（机械工程专业论文）集中供热式生物质气化锅炉的设计及理论研究.pdf

摘要 随着能源的短缺和环境的恶化，我国正面临着一系列的能源与环境问题，为了实现 我国经济、社会与环境的可持续发展，寻找化石燃料的替代物变得非常必要。我国生物 质资源非常丰富，据相关统计我国每年约能生产7 亿吨农业废弃物，约合3 亿多吨标准 煤。 在我国，很多乡镇企事业单位供暖设备主要采用小型的燃煤锅炉，这些锅炉基本上 都是城市淘汰的、未达到国家排放标准的，甚至有一些学校的教室、寝室仍在采用燃煤 火炉来取暖，这样不仅增加了安全隐患，还加重了环境压力。另一方面，农村丰富的秸 秆资源不能被很好地利用而白白浪费，同样造成了环境的污染。所以，本文立足于乡镇 企事业单位供暖问题，为解决乡镇企事业单位集中供热，缓减农村能源紧张局面而探索 一条合理利用生物质能的途径。 本文是以“2 0 0 7 年国家星火计划( 2 0 0 7 e a l 0 5 0 0 8 ) 科研项目为研究基础，设计一 台以生物质成型颗粒为燃料的气化燃烧蒸汽锅炉。在分析比较各种炉排特点的基础上， 选用水平往复炉排作为锅炉的燃烧设备，并且对锅炉的整体布局进行设计；以生物质成 型颗粒燃料的燃烧特性与热力特性参数为依据，对锅炉炉膛形式与容积、炉排面积、对 流管束以及锅炉辅机进行详细地设计计算：按照g b 厂r 1 6 5 0 8 1 9 9 6 锅壳锅炉受压元件 强度计算，对锅炉锅筒、管板、人孔及手孔进行设计，并利用a n s y s 软件对人孔及 管板进行应力分析，在各承压部件的应力集中区域选取不同的路径运用应力线性化原理 进行强度评定，保证锅筒部件安全可靠。 本文总体设计思想是增加炉膛高度，增强生物质成型颗粒燃料的气化程度，加强并 控制二次风的供应量，加大二次风对生物质挥发物的扰动作用，延长挥发物在炉膛内的 停留时间，保证二次风与燃料气化产物均匀、充分地混合，加强气化燃烧的程度，达到 洁净化燃烧的目的，提高锅炉的燃烧效率，从而提高锅炉的热效率。 关键词生物质；成型颗粒燃料；气化锅炉；锅筒；强度评定 a b s t r a c t o u rc o u n t r yi sf a c i n gas e r i e so fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e sw i t he n e r g ys h o r t a g e s a n de n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v eo u re c o n o m i c ，s o c i a la n de n v i r o n m e n t a l s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，t of i n da l t e r n a t i v e st of o s s i lf u e l sh a sb e c o m ev e r yn e c e s s a r y i ti s v e r yr i c h i nb i o m a s sr e s o u r c e si nc h i n a , a c c o r d i n gt or e l e v a n ts t a t i s t i c st h a tc h i n ac a n p r o d u c e da b o u t7 0 0m i l l i o nt o n so fa g r i c u l t u r a lw a s t ee a c hy e a r , o ra b o u tm o r et h a n3 0 0 m i l l i o nt o n so fs t a n d a r dc o a l i nc h i n a , m a n y t o w n s h i pe n t e r p r i s e sa n di n s t i t u t i o n sa r em a i n l yi ns m a l l s c a l ec o a l f i r e d b o i l e r sf o rh e a t i n g t h e s eb o i l e r sa r eb a s i c a l l yo u to ft h ec i t ya n dd o e sn o tm e e tt h en a t i o n a l e m i s