秸稈成型燃料鍋爐的研制

穆會(huì)群,武建設(shè)*

新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電氣工程分院,新疆石河子832000

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秸稈成型燃料鍋爐的研制

穆會(huì)群,武建設(shè)*

新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電氣工程分院,新疆石河子832000

摘要:依據(jù)秸稈成型燃料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足秸稈成型燃料充分燃燒的鍋爐，即在鍋爐結(jié)構(gòu)方面選擇具備消煙和除塵功能的雙層爐排，降低煙塵中氮氧化合物以及二氧化硫含量，提高燃耗效率，達(dá)到我國(guó)鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞:秸稈成型燃料;雙層爐排;鍋爐

光合作用形成的生物質(zhì)量比較大，被稱(chēng)之為第四大能源，從能量的消耗方面而言排在煤炭和石油以及天然氣之后。而且秸稈屬于可再生資源，我國(guó)生物秸稈的年產(chǎn)量可以達(dá)到6.0×108t。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和居民生活質(zhì)量水平提升形勢(shì)下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，其中秸稈剩余量每年都在增加，若是銷(xiāo)毀不當(dāng)就會(huì)造成環(huán)境污染，也浪費(fèi)資源，嚴(yán)重影響交通安全。而充分運(yùn)用秸稈取代礦物燃料，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放，在很大程度上減小大氣環(huán)境中的二氧化硫與氮氧化物等的含量，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)階段，我國(guó)在秸稈成型燃料的燃燒方面研究比較少，缺少性能強(qiáng)的秸稈燃耗鍋爐。而為了能夠保證秸稈成型燃料可以充分燃燒，就一定要針對(duì)傳統(tǒng)的燃煤鍋爐進(jìn)行改造與創(chuàng)新，可是在改造之后鍋爐依然存在爐膛容積和形狀以及燃燒不配問(wèn)題等多種問(wèn)題，導(dǎo)致污染排放超標(biāo)。因此，分析與研究秸稈成型燃料鍋爐具備重要意義。

1　秸稈成型燃料鍋爐研制依據(jù)

1.1秸稈成型燃料特點(diǎn)

表1中主要對(duì)四種秸稈的元素以及發(fā)熱量數(shù)值進(jìn)行了概述。

表1　四種秸稈成型燃料的成分Table 1 Components of four kinds of straw briquette fuel

通過(guò)對(duì)表1進(jìn)行分析可以得出，秸稈成型燃料自身的揮發(fā)性要比煤高，按時(shí)灰分與含碳量要比煤小，在熱值方面也比煤小，因此秸稈成型燃料在燃燒過(guò)程中具備一定的特點(diǎn)[1]。

1.2秸稈燃燒特點(diǎn)

秸稈的密度不僅密度下，而且體積比較大，揮發(fā)通常達(dá)到了65%左右，比較容易點(diǎn)火。秸稈熱分解溫度一般偏低，比如350℃時(shí)揮發(fā)性達(dá)到了80%，燃燒的速度偏快。在秸稈燃燒的時(shí)就會(huì)快速拓展，其中揮發(fā)分可以在相對(duì)比較短的時(shí)間之內(nèi)燃燒，放熱量直線上升，這樣高溫?zé)煔怆y以有效傳熱就從煙囪拍吹，導(dǎo)致許多排煙熱損失[2]。同時(shí)揮發(fā)分的劇烈燃燒需求大量的氧氣，導(dǎo)致供氧不足，從而出現(xiàn)不完全燃燒，生成一氧化碳和氫氣等相關(guān)中間產(chǎn)物。若是揮發(fā)分在燃燒過(guò)后進(jìn)入至焦炭燃燒時(shí)期，因?yàn)榻斩捊固亢髮儆谒缮?，在氣流的擾動(dòng)下就會(huì)分解成為懸浮體，然后脫離燃燒層，進(jìn)入到爐膛中，通過(guò)煙道從煙囪流出，造成燃燒熱量嚴(yán)重?fù)p失。另外，燃燒層中剩下的焦炭量相對(duì)比較少，難以構(gòu)成燃燒中心，導(dǎo)致燃燒的后勁不充足。在此種狀況下，若是空氣量控制不合理，就會(huì)造成空氣量嚴(yán)重過(guò)剩，不僅會(huì)導(dǎo)致?tīng)t溫減小，還會(huì)加劇排煙熱的損失。

