毕业论文-生物质燃烧器燃烧与传热设计计算.doc

本本 科科 毕毕 业业论论 文文 （2014 届）届） 题题 目目生物质燃烧器燃烧与传热设计计算 学学 院院理学院 专专 业业应用物理 班班 级级10073211 学学 号号10072129 学生姓名学生姓名吴仁东 指导教师指导教师丁宁 完成日期完成日期2014.5 杭州电子科技大学本科毕业论文 摘 要 近年来，新能源的研究热度不断上升，相比较于其他的新型能源而言，生物质能 源能够先后成为世界各国研发的重点科目，不无道理，它拥有的优点有：1.资源分布十 分广泛，获取简单方便。2.它的使用对环境几乎没有污染，绿色无害。3.可再生而无需 担心能源供应的枯竭。4.符合可持续开发使用的先进理念。5.使用方法简单便捷，全民 皆宜。6.应用面十分宽广，能够发展多型产业。 直接燃烧乃是最早同时也是最为简单的从生物质体中获取生物质体中所蕴含的能 量的方法，因而得到绝大部分致力于生物质的开发和研究的专家和学者们的青睐。在 自然条件下，直接燃烧因受到各方面的影响（譬如供氧不足、热量容易散失） ，生物质 能的利用率十分低下，生产的能量也就仅仅只够维持日常生活的使用。这样的生物质 能利用方式，不仅会导致资源的极大浪费，同时也因不完全燃烧而衍生出众多的有害 物质（譬如二噁英） ，这与现今要求节约、高效和安全的社会形态是格格不入的，这也 就是直燃技术不能大规模大范围施行的原因所在。因此，我们需要一种更加科学的方 式去改善直燃技术，使之能够为我们谋求福利，生物质燃烧器的出现，正是契合了这 种要求。对于生物质燃烧器而言，运用科学而有效的方法，在直接燃烧的情况下，寻 求生物质能源能够高效、安全的转变成我们所需要的能量的方法，无疑成为了生物质 燃烧器的宿命。人们对于生物质燃烧器技术的期盼，更是坚定了致力于开发和使用生 物质燃烧器技术的先辈们的决心，同时也激起了我们这群后辈献身其中的美好愿望。 本文将结合热化学和热物理的知识，基于各位致力于生物质能源的开发和使用的 先驱们的研究之下，附加本人对于生物质燃烧器的一些见解，针对于生物质燃烧器的 最为重要的燃烧和传热这两个方面，运用理论计算和现实试验结合的方法，评价此次 设计与计算的合理性，这必将对以后的生物质能的研究和发展提供一定的助力。 关键词：生物质燃烧器；燃烧；传热 杭州电子科技大学本科毕业论文 ABSTRACT New energy researchs heat is rising in recent years, compared with other new energy, biomass energy has become the focus of the subject of research and development of all countries in the world, makes sense, it has several advantages: 1. The resource distribution is very extensive, for easy and convenient.2. It is almost no pollution to the environment, the use of green harmless.3. Renewable without having to worry about energy supplies to dry up.4. Accord with sustainable development to use the advanced idea.5. Using the method is simple and convenient, is suitable for universal.6. Application is very wide, can develop more type of industry. Direct combustion is the earliest and most simple from biological plastid contained in the biological plastid of energy method, and thus get the most committed to the development of biomass and the research of experts and scholars.Under natural conditions, direct combustion under the influence of various aspects, such as lack of oxygen, heat is easy to lost), biomass energy utilization ratio is very low, the production of energy has lasted only for the use of everyday life.Such way of biomass utilization, not only results in great waste of resources, but also because of incomplete