生物质成型颗粒燃料气化锅炉的设计研究

李燕东，王述洋，刘会粉，汪莉萍，景果仙

(东北林业大学机电工程学院。黑龙江哈尔滨150040)

　　摘要：根据生物质成型颗粒燃料特性及燃烧规律，通过详细的热工计算设计了生物质成型颗粒燃料气化锅炉。锅炉采用往复炉排，增强了炉膛燃烧强度，高的炉膛高度使得锅炉气化燃烧的程度增加。从而提高了锅炉的燃烧效率和热效率。

　　0引言

　　生物质能源作为人类利用最早、最直接的一种传统能源。被利用了几十万年。但是由于生物质本身存在的问题而未能被大规模利用.例如：生物质热值低、一般利用前都需预处理、不便于运输存储、缺乏专用的燃烧设备等。经济社会的发展以能源的消耗为重要动力，经济越发展.能源消耗就越多。尤其是化石燃料消费的增加。这样就有两个突出问题摆在我们前面：一是环境污染日益严重：二是化石燃料的紧缺。农村的能源问题更加突出.一方面农村过剩的农作物剩余物或堆放在田间地头。占用宝贵的农田，或就地焚烧，不仅浪费大量的秸秆资源而且严重污染环境；另一方面国内0.5-4.0 t的燃煤快装锅炉已大量应用于乡镇企业的生产用热和乡镇居民的冬季采暖，严重制约了农村经济与能源的可持续发展。因此，研发性能完备的生物质燃烧设备，妥善处理农村秸秆剩余问题，已成为解决环境污染，提高农民生活质量的一项重要课题。

　　1设计依据

　　本文所设计的生物质成型颗粒燃料气化锅炉是以燃烧玉米秸秆成型颗粒燃料的专用燃烧设备。

　　1.1生物质成型颗粒燃料的特性

　　表1是玉米秸秆成型燃料的工业分析和元素分析以及发热量数值。

　　由表1看出，生物质成型燃料的挥发分高于煤炭。灰分、氮和硫含量远小于煤，其热值小于煤。研究表明。生物质成型颗粒燃料的燃烧性能优于柴薪.可以实现高效、洁净、低排放燃烧。生物质成型燃料燃烧具有自身的特性。

　　1.2生物质成型颗粒燃料的燃烧特性

　　由于生物质成型颗粒燃料是经过高压而形成的颗粒(直径∅=6～10mm，长度L<80mm)状物料，其密度远远大于原生物质，颗粒燃料的结构与组织特征决定了挥发分的析出速度与传热速度都大大降低。生物质成型颗粒燃料的燃烧过程可分为干燥脱水、挥发分析出、挥发分燃烧、焦炭燃烧和燃烬5个阶段：①生物质颗粒燃料中的水分蒸发；②随着颗粒燃料温度的不断升高，挥发分开始析出，燃烧处于动力区，这一过程即可认为是气化过程；③挥发物与氧气结合、燃烧，形成火焰，燃烧进入过渡区与扩散区，同时挥发分燃烧所需的氧与外界扩散的氧很好的匹配，挥发分能够燃尽；④挥发分燃烧完后，此时燃料中的木质素已经炭化，空气中的氧气充分接触到焦炭，焦炭开始燃烧。焦炭燃烧所需要的氧与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定持续，炉温较高；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.形成整体的灰壳，灰壳表面看不到火焰。燃烧过程结束。

　　1.3生物质颗粒燃料气化锅炉的主要设计参数

　　2生物质成型颗粒燃料气化锅炉设计

　　2.1锅炉总体结构设计

　　锅炉的燃烧技术利用层燃技术，采用单锅筒纵向布置，锅筒下部为炉膛，炉膛内布置水冷壁；炉膛两侧为对流烟道，对流烟道里布置对流受热管束；锅筒内设置烟管，此外有下集箱、风室、进料斗、灰渣室、炉墙、阀体等组成，锅炉的结构如图1所示。

　　以图1为例介绍该生物质成型颗粒燃料气化锅炉的工作原理。首先一定量的生物质成型颗粒燃料经过炉门1送入到水平往复炉排2上。一次风从送风口13穿过炉排和燃料层进入炉膛。提供燃烧所需要的一次空气，燃料在活动炉排的带动下缓缓向前移动.成型颗粒燃料在热源和空气的共同作用下脱水、气化、燃烧，产生的含可燃物气体的高温烟气在后拱3的阻挡下反向流动进入上部炉膛空间.与二次风道4喷出的空气充分混合而迅速燃烧。燃烧完全的高温烟气被分成两股分别进入左右烟道5，然后烟气流经炉膛两侧的对流烟道6中，冲刷对流受热管束并与其中的工质进行热交换.错综排列的对流管束使烟气中灰分的含量大大减少。由对流烟道6出来的洁净烟气经过外烟道7进入埋设在锅筒里的烟管8中，洁净烟气流过烟管8由烟口9排出.在引风机的抽力作用下送入烟囱，排到大气中。燃料燃尽后形成的灰渣由往复炉排的输送从出渣口14排到锅炉底部的灰渣室。此外，在锅筒上安装安全阀10、入孔11、主蒸汽出口12。

　　2.2生物质成型颗粒燃料气化锅炉炉膛设计

　　炉膛体积和炉排面积是锅炉炉膛的两个主要参数，由式(1)、(2）呵计算出锅炉炉膛及炉排尺寸：

　　2.6气化锅炉风机选型设计

　　通风是锅炉的“呼吸”器官。也是调整锅炉出力的手段。只有合理地设计通风系统和选用通风设备，才能保证锅炉的燃烧和传热过程正常进行。目前常用的机械通风方式有三种，即负压通风、平衡通风和正压通风。本文设计的锅炉选用平衡通风，即在锅炉设备中同时装有送风机和引风机。

　　依据燃烧需要的空气量及适当的过量空气系数和风道全压降。选择送风机时往往为了安全起见应考虑一定的储备，用储备系数加以修正。引风机是用于克服烟道阻力的，依据燃烧产生的烟气量和烟道全压降以及一定的储备系数.选择引风机。送、引风机风量和风压可由计算确定。依据计算结果和锅炉辅机厂家提供的产品目录选择风机型号。选择由某公司生产的送风机和引风机，送风机型号为：4—72—3.6A；引风机型号为：Y5—47—3C。

　　3结论

　　采用高炉膛结构，加强了颗粒燃料的气化效果，使燃烧更加充分，从而提高锅炉热效率；采用平衡配风法使炉膛过量空气系数减小而减少排烟损失；往复炉排的应用使得炉膛燃烧强度增加。改善了燃料的着火状况。