技术领域
[0001] 本发明涉及燃料能源技术领域，具体而言，涉及层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料及其制备方法。
相关背景技术
[0002] 生物质成型颗粒燃料是以农林剩余物为原料，挤压成型后形成的一种洁净低碳的生物质可再生能源，其存量丰富，然而生物质成型燃料用锅炉燃烧玉米秸秆低质生物质成型颗粒燃料时，锅炉效率低，普遍存在负荷适应性差、无法满足用能需求的问题。
具体实施方式
[0021] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
[0022] 除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本申请中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请；
[0023] 本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”；术语“基于”是“至少部分地基于”；术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”；术语“可选地”表示“可选的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本发明中提及的“第一”“第二”等概念是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序或主次关系。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0024] 相关技术中，低质生物质的燃烧特性差，床层堆积空隙率高、阻力小，导致初始挥发分析出时间长，不易着火并影响燃烧过程，高质生物质的燃烧成本高，经济效益差。因此，分析低质玉米秸秆燃料和木屑高质燃料掺混调质堆积特征，研究低质玉米秸秆燃料、木屑高质燃料掺混方式及掺混比改变对调质成型燃料堆积特征及层燃特性的影响，成为研发高效及宽负荷适应性专用生物质锅炉产品的核心和关键。
[0025] 针对上述相关技术存在的问题，本实施例提供了一种层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料及其制备方法。
[0026] 本发明实施例提供了一种层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料，由低质玉米秸秆制备的低质成型燃料和木屑制备高质成型燃料掺混组成。
[0027] 具体地，低质玉米秸秆制备的低质成型燃料为低质量生物质燃料，木屑制备的高质成型燃料为高质量生物质燃料。这里的“质”主要指的是燃烧质量，一般指燃烧特性。木屑制备高质成型燃料具体就指“木。”低质玉米秸秆成型燃料有许多种，例如：玉米秸秆、稻壳、大豆秸秆等。
[0028] 本实施例中，利用木屑制备高质成型燃料挥发分高、易燃、灰分少、不易结渣且释放热量大的优势，与低质玉米秸秆制备的低质成型燃料掺混后产生一定的协同作用，木屑制备的高质成型燃料能够改变低质玉米秸秆制备的低质成型燃料的燃烧效果，抑制低质生物质燃烧时的负面影响，比如易结渣，灰分相对大或燃烧不充分等问题，有助于锅炉的负荷性能，可以低成本、高效率及宽负荷适应性的完成锅炉工作。
[0029] 层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料为锅炉供热是一种低碳、分布式及可再生能源的供热方式，有效改善县域和农村地区由于农林废弃生物质玉米秸秆等散烧或燃烧散煤造成的季节性大气污染，通过层燃锅炉用生物质成型颗粒复合燃料促进上游秸秆的成型燃料生产企业集约化和一体化协调发展,解决秸秆离田后规模化消纳和散煤替代问题。按照每年增加1000蒸吨秸秆成型颗粒燃料的锅炉计算，将实现年处理秸秆100万吨，实现散煤替代约65万吨，降低污染，节约能源，具有明显的社会协同效益。
[0030] 可选地，低质玉米秸秆制备的低质成型燃料和木屑制备的高质成型燃料的质量比1：3‑3：1。
[0031] 可选地，层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料的燃尽率为88.6％‑89.3％，着火点为267‑308℃。
[0032] 如此，层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料的燃尽率较高，燃料利用率较高，降低成本；层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料的着火点提前有利于燃烧，可以高效率的完成层燃锅炉工作。
[0033] 可选地，层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料完全燃烧后一氧化氮排放量占总气体的0.15％‑0.47％。