combustion and spawned many harmful substances (such as dioxin), it has to do with saving, high efficiency and safety of society today is, that is direct combustion technology cant large-scale wide range for the cause.Therefore, we need a more scientific way to improve the direct combustion technology, to seek benefits for us, the emergence of biomass burner, it is fit for the request.For biomass burner, using scientific and effective method, in the case of direct combustion, seeking biomass energy efficiently, safely into the energy we need method, undoubtedly become the fate of biomass burner.Hope of biomass burner technology for people, but also established the is committed to the development of the technology and the use of biomass burner predecessors determination, but also aroused our this group of junior dedicated to one of the good wishes. This article combined with thermal chemical and thermal physics knowledge, based on your commitment to the development of biomass energy and use under the research of pioneers, additional himself for some opinions of the biomass burner, for biomass burner of the most important combustion and heat transfer these two aspects, using the combined method of theoretical calculation and practical test, evaluate the rationality of the design and calculation, it will be for future research and development of biomass energy to provide certain help. Keywords: biomass buener; burn; conduct heat 杭州电子科技大学本科毕业论文 目 录 1引言1 2生物质的发展及其开发利用方式的介绍2 2.1 国内外生物质能的发展历程 .2 2.1.1 生物质能源在国外的发展历程3 2.1.2 国内对生物质能源开发和使用的政策与现状 4 2.3 生物质燃烧器的研究意义 .5 2.4 生物质能的应用展望 .6 3生物质燃烧器燃烧与传热设计计算要点8 3.1 生物质燃料的特性 .8 3.2 生物质燃烧器的主要结构 .8 3.2.1 进料系统.8 3.2.2 送风系统.9 3.2.3 燃烧系统.9 3.3 生物质燃烧器的几种燃烧形式11 4生物质燃烧器改造试验13 4.1 试验背景.13 4.2 燃烧器的燃烧测试试验 .14 4.2.1 试验步骤.14 4.2.2 试验前准备注意事项.14 4.2.3 试验结果的分析.15 5结论与展望.17 致 谢18 参考文献.19 附录20 杭州电子科技大学本科毕业论文 1 1引言 在化石能源日益枯竭的今天，发展和使用替代能源必然是重中之重，因为这是关 系到人类是否能够继续向前发展的重大决策。在众多可替代化石能源的新兴能源里， 太阳能因适用性广泛而得以崭露头角，在近几年的发展之中，由于其转化效率处于瓶 颈阶段，发展势头不再强盛；风能，水能，地热能等，则因地理所限，开发有限。在 上述新兴能源遇到瓶颈之时，生物质能源的出现，给探索替代能源的先驱们带来了一 丝光亮。生物质能，简而言之，就是生物体所蕴含的能量，除了非生物体之外，这世 界上的所有事物都可以充当生物质能，来源十分广泛，而且蕴含量惊人，并且生物质 能是可再生的绿色能源，符合环境友好的条件和可持续发展的战略。 生物质能源是新兴能源的一员，但是我们对他的研究和使用则是可以追溯待我们 祖先发现火并加以使用之时。现阶段，生物质能源在工业领域的应用，并不如石油等 化石能源宽广，但在日常的生活中，特别是农村，却是离不开他的身影，例如烧火做 饭等。