（动力工程及工程热物理专业论文）生物质成型燃料炉具的研制及实验研究.pdf

classified index: tk6 u.d.c.: 621.18 dissertation for the master degree in engineering development and experimental study on biomass brequette stoves candidate： xiu taichun supervisor： prof.bie rushan academic degree applied for： master of engineering speciality： thermal energy engineering affiliation： school of energy sci. stove; design; experiment 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - 目 录 u 摘要 u . i u abstract u .ii u 第 1 章 绪 论 u .1 u 1.1 课题背景及研究目的和意义 u .1 u 1.1.1 课题背景 u .1 u 1.1.2 研究的目的和意义 u .2 u 1.2 国内外生物质成型燃料技术及其应用的研究现状 u .2 u 1.2.1 生物质成型燃料技术及设备 u .2 u 1.2.2 生物质直接燃烧技术 u .6 u 1.2.3 户用生物质节能炉技术 u .8 u 1.3 课题来源及本文主要研究内容 u .10 u 第 2 章 生物质成型燃料的燃烧及其特性 u .11 u 2.1 生物质成型燃料的基本特性 u .11 u 2.1.1 生物质燃料及其成型技术 u .11 u 2.1.2 生物质成型燃料的组成结构和性质 u .14 u 2.2 生物质成型燃料的直接燃烧 u .17 u 2.2.1 生物质成型燃料的着火性能 u .17 u 2.2.2 生物质燃料的燃烧过程 u .18 u 2.2.3 生物质成型燃料的燃烧 u .20 u 2.2.4 生物质成型燃料燃烧速度的影响因素 u .22 u 2.2.5 生物质成型燃料燃烧特性 u .22 u 2.3 本章小结 u .23 u 第 3 章 生物质成型燃料炉具的设计 u .24 u 3.1 生物质成型燃料炉具的设计要求 u .24 u 3.2 生物质成型燃料炉具的原理与结构 u .24 u 3.2.1 生物质成型燃料炉具的原理 u .24 u 3.2.2 生物质成型燃料炉具的结构 u .25 u 3.3 生物质成型燃料炉具的设计 u .27 u 3.3.1 生物质燃料消耗量 u .27 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - u 3.3.2 炉排或炉蓖设计 u .27 u 3.3.3 炉膛设计 u .28 u 3.3.4 炉口炉盖设计 u .29 u 3.3.5 配风系统设计 u .30 u 3.3.6 换热器设计 u .32 u 3.3.7 水套部分设计 u .33 u 3.3.8 烟囱和通炕烟道设计 u .34 u 3.3.9 炉体壁、保温层和炉体外壳设计 u .35 u 3.4 本章小结 u .35 u 第 4 章 生物质成型燃料炉具的性能实验 u .36 u 4.1 实验概述 u .36 u 4.1.1 实验目的 u .36 u 4.1.2 实验装置 u .36 u 4.1.3 实验测试仪器与实验条件 u .37 u 4.1.4 实验步骤及内容 u .38 u 4.2 燃烧设备的热平衡及热效率 u .39 u 4.3 实验数据及结果 u .40 u 4.3.1 炉具热性能比较 u .40 u 4.3.2 各参数随时间变化情况分析及对比 u .41 u 4.3.3 烟气中hcl的吸收与测定 u .52 u 4.4 本章小结 u .53 u 结论 u .55 u 参考文献 u .56 u 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 u .60 u 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 u .61 u 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 