[0034] 如此，层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料的一氧化氮排放量较少，更加环保。
[0035] 可选地，层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料完全燃烧后一氧化碳排放量占总气体的0.92％‑1.71％。
[0036] 如此，层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料的一氧化碳排放量较少，更加环保。
[0037] 本发明实施例提供了一种如上所述的层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料的制备方法，玉米秸秆制备低质成型燃料和木屑制备高质成型燃料掺混，组成层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料。
[0038] 可选地，步骤具体包括：将低质玉米秸秆生物质粉碎至6～8mm，碎屑状的低质玉米秸秆生物质和木屑生物质混合后压缩成粒径为80mm×8mm的生物质成型颗粒，组成层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料。
[0039] 可选地，步骤具体包括：将低质玉米秸秆生物质和木屑生物质分别压缩成粒径为80mm×8mm的成型颗粒状，颗粒状的玉米秸秆制备低质成型燃料和木屑制备高质成型燃料混合，组成层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料。本可选的实施例中，生物质成型颗粒复合燃料经过压缩成生物质颗粒后，其体积大幅减小更便于运输、贮存和使用，解决了生物质成型颗粒复合燃料大规模利用的关键难题，适合于工业锅炉的清洁能源改造，且大大改善了生物质的燃烧性能。
[0040] 可选地，生物质成型颗粒的颗粒密度为1.1‑1.3t/m3。
[0041] 具体地，碎屑状的低质玉米秸秆生物质和木屑生物质混合后，利用压辊或环模进行压缩成型。
[0042] 下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
[0043] 层燃锅炉可采用常压蒸汽锅炉，层燃锅炉型号为DZL1‑0.7‑S。炉排采用链式炉排，2
炉膛内炉排长度为2350.2mm，宽度1465mm，炉排有效面积为2.0m，层燃锅炉采用三段式配风，炉排下方设有三个风室，为层燃锅炉不同燃烧阶段提供可调节供风。炉排热负荷qR计算公式为：
[0044]
[0045] 式中：B——燃料消耗量，kg/s；
[0046] Qar,net——燃料的低位发热量，kJ/kg；
[0047] R——炉排有效面积，m2。
[0048] 由式1可知，层燃锅炉的炉排热负荷为388.30kJ/m2，玉米秸秆颗粒燃料特性如表1所示，得到玉米秸秆颗粒燃料低位发热量为13377kJ/kg，层燃锅炉详细参数由表2所示。
[0049] 表1玉米秸秆颗粒燃料特性
[0050]
[0051] 层燃锅炉总长度为4395mm，宽度2000mm，高度3547mm，炉膛净宽度为1465mm，前拱高度为1083.7mm，与水平向右方向呈75°夹角；后拱高度为716.8mm，与水平向左方向呈10°夹角，水平长度为800.5mm，拱覆盖率为34.06％。
[0052] 表2DZL1‑0.7‑S层燃锅炉的主要设计参数
[0053]
[0054] 对DZL1‑0.7‑S层燃锅炉进行能效测试，采用碎屑状的低质玉米秸秆燃料和木屑高质燃料混合后压缩成生物质颗粒与颗粒状的低质玉米秸秆制备成型燃料和木屑制备高质成型燃料混合两种方法组成的层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料，分别对同一台锅炉进行正平衡、反平衡能效测试，其中锅炉运行测试期间稳定室内温度为(10.0±2.0)℃，给水温度为(7.6±2.0)℃，料层厚度为100mm，测试前锅炉需稳定运行8h，确保炉膛内部和炉墙温度稳定，测试时间为1h，每隔5min记录一次数据，共进行两组工况试验。其中，采用碎屑状的低质玉米秸秆燃料和木屑高质燃料混合后压缩成生物质颗粒的掺混方法组成层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料时，能效测试参数如表3所示；采用颗粒状的低质玉米秸秆制备成型燃料和木屑制备高质成型燃料掺混的方法组成层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料时，能效测试参数如表4所示。
[0055] 工况一为正平衡测试，对于饱和蒸汽锅炉正平衡测试计算见式：
[0056]
[0057] 式中：η1——正平衡效率，％；
[0058] Dfw——给水流量，kg/h；