现如今已经是21世纪了，科学的发展也已经到达了一个新的高度，使得我们不 用像祖先们一样简陋的使用这些可贵的能源，在各种能源利用技术的带动下，各种新 型能源利用设备层出不穷。对于生物质能源而言，最为重要的利用途径就是燃烧，这 也就促生了生物质燃烧器的产业的发展。由于工业革命之后，人们的注意力都放在了 石油等不可再生的化石能源，致使生物质能源的使用和研究出现断层，现如今，在各 方人员的努力钻研之下，有望在各个领域实现突破。在燃烧器的研究方向，有赵明勤 同志对粉状生物质燃烧器的研究的一些努力1，李小二同志对生物质捆绑烧锅炉的设计 与研究2，值得一提的是是向衡等人研究设计的脉动燃烧器3，是在分析了脉动燃烧的 优点与生物质燃烧的特点后产生的灵感，该款设备能够维持稳定的脉动燃烧，并且它 的出气口很是洁净，几乎见不到黑烟的形成，燃烧也比较充分，炉膛温度维持在 8001000的特点，用途广泛，为生物质能源的使用提供了一个新的途径。 基于各位致力于发展生物质能的开发和利用的前辈们的研究，我才有机会结合我 现今所学的知识和所接触到的试验，针对于生物质燃烧器的燃烧和传热这两个方面， 给出我的设计和计算理念。本文将会从生物质燃料燃烧的特性和热物理的基础入手， 并结合锅炉原理去解剖生物质燃烧器的结构和运行原理，结合热化学理论和物理的传 热的知识，以生物质的燃烧和燃烧器传热为切入点，结合试验去分析设计方案的可行 性。 杭州电子科技大学本科毕业论文 2 杭州电子科技大学本科毕业论文 3 2生物质的发展及其开发利用方式的介绍 2.1 国内外生物质能的发展历程 自从 19 世纪 70 年代开始，第二次工业革命的发生，化石能源相比较于其他能源 （主要是生物质能）的优越性，在世人的面前显露无疑，从而导致了人们对化石能源 的需求与日俱增，消耗量也是逐年攀升。并且，世界范围内的各个地区与国家之间， 存在着严重的需求不平衡关系，这必然将会导致物价上涨，以及增加战争爆发的可能 性。人类社会已经步入 21 世纪，在这个新的世纪里，人们对化石能源的需求与依赖性， 并没有呈现出一丝减弱的迹象，反而表现出持续递增的发展趋势(特别是在一些发展中 国家中，比如中国)。同时，在另一方面，传统的化石能源（如石油，煤炭和天然气等） 乃是不可再生能源，他们现今的存储量都是一定，用一点就少一点，终有一日会被我 们使用完全的，以及我们对它们的使用，在这个使用过程中会对我们的生存的环境制 造难以估计的损失。以上这些化石能源的局限性，对于当今追求绿色健康、可持续发 展的新型社会形态而言，开发和使用可再生、环境友好的新型能源势在必行，一度成 为现今社会和世界各国的的研究热点。 在寻求新型能源来代替传统化石能源的愿景下，除了风能、水能和太阳能等被人 熟知并大规模使用的新能源外，生物质能也得以在世人面前崭露头角。生物质能的应 用和利用，主要是使用农林业的副产物如秸杆、麦草等原料，经过物理转变或化学处 理甚至生物转化等方法，使之从低品位的能源形态一跃成为可供人们轻易使用的高品 位的能源。与化石能源相比，合理的发展和使用生物质能源，对环境几乎不会造成任 何影响，更不会有污染环境，生物质能源乃是源于生物，生生不息，是一种可再生的 能源，不会出现像传统的化石能源枯竭的现象，同时发展和使用生物质能源，将会对 现在的环境状况进行改善，并且保护现在的环境状况，是人类目前所能掌握并使用的 最为理想的能源形态。 从根源上来看，我们所使用的所有能源，都是太阳能在地球上的一种表现形态， 生物质能源也不例外，同时它也是我们这个世界上，唯一的可再生的含碳物质的能源， 是人类赖以生存的重要能源。从人类的角度来讲，生物质能的使用是整个人类社会进 步的根本所在，从地球生命的轨迹来讲，从出现捕食生物的出现开始，生物质能就推 动着整个世界的生命的演化，生物质能不可谓不重要。虽然在工业革命之后，在人们 的生产之中，舍弃了最为原始的生物质能源使用形式，改而使用煤炭、石油和天然气 等更加便捷和高效的能源，但是我们应该知道的是，煤炭等高效能源的产生，正是来 自于生物质能基于某种特定条件下的转换。生物质能源在能源家族中的地位极关重要， 据相关数据显示，生物质能源的消耗占能源总消耗的第四位，预计到下个世纪中期， 杭州电子科技大学本科毕业论文 4 生物质能源的消耗会因新技术的突破而达到总能耗的40%，这其中的差额巨大，发展 前景广阔。 2.1.1 生物质能源在国外的发展历程 20世纪所爆发的能源（特别是石油）危机，给了世界各国一个明确的警示，同时 也坚定了人们寻求替代化石能源的绿色能源的决心。与此同时，坚持科学的可持续发 展观的提出，并且保护我们的生存环境不再被破坏的理念也深入人心，人们渴望去寻 求可循环再生的发展模式，可再生能源方案的提出，给予除与黑暗无助的人们以黎明 曙光，生物质能源也就理所当然的浮出水面，并受到人们的重视与礼待。现如今，已 经到21世纪，人类社会也已步入新纪元，而能源危机却并未因科技和文明的进步而消 失，反而有越演越烈之势。发展替代能源的呼声越来越高，特别是可再生、无污染的 绿色能源的开发与研究，已成为国际社会所关注的重点。 