u .61 u 致谢 u .62 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 0b 绪 论 1.1 4b 课题背景及研究目的和意义 1.1.1 课题背景 我国在2005年2月28日颁布了中国可再生能源法，其中第4条、第12条规 定：国家将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域；国家将可再生能 源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优 先领域。这充分体现了可再生能源的开发将成为我国基本能源国策。生物质能 源比其他几种再生能源有更大的群众参与性、多形式的可转换性和相对较少的 开发投入性，这是在多种形式的再生能源中生物质能源被国家优先给予考虑的 原因1。根据国家有关部门规划和专家研究，到2020年，全国可开发生物质资 源量至少可相当于15亿吨标准煤，其中30%来自传统生物质，70%由农业林业 能源植物提供2。 生物质能与化石能源相比，具有可再生和低污染的优势，因此受到全世界 普遍的重视，并已成新能源的发展方向之一。生物质能主要通过直接燃烧、气 化、液化和厌氧发酵加以利用。生物质因具有挥发分高、炭活性高、s 含量 低，灰分低，生命周期内燃烧过程 co2零排放等特点，特别适合燃烧转化利 用，是一种优质燃料3,4。就中国的基本国情和生物质利用水平而言，生物质 燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一5。 农村能源利用率低，其生物质能源综合利用率仅为16%，薪柴超伐量达 54%，秸秆直接燃烧用量占60%。生物质能源的不合理消耗，加剧了农业生态 平衡的失调。生物质成型技术为高效利用农林废弃物、农作物秸秆等提供了一 条很好的途径6。生物质致密成型燃料是一种很有发展前景的可再生能源，国 家对生物质成型燃料生产和应用的相关政策将不断完善，以生物质成型燃料为 燃烧物的分布式微型供热、发电一体化集成装备，充分利用局部地区的生物质 资源，减少生物质松散物料的运输距离，解决当地群众的生产和冬季供暖问题 等7。 2007年农业部发布了农业生物质能产业发展规划。中共中央国务院 关于积极发展现代农业扎实推进社会主义新农村建设的若干意见提出“以生 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 物能源、生物基产品和生物质原料为主要内容的生物质产业，是拓展农业功 能、促进资源利用的朝阳产业”。生物质成型燃料技术是生物质能源推广应用 中的最经济可行的技术之一，符合国家的能源政策和环保政策，前景十分广阔 总的来说，我国在生物质成型燃料研究与国外相比还存在着一定的差距，需要 对我国生物质成型燃料的燃烧特性和燃烧技术等方面做大量的基础性工作，也 需要继续不断的努力推广成型燃料制造设备及燃烧装置8。 1.1.2 研究的目的和意义 我国现阶段在能源领域号召开展节能减排，利用清洁可再生的生物质能满 足农村对能源的需求。预计到 2020 年全国每年将生产 5000 万吨生物质成型燃 料，用于生物质发电或农村用能。目前燃烧我国生物质成型燃料的热能转化装 置主要用于农村的取暖，炊事，少数带有洗浴功能，而用于洗浴的热水是通过 浸在水中盘管由水水换热实现加热，热水温度低，不能满足北方高寒地区西 域要求。一些产品只有其中一项或两项功能，或者效率低下，不能满足北方农 村炊事、洗浴及取暖要求。 本文通过分析不同种类生物质成型燃料的燃烧技术现状，研究不同种类的 生物质的着火性能、燃烧机理等燃烧规律，从而为确定生物质成型燃料燃烧设 备的热力特性参数打下基础，为研制生物质成型燃料专用燃烧设备提供科学依 据。再此基础上，为解决农村秸秆等焚烧污染问题，研究以成型生物质为燃料 的家用生物质燃料炉供高寒地区农村家用供暖、洗浴以及炊事使用，具有节 能、高效、环保、经济、实用、方便等优点。 采用先进技术，提高小型炉具的燃烧和热利用效率，降低污染物的排放， 开发燃用农作物的生物质炉具，实现农村炉具的商品化和规模化，以达到更广 泛的应用，对于改变我国农村生物质利用状况具有重大意义。 