s i o ns t a n d a r d s t h e r ea r ee v e ns o m ec l a s s r o o m s ，d o r m i t o r i e ss t i l lu s ec o a ls t o v e sf o r h e a t i n g , s ot h a tn o to n l yi n c r e a s es e c u r i t yr i s k s ，b u ta l s oi n c r e a s e dt h ep r e s s u r eo nt h e e n v i r o n m e n t o nt h eo t h e rh a n d r i c hs t r a wr e s o u r c e si nr u r a l sw a s h td i s p o s e dt ou s eb u t w a s t e do nn o t h i n g ，t h es a m et i m ec a u s i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，b a s e do nt h e h e a t i n gi s s u eo ft o w n s h i pe n t e r p r i s e sa n di n s t i t u t i o n s ，t h i sp a p e ri st oe x p l o r eaw a yt or a t i o n a l u s eo fb i o m a s st oa d d r e s st h ec e n t r a lh e a t i n g , m i t i g a t i o no fr u r a le n e r g ys h o r t a g e sp r o b l e m s t h ep a p e ri sb a s e do n ”2 0 0 7n a t i o n a ls p a r kp r o g r a m ( 2 0 0 7 e a l 0 5 0 0 8 ) ”r e s e a r c hp r o j e c t s t od e s i g nab i o m a s sg a s i f i c a t i o nc o m b u s t i o ns t e a mb o i l e ri nw h i c hw eu s et h ef u e l p e l l e t b a s e do na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fg r a t e sv a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c s ，w ec h o s et h e l e v e l r e c i p r o c a t i n gg r a t ea sc o m b u s t i o ne q u i p m e n to fb o i l e r , a n dd e s i g n e dt h eo v e r a l ll a y o u to ft h e b o i l e r ；b a s e do nb i o m a s sf u e lp e l l e tc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i e sa n dt h e r m a lp a r a m e t e r s ，w e d e s i g n e di nd e t a i la n dc a l c u l a t e dt h ef o r ma n dv o l u m eo ft h eb o i l e rf u r n a c e ，g r a t ea r e a , c o n v e c t i o nt u b eb u n d l e s ，a sw e l la st h eb o i l e ra u x i l i a r i e s ：i na c c o r d a l i c ew i t hg b t16 5 0 8 19 9 6 ”s h e l lb o i l e rp r e s s u r ep a r t si n t e n s i t yc a l c u l a