1.3秸稈成型燃料的燃燒特點(diǎn)

因?yàn)榻斩挸尚腿剂现饕墙?jīng)過(guò)高壓而產(chǎn)生的塊狀燃料，該密度要比原生物質(zhì)大許多，而且秸稈成型燃料的結(jié)構(gòu)和組織特點(diǎn)導(dǎo)致?lián)]發(fā)分逸出速度要比傳熱速度小。同時(shí)點(diǎn)火的溫度明顯提升，而點(diǎn)火性能減小，可是要比型煤自身點(diǎn)火性能好。在秸稈成型燃料燃燒時(shí)，會(huì)慢慢進(jìn)行揮發(fā)分的分解，其燃燒屬于動(dòng)力區(qū)，在揮發(fā)分的燃燒進(jìn)入到過(guò)渡區(qū)域和擴(kuò)散區(qū)域時(shí)，秸稈成型燃料的燃燒速度適中，可以揮發(fā)分釋放熱量，然后及時(shí)傳輸至受熱面，從而在很大程度上減小排煙能量的損失。另外，揮發(fā)分在燃燒的過(guò)程中需求的氧氣應(yīng)該和外界擴(kuò)散的氧氣進(jìn)行合理匹配，這樣揮發(fā)分才可以充分燃燒，慢慢提升爐溫，在一定程度上減小氣體不充分燃燒的損失和排煙熱損失。在揮發(fā)分燃燒之后，所剩的焦炭骨架結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，這樣運(yùn)動(dòng)氣流難以將骨架進(jìn)行解體懸浮，保證骨架碳可以維持層狀進(jìn)行燃燒，構(gòu)成層狀的燃燒核心[3]。此種狀況下，碳燃燒需求的氧和靜態(tài)滲透擴(kuò)散時(shí)的氧相同，可以維持燃燒的穩(wěn)定性，慢慢提升爐溫，有效降低固體和排煙的熱損失。在進(jìn)行燃燒時(shí)能夠比較清晰的觀察到碳具體燃燒流程，其中碳燃燒的火焰是藍(lán)色的就表示燃燒的時(shí)間比較長(zhǎng)。整體而言，秸稈成型燃料的燃燒速度比較均勻，在很大程度上降低了燃燒波浪的形成，從而保持燃燒的穩(wěn)定性。

2　秸稈成型燃料鍋爐設(shè)計(jì)

2.1鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

秸稈成型燃料鍋爐通常由上爐門(mén)和中爐門(mén)以及下?tīng)t門(mén)、上爐排等多個(gè)部門(mén)構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　秸稈成型燃料鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of straw briquette fuel boiler

秸稈成型燃料鍋爐主要選擇雙層爐排結(jié)構(gòu)，也就是在手燒爐排的相應(yīng)高度上設(shè)置一道水冷卻鋼管方式的爐排。通常情況下，雙層爐排中上爐門(mén)要打開(kāi)，主要功能就是投燃料和有效供應(yīng)空氣。而中爐門(mén)的功能就是合理調(diào)整下?tīng)t排中燃料燃燒以及清除灰渣，其只在點(diǎn)火和清渣過(guò)程中才會(huì)打開(kāi)[4]。另外，秸稈成型燃料鍋爐中下?tīng)t門(mén)的功能就是排灰和供應(yīng)少許空氣，在工作運(yùn)行狀況下微微打開(kāi)，而開(kāi)度應(yīng)該依據(jù)下?tīng)t排中具體燃燒情況而確定。上爐排的空間與風(fēng)室大致相同，而上爐排和下?tīng)t排間存在的空間使?fàn)t膛，在后墻中應(yīng)該設(shè)置煙氣出口，同時(shí)煙氣出口不可以過(guò)高，從而防止煙氣短路，嚴(yán)重影響可燃?xì)怏w的充分燃燒與火焰充滿(mǎn)爐膛，同時(shí)也不可以偏低，確保下?tīng)t排中灰渣層的厚度可以滿(mǎn)足相關(guān)要求。