1.2 5b 国内外生物质成型燃料技术及其应用的研究现状 1.2.1 生物质成型燃料技术及设备 美国在 20 世纪 30 年代就开始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术，并研制 了螺旋压缩机及相应的燃烧设备9；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10；美国在 1976 年开发了生物质颗粒及成型燃烧设 备；西欧一些国家（荷兰、瑞典、比利时、芬兰、丹麦等）在 20 世纪 70 年代 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 已有了冲压式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备；亚洲一些国家（泰国、 印度、韩国、菲律宾等）在 20 世纪 80 年代已建了不少生物质固化、碳化专业 生产厂，并研制出相关的燃烧设备。70 年代后期，由于出现世界能源危机，石 油价格上涨，西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等国家也开 始重视压缩成型技术及燃烧技术的研究，各国先后有了各类成型机及配套的燃 烧设备。法国近年来也开始研究压缩块燃料及燃烧设备,并达到了应用阶段。比 利时研制成功了“t117”螺旋压块机。联邦德国 kahl 系列压粒机及块状燃 料炉已经投入使用。意大利的阿基普公司开发出一种类似与玉米联合收割机那 样的大型秸秆收获、致密成型的大型机械,能够在田间将秸秆收割、切碎、榨 汁、烘干、成型，生产出瓦棱状固体成型燃料，并研制出简易型燃烧炉具。这 些国家生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理、专业化程度高、操作自动 化程度高、热效率高、排烟污染小等优点。但相对于我国存在着价格高、使用 燃料品种单一、易结渣、电耗高等缺点，不适合引进我国。东南亚一些国家生 物质成型燃料燃烧设备大多数为碳化炉与焦炭燃烧炉，直接燃用生物质成型燃 料的设备较少，同时这些燃烧设备存在着加工工艺差、专业化程度低、热效率 低、排烟污染严重、劳动强度大等缺点；燃烧设备还未定型，还需进一步的研 究、试验与开发，这些国家生物质成型燃料锅炉也不适合引进我国11-22。 图 1-1 内压环模式颗粒成型机 图 1-2 生物质颗粒燃料 fig. 1-1 central pressure mode particle molding machine fig. 1-2 particles of biomass fuels 我国从20世纪80年代引进开发了螺旋推进式秸秆成型机，近几年形成了一 定的生产规模。例如，陕西省武功县轻工机械厂研制的螺旋推进式秸秆成型 机，辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机，南京林产化工研究所研制的多功能 成型机，河南农业大学机电工程学院研制的活塞式液压成型机，在国内都已形 成了产业化11,12。1998年江苏正昌粮机集团公司开发了内压环模式颗粒成型机 （见图1-1），其生产能力为250300kg/h，生产的颗粒成型燃料可用于家庭或 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 暖房取暖；同年南京市平亚取暖器材有限公司从美国引进适用于家庭使用的取 暖炉，通过国内消化吸收，形成了工业化生产；老万生物质能科技有限公司主 要生产生物质颗粒燃料和各种用于燃烧颗粒燃料的燃烧器具，有暖风壁炉、水 暖炉、炊事炉等系列炉具，这些炉具的热效率可达到86.07%，各项排放指标均 达到了国家环保标准和欧洲现行的环保标准。生物质颗粒燃料如图1-2所示。 中国林业科学研究院林产化学工业研究所于1998年研制成功了生物质颗粒 燃料成型制造机，该机由旋风干燥装置、木质素加热软化装置和颗粒成型装置 三大部分组成，总装机功率29kw。该机的生产率为120240kg/h，能耗为 120.8241.7kwh/t。为了配合颗粒燃料成型机的研发，还研制了一种用于燃烧 颗粒燃料的暖风炉，其具有清洁、燃烧效率高等特点。 图1-3 生物质颗粒燃料成型机 fig. 1-3 biomass fuel particle mode molding machine 原中南林学院从2002年起，在引进国外（瑞典）技术的基础上开发了生物 质颗粒燃料成型机和使用颗粒燃料的环保节能灶和取暖炉。