t i o n , w ed e s i g n e dt h eb o i l e rd r u m ，t u b ep l a t e s ， m a n h o l ea n dh a n dh o l e ，a n dm a d es t r e s sa n a l y s i st om a n h o l ea n dp i p ep l a t eu s i n ga n s y s s o f h a r e , a n dt h ei n t e n s i t ye v a l u a t i o ni sd o n ew i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h es t r e s s 1 i n e a r p r i n c i p l ef r o md i f f e r e n tp a t h si nt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nr e g i o no ft h ec o m p o n e n t su n d e rs t r e s s t oa s s u r et h es a f e t yo ft h eb o i l e rs h e l l n eo v e r a l ld e s i g ni d e ai st oi n c r e a s et h ef u r n a c eh e i g l l tt h a tc a ne n h a n c eg a s i f i c a t i o n l e v e lo fp e l l e t f u e l b ys t r e n g t h e n i n ga n dc o n t r o l l i n gt h es u p p l yo fs e c o n d a r ya i rw h i c h i r l e r e a s ed i s t u r b a n c ee f f e c to nv o l a t i l e so ft h eb i o m a s sa n de x t e n d i n gt h ev o l a t i l er e s i d e n c e t i m ei nt h ef u m a c e ，t oe n s u r et h a ts e c o n d a r ya i ra n dg a s i f i c a t i o np r o d u c t sa r eu n i f o r m l ya n d a d e q u a t e l ym i x e dg a s i f i c a t i o nc o m b u s t i o ni n t e n s i f i e d ，g o tt ot h ep o i n to fc l e a nc o m b u s t i o na n d i m p r o v i n go f t h eb o i l e r sc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , a n df i n a l l yt h ee f f i c i e n c yo ft h eb o i l e r k e y w o r d sb i o m a s s ；p e l l e t ；g a s i f i c a t i o nb o i l e r ；b o i l e rs h e l l ；s t r e n g t ha s s e s s m e n t n l 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 人类社会进入2 1 世纪，正面临着发展与环境的双重压力。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。我国作 为一个迅速崛起的发展中大国，2 0 0 8 年中国能源的消耗总量2 8 5 亿吨标准煤，比上年 增长4 0 。统计表明，中国煤炭消耗量为2 7 4 亿吨，增长3 o ；原油消耗量为3 6 亿 吨，增长5 1 ；天然气消耗量为8 0 7 亿立方米，增长1 0 1 ；电力消耗量为3 4 5 0 2 亿千 瓦小时，增长5 6 。我国已经成为世界能源消耗大国，能源形势更加严峻。 ( 2 0 0 6 年中国能源发展报告中指出，在全球能源消费构成中，化石能源占 9 0 ，核电、水电仅占1 0 。目前，中国消耗的主要能源是煤( 占7 5 ) 和石油( 占 1 7 ) 。按目前技术水平和开采量计算，全球的石油可开采4 0 年，煤炭可开采2 0 0 年， 天然气约为6 0 年晗3 1 ，同时随着化石能源的过度消耗，释放了大量的多余能量和碳素， 打破了自然界的能量和碳平衡，是造成臭氧层破坏、全球气候变暖和酸雨等灾难性后果 的直接因素。1 9 9 7 年我国排放c 0 2 中的8 5 是燃煤排放的，排放的s 0 2 中的9 0 是由 燃煤排放，烟尘排放1 7 4 4 吨，其中7 3 是能源开发利用而排放的h 3 。生物质能源是可 再生能源的一个重要组成，具有来源广泛、成本低廉的特点。利用生物质能源不仅可以 提高中国能源安全水平，还有利于减缓因化石能源利用所带来的全球气候变暖及生态环 境保护问题。我国颁布的防止大气污染法和签订的“京都议定书也对我国城镇直 接燃煤锅炉提出了量的限制和技术改造要求。现在许多城市已经开始禁用小型燃煤锅 炉，所以研究开发可替代煤的清洁燃料势在必行。生物质在能源利用过程中可以基本实 现c 0 2 零排放，给缓解能源紧缺和环境恶化提供了新的解决途径。 生物质在生长过程中通过光合作用吸收大气中的c 0 2 ，将碳和能量固定下来，因此 利用生物质能基本上可以达到c o ：的零排放，减少温室气体的排放。植物每年储存的能 量约相当于世界主要燃料消耗的l o 倍，而作为能源的利用量还不到其总量的1 畸1 。现 代的生物质能包括：( 1 ) 木质废弃物( 工业性的) ，( 2 ) 甘蔗渣( 工业性的) ，( 3 ) 城市 废物，( 4 ) 生物燃料( 包括沼气和能源型作物) ；传统的生物质能包括：( 1 ) 家庭使用 的薪柴和木炭，( 2 ) 稻草稻壳，( 3 ) 其他的植物性废弃物，( 4 ) 动物的粪便。我国每年 生产的农作物秸秆总量约占全世界秸秆总量的2 0 3 0 隅1 。我国是一个农业大国，2 0 0 5 年我国主要农作物秸秆产量如表1 1 1 。在中国，农作物秸秆传统上是农村生活燃料、 牲畜饲料与有机肥料的主要来源。近年来，随着农村生活水平的提高，高品位的商品能 源已逐步进入农村，所以秸秆在农村生活用能中所占的比例正逐步下降，同时养殖业的 规模化使农村的牲畜散养量下降，用作饲料的秸秆的量也大量减少，这就造成了秸秆的 东北林业人学硕j ：学位论文 严重过剩。又由于人们对农作物秸秆资源的认识不足，缺乏开发利用农作物秸秆的技术 手段，使许多秸秆被堆放在田间地头，占用大量的耕地，尤其是秸秆的荒烧，不仅浪费 了大量的能源资源，还引起严重的烟雾污染，极大地影响空中和陆地交通，同时破坏了 生态环境，影响了人类的健康，现已引起各级政府的高度重视。 表1 - 12 0 0 5 年我国主要农作物秸秆产量 秸秆种类产量万吨 小麦秆 玉米秆 豆秆 薯类藤蔓 棉花秆 油料作物秆 甘蔗渣和甘蔗稍 合计 我国2 0 0 6 年1 月1 日开始实施的可再生能源法指出：“促进可再生能源的开发 利用，增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会的可持 续发展。”国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，专家认为，到2 0 1 5 年，全球总 能耗将有4 0 来自生物质能源。根据中国工程院中国可持续发展能源战略研究预 测，2 0 5 0 年我国生物质能开发利用量将占一次能源供应量的8 口引。合理利用生物质 能，不仅可以满足快速发展的国民经济对能源利用的需要，而且对于改善能源结构，缓 解能源生产和使用造成的环境污染，弥补化石能源的不足，保障能源供应安全，建立可 持续的生物质能源系统，保障我国经济的可持续发展都具有十分重要的意义。 1 2 生物质成型燃料燃烧设备的技术现状 目前，生物质能以其清洁性和可持续性赢得了世界各国政府和科学家的关注，生物 质能开发技术已成为世界重大热门课题之一，许多国家都开展了相关的研究。国外许多 国家也因此相继制定了各自的能源研究开发计划，如美国的能源农场、r 本的阳光计 划、巴西的酒精能源计划以及印度的绿色能源工程等。一般来讲，生物质能的转换技术 可以分为两类：热化学转化技术和生物转化技术n 仉1 。热化学转化技术包括：直接燃 烧、热解和气化；生物转化技术主要是通过微生物发酵方法制取液体燃料或气体燃料。 