2.2工作原理

對(duì)于雙層爐排結(jié)構(gòu)的秸稈成型燃料鍋爐而言，工作原理指粒徑秸稈的成型燃料利用上爐門(mén)加入爐排中進(jìn)行吸燃燒，此種狀況下上爐排所漏下的秸稈屑與灰渣就會(huì)在下?tīng)t排中持續(xù)燃燒與燃盡。同時(shí)秸稈成型燃料可以在上爐排中燃燒過(guò)后，產(chǎn)生煙氣與一些可燃?xì)怏w經(jīng)過(guò)燃料層和灰渣層而進(jìn)入到上爐排和下?tīng)t排之間爐膛實(shí)現(xiàn)燃燒，還會(huì)和上爐排中燃料燃燒過(guò)程中形成的煙氣通過(guò)爐排之間的出煙口輸送至燃盡室與受熱面[5]。此種燃燒方法，可以保證秸稈成型燃料實(shí)現(xiàn)分布燃燒，有效確保秸稈成型燃料的均勻燃燒，實(shí)現(xiàn)燃燒需氧和供氧的合理匹配，加強(qiáng)秸稈成型燃料燃燒的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮消煙除塵功能。

2.3鍋爐爐膛設(shè)計(jì)

爐膛體積與爐排面積作為秸稈成型燃料鍋爐爐膛關(guān)鍵參數(shù)，而利用下述公式可以有效計(jì)算出秸稈成型燃料鍋爐爐膛和爐排具體尺寸。

上述公式中，R表示秸稈成型燃料鍋爐的爐排面積，單位是m2，V表示秸稈成型燃料鍋爐爐膛容積，單位是m3，Q(net-ar)表示凈發(fā)熱量，單位是KJ·kg-1。將相應(yīng)參數(shù)代入到公式中可以有效計(jì)算出秸稈成型燃料鍋爐的爐排和爐膛具體尺寸。

2.4秸稈成型燃料鍋爐的輻射受熱面積設(shè)計(jì)

秸稈成型燃料鍋爐通常以輻射換熱方式作為主體的換熱面，其稱(chēng)之為輻射換熱面，同時(shí)還稱(chēng)之為水冷壁。此受熱面具體大小一般由熱力進(jìn)行計(jì)算確定。為了保證秸稈成型燃料鍋爐的爐溫，一定要實(shí)現(xiàn)秸稈成型燃料的充分燃燒，并且在爐膛中設(shè)置將上爐排建立成輻射受熱面[6]。

2.5秸稈成型燃料鍋爐的對(duì)流受熱面積設(shè)計(jì)

秸稈成型燃料鍋爐以對(duì)流方式作為主體的換熱面稱(chēng)之為對(duì)流受熱面，同時(shí)也稱(chēng)之為對(duì)流管束。秸稈成型燃料鍋爐的對(duì)流受熱面積具體大小可以利用相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，綜合分析換熱量具體大小和煙氣流速以及后部空間運(yùn)用情形，雙層爐排結(jié)構(gòu)秸稈成型燃料鍋爐選擇煙管串聯(lián)布局方式。

3　秸稈成型燃料鍋爐的試驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)設(shè)備

準(zhǔn)備KM9106型號(hào)的燃燒分析儀器，其中各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量精度如下，氧氣的濃度時(shí)-0.1%和+0.2%，一氧化碳濃度是±20X，二氧化碳的濃度是±5%，工作效率是±1%等。準(zhǔn)備SWJ型號(hào)的數(shù)字熱電偶溫度計(jì)，其精度是±0.3%。準(zhǔn)備C型的壓力表，其精度是1.0級(jí)。還要準(zhǔn)備大氣壓力計(jì)，該精度是1.0級(jí)。除此之外，還應(yīng)該準(zhǔn)備米尺和表表以及水銀溫度計(jì)等等，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[7]。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

此次試驗(yàn)燃料是液壓成型的稻桿和液壓成型的玉米秸稈以及液壓成型的高粱桿等，而秸稈成型燃料的粒度是130 mm的圓柱，其中密實(shí)度是1.15 t，通常含水率是7.0%，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