生物质颗粒燃料成 型机（见图1-3）是在国产饲料制粒机的基础上结合瑞典生物质颗粒燃料成型 机技术研制而成的。与生物质颗粒燃料不同，棒状或块状燃料无需对原有以煤 为燃料的灶具或锅炉进行改造就可直接使用。生物质棒状或块状成型设备应用 较为普遍的是螺旋挤压成型机和活塞式冲压成型机两种。螺旋挤压成型机主要 由挤出螺旋、挤出套筒、加热圈等组成。目前这种螺旋挤压式的棒状燃料成型 机主要用于生产木炭棒的原料棒，成型机的挤出螺旋由一台功率为11kw 的电 动机驱动，加热电热管的功率为5kw，成型燃料棒为中空结构，外径为 48mm，内径为10mm，每分钟可生产长400mm的燃料棒2.5根。活塞式生物质 棒状燃料成型机主要由活塞、加热圈和成型喉管组成。河南农业大学研制的液 压往复活塞双向挤压加热成型的棒状燃料成型机，其主要用于农作物秸秆的成 型，当加热温度达70110时，秸秆中的木质素软化产生粘接作用，当温度 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 达到160时木质素熔融，此时加压使纤维素紧密粘接而成型，该机每小时可 生产棒状燃料6080kg，燃料棒的密度为0.740.9g/cm3。生物质加热成型技 术的最大缺点是能耗较高，生产1t生物质成型燃料一般要耗电100kwh。从降 低生物质成型技术能耗的目的出发，2000年以后，一些科研院所和大专院校等 开展了生物质常温成型技术研究。河南省科学院能源研究所研制了一种在常温 下生产颗粒燃料的环模式成型机，该机由一台17kw 的主电机驱动环模和压辊 实现颗粒成型的挤压，一台1.5kw 的变频电机驱动螺旋供料装置为挤压装置供 料，通过调整供电的频率可实现原料供应量的调整，颗粒燃料的生产效率可达 到300500kg/h。清华大学清洁能源研究与教育中心通过对具有纤维结构生物 质材料的研究和分析，研制出了另一种常温成型颗粒燃料生产设备。原料在自 然干燥含水率状态下被粉碎成细小颗粒或纤维状，然后放入机器中便可制成颗 粒状燃料，生产率可达到600kg/h，能耗低于国外同类设备的能耗，颗粒成型 燃料产品的强度、热值均大于国外同类产品。该项技术已在北京的密云和怀柔 等地推广应用。在生物质块状燃料常温成型方面，首钢研制了一种机械活塞冲 压式生物质块状燃料成型机。原料成型靠活塞的往复运动实现，其进料、压缩 和出料过程都是间歇式的，即活塞每工作一次可以形成一个压缩块。在压缩管 内，前一块与后一块挤在一起，但有边界，当压缩块燃料从成型机的出口处被 挤出时，在自重的作用下能自动分离。北京林业大学在研究生物质常温成型机 理的基础上，研制、开发了一种液力双向挤压的生物质成型燃料常温成型机， 如图1-4所示。该机的装机功率为22kw，加工能力为500600kg/h，实际成型 能耗不大于40kwh/t。生物质成型块的密度可以通过设备液压系统的压力来调 整，既能满足加工畜牧业养殖所需的粗饲料要求，又可满足生物质成型燃料加 工的要求，最大密度可达1.2g/cm37,11。2003年河南农业大学提出了生物质成型 燃料燃烧的理论，研制出一台双层炉排生物质成型燃料锅炉23。 低品位的煤炭和农林产业废弃物制成的复合固体燃料，被称为生物煤。目 前泰国、印尼等国投入使用，我国和土耳其等国正在推广。国外已发展了多种 生物质裂解技术, 以达到最大限度地增加液体产品收率的目的，如快速裂解， 快速加氢裂解，真空裂解，低温裂解，部分燃烧裂解等24-26。 欧盟许多成员国具有丰富的可再生能源，生物质秸秆捆烧技术发展迅速， 以丹麦、比利时、法国的生物质草捆燃烧技术发展最为成熟。美国、日本等国 也已发展起生物质捆烧技术，并形成产品系列化，在一些区域得到推广应用。 丹麦具有各种小型、中型及大型打捆机，能生产各种型号的生物质秸秆捆，适 应不同层次的燃烧设备27。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 图1-4 活塞冲压式块状燃料成型机 fig. 1-4 particle molding machine by piston pressure mode 1.2.2 生物质直接燃烧技术 生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃烧，主要分为炉灶燃烧和锅炉 燃烧。