欧洲联盟就提出，2010年的能源总消量的15%将由生物质能源提供；日本在支持 可再生能源上，也是不遗余力：02年的12月27日，日本内阁研究决定，通过日本生 物质综合战略，从此以后，生物质能源作物将被允许作为商品，使用也将变得更加 灵活；可再生能源促进法（于1997年通过）正式生效，日本政府鼓励发展可再生 能源，并计划到2010年为止，消耗的可再生能源在能源总消耗中的比例，由1.1%调升 到3.1%，生物质能源的供应量要达到新能源总供应量的70%乃至以上4。 美国作为世界上的超级强国，他们对待生物质能源的研发，不可谓不狂热。早在 1997年，美国国会就已经决定把投入与生物质能的研发经费，由最初的1.9亿上调到了 4.42亿，并表示将会再追加投入高达2.4亿美元，研发经费投入的增加幅度，令在惊讶； 美国国会还提出鼓励农业发展的政策：未来10年，减少或者减免农业赋税高达21亿美 元。仅仅只过了3年，美国农业部和能源部就将发展和推进生物质基产品和生物能源 的报告递交给了总统，2000年的6月份，“生物质研发法案”通过了，同时决定展开利 用生物质来制得能源物质、工业用品和化学制品原料的相关工作：计划生物质燃料的 供应占比由01年的0.5%，攀升到10年的4%，2020年的份额还要增加6个百分点，这三 级跳的上升幅度很是惊人；以生物和生物副产品为原料制得的化学品份额规划，也将 从2001年的5%增加到了10年的12%，到2030年，将会达到惊人的4分之1。在紧接着的 2002年，美国还专门设立了两个机构：“生物质项目办公室”和“生物质技术咨询委 员会”，规划了生物质发展路线图：到2020年，美国生物质能源制品的总量，将增加20 倍，农民也将因此增加200亿美元的收入，现今社会最为关注的碳排放问题也将得到缓 解，将以每年1亿吨的形式进行消减。同年，美国环保署与能源部和农业部，配合拟定 了生物质材料的研发方案。生物质能源的研发也受到了美国总统布什的重视，并在 2006年的全国致辞大会中指出，生物质能的开发和利用技术的相关研究要在未来的六 年内完成，确保至2025年，75个百分点的进口石油江北美国自产的生物质燃料替代。 2004年9月，“世界经合组织”的报告就指出：世界各国及地区政府，有责任为生 物质能源的研发和使用提供支持和鼓励，使之与传统化石能源的价格相当，从而实现 杭州电子科技大学本科毕业论文 5 替代的最终目的5。 在以上所提到的几个致力于生物质能开发和使用的国家中，对于生物质能的研发 工作，主要聚集在气化、直燃、固化和液化等这几个方向6。 在生物质气化方向较为成功的案例有奥地利的以木材剩余物为主要燃料的区域供 电计划；加拿大建设了12个实验室致力于生物质气化技术的研究；瑞典和丹麦实行的 生物质热电联产的计划。值得一提的是，弗瑞尔和巴里的专利：生物质循环流化床的 快速热解技术及其配套设备，终于在1998年发布了，这无异于给生物质能源行业打了 一针兴奋剂。就目前而言，已被成功开发的直接燃烧技术有：能够使用林副产品（如 枯枝落叶）和林产品加工剩余的废弃物（如家具厂的边角料）的燃烧蒸汽锅炉。至于 固化成型技术，主要有以下三大类：螺旋挤压成棒状（以日本为主），活塞挤压成圆 柱型（欧洲各国），内压滚筒成颗粒状（美国）。生物质也可以在特定条件下，液化 成其他利用性更广泛的原材料，如乙醇，就是利用生物发酵或酸水解的技术而生产， 可作为汽车的燃料使用，同时他还是一种重要的工业原料。各个国家，因地理和国家 情况的不同而导致使用原料上的差异，譬如加拿大使用的是木质材料，比利时则是使 用甘蔗，美国却是使用农林生物质和玉米。 2.1.2 国内对生物质能源开发和使用的政策与现状 对于当今社会而言，国家拥有的石油的存储量，直接关系到一个国家的发展。我 国乃是一个石油严重贫缺的国家，已探明的仅占世界石油存储量的2%。据有关数据显 示，2006年，我国的石油消耗量约为3.5亿吨，而我国的进口原油就已经达到了1亿4千 万吨以上，成品油也接近了3700万吨，进口石油占了我国石油总消耗量的一半以上， 预计这个份额在未来还会增加，情势十分严峻。就是由于这个，国家对于生物质能的 研发投入，真的是不遗余力，己经连续4次列入国家重点科技攻关项目，现在已经展开 的生物质研发和应用项目有农村沼气池建设、节柴炕灶的设计与应用、生物质压块成 型、生物质液体燃料的制取等。 2005年的第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议，决策通过了可再 生能源法，于2006年开始实施，与之相关的决策将会陆续出台，从法律上确定了可 再生能源在现有能源体系中的战略地位。我国用来提取乙醇的主要原料是玉米，据不 完全统计，我国2005年的燃料乙醇产量就已经达到了102万吨。其它原料譬如小麦和木 薯等，鉴于提取成本较为高昂，中央财政研究决定通过出售国债、减免税收、经济补 贴等鼓励政策，来支持燃料乙醇产业的发展。燃料乙醇2006年的补贴标准是1373元每 吨，同时国家对于以玉米为原料的企业，将减免5个百分点的消费税和增值税的17%。 在支持燃料乙醇生产的基础上，国改委研究决定，在2006到2007年期间，实现生物质 高新技术的产业化，力图在“十一五”末达到生物质产业替代1*107吨石油和5*106 万吨标准煤的成效7。 虽然我国的生物质能研发工作起步较其他国家略晚，但是随着我国科技的发展和 水平的提高，生物质能的研发工作正有条不紊的进行着，并且取得了一些耀眼的成绩。 