3.3分析討論

通過(guò)對(duì)秸稈成型燃料鍋爐進(jìn)行試驗(yàn)表面，依據(jù)秸稈燃燒的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)秸稈成型燃料鍋爐，其在熱效率和熱水流量以及熱水壓力等各個(gè)方面工作參數(shù)可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)需求，同時(shí)秸稈成型燃料鍋爐的試驗(yàn)結(jié)果之間存在的差異比較小，燃料具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，表面此種設(shè)計(jì)方式具備科學(xué)性和可行性以及合理性。通過(guò)試驗(yàn)秸稈成型燃料鍋爐中的氣體不充分燃燒的損失大致是零，而且固體的不充分燃燒造成的熱量損失僅僅在1.6%至18%區(qū)間，燃料的燃燒工作效率達(dá)到了98%，而且熱效率高達(dá)80%，由此證明雙層爐排結(jié)構(gòu)的秸稈成型燃料鍋爐燃燒模式適應(yīng)許多秸稈成型燃料的燃燒，同時(shí)此種鍋爐已經(jīng)成為秸稈燃料的專(zhuān)用鍋爐[8]。另外，秸稈成型燃料鍋爐的價(jià)格和容量相同的燃煤鍋爐大致相同，但是秸稈成型燃料鍋爐的操作比較方便，在很大程度上提高了秸稈燃料的應(yīng)用效率，具備良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表2　秸稈成型燃料鍋爐的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of straw briquette boiler

通過(guò)試驗(yàn)還可以得出，秸稈成型燃料鍋爐的排煙中一氧化碳和氮氧化合物以及二氧化硫等物資，要比燃煤鍋爐的含量低，充分滿(mǎn)足我國(guó)工業(yè)鍋爐排放污染物質(zhì)的需求，具備良好的生態(tài)環(huán)保效益。同時(shí)，秸稈成型燃料鍋爐的研制，在一定程度上促進(jìn)了國(guó)內(nèi)秸稈成型行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，并且拓展了秸稈成型燃料的運(yùn)用范圍，實(shí)現(xiàn)秸稈成型燃料取代煤炭燃料，在工業(yè)鍋爐可持續(xù)發(fā)展方面具備深遠(yuǎn)意義與現(xiàn)實(shí)意義。除此之外，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行分析與研究發(fā)現(xiàn)，秸稈成型燃料鍋爐的工作參數(shù)和設(shè)計(jì)選擇的參數(shù)間僅僅存在比較小的差別，而此種原因主要是國(guó)內(nèi)玩對(duì)于秸稈成型燃料鍋爐設(shè)計(jì)和研究比較少，缺少相應(yīng)參數(shù)，部分參數(shù)通常是依據(jù)煤質(zhì)或是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定的。此種狀況下，在未來(lái)應(yīng)該大力研究秸稈成型燃料鍋爐具體設(shè)計(jì)參數(shù)，從而加強(qiáng)秸稈成型燃料鍋爐整體性能。

4　結(jié)束語(yǔ)

秸稈成型燃料屬于可再生與清潔型能源，必須在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多方面進(jìn)行綜合分析，重點(diǎn)研究秸稈成型燃料鍋爐相關(guān)燃燒技術(shù)。同時(shí)，秸稈成型燃料鍋爐的燃燒技術(shù)是應(yīng)用能源的一項(xiàng)現(xiàn)代化技術(shù)，目前已經(jīng)取得一定發(fā)展，我國(guó)大部分科學(xué)研究人員已在此領(lǐng)域進(jìn)行大量研究。另外，秸稈成型燃料鍋爐擁有許多特點(diǎn)，比如說(shuō)燃燒效率高和生態(tài)保護(hù)等，具備良好的社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)應(yīng)用，具備良好的推廣與應(yīng)用價(jià)值。

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The Developmentof the Boiler Burninga Condensed Straw Briquette

MU Hui-qun, WU Jian-she*

Department of Mechanical and Electrical Engineering/Xinjiang Shihezi Vocational Technical College, Shihezi 832000, China

Abstract:According to the corresponding characteristics of straw briquette fuel, we designed a boiler to meet the full combustion of straw briquette. It has the double fire grates with the functions of eliminating smoke and dust to reduce the content of nitrogen oxygen compounds and sulfur dioxide in emissions to improve the burning efficiency so as to meet the boiler emission standards in China.

Keywords:Straw briquette; double grates; boiler

*通訊作者:Author for correspondence. E-mail:Wjs2816@sina.com

作者簡(jiǎn)介:穆會(huì)群(1967-),女,陜西漢中人,本科,講師、工程師.主要研究方向:能源動(dòng)力、火力發(fā)電、燃料燃燒.

基金項(xiàng)目:兵團(tuán)社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(12YB03)及兵團(tuán)職業(yè)學(xué)校專(zhuān)業(yè)帶頭人培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012~2015)

收稿日期:2014-07-11修回日期: 2014-07-26

中圖法分類(lèi)號(hào):TK229.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-2324(2015)04-0596-04