热化学转化技术以其高效性和易大规模化生产的优点成为生物质利用技术的主要手段， 生物质直接燃烧技术是最古老的生物质利用手段，操作简单，取材方便，将生物质原料 压制成成型燃料，可以直接用于锅炉的燃烧，生产热力和电力以及热电联产( c o m b i n e d h e a ta n d p o w e r p r o d u c t i o n ，c h p ) ，符合国家改造燃煤小机组的政策，适合中国国情。 生物质直接燃烧主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧操作简便、投资少，但燃 烧效率普遍偏低，从而造成生物质资源的严重浪费，这是一种原始的生物质利用方式。 而锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用 效率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。生物质燃料锅炉的种类很多，按照 9盘名o o 3 9 8 3 l九l l 7一一m溉拟撇晰 1 绪论 锅炉燃用生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉等；按照锅炉燃烧方式的 不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等n 引。近年来，随着生物质成型燃料技术的发展，生 物质成型燃料锅炉技术也得到了相应的发展。 1 2 1 国外生物质燃烧设备的技术现状 美国在1 9 3 0 年就开始研究成型燃料技术及其相应的燃烧设备，开发研制了螺旋压 缩机，并建立较多专业的成型燃料加工厂和燃烧设备厂n 3 j 们；1 9 9 2 年，美国利用生物质 发电的电站约有1 0 0 0 家，发电装机容量已达6 5 0 万千瓦，年发电4 2 亿度，消耗4 5 0 0 万吨生物质燃料。日本在1 9 8 3 年前后从美国引进颗粒燃料成型技术及相应的燃烧设 备，并发展成了日本压缩成型及燃烧的工业体系n 氐埔1 。2 0 世纪8 0 年代亚洲除日本外， 泰国、印度、韩国、马来西亚、菲律宾已建立了不少固化、碳化专业生产厂，并已研制 出相关的燃烧设备。7 0 年代后期，由于出现石油能源危机，西欧许多国家开始致力于生 物质燃烧技术的研究。芬兰是欧盟国家中利用生物质发电最成功的国家之一。由于芬兰 没有化石燃料资源，因此，大力发展可再生能源。目前，生物质发电量占芬兰发电量的 1 1 。丹麦从1 9 7 0 年开始将生物质作为本国的主要能源。1 9 8 8 年，丹麦诞生了世界上 第1 座燃烧秸秆的发电厂。丹麦现已建立了1 3 家秸秆发电厂，以秸秆和木屑为主要原 料的生物质能在丹麦可再生能源中的比重己超过4 0 。到2 0 0 2 年，丹麦国内已有5 0 台 燃用木屑、2 5 台燃用成型生物质燃料和7 5 台燃用秸秆的电站锅炉，这些机组的热功率 都在2 5 3 5 m w 之间n 7 1 。丹麦e l s a m 公司n 8 1 出资改造的b e n s o n 型锅炉采用两段式加 热，由四个并行的供料器供给物料，秸秆、木屑可以在炉栅上充分燃烧，并且炉膛和管 道内还设置有纤维过滤器以减轻烟气中有害物质对设备的磨损和腐蚀。经实践运行证 明，改造后的生物质锅炉运行稳定，并取得了良好的社会和经济效益。图1 1 是以农作 物秸秆为燃料的丹麦r u d k q ) b i n g 热电联产系统工艺流程1 ，系统参数见表1 2 。存储在 料仓经打捆的燃料经过自动化上料机构，粉碎后，进入生物质锅炉，燃烧产生高温热烟 气，经过换热锅炉、过热器、省煤器和空气预热器释放热量后，进入袋式除尘器净化， 经烟囱排放，尾气温度约1 1 0 0 c 。锅炉换热后生产的高温高压蒸汽进入汽轮机发电，乏 气经过冷凝器释放出热量，循环使用，冷凝器释放的热量传递给区域供热系统。德国对 生物质颗粒成型燃料技术和直燃发电也非常重视，在生物质热电联产应用方面也很普 遍。2 0 0 2 年德国能源消费总量约5 亿吨标准煤，其中可再生能源1 5 0 0 万吨标准煤，约 占能源消费总量的3 ，在可再生能源消费中生物质能占6 8 5 。 东北林业人学硕十学位论文 冷凝鬻 图l lr u d k o b i n g 热电联产系统工艺流程 表1 - 2 r u d k o b i n g 热电联产系统参数 项目参数 装机容量m w 供热量m w 蒸汽压力m p a 蒸汽温度o c 燃料消耗量( t a ) 燃料含水率慌 料仓容量t 锅炉类型 除尘器类型 2 3 7 o 6 4 5 0 1 2 5 0 0 1 0 2 5 3 5 0 室燃 袋式除尘器 欧洲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，不适合于引进我国。