[0059] hsat,st——饱和蒸汽焓，kJ/kg；
[0060] hfw——给水焓，kJ/kg；
[0061] γ——汽化潜热，kJ/kg；
[0062] ω——饱和蒸汽湿度，％；
[0063] GHum——测定蒸汽湿度时的锅炉水取样，kg/h；
[0064] B——燃料消耗量，kg/h；
[0065] Qin——输入热量，kJ/kg。
[0066] 炉渣可燃物含量计算公式为：
[0067]
[0068] 式中：M1——燃烧后的燃料重量；
[0069] M2——燃烧前的燃料重量。
[0070] 燃料消耗量由锅炉参数决定；折算燃料消耗量用燃料消耗量÷1.224得到估算数值。
[0071] 工况二为反平衡测试
[0072] 采用反平衡法按照TSGG0003‑2012标准对锅炉热效率进行测试。
[0073] 计算反平衡热效率需要测出锅炉各项热损失，间接计算出锅炉热效率，即：
[0074] η＝100％‑(q2+q3+q4+q5+q6) (式4)
[0075] 式中：η——反平衡热效率，％；
[0076] q2——排烟损失，％；
[0077] q3——气体未完全燃烧热损失，％；
[0078] q4——固体未完全燃烧热损失，％；
[0079] q5——散热损失，％；
[0080] q6——灰渣物理热损失，％。
[0081] (1)排烟损失
[0082] 排烟热损失指锅炉排烟带走的热量所造成的热损失，等于排烟焓与入炉空气焓之差，计算见式(5)：
[0083]
[0084] 式中：hds——排烟处烟气焓，kJ/kg；
[0085] hca——入炉冷空气焓，kJ/kg；
[0086] ——修正系数，％。
[0087] 计算公式见式(6)：
[0088]
[0089] 入炉冷空气温度测点应设在鼓风机进风口处，排烟温度的测点应设在烟道截面上工质温度比较均匀的位置，并应接近最后一级受热面，且距离应不大于1m。
[0090] (2)气体不完全燃烧热损失
[0091] 由于CO、H2、CH4等可燃气体未燃烧放热就随烟气离开锅炉而造成的热损失，其计算见式(式7)：
[0092]
[0093] 式中：Vd.fg—排烟处干烟气体积，m3/kg；
[0094] CO'、H'2、CnH'm—分别为排烟处CO、H2、CnHm的含量，％。
[0095] 烟气成分测点应开设在烟道截面上工质流速比较均匀的位置，一般在直管段上，并应接近最后一级受热面，距离不大于1m。
[0096] (3)固体不完全燃烧热损失
[0097] 固体不完全燃烧热损失计算见式(8)：
[0098]
[0099] 式中：Aar——收到基灰分，％；
[0100] Qnet.v.ar——燃料收到基低位发热值，kJ/kg；
[0101] αas、αcl、αs——分别为飞灰含灰量、漏料含灰量、炉渣含灰量占入炉燃料总灰量的质量分数，％；
[0102] Cas、Ccl、Cs——分别为飞灰、漏料、炉渣可燃物含量，％；
[0103] 其中，αas+αcl+αs＝100。
[0104] (4)散热损失
[0105] 当锅炉实际出力低于额定出力的75％时，对于蒸汽锅炉散热损失按式(9)修正：
[0106]
[0107] 式中：q51t—锅炉散热损失的查表值，[kJ/(m2·h)]；
[0108] Dr——锅炉的额定蒸发量，kg/h；
[0109] Dout—锅炉实测蒸发量，kg/h。
[0110] (5)灰渣物理热损失
[0111] 灰渣物理热损失计算见式(10)：
[0112]
[0113] 式中：(ct)s——炉渣焓，kJ/kg。
[0114] 表3碎屑状掺混后压缩成型颗粒燃烧的DZL1‑0.7‑S层燃锅炉能效测试参数[0115]
[0116] 表4颗粒掺混燃烧的DZL1‑0.7‑S层燃锅炉能效测试参数
[0117]
[0118]
[0119] 热效率计算结果误差规定：当同时采用正、反平衡测试法时，每个工况测得的正、反平衡之差应不大于5％。两个工况测得的正平衡或者反平衡的热效率值之差均应不大于2％。取两个工况结果的算数平均值作为锅炉热效率最终计算结果。
[0120] 由表3和表4可知，与单颗粒掺混的燃料燃烧效果相比，碎屑掺混成型后的颗粒燃烧在能效测试结果显示中，数据具有优化的趋势，其中，排烟温度从181℃降低到180.5℃，排烟口的CO浓度从0.29％降低到0.22％，同比下降率达到24％。炉渣可燃物含量从0.45％下降到了0.415％，结渣率从0.35％下降到0.29％，所以燃料的燃烧特性有所改善。层燃炉的热效率方面，正平衡热效率从82.78％升高至83.415％，反平衡热效率从84.38％升高至85.11％。
[0121] 实施例1，低质玉米秸秆制备成型燃料和木屑制备高质成型燃料的质量比为1：3的生物质成型颗粒复合燃料。
[0122] 取225kg木屑和75kg、6～8mm的玉米秸秆碎屑，将玉米秸秆碎屑和木屑混合后利用3
压辊或环模进行压缩成型，压缩成颗粒密度为1.1t/m 、粒径为8×80mm的层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料。
