態(tài)中國營造良好氛圍.

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(編輯：郝秀清)

Improvement of crop straw pyrolysis carbonization boiler

SUN Ruan-zheng-qi1,LEI Li2,RUAN Hui-kui3

(1. Shandong Experimental High School, Ji′nan 250001,China;2. School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Ji′nan 250061,China;3.Shandong Hi-Speed Culture Media Company Limited,Ji′nan 250098,China)

Based on CFD technique, a kind of remolded straw-fired boiler is developed and actually tested. Environmental and economical benefits are also evaluated in this paper. Results show that, compared to original boilers, the improved boiler possesses lower carbon monoxide concentration emission and higher carbon production rate. From the point of view of burning coal and biologically generated carbon, a single rural household can earn average cost of 3253.5yuan RMB per year.

boiler；crop straw；carbonization；pollutants

2016-11-16

國家自然科學基金項目(11372166)；山東省自然科學基金項目(ZR2014EEM015)

孫阮正奇，女，rhk-0308@163.com; 通信作者： 阮惠葵，女，154601753@qq.com

1672-6197(2017)04-0047-05

TK

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