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 炉也不适合于引进我国。 1 2 2 国内生物质燃烧设备的技术现状 我国从2 0 世纪8 0 年代，由于能源危机，生物质作为一种可再生能源又得到人们的 重视。翟学民n 町根据甘蔗渣的燃烧机理，研制出了一种采用闭式炉膛结构的燃烧甘蔗渣 的锅炉。该锅炉将燃烧室与辐射受热面分开布置，甘蔗渣在炉内进行半层燃半悬浮燃 烧，既有助于甘蔗渣的着火和燃尽，又可以布置足够的受热面，满足了燃烧和传热两方 面的要求；炉膛内布置人字型前后拱，通过前后拱的相互配合加强了高温烟气对甘蔗渣 的辐射，有利于甘蔗渣的及时着火和稳定燃烧。田宜水、张鉴铭等通过对秸秆本身特 性的分析研究，在秸秆直燃热水锅炉燃烧室的设计中，采用双燃烧室结构。第一燃烧室 为主燃区，设置于炉膛前部；第二燃烧室为辅助燃烧区，设置于炉膛后部，两者间由挡 l 绪论 火拱分隔。该布置方式加强了秸秆与高温烟气、空气地相互混合，同时延长了物料在炉 内燃烧的停留时间，确保了秸秆燃烧的充分完全，取得了良好的运行效果。何育恒乜开 发设计了燃木屑、木粉、树皮等农林剩余物的层燃锅炉。该锅炉结构设计新颖，前墙及 炉膛布置少量水冷壁管，保证炉膛具有较高的温度，以便木屑、木粉的燃烬；炉膛内布 置有防爆门，防止木粉爆燃；锅炉为负压燃烧，保证木粉在燃烧时不向炉外喷火。锅炉 投入运行后，经测试达到了预期的设计要求，为燃木屑、木粉等林业废弃物锅炉的开发 设计提供了宝贵的经验。梧锅锅炉制造有限公司的梁福任乜2 1 研制了1 0 t h 燃稻谷壳锅 炉，锅炉设计参数见表1 - 3 。锅炉采用“室燃+ 层燃 的双重燃烧方式。锅炉双重燃烧方 式的原理为：锅炉炉膛下部前墙沿宽度方向布置有2 个谷壳喷射设备，燃烧室呈长方形 断面，设置有前拱和后拱，该区域有较高的热负荷，有利于稻谷壳的着火和燃烧。谷壳 喷射设备的喷料口距链条炉排面的高度约3 m ，稻谷壳由气力喷播方式送入炉膛中，利 用高度差使稻谷壳在炉内飞行的一段路程中受到热烟气的加热，稻谷壳中的水分基本被 烤干，并在烟气及空气的托浮下，在炉内悬浮燃烧，构成室燃区，未燃尽的稻谷壳落在 炉排面上继续充分燃尽，构成层燃区。炉排面至炉膛出口有足够的高度保证稻谷壳在燃 烧区内完全燃尽。燃烧室后墙布置有三次风，其目的是增强炉内气流扰动和补充空气， 使燃烧更为完全。 表1 31 0 t 1 1 稻谷壳锅炉参数 此外，黑龙江省能源研究所刘惠宁乜3 1 设计开发了秸秆生物质燃料锅炉，锅炉出力 d = 5 0 t h ，燃料为生物质秸秆，排烟温度设计为1 8 0 0 c ，锅炉热效率q = 8 6 2 4 ；河南农 业大学刘圣勇等开发设计了燃生物质成型燃料的双层炉排热水锅炉。 前人的这些研究为燃木屑、木粉、谷壳等农林业废弃物锅炉的开发设计提供了宝贵 的经验，但是对于生物质秸秆成型颗粒燃料的生物质锅炉的研究相对较少，这些研究对 于设计以秸秆成型颗粒燃料锅炉来说还是不够的，所以还需继续加深对秸秆成型颗粒燃 料过的研究，为设计性能完备的生物质成型颗粒燃料锅炉提供方便。 1 2 3 生物质燃料锅炉存在的问题 由于生物质燃料本身的原因，尤其是农业废弃物，含有比化石燃料高的氯含量和碱 金属含量，使得燃烧过程中出现沾污、腐蚀、结块，n o x 、h c l 以及气溶胶的排放等 【纠】 东北林业大学硕i ：学位论文 燃用生物质的流化床中，结块现象比较严重。结块的主要原因是生物质含有的钾钠 元素与床料发生反应，形成形成k 2 0 4 s 1 0 2 和n a 2 0 2 s 1 0 2 的低温共熔混合物，这种粘 性的共晶体附着在砂子表面相互粘结，形成结块现象。在层燃锅炉中燃烧温度高于生物 质燃料灰融点，形成较易碎裂的渣块。 生物质锅炉过热器存在着腐蚀的问题，并且随着蒸汽温度的升高，腐蚀率也增加。 生物质锅炉中的腐蚀机理与气相氯化物有关，沉积物中氯化物的固相反应以及熔化的氯 化物与硫酸盐的反应有关。此外，生物质锅炉基本上都存在严重的各级受热面的积灰、 过热器结渣与沾污的问题，严重的沾污会降低传热效率。 生物质燃烧过程中排放出h c l ，进一步与生物质中的钾元素反应，就很容易形成气 溶胶，气溶胶排放到大气会造成环境污染。 