直接燃烧是最简单也是最早被采用的生物质能利用方式，但在过去的传 统燃烧方式中，生物质燃烧效率极低，能源和资源的浪费很大。因此，若能开 发一种方便和高效的生物质直接燃烧技术，必将具有很好的经济和社会效益 28。 1.2.2.1 8b 炉灶燃烧技术 炉灶在中国农村生活中已沿用了几千年，且占有相当大的比例。旧式柴灶 不但热效率低（只有 10%左右）、浪费燃料，而且严重污染了环境29。自 20 世纪 80 年代开始，我国政府在农村大力推广节柴灶，至 1996 年底推广节柴 灶 1.7 亿户，每年减少了数千万吨标准煤的能源消耗30。节柴灶具有以下特 点：一是热能在灶内停留时间长，可以得到充分利用，故热效率高(可达 20%25%)；二是没有熏烟，污染少；三是质量小，可拆装；四是多功能。节 柴灶的灶桥可以调整，随着灶桥的调整可烧柴、烧锯灰和烧煤31。 1.2.2.2 9b 锅炉燃烧技术 锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料，以提高生物质 的利用效率，适应于相对集中、大规模利用生物质资源。 国外采用流化床技术开发生物质能已有相当规模和一定的运行经验。美国 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 爱达荷能源产品公司已经开发生产出燃烧生物质媒体流化床锅炉，蒸汽锅炉出 力为 4.550t/h，供热锅炉出力为 36.67mw；美国 ce 公司利用鲁奇技术研制的 大型燃烧废木循环流化床锅炉出力为 100t/h，蒸汽压力为 8.7mpa；瑞典以树枝 和树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用，锅炉热效率可达到 80%；丹麦采用高倍率循环流化床锅炉，将干草与煤按照 6：4 的比例送入炉 内进行燃烧，锅炉出力为 100t/h，热功率达到 80mw32。英国 fibrowatt 电站 的 3 台额定负荷为 12.7mw，13.5mw 和 38.5mw 的锅炉，每年直接燃用 75 万 吨的家禽粪便，发电量足够 10 万个家庭使用33。欧盟成员国在大力发展本国 生物质能利用技术的同时，在 1991 年与东盟合作启动了“cogen 计划”，其 宗旨就是帮助东南亚各国有效利用本国的生物质资源，从而加速该地区的发展 34。 我国对采用流化床技术开发生物质直接燃烧方面的研究起步较晚。哈尔滨 703 研究所设计的一台用石英砂作床料的媒体流化床燃木屑锅炉于 1986 年 10 月 9 日通过省级鉴定，燃炉燃烧效率达到 99.4%，填补了国内空白35。哈尔滨 工业大学在 20 世纪 80 年代末进行了生物质燃料的流化床燃烧技术研究，研制 成功 12.5t/h 燃甘蔗渣流化床锅炉36,37。浙江大学提出了用于不同规模、各种炉 型的生物质燃烧系统的生物质利用转化方案，并先后与无锡锅炉厂和杭州锅炉 厂合作开发了 10t/h 燃用咖啡渣流化床发电锅炉、35t/h 燃用稻壳流化床锅炉以 及 10t/h 燃用稻壳的链条炉38。刘皓、黄琳等根据稻壳的物理、化学性质和燃 烧特性，设计出以流化床燃烧方式为主，辅之以悬浮燃烧和固定床燃烧的组合 燃烧式流化床锅炉，并且为配合三段组合燃烧采取了四段送风的方式。通过试 验研究证明，该锅炉具有流化性能良好、燃烧稳定、不易结焦等优点，已经获 得国家专利39,40。陈冠益、方梦祥等在试验研究的基础上，与无锡锅炉厂合作 设计开发了 35t/h 燃稻壳流化床锅炉。该锅炉设计的主要特点是：采用气力输 送装置输送稻壳，不但输送量大，而且输送安全，避免了因给料机堵塞引起的 给料中断现象；采用厚壁管的防磨环用以防止床层埋管的磨损，尾部加吹灰器 吹风防止受热面积灰；通过调整一、二次风风量大小与烟气再循环实现炉内风 速的改变，扩大了锅炉的燃料适用范围41。 1.2.2.3 10b 生物质直接燃烧技术存在的问题 从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看，流化床锅炉对生物质燃料 的适应性较好，负荷调节范围较大。但流化床对入炉的燃料颗粒尺寸要求严 格，因此需对生物质进行筛选、干燥、粉碎等一系列预处理，使其尺寸、状况 均一化，以保证生物质燃料的正常流化。