杭州电子科技大学本科毕业论文 6 自80年代起，生物质的研究与开发就被列入国家攻关计划，并投入不菲，特别是在气 化、固化、热解和液化领域，已初步形成了中国特色社会主义的生物质能产业。 相比较于其他的生物质能研发领域，气化算是在我国发展较为迅捷的了，生物质 燃料的气化应用在供热、供气和发电上。致力于气化研究的机构有中国林科院，山东 能研所和广州能研所，此外，北京农机院和浙江大学等也都拥有自己的生物质气化研 究项目。中国林科院的研发成果有上吸式气化炉（在80年代研发成功，主要用于集中 供热、供气，并在黑龙江、福建得到了有效地应用）、可民用的气化系统（以枝桠为 原料，需要对枝桠进行削片处理）、应用内循环的流化床的气化系统（以秸秆为原料， 气化热效率高达70%，制得煤气的热值接近于中等程度）。山东省能源研究研制的是 下吸式气化炉，该设备乃是用于处理农业废弃物，在农民聚集的地区发展较快，现已 成产业。广州能源研究所研发成功的是应用外循环流化床气化技术的气化发电系统， 产能达180Kw,该系统所使用的原料乃是木粉和木屑，制取的煤气既可以作为干燥热源 又可以用于发电8。 于80年代中期开始研发的生物质固化成型技术，经历了几十年的发展，现已实现 工业化生产，主要以木屑为原材料制作棒状成型物为主。在生物质固化成型技术方面 建树最多的还是中国林科院，在1990年，在与江苏东海粮机厂的合作下，研发出了单 双头两种型号的棒状成型机，8年后，江苏正昌集团主动寻找到了中国林科院并寻求合 作，内压滚筒式颗粒成型机也就理所应当的研发成功了。 2.3 生物质燃烧器的研究意义 在矿物资源日益枯竭的今天，已经不允许我们像以前那样铺张浪费现有资源了， 反而有了几分使命感去坚决履行可持续发展战略，并以保护自然资源和生态环境为出 发点，以科学的态度去寻求以循环经济、生态经济为指导的绿色可再生能源。生物质 能源不仅能够符合这些要求，同时它还拥有多功用、多效益、简便易得等特点，能够 支持国家重大战略的实施。生物质燃烧器作为最为成熟和广泛的开发生物质能的一种 方式，它的科学研发和使用并将给我们带来长远而重大的影响，具体的表现如下： 2.3.1 有利于解决“三农”问题 “三农”问题一直是我国社会形态的重大研究课题，也是关系到我国经济能否健 康发展和是否能够全面建设小康社会的关键性问题，是直接关系到8亿多农村居民和1 亿多农民工人切身利益的重大决策性问题。生物质产业作为一种多功用的新兴产业， 不仅占据着食品、医药、家具等领域，并逐步开始向能源、生物基材料、林木化工等 众多领域扩展。对于以后的农民而言，他们的工作不仅仅是为了生产食物，同时也在 生产能源和化学制品等的基础材料。以一家四口拥有10亩地，1亩地每年生产的秸秆 （秸秆的收购价为200元每吨）的平均水平来计算，农民的人均收入将增加500元左右， 同时，农户还可以承包山头和土地来种植经济产物来增加收入，将有效的解决农民收 杭州电子科技大学本科毕业论文 7 入偏低的现状。 2.3.2 有利于保证国家能源安全 所谓的能源安全，指的是对一国经济发展和国防至关重要的能源的供应安全，其 实，能源安全还应包括能源生产与使用过程的安全。我国地域宽广，物资丰饶，但是 转向能源这一块上，却非如此。据相关数据显示，我国自产的能源远远不能满足经济 发展的需求，特别是石油，乃是国民经济发展的命脉，仅2006，进口石油的总量就达 到了1.8亿吨，占我国石油消耗量的50%还多一点，极度依赖于进口。我国的这种变态 的能源供应状态，无异于玩火自焚，无异于将自己的心脏交到他人的手上，能源安全 迫在眉睫。据有关专家推测，我国所拥有的煤炭仅供再利用150年，而存储的石油将极 有可能在2037全部耗尽。由此可见，在没有进口的情况下，我国的能储量将难以支持 我国未来几十年的发展，能源的需求与供给已经出现断层。结合我国现状可知，将国 家经济的发展依靠化石能源的做法是不可行的，有且只有发展新型的替代能源，才能 有效地解决能源安全问题。我国大部分地域处于气候温润的亚热带，生物资源丰饶， 分布宽广，可供开发使用的物质也不在少数，如能大力开发使用生物质能源，就可改 善我国的能源消费架构，降低我国对进口石油的依赖性，保障能源安全。 2.3.3 有利于改善环境 自建国以来，煤炭的使用量就一直占据我国能源消费总量的大头，接近70多年的 开发和使用，已经对我们的生存环境带来了巨大的影响，例如城市雾霾天气，酸雨现 象，屡见不鲜。说到酸雨，值得人们注意的是受酸雨影响的区域面积总和已超我国国 土总面积的三分之一，直接经济损失占到国民生产总值的两个百分点。以此同时，生 态系统出现异常（区域性的生物灭绝）、大气问题（PM2.5）日益严重，己严重影响我 国的社会发展和人民生活的健康。由此可见，在未来的能源发展规划中，我们有必要 兼顾能源的清洁性和对环境的无害性，力图不再给满目疮痍的生存环境再添伤疤。生 物质能来于环境，使用之后又可回归于环境，是一种能够满足当今社会要求的优质能 源。生物质能的开发和使用，不但有利于改善环境，还可以变废为宝（如垃圾发电）， 增加自然资源的利用率。因此，加快生物质能源的开发利用进程，是有效保护和改善 环境、实现科学的可持续发展和替代化石能源的重大举措。 