生物质成型燃料热水锅炉的设计与试验研究

赵迎芳，梁晓辉，徐桂转，叶芳，刘圣勇，孙建青

(河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002)

　　摘要：在对生物质成型燃料元素分析及燃烧特性研究的基础上，设计生产了180kW生物质成型燃料热水锅炉，并进行了热性能试验。结果表明，在试验工况下锅炉燃烧效率达94.8％，热效率达78.2％，排烟损失为10.09％，气体不完全损失为0.522％，散热损失为7.9％。排烟中NO_x，SO₂及烟尘浓度远远低于燃煤锅炉，且符合国家工业锅炉大气中污染物排放标准要求。

　　作物秸秆是来源于太阳能的一种可再生能源，具有资源丰富含碳量低的特点。加之在其生长过程中吸收大气中的CO₂而被称为清洁能源。美国在20世纪30年代研制成了螺旋式压缩机及相应的燃烧设备；日本在20世纪50年代研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备。中国从20世纪80年代引进螺旋推进式秸秆成型机。但是，相应的专用生物质成型燃料燃烧设备的研制还很少，一些单位为燃用生物质成型燃料，在未弄清生物质成型燃料燃烧特性的情况下，盲目把原有的燃煤燃烧设备改为生物质成型燃料燃烧设备，改造后的燃烧设备存在着炉膛的容积、形状与生物质成型燃烧不匹配，锅炉的受热面与生物质成型燃料不匹配，过剩空气系数与生物质成型燃烧不匹配等原因，致使锅炉燃烧效率及热效率较低，污染物排放超标。因此，根据生物质成型燃料燃烧特性重新设计生物质成型燃料燃烧专用设备，对缓解农村能源紧张的局面，减轻温室效应，解决能源和环境协调发展问题都有重要的意义。

　　1设计依据

　　1.1生物质成型燃料与煤的元素分析比较

　　生物质成型燃料由水稻、小麦、玉米等秸秆压缩成型而来，在压缩过程中以物理变化为主，其元素组成与微观结构与原生物质秸秆基本相同。而煤是由远古植物遗体在地表湖沼或海湾环境中随着地壳的变动被埋入地下，长期处在温度、压力较高的环境中，原植物中纤维素、木质素经脱水腐蚀，其含氧量不断减少，而碳量不断增加，逐渐形成化学稳定性强、含碳量高的固体碳氢燃料。碳含量的规律是随煤的变质强度的加深而增加，一般含量50％～90％，在变质程度最高的无烟煤中则高达90％一98％，而在各种生物质成型燃料中碳含量集中在35％～42％；氢含量较低，为3.82％一5％；氮和硫对煤和生物质成型燃料而言都是有害物质。煤中氮含量在1％一3％，硫含量在1％一2％，而生物质成型燃料氮含量比煤低，不到1％，硫的含量更低，不到0.2％。因此，其造成的污染程度要低于煤；煤的挥发分含量随着煤的变质程度的加深而减少，烟煤中挥发分含量在10％～40％，秸秆成型燃料的挥发分均在60％一70％，远高于煤。因此，挥发分是设计锅炉时考虑的一个主要因素。由此，生物质成型燃料中硫、氮等元素含量较煤少。具有挥发分和炭活性高，同时生物质燃烧过程具有CO₂零排放的特点。这对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊的意义。

　　1.2生物质成型燃料的燃烧特性

　　生物质成型燃料是经过高压而形成的块状燃料，其密度远远大于原生物质，燃烧相对稳定。虽然点火温度有所升高，点火性能变差，但比煤的点火性能好。由于生物质成型燃料是经过高压而形成的块状燃料，其结构与组织特征就决定了挥发分的逸出速度与传热速度都大大降低。但是与煤相比显得更为容易。因此，生物质成型燃料的挥发分特性指数大于煤的，其燃烧特性指数较煤的大。燃烧速度适中，能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面，使排烟热损失降低。同时挥发分燃烧所需的氧与外界扩散的氧很好的匹配，燃烧波浪较小，减少了固体与排烟热损失。

　　2生物质成型燃料热水锅炉的设计

　　2.1生物质成型燃料热水锅炉的结构

　　生物质成型燃料热水锅炉由上炉门、中炉门、下炉门、上炉排、辐射受热面、下炉排、风室、炉膛、降尘室、对流受热面、炉墙、排汽管、烟道、烟囱等部分组成，其结构布置如图1所示。

　　2.2生物质成型燃料热水锅炉的工作原理

　　燃料通过中炉门在下炉排上点火成功后，成型块从上炉门进入上炉排，根据生物质容易着火的燃烧特性，片刻就会燃烧起来。在引风机引导下下吸燃烧，上炉排漏下的生物质屑和灰渣到下炉排上继续燃烧和燃烬。成型燃料在上炉排上燃烧后形成的烟气和部分可燃气体透过燃料层、灰渣层进入上、下炉排间的炉膛进行燃烧，并与下炉排上燃料产生的烟气一起，经后墙上的烟气出口流向降尘室和后面的对流受热面。降温对流受热面采用烟管并联。

　　高温烟气在烟管中向上多回程流动，这样既能减少烟气的阻力，又能使气体在夹层内停留更多的时间，传热效率高，然后烟气流向烟道，此时温度都有很大的降低，再进入烟囱排向外界。这种燃烧方式，实现了生物质成型燃料的分步燃烧，缓解生物质燃烧速度，达到燃烧需氧与供氧的匹配，使生物质成型燃料稳定持续完全燃烧，起到了消烟除尘作用。

　　2.3炉膛及炉排的设计

　　2.4受热面的设计

　　2.4.1辐射受热面的设计为了降低生物质成型

　　燃料燃烧设备炉温度，并保证生物质成型燃料的充分燃烧，在炉膛中上辐射受热面的布置如图1所示，上炉排、上炉膛上部及四周都布置了辐射受热面。其辐射受热面的大小与布置形式与燃料种类、燃烧设备形式等因素有关。其计算公式为

　　4结论

　　1)根据生物质成型燃料的燃烧特性设计出的180kW生物质成型燃料热水锅炉的热效率、热水流量、热负荷，水温等热性能参数达到了设计要求，证明该设计方法正确性和科学性。

　　2)热水锅炉燃烧效率最高达78.2％，烟尘含量为110mg·m^-3，远远低于燃煤锅炉，符合国家关于工业锅炉大气中污染物排放标准要求。且有较好的环保效益。

　　3)该热水锅炉制造工艺简单，价格与同容量燃煤锅炉相当，试验时操作也比较容易，可大大提高生物质利用率，且有较高的经济效益与社会效益。

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