对于类似稻壳、木屑等比重较小、结 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 构松散、蓄热能力比较差的生物质，就必须不断地添加石英砂等以维持正常燃 烧所需的蓄热床料，燃烧后产生的生物质飞灰较硬，容易磨损锅炉受热面，并 且灰渣混入了石英砂等床料很难加以综合利用。此外，为了维持一定的流化床 床温，锅炉的耗电量较大，运行费用也相对较高 41,42。 1.2.3 户用生物质节能炉技术 欧洲的生物质成型炉具非常成熟，生物质能源在可再生能源中占51%，而 其中85%是用于家庭取暖，15%用于发电。法国有5100万吨的生物质燃料生 产，其中88%用于家庭。奥地利80%的化石能源需要进口，但50%的国土面积 是森林，一套生物质颗粒采暖系统要2500欧元左右，生物质颗粒大约150欧元/ 吨，政府通过免税，采暖系统价格可以减少30%43。在美国，由于石油价格上 升，冬天采用石油采暖的家庭支出将增加27%，而采用天然气采暖的家庭支出 增长达40%，这时一些家庭开始购买生物质采暖炉作为补充采暖设备44。越南 从 1996 年 开 始 研 究 生 物 质 能 源 ， 现 在 的 生 物 质 成 型 机 器 的 能 耗 达 0.11kw/h/kg0.13 kw/h/kg每吨的生产成本为1520美元/吨。随着成型科技 的进步和人们认识的提高，生物质颗粒炉具在农村和别墅地区有非常大的增长 潜力45。对于柬埔寨和老挝，90%的能源消费是木材和农作物秸秆等生物质 能，关于农村能源的消费是老挝政府的八个战略发展计划之一，受到全国的重 视46,47。 目前我国农村采用的燃烧炉和火灶，大都是传统样式，这类烧柴炉灶的炉 内的火焰存在着大量的没有完全燃烧的挥发分和浓烟等成份，而损失在大气 中。每次投料时，初期空气量不足，造成床层内的气化产物和大量的挥发物质 得不到充分燃烧，而变成黑色的浓烟排入大气，浪费能源而又污染环境；后期 的空气量过剩，使得烟气带走的能量损失增多。此外，还带来了炉内的火力不 均，燃烧温度周期性变化48。农村炊事旧灶虽然形式较多，各地亦有差异，但 总的特点是热效率低，柴草浪费严重，室内空气质量非常差，co超标有时达 10100倍49。 近年来，我国生物质节能快速炊事炉具在快速发展，北京、山东、河南、 四川、深圳等许多省市几年来已有多种产品上市，其节能、环保、热效率、实 用性等，都经受了市场检验。从节约能源和保护生态环境的观点，采用新的燃 烧模式，改进民用薪柴炉灶以替换旧的燃烧方式是一项紧迫的任务，其意义重 大，涉及千家万户，有巨大的经济效益和社会效益50。 如林虹 ckq80 型生物质节能快速炊事炉；ckq80 型生物质能炊事 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 炉，达到“国内领先水平” ，也已为世界知名的壳牌公司和美国加利福尼亚大 学伯克利分校国际健康和发展企业中心所重视，他们评选出这一产品向中国和 全球发展中国家推广51。 北京金荣升商贸有限公司经过多年研究，在这方面获得突破。该公司研发 的宰相牌生物质炉具，可以同时用来做饭、取暖、烧火炕，农村能烧的秸秆、 玉米芯、树枝、辟柴、果皮壳、菌渣等废弃物，以及牲畜粪便等都可以烧，也 可以烧煤。北京科技桥科贸有限公司研制的多功能直燃式生物质气化炉是一种 以生物质压块作为燃料，能够满足了家庭供暖、炒菜、做饭等要求的家用多功 能直燃式气化炉。 平度市灰埠镇灰埠村农民付官祥发明的炉子在秸秆燃烧的过程中，把产生 的烟气转变成可燃气体，使之能充分燃烧，秸秆变成木炭后再继续燃烧发热， 达到持续供暖的目的。由于这种新型秸秆供暖炉燃烧过程中不产生焦油，并且 秸秆消耗量极为可观，每 1.25 公斤普通秸秆可以持续供暖 1 小时。 河南省科学院，小批量生产阶段，家用生物质颗粒燃料炉，对生物质成型 颗粒燃烧动力学特性进行了试验研究和理论分析，分析了生物质成型颗粒燃料 的燃烧动力学特性，在此基础上，针对生物质燃料挥发分高、燃点低的特点， 研究设计出专门燃用生物质颗粒燃料的气化燃烧炊事炉具。采用气化、燃烧一 体化技术，大大提高了生物质颗粒燃料的燃烧效率，炉具燃烧稳定性较好,火力 强、火力可调。 北京高云书研制出多功能直燃式生物质超导气化炉。直燃式气化炉，生物 质燃料超导供暖系统，是将生物质压块技术、生物质气化炉技术、超导热能转 换器供暖系统有机结合在一起，以生物质气化炉做热能转换器，以超导液作为 导热介质，组成一个供暖系统，集取暖、烧炕、做饭、洗浴于一体，可以大大 降低成本，节约时间。 