2.3.4有利于发展新型原材料 在我们的日用生活品中，几乎都是与石油副产品有所关联，如果石油的供应出现 短缺，必将导致石油副产品的供应量不足，与之相关的物品，如化学材料、工程材料、 电子材料等也会纷纷告急，从而引起物价上涨，扰乱市场经济，影响社会的和平与发 展。开发和使用可替代石油副产品的新材料，将是仅次于开发和使用新能源，关系到 国家发展的重要决策。生物质材料的适用性广，可用范围也大，将是替代石油副产品 的不二之选。鉴于生物质材料的多样性，他的开发和使用，将会是一场旷日持久的大 战役，在此过程之中，极有可能爆发技术革命，引领新的潮流发展。 杭州电子科技大学本科毕业论文 8 2.4 生物质能的应用展望 生物质能是能源家族中的重要成员，据估计，下个世纪的能源消费比例中，生物 质能将独占鳌头，达到40%，这对于生物质资源丰富的我国来说，既是机遇，同时也 是巨大的挑战。 我国拥有充沛的生物质自然资源，仅我国农村，秸杆的年产量就可高达6亿吨，如 果我国的生物质资源能够充分有效地的利用，不但能满足国内的能源消耗和改善能源 消费结构，而且还能够向外出口生物质能产品，增加国家的外汇存储，这是机遇。而 挑战就是：虽然我国已经拥有一批长期从事生物质能研发的专家学者，研发工作也已 成体系，同时也取得了一批具有较高水平的研究成果，甚至部分技术已形成产业化， 但是相比较于英美日等国而言，我国对于生物质能的投入力度还是不够，取得的成果 也还不足以让我们欣慰。因此，在未来，科学有效地使用生物质能源，加紧应用技术 的研发，对于实现我国的战略性复兴，具有十分重要的意义。 杭州电子科技大学本科毕业论文 9 杭州电子科技大学本科毕业论文 10 3生物质燃烧器燃烧与传热设计计算要点 生物质燃烧器，顾名思义，乃是使用生物质为主要燃料，采用直接燃烧的技术实 现能源转化的装置。 3.1 生物质燃料的特性 生物质燃料所蕴含的物质主要包括有可燃烧的纤维素、半纤维素、木质素和不可 燃烧的灰分和水分。挥发分是由燃烧中的纤维素和半纤维素释放而出，燃烧后遗留下 的黑色物质是木质素燃烧后的产物。水分按存在位置可以分为内在水和外在水，内在 水是指原本就存在于细胞和组织中的水分，很难完全去除，外在水是指附着在原料表 面和间隙中的游离外在水9-10。生物质燃料中所蕴含的水含量直接关系到燃烧状况，多 时甚至能阻止燃烧的进行。生物质燃料燃烧残留下的固体物质乃是灰分，是燃料中存 有的不可燃物质在高温的作用下分解氧化而形成的，灰分在生物质燃料中的含量因生 物质种类的差异而不一而同11。在影响生物质燃料燃烧的众多因素（如供氧，供热等） 中，燃料中所蕴含的灰分和水分的份额，将是至关重要的，甚至他们能够决定一类生 物质能否够格成为生物质能源材料。 3.2 生物质燃烧器的主要结构 3.2.1进料系统 进料系统的作用是控制物料进入炉膛，他的设计需要考虑到生物质燃料的品种特 性和生物质燃烧器的结构参数，针对不同的物料和生物质燃烧器系统，进料器的选择 要在科学理论上可行，同时还需要在实践过程中不断完善。进料器参数的设定，乃是 进料系统的重中之重，在进行设计之时，我们需要考虑到常规生物质燃烧器设计的基 础参数，同时还需要针对燃烧器所实现的目的和它的特异性，考虑到与之相关的情况 的评定，例如进料的速率和均匀度以及是否需要密封和提前加热等特殊要求。 在我们所接触到的生物质燃烧器所采用的的进料方式，一般的会有三种，分别是 有上口进料、水平进料和下层进料。保证定量供给是上口进料所拥有的优点，同时燃 料因受重力的作用，在自上而下的途中就与空气接触发生燃烧反应，压力幅值的变化 难以预测，极易导致燃料燃烧的不稳定，对于稳定性要求高的就不适用，例如脉动燃 烧器；下层进料和水平进料都能够很好地实现稳定的燃烧，同时也因燃料个体与空气 的接触程度不是很大，容易导致燃烧的不完全和产能偏低，同时还会出现回火的现象， 选用此类进料方式，需增加另外的除灰装置，避免回火现象的出现。 杭州电子科技大学本科毕业论文 11 我所参与的生物质颗粒燃料直燃技术与燃烧器开发的项目，采用就是最为常见的 使用螺旋输送机（图1）的上口进料方式。它的运作原理如下：处于料仓的生物质颗粒 燃料在螺旋桨机的推送下，连续不断下落至炉排，燃料在下落的过程中就已经进行燃 烧，直到在炉排上燃烧殆尽。此种输送方式能够有效地保证燃烧的持续性，同时也因 燃料在下落过程中就以受热燃烧，因此物料燃烧会比较充分，同时螺旋输送机可以通 过变频器来调控转速，从而实现进料工况的调整，为实现多工况运行提供了基础。 图1. 螺旋输送机 3.2.2送风系统 送风系统的作用是为了实现一次风和二次风的供给，由两个送风机组构成，如图2 所示，送风机可以与变频器结合，从而达到变频调整风机转速，实现送风量的控制与 调整。送风量的测量可以通过涡轮气体流量计测得，但是由于资金原因，故而在试验 中，我们所采用是较为简陋的毕托管。 图2 送风机 3.2.3燃烧系统 燃烧系统最为重要的两个成员那是炉排及炉膛，两者的结构和参数对生物质燃烧 器热效率起着至关重要的影响。程显辰指出：对于生物质燃烧器而言，在炉膛容积不 变化的情况下，细长型与短粗型相比，更加容易实现燃料的燃烧放热。同时向衡等人 也证明了燃料燃烧的自激脉动能够有效地增加燃烧热效率。考虑到生物质燃料的特异 性，我们的设计不能只追求单方面的最大化，同时也要考虑到燃烧器的换热面积、燃 烧组织和燃料的影响，根据其所要达到的目标而进行。