[0123] 将层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料置于DZL1‑0.7‑S层燃锅炉内燃烧，记录燃尽率、着火点、结渣情况、燃烧时间、一氧化氮排放量、一氧化碳排放量和生物质成本。
[0124] 实施例2，低质玉米秸秆制备成型燃料和木屑制备高质成型燃料的质量比为1：1层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料。
[0125] 取150kg木屑和150kg玉米秸秆碎屑，将6～8mm的玉米秸秆碎屑和木屑混合后利用3
压辊或环模进行压缩成型，压缩成颗粒密度为1.2t/m 、粒径为8×80mm生物质层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料。
[0126] 将层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料置于DZL1‑0.7‑S层燃锅炉内燃烧，记录燃尽率、着火点、结渣情况、燃烧时间、一氧化氮排放量、一氧化碳排放量和生物质成本。
[0127] 实施例3，低质玉米秸秆制备成型燃料和木屑制备高质成型燃料的质量比为3：1的生物质成型颗粒复合燃料
[0128] 取75kg木屑和225kg、6～8mm的玉米秸秆碎屑，将玉米秸秆碎屑和木屑混合后利用3
压辊或环模进行压缩成型，压缩成颗粒密度为1.3t/m 、粒径为8×80mm生物质层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料。
[0129] 将层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料置于DZL1‑0.7‑S层燃锅炉内，燃烧，记录燃尽率、着火点、结渣情况、灰分、燃烧时间、一氧化氮排放量、一氧化碳排放量和生物质成本。
[0130] 对比例1，低质玉米秸秆制备成型燃料
[0131] 取质量为300kg的玉米秸秆粉碎成碎屑状，碎屑状的玉米秸秆利用压辊或环模进3
行压缩成型，压缩成颗粒密度为1.2t/m、粒径为8×80mm的生物质成型颗粒。
[0132] 将玉米秸秆生物质颗粒置于DZL1‑0.7‑S层燃锅炉内，燃烧，记录燃尽率、着火点、结渣情况、灰分、燃烧时间、一氧化氮排放量、一氧化碳排放量和生物质成本。
[0133] 对比例2，木屑制备高质成型燃料
[0134] 取质量为300kg的木屑，将木屑利用压辊或环模进行压缩成型，压缩成颗粒密度为3
1.2t/m、粒径为8×80mm的生物质成型颗粒。
[0135] 将生物质木颗粒置于DZL1‑0.7‑S层燃锅炉内，燃烧，记录燃尽率、着火点、结渣情况、灰分、燃烧时间、一氧化氮排放量、一氧化碳排放量和生物质成本。
[0136] 对比例3，煤炭
[0137] 将质量为300kg的煤炭置于DZL1‑0.7‑S层燃锅炉内，燃烧，记录燃尽率、着火点、结渣情况、灰分、燃烧时间、一氧化氮排放量、一氧化碳排放量和成本。
[0138] 效果实施例
[0139] 对实施例1‑3与对比例1‑3分别进行燃尽率、着火点、结渣情况、灰分、燃烧时间、一氧化氮排放量、一氧化碳排放量和成本的测量或计算，结果如表5所示，其中木颗粒单价约为0.95元/kg，玉米秸秆颗粒约为0.75元/kg。对实施例1‑3与对比例1‑2分别进行燃烧速率最高处温度、最高燃烧速率、平均燃烧速率、挥发分开始析出温度、挥发分结束析出温度进行测量，计算燃烧特性指数，结果如表6所示。图1‑5分别实施例1‑3与对比例1‑2的升温曲线图。图6为玉米秸秆以不同比例掺混下的生物质成型颗粒复合燃料的DSC曲线图，在单位时间所必需施加的热量与温度的关系曲线为DSC曲线。
[0140] 表5实施例和对比例的对比数据
[0141]
[0142]
[0143] 表6玉米秸秆在不同掺混比例下的燃烧特性参数
[0144]
[0145] 当试样中的玉米秸秆掺混比例达75％时，试样的着火点为279℃，灰分占比12.1％，挥发分燃烧最高速率为1.30％/℃。结果表明生物质成型颗粒复合燃料的燃烧特性更好。
[0146] 本发明的层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料，利用木屑制备高质成型燃料挥发分高、易燃、灰分少、不易结渣且释放热量多的优势，与低质玉米秸秆生物质燃烧时产生协同作用，改善低质生物质着火点高、易结渣，灰分大和燃烧不充分等燃烧特性。
[0147] 本发明的层燃锅炉专用的生物质成型颗粒复合燃料，燃尽率较高，灰分较小，着火点提前有利于燃烧，结渣情况有所改善，相同工况下燃烧时间更短，一氧化氮和一氧化碳的排放量更少，完成一组工业试验所需生物质成本更低。
[0148] 虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