顺义区龙湾屯镇柳庄户的科技协调员焦自忠“暖气吊炕” ，该项目将吊炕 与暖气相结合，具有创新性、实用性和安全性。吊炕与暖气相结合，操作简 便，吊炕温度均匀，热能利用率高；利用农作物秸秆代替燃煤，节约了农民开 支，减少 so2等废气的排放；吊炕与暖气相结合，增强了吊坑的安全性。 辽宁省大连市宇佳炉具厂生产生物质秸杆燃烧节能炉（旺宇牌） ，热性能 达到 40%以上，生产的旺宇炉与国内所有的汽化炉完全不同，它是直接燃烧不 用汽化。它设计独特，体积小（583910)方便面箱大小。 由北京神州大蓄生物质能科技有限公司设计制造的一种多功能生物质气化 取暖炉具集液化气灶、家用取暖炉、太阳能热水器 3 种产品的功能于一体。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 生物质节能炉的广泛应用，对于改变我国农村生物质利用状况具有重大意 义。 1.3 6b 课题来源及本文主要研究内容 本课题来源于黑龙江省秸秆固化成型燃料设备科研攻关子项目户用多 功能生物质固化成型燃料燃烧炉具的研发。 本文的主要内容为： 1通过对既有生物质成型燃料进行元素分析及工业分析等实验来了解生 物质成型燃料的结构特性和燃烧特性等，为以后的设计和实验工作做 好理论基础； 2通过查阅大量文献，了解国内外尤其是国内的生物质成型燃料燃烧炉 具的设计研发情况，分析对比目前现有炉具的优点和缺点，在此基础 上，结合对生物质成型燃料的特性研究设计出结构和性能都相对较好 的供高寒地区农村家用取暖、洗浴、炊事三位一体生物质成型燃料炉 具； 3根据设计加工制造生物质成型燃料燃烧炉具，并对实验炉具进行简单 的初步实验，了解该炉具燃烧情况、排烟情况等；之后对实验对炉具 进行优化改进设计并进行深度加工，使之更适合生物质成型燃料的燃 烧； 4对该实验炉具进行全面的性能实验研究，包括：(1) 对炉具进行不同生 物质成型燃料的燃烧实验，进行热平衡分析，从而确定其性能及影响 因素；(2) 通过烟气分析仪对生物质成型燃料燃烧后的污染物排放情况 进行测量；(3) 测量生物质成型燃料燃烧后，hcl 排放浓度。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 第2章 1b 生物质成型燃料的燃烧及其特性 2.1 生物质成型燃料的基本特性 2.1.1 生物质燃料及其成型技术 秸秆固化成型燃料，是指通过专门设备在一定温度和压力作用下，将秸秆 压缩成棒状、块状、颗粒状等成型燃料。其优点是提高秸秆燃料储存、运输能 力，改善秸秆燃烧性能，提高使用效率，扩大应用范围，成为清洁环保、燃烧 效率高，能部分替代煤炭等化石燃料的新型生物质燃料。秸秆固化成型燃料可 作为农村居民的炊事和取暖燃料，又可作为发电供热等工业化燃料。按成型温 度可分为加热成型和常温高压成型两种。 图 2-1 生物质成型燃料自动化生产线 fig. 2-1 the automatic production line of biomass briquettes 1) 加热成型：植物中含有的木质素是具有芳香族特性的结构单体，属非 晶体，没有熔点但有软化点，当温度达70110时开始软化且粘合力开始增 加，在200300时，软化程度加剧达到液化，此时施加一定的压力，使其与 纤维素紧密粘接，并与邻近颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型。生物质加热 成型燃料就是利用生物质的这种特性，用压缩成型设备将经过干燥和粉碎的松 散生物质原料在加压（0.51t/m2）、加温(110300)的条件下，使木质素软 化并经挤压而成型，得到具有一定形状和规格的成型燃料，其工艺原理图见2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - 冷却 包装 筛分 粉碎 成型 成品 干燥 输送上料 原料 1。其固化成型的工艺流程一般为：原料预处理（粉碎）干燥输送上料 加热、成型筛分冷却包装，如图2-2所示52。 图2-2 生物质成型燃料生产工艺流程图 fig. 2-2 the process flow diagram of biomass briquettes 2) 常温成型：生物质原料是由纤维构成的，被粉碎后的生物质原料质地 松散，在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历位置重新排列、颗粒机械 变形和塑性流变等阶段，见图 2-3。