对于一个燃烧器而言，适合的 炉排和炉腔的设计，可以有效地提高燃料燃烧热效率，并且可以是燃料燃烧的尾气更 加清洁，有利于该燃烧设备的推广。图3是该燃烧器炉体的实物图。 杭州电子科技大学本科毕业论文 12 图3.燃烧器炉体实物图 一般情况下，炉排是由一系列圆钢组成，圆钢两端套丝，并用螺母固定，而我们 试验所采用的炉排是圆形开条的形状，图4乃是试验用炉排的同参数样板。 图4.炉排样板实物图 在对比生物质燃料形态的燃烧试验，分析可以得出以下结论：燃液和燃气燃烧器， 因燃料的热值高和容易燃烧，即使在小容积的状态下，也能获得较高的炉膛容积热强 度，但是相比较而言，固体燃料的燃烧热值低、物料中还含有影响燃料燃烧的物质， 使得绝大部分的固体燃料的燃烧都是发生在炉排，因此在设计固体燃料燃烧器的炉膛 容积时，应该把设计计算炉排面积热强度放在首位，具体公式如下所示： （1.1） 1.1式中R为炉排面积，单位为m2；B表示为燃料消耗量，kg/h；Q是燃料的低位发 热量，kJ/kg；qR是炉排面积热负荷，kw/m212。 炉排面积热负荷的取值是有讲究的，并不是越大越好：qR越大，单位面积炉排的 放热就会越多，从而导致高温的形成，致使炉排上的燃烧条件变差，也可能会因温度 杭州电子科技大学本科毕业论文 13 的过高致使炉排变形，引起通风不匀，引诱“火口”现象的形成，最终导致的结果就 是炉膛温度的降低，排烟热损失的增加。 炉腔设计所采用的是圆形，炉膛内衬的保温材料选用粘土，炉膛体积由式1.2计算: （1.2） 1.2式中的V代表的是炉膛的体积,m3；qv为炉膛容积热负荷，kw/m3。 qv是决定燃料及其燃烧产物在炉腔内停留时间是重要参数。在相同条件下，qv越 大，就表示炉膛容积将会越小，锅炉也将会变得紧凑，烟气的流动速率也会变大，因 而燃料及其燃烧产物，在炉腔内的停留时间就会越短，不能确保燃料的充分燃尽，使 得燃烧热效率减低，同时造成资源的浪费。同时，炉膛体积的变小必会致使炉膛面积 的减少，对于设计有较多水冷壁的锅炉而言可不是福音，当炉膛面积难以满足水冷壁 的布置时，就意味着整体设计重头来过；同理，qv的变小，炉膛容积就会越大，燃料 在炉膛内停留时间就会越长，越有利于燃料的燃尽，同时也会使炉壁的结渣可能性降 低很多，但是qv过小也不是个好事，它会导致炉膛容积过大，使得炉内平均温度降低， 燃尽将会变得困难，更有甚者，导致燃料着火困难，使得耗材量同步增加。鉴于此， 我们在设计炉膛时，qv的选择应根据情况而定，首先要保证燃料的充分燃烧，其次才 是减少耗材。 3.3 生物质燃烧器的几种燃烧形式 根据生物质在燃烧器中的燃烧方式，可以大致将其划分为三种：层燃、流化床燃 烧和悬浮燃烧。在对生物质发电厂的统计报告中可知，层燃技术使用最为广泛，占所 有燃烧设备的47%，采用流化床燃烧方式的也达到了29个百分点，悬浮燃烧仅占14%， 而剩余的10%则为气化燃烧13。 层燃燃烧技术14可适用于水分及灰分含量高的生物质燃料，其燃烧设备拥有结构 简单、运行可靠、操作便捷以及投资少等优点。燃烧时，燃料平铺在炉排上，空气从 燃料的下层送入，同时，为了燃料和灰渣层的均匀分布，燃烧空气的供给必须适量， 否则可能导致结渣及排烟热损失的增加。层燃根据炉排安装的形式又可分为：固定炉 排、链条炉排和振动炉排。固定炉排所运用的是倾角的重力作用，使燃料从干燥区逐 步移动到燃烧区，燃烧后的产物自动落到灰斗之内，燃烧过程不易受到控制。造就链 条炉排的是可运动的环形链条，运动的链条的作用就是运输，使燃料在炉膛移动的过 程中就开始燃烧，并到达炉腔尾部之前燃烧完全，而链条上的灰渣会在链条的运动下 自动落入灰斗之中，可通过控制链条的运转来控制燃料的供给15。振动炉排，顾名思 义，是通过炉排的振动来使燃料均匀的分布在炉排上，此种燃烧方式能够使燃料与空 气有良好的接触，从而实现完全燃烧，燃烧效果在这三种之中最好。我们试验采用的 燃烧方式是固定炉排的层燃与悬浮燃烧的结合，物料在进入炉膛的瞬间就被加热，部 杭州电子科技大学本科毕业论文 14 分在下落的过程中就已开始燃烧，最终的燃烧在炉排上进行的模式，有利于燃料实现 完全燃烧。 如果按锅炉进气的方式来分的话，可以分为上进风式和下进风式，就目前而言， 大部分燃烧器所使用的都是炉排下进风，烟气由炉膛上部排出的燃烧方式，由于这是 符合气流流动的方向，称之为正向燃烧。使用正向燃烧的优点就在于燃烧器的结构简 单，容易操作，对燃料的要求也不是很高，但是，如果燃料不能完全燃烧的话，就极 易产生黑烟，能源的利用率也不是很高。如果采用炉排上部送入空气、下部排出烟气 的逆向燃烧，在理论上就能避免正向燃烧出现的问题，李凯16的正逆向燃烧对比试验 就证明了这一点，图5是该试验的灰渣实物图。 图5.正逆向燃烧灰渣 从实物图中可以看出，黑色的可燃性焦炭十分明显，这是正向燃烧的结果，而同 样条件下只改变一次风供应方向的逆向燃烧所产生灰渣则较为均匀，这说明逆向燃烧 对燃料的利用较高，燃烧比较完全。燃料采用上进料式，空气从燃料上方的送风口进 入，新燃料在进入炉膛就受着火的燃料层的预热和干燥，进而达到着火点燃烧。逆向 燃烧可以加快燃料水分的蒸发和挥发分的释放速率，因而能够加快燃料的热化学进程。 至于燃烧产生的焦炭颗粒，会在重力以及炉排的振动的作用下，落到炉排下，因有氧 气的供给，因此能够继续燃烧。