1 概述
随着人类对环境问题不断的关注，生物质能作为一种新兴的可再生能源越来越受到各国学者的关注。生物质能源具有以下特点：分布广、资源量丰富、清洁可再生，并且其能源化利用过程中可以实现C02零排放。在我国，农作物秸秆产出量已经超过7×108t，折合成标准煤3.5×108t，若全部利用可以减排8.5×108t的C02。因此，有效利用生物质能源既可缓解温室效应，又能实现废弃物再利用，提高农民的生活水平，增加农民收入，具有明显的经济效益和社会效益，符合我国现阶段的国情。
现阶段生物质能利用方式主要包括生物质热解气化技术、生物质制沼气技术、生物质固化成型技术、生物质液体燃料技术、生物质直燃发电技术等。文献[1-3]介绍了链条炉排炉燃烧生物质燃料的技术现状，以及燃料变化后所引起的受热面结渣现象。通过在秸秆压块成型过程中加入一定的添加剂，可以减少受热面结渣现象，笔者在试验过程中采取了此项解决方案。本文重点介绍燃煤一秸秆压块混烧的试验结果。
2 试验现场情况
混烧试验在一台额定压力为1.3MPa、额定蒸发量为10t/h的链条炉排炉上进行。锅炉用户的特殊生产工艺造成锅炉热负荷波动较大，蒸汽质量流量一般为4～8t/h，压力在0.8MPa左右。
对于纯粹燃煤工况，锅炉正平衡计算热效率ηp的计算式为：
式中ηp——纯粹燃煤工况下锅炉正平衡计算热效率
hs——饱和蒸汽的比焓，kJ/kg
hw——锅炉给水的比焓，kJ/kg
ms——生产蒸汽量，kg
mf——消耗燃煤的质量，kg
Qf——燃煤的低位发热量，kJ/kg
采用纯粹燃煤方法，通过测试得到：hs=2770kJ/kg，hw=84kJ/kg，Qf=22583kJ/kg，mf=180.31kg，ms=1000kg，将测试参数代入式(1)，计算得出ηp=65.96%。
在混烧试验进行前，我们利用热重-差热同步分析仪对纯粹燃煤情况下的灰渣含碳量、飞灰含碳量进行了测试和分析。对于灰渣含碳量分析，在升温过程中，110℃以下的质量损失约22%，是灰渣样本中的水分。400℃以上存在3个失重峰值，其中第一个峰值是挥发分的失重造成的，另外两个则是固定碳在不同温度下的反应失重。分析结果显示，灰渣中的可燃成分仍占总质量的23.15%左右，这说明燃煤在炉排上的燃尽程度不高，固体不完全燃烧热损失和气体不完全热损失均较大。
由于该炉燃煤颗粒的粒度较小，因此飞灰严重，烟道内沉积的飞灰量很大。由飞灰含碳量分析可知，相对于灰渣，飞灰中水分含量较低，仅为6%。在400℃以上仅有两个失重峰值，飞灰样本在高温的烟道内已经沉积了较长时间，因此其挥发分含量较小，但其中的固定碳含量却高达30.64%。由此可见，飞灰损失较为严重。
3 混烧试验过程及炉内燃烧情况
与煤混烧的是花生秧秸秆压块，其形状为长方体，尺寸为30mm×30mm×70mm，运输过程造成少量压块破碎成小块，但粉末状颗粒所占比例可忽略。由于成型过程中添加剂的影响，秸秆压块中灰的质量分数约15%，低位发热量约14562kJ/kg。混烧过程中，秸秆压块与燃煤的掺混比例(质量比)为20%～30%。采用人工掺混，煤斗内的混合情况见图1，两者混合比较均匀。
煤斗内的混合燃料靠自重下落，经煤闸板后落在炉排前部。由于秸秆压块的密度仅为700kg/m3，远小于燃煤的密度，因此在煤斗内下落过程中，燃煤颗粒与秸秆压块之间存在速度滑移，从而形成燃料分层。在炉排上，沿燃料层高度方向，大部分秸秆压块分布在燃料层表层，少部分分布在燃料层内。
多数的秸秆压块分布在混合燃料层表层，秸秆挥发分含量高以及挥发分着火温度低等特点，决定了混合燃料的着火时间要短于燃煤的着火时间。进入炉膛的秸秆压块迅速着火，挥发分火焰通过导热和热辐射方式，将新鲜的燃煤快速预热，使其挥发分析出速度有所加快。因此，混烧可有效改善燃煤的着火性能。一旦燃煤挥发分开始燃烧后，就会将燃煤内的固定碳温度提高，并使之具备了着火、燃烧的条件。燃料层着火情况见图2。对比燃煤情况下的着火区域可以发现，混烧可有效缩短炉排上的燃料预热区长度，一般缩短10cm左右，在炉排总长度一定的情况下，相当于延长了燃料主燃区长度，从而使燃料燃尽程度和燃烧效率有所提高。
燃料层表层秸秆压块的快速着火形成比较长的挥发分火焰。
由于生物质燃料挥发分含量高，因此预热区送风量要适当增加，以保证挥发分的燃尽。一般情况下，挥发分空间扩散燃烧过程需要补充二次风来强化，但由于该炉没有设计二次风系统，因此只能通过适当开大一次风箱的风门来补充一次风。尽管这种送风方法可在一定程度上确保挥发分的燃尽，但一次风量提高且事先无预热，导致大量冷空气进入炉膛，易造成炉膛温度降低。利用红外热像仪对炉膛温度的检测结果证实了这一理论推测，混烧情况下，炉膛温度一般为1000～1030℃，比纯粹燃煤情况下低70～100℃。
混烧不仅改善了燃煤的着火性能，还改善了主燃区燃料层内空气与燃料的混合。秸秆压块在冷态情况下是致密的块状结构，受热时挥发分析出，自身将成为疏松的孔状结构，且膨胀、体积增大。由图3可以观察到燃料层表层的体积膨胀后的秸秆压块。燃尽后的秸秆压块见图4，其结构是疏松多孔状的。
同样，在燃料层内部，秸秆压块同样会发生膨胀，使燃料层厚度有所增加，秸秆压块附近的煤层将出现孔隙。这样一来，燃料层通风阻力将有所减小，从炉排底部送入的空气将更容易渗透到燃料层上部，从而使燃料层还原区厚度有所减小，C0等不完全燃烧产物生成量有所减少。
对于混烧工况，锅炉正平衡计算热效率ηm的计算式为：
式中ηm——混烧工况下锅炉正平衡计算热效率
mf,1——秸秆压块的质量，kg
Qf,1——秸秆压块的低位发热量，kJ/kg
当秸秆压块的掺混质量比为23%时，通过测试得到：hs=2770kJ/kg，hw=84kJ/kg。消耗燃料的总质量为189.76kg，其中mf=146.11kg，mf,1=43.65kg。Qf=22583kJ/kg，Qf,1=14555kJ/kg。将测试数据代入式(2)，计算得出ηm=68.49%，比纯粹燃煤提高了2.53%。
4 结论
① 混烧后经过正平衡计算，锅炉热效率提高到68.49%，比纯粹燃煤情况下提高了2.53%，并降低了燃料成本。
② 秸秆压块与燃煤在一定的掺混比例下混烧，可有效改善燃煤的着火性能，使炉排主燃区长度增加，燃煤燃尽程度提高。
③ 秸秆压块燃尽后的疏松结构，有效降低了燃料层的通风阻力，空气与燃料的混合加强，从而提高了燃烧效率，并且该疏松结构可以束缚内部灰粒，抑制熔融性飞灰造成的受热面结渣。