开始压力较小时，有一部分粒子进入粒子 间的空隙内，粒子间的相互位置不断改变，当粒子间所有较大的空隙都被能进 入的粒子占据后，再增加压力，只有靠粒子本身的变形去充填其周围的空隙。 这时粒子在垂直于最大主应力的平面上被延展，当粒子被延展到与相邻的两个 粒子相互接触时，再增加压力，粒子就会相互结合，这样，原来分散的粒子就 被压缩成型，同时其体积大幅度减小，密度则显著增大。由于非弹性或粘弹性 的纤维分子之间的相互缠绕和咬合，在外部压力解除后，一般都不能再恢复到 原来的结构形状。应用这一原理，可以实现自然状态下的常温压缩成型。该成 型技术的工艺流程为：原料预处理（削片或粉碎）成型包装。它比加热 成型技术减少了原料烘干、成型时加热和降温 3 道工序，可节约能耗 44% 67%。在能源紧缺的今天，常温成型是生物质成型燃料的发展方向7。 粒子的排列 改变粒子变形 塑性流动 图 2-3 生物质颗粒致密成型图解 fig. 2-3 the combustion process of biomass fuels 哈尔滨华银新能源技术有限公司针对我国目前秸秆直燃发电供热等工业化 利用中出现的技术难题作为研发重点，采取产学研的研发体系，自主研发出具 有提高秸秆灰熔特性、固氯、固钾、固硫、填充密实等功能的秸秆成型燃料添 加剂。多功能、廉价、少量的添加剂均匀地掺到秸秆原料中，可优化成型块状 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - 燃料的燃烧特性，大幅提高灰熔点，接近中质褐煤灰熔点，较好地解决秸秆成 型燃料在直燃中因灰熔点低而导致的积灰结渣技术难题，使块状燃料在炉中燃 烧过程中能形成良好架构，达到完全燃烧，提高燃烧效率，节省燃料，扩大了 使用范围；减少烟气中氯、钾、硫的含量，有效降低对设备的腐蚀，延长了使 用寿命；同时增加灰渣中钾、硫等有机成分，提高了灰渣可利用性。这些技术 特点，使秸秆块状燃料不仅具有普通秸秆成型燃料密度大、热值高、粒度均 匀，便于储存、运输、使用方便、清洁环保、燃烧稳定、防火性好等性能外， 还具有上述显著的工业化优良特性，因此，称之谓“秸秆块状工业燃料” 。公 司生产的秸秆块状工业燃料具有如下优良技术特征： 1) 密度高，体积小，密度可达 0.81.2t/m3，体积缩小 68 倍。便于储 存、运输；使用方便，简化输料、给料系统，降低建设投资，降低自用电率， 节省人力。 2) 含水率低、热值提高、一般可达 14235kj/kg 以上，能源密度相当于中 质褐煤。提高燃烧效率，较低燃烧耗量，降低生产成本，提高了能源利用效 率。 3) 形状标准，粒度均匀。 4) 优化灰熔特性，显著提高灰熔点。优化秸秆燃烧特性，提高了燃烧效 率，扩大应用范围；有效地改善锅炉积灰和结渣技术难题，还提高了灰、渣有 机成分，增强灰渣利用的可行性。 5) 有效降低燃烧时烟气中氯含量，降低氯对锅炉的腐蚀性，延长锅炉使 用寿命；有效降低燃烧时烟中硫含量，减排 so2效果明显优于普通生物质成型 燃料。 6) 节能降耗。秸秆块状工业燃料生产、储运使用无污染、燃烧效率高、 燃烧时火力持久、炉膛温度高，可节省燃料。 7) 用途广泛。可用于生物质水冷振动炉排锅炉、流化床锅炉，直燃发电 供热；可用于燃煤层燃炉排工业锅炉，供气供热锅炉。 8) 产业工程化技术趋于成熟，转化应用性强，基础技术研发与产业技术 密切结合，添加剂研制成型燃料试制，小规模生产，多种炉型试烧试用。 9) 原料来源广，适应产业化发展。农业秸秆、粮食加工剩余物、林业废 弃物、秸秆气化、液化利用渣料等都可作为原料。 10) 防火性能好，属可燃燃料，利于用户安全储存。 秸秆块状工业燃料可达到下列各项技术指标： 灰分 （%） 12 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 14 - 全水分 （%） 15 挥发分 （%） 65 低位发热值（mj/kg） 14.50 全硫 （%） 1350 表 2-5 为几种生物质灰熔点的测试结果，熔点由高到低的顺序为生物质型 煤、加添加剂秸秆成型燃料和纯秸秆成型燃料，这种现象和灰成分有关。灰中 的成分按酸碱性的不同可分为两类，一类是酸性氧化物包括 al2o3和