由于烟气是由下口排出，所以挥发分在经过炉排时， 就能够燃烧殆尽。逆向燃烧的气流流动是自上而下的，气流扰动相当剧烈，可以明显 提高锅炉对燃料的利用率。但与此同时，逆向燃烧是需要克服炉内热气流方向流动方 向做功的，导致炉内气压明显偏高，同时它对于送风机的要求要高于平常，同时锅炉 的设计理论也需要有所改变，这就是我们的项目没有采用逆向燃烧的原因所在。 杭州电子科技大学本科毕业论文 15 杭州电子科技大学本科毕业论文 16 4生物质燃烧器改造试验 2013年，受他人委托，丁宁副教授开始接手生物质颗粒燃料直燃技术与燃烧器开 发的项目，我有幸能够参与其中。该项目主要分为以下几个部分进行：1.测试平台和设 备的改造2.设备的标定与布料的测试3.燃烧器的燃烧测试。1、2部分乃是试验前的必要 准备，很遗憾，我并没有参与其中，至于燃烧器的燃烧测试，我则有跟踪到底，从当 最初的点火到试验结束后的分析讨论和方案的给出。在此次试验过程中，我们所使用 到的仪器主要有毕托管，微压计以及自制的烟气水冷取样枪、颗料水冷取样枪、温度 水冷测试枪各1支，热电偶和色谱仪等。 4.1 试验背景 试验用的生物质颗粒燃烧器的系统图如图6所示，该燃烧器乃是采用上进料下送风 （定义为一次风）的处理方式，能够兼具层燃与流化燃烧的特点。进料和主配风点位 于炉膛的一侧，进料斜向插入炉膛，能够依靠重力和流化风助流进行进料。配风点有 以下几处：自炉排底部进入的风量；流化物料的流化风；炉膛出口烟道的冷却周界风； 炉侧壁观察孔的保护风。高温烟气的出口则位于另外一侧。炉膛内壁有保温装置，材 料为粘土，厚度为200mm。 图6.试验用的生物质燃烧器系统结构图 杭州电子科技大学本科毕业论文 17 4.2 燃烧器的燃烧测试试验 生物质燃烧器的燃烧测试试验，与2013年12月10号开始进行，于2013年12月11号 结束，耗时3天。为了此次的试验，我们为之付出了足够多的汗水，从最初的考察考察 现场，到中期的设备准备直至这次试验的展开。为了此次试验，我们还特别邀请了浙 江大学的燃烧器专家，在与之相处的过程中，我受益颇多。为了此次试验，我们还准 备的一些仪器和设备设备，清单如下所示： 烟气成分含量测试仪 1 毕托管 1 微压计 1 烟气过滤器 1 自制烟气水冷取样枪 1 自制颗料水冷取样枪 1 自制温度水冷测试枪 1 真空泵 1 除了我们所携带的仪器外，参与试验的公司也提供了仪器和设备（具体见附录表 1）。针对于该次试验，我们还专门设计了工况表（具体见附录二），这次的试验将测 试并记录该设备在80%和100%两种工况下运行的数据。 4.2.1试验步骤 我们的试验分以下几步进行： 1、清理测试平台周边环境及炉内环境（炉排上无料），无杂物影响，关闭各设备 （含炉门）； 2、向生物质炉膛布料并加入引燃物，下达点火指令，着火后，适量配风，直到燃 烧稳定后，试验开始； 3、先按试验工况表调节给料量，将螺旋给料机调至给定位置； 4、按照配风要求进行调节，待燃烧稳定后，以及烟气的气体和颗粒采样工作；进 行数据的记录工作； 5、重复步骤4直至该实验工况各种配风子工况全部结束； 6、试验结束后，停料，鼓风机继续运行1小时后停止； 7、试验结束后，对预燃烧室进行清扫，炉底取样，并检察积灰结焦状况。 4.2.2试验前准备注意事项 试验前准备需要注意的事项如下所示： （1）提前准备好烟气取样枪、颗粒取样枪以及测试仪表等设备； （2）准备试验生物质颗粒燃料100包，每包25公斤，共2.5吨。试验时间考虑为1- 2天，生物质颗粒烧完后停炉检查； （3）准备取样袋若干； （4）燃烧试验前两小时将炉渣清空，结焦去除。因生物质颗粒灰熔点在1500度以 上，不容易结焦，但还是密切关注炉内温度水平； 杭州电子科技大学本科毕业论文 18 （5）生物质颗粒燃烧完毕，参数记录结束，进行停炉操作，停炉后对炉膛、床料、 受热面积灰结焦进行检查。 （6）现有炉膛考虑从观察孔伸入内部测量中心与炉壁温度，新建炉膛预留温度测 量装置。 4.2.3试验结果的分析 试验用的生物质燃烧器的燃烧现场如图7所示。从喷火口形成火焰长度，我们可以 看出该生物质燃烧器的产热能力很好，形成的火舌长达2-3米，足以满足一些中小型需 热设备的要求。 图7 生物质燃烧器的燃烧现场 但是喷火口中有高温的固体物质，同时还具有一定的速度，这会对于使用该设备 的某些装置形成影响，这必将局限该生物质燃烧器的使用。图 8 乃是该生物质燃烧器 燃烧 3 个小时候形成的局域喷灰分布现场图，由图可见，该生物质燃烧器的喷灰现象 很是严重，同时也说明了他对燃料的利用率不高，有待改进。 图8 生物质燃烧器燃烧产生的喷灰 图9是该生物质燃烧器燃烧后的炉排上的灰渣分布，比较均匀，这说明上进料下进 风的供给方方式是科学有效的，燃烧结果令人满意。 杭州电子科技大学本科毕业论文 19 图9 生物质燃烧器燃烧后的炉排 图 10-13 都是对比 80%和 100%工况的差异，总体分析过后可以得出，机器在 80%工 况下运行的状况要比 100%工况好得多，建议将机器的标准状态定位 80%工况下的参数。 80%工况下的燃料进料速率为 250kg/hr，空气的过量系数为 1.39，排出的尾气中的成分 如 NOx，SO2等的状况要比 100%状况下燃烧的要好，特别是在 NOx的含量上，但同时 O2的含量却是明显的超标