1 3 本文研究的目的及主要内容 目前，很多乡镇企事业单位供暖主要采用小型的燃煤锅炉，这些锅炉很多都是城市 淘汰的、未达到国家排放标准的，甚至有一些学校教室、寝室取暖还在采用燃煤火炉， 这样就增加了安全隐患。另一方面，农村丰富的秸秆资源不能被利用而白白浪费，并且 造成环境的污染。所以，本文立足于乡镇企事业单位集中供暖问题，为解决乡镇企事业 单位集中供热，缓减农村能源紧张局面而探索一条合理利用生物质能的途径。 本课题主要研究内容是：在查阅国内外相关资料的基础上，主要研究生物质成型燃 料的特性、燃烧机理，研究锅炉设计原理、设计方法，设计生物质成型燃料锅炉设备， 包括锅炉的整体布局、锅炉炉排的选择、受热面的计算、对流管束的设计计算，主要辅 机的选型设计等。 总体设计思想是增大炉膛高度，使得成型燃料的气化程度加强，加强并控制二次风 的供应量，加强二次风对生物质挥发物的扰动作用，延长挥发物在炉膛内的停留时间， 保证二次风与燃料气化产物均匀、充分的混合，加强气化燃烧的程度，达到洁净化燃烧 的目的，提高锅炉的燃烧效率，从而提高锅炉的热效率。设计锅炉锅壳部件，并利用 a n s y s 软件对锅炉锅壳部件进行强度分析与评价，缩短锅炉研发周期。 2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 燃料的燃烧特性直接关系到燃烧方式和燃烧设备的选择以及锅炉本体的设计，了解 燃料的燃烧特性，对指导锅炉的设计、改造和运行管理工作有很大的意义。 2 1 生物质成型燃料燃烧特性 生物质成型燃料燃烧理论是设计生物质成型燃烧设备的基础。生物质成型燃料燃烧 特性与煤炭、木柴以及散料生物质的燃烧特性是有差异的，为了使生物质成型燃料锅炉 主要设计参数确定得更加合理、准确，设计出的燃烧锅炉有较高的燃烧效率，必须对生 物质成型燃料燃烧特性加以认真地研究与分析。然而，根据国内外文献检索得知，关于 生物质成型燃料层状燃烧的点火理论、燃烧机理、燃烧动力学特性研究得很少。研究重 点放在生物质颗粒燃烧上，而我国生物质成型燃料的燃烧理论研究及应用进行得很少。 为此笔者在前人研究的基础上对生物质成型燃料点火理论、燃烧机理、燃烧动力学特性 进行系统、全面的分析与总结。获得了生物质成型燃料燃烧特性与规律，为生物质成型 燃料燃烧设备的设计、改造及运行的燃烧控制提供科学依据。 2 1 1 生物质燃料特性分析 生物质固体燃料是由多种可燃的、不可燃的无机矿物质及水分混合而成的。其中， 可燃物质是由多种复杂的高分子有机化合物组成，主要含有c 、h 、0 、n 和s 等元 素，其中c 、h 、o 是生物质的主要元素。几种常见生物质的元素分析及工业分析，分 别见表2 1 、表2 2 m 1 。 表2 1 几种生物质的元素分析( 可燃基) 东北林业人学硕士学位论文 由表2 - 1 、2 - 2 可以看出，生物质挥发分含量一般在6 5 - - 8 6 之间，远远高于煤， 而n 、s 的含量远远低于煤。 2 1 2 生物质成型燃料点火特性分析 生物质成型燃料的点火过程是指生物质成型燃料与氧分子接触后，从开始反应哺3 到 温度升高至着火前的一段过程。实现生物质成型燃料的点火必须满足：生物质成型燃料 表面析出一定浓度的挥发物，挥发物周围要有适量的空气，并且具有足够高的温度。生 物质成型燃料的点火过程基本上归纳为如下几个步骤： ( 1 ) 在热源的作用下，水分开始被逐渐蒸发逃逸出生物质成型燃料表面； ( 2 ) 生物质成型颗粒燃料表层燃料颗粒中有机质开始分解，一部分挥发物质分解析 出； ( 3 ) 在一定温度下，局部表面达到一定浓度的挥发物与适量的空气混合，开始局部着 火燃烧； ( 4 ) 随后点火面渐渐扩大，同时也有其它局部表面不断点火； ( 5 ) 点火面迅速扩大，形成整体的火焰； ( 6 ) 点火区域逐渐深入到生物质成型颗粒燃料表面一定深度，完成整个稳定点火过 程。 2 1 3 生物质成型燃料燃烧过程分析 生物质成型燃料燃烧机理是静态渗透式扩散燃烧汹1 ，燃烧过程就从着火后开始。 ( 1 ) 生物质成型燃料表面可燃挥发分燃烧，可燃气体和氧气进行放热化学反应，形成 橙黄色火焰。与煤相似，生物质燃料在受热之后也会热解，释放出挥发物。生物质燃料 的主要成分是半纤维素、纤维素及木质素，在热解过程中，半纤维素首先热分解 ( 2 0 0 一- 2 6 0 0 c ) ，其次是纤维素( 2 4 0 3 5 0 0 c ) ，最后是木质素( 2 8 0 - 、一5 0 0 0 c ) 田1 。因此 当温度高于2 0 0 0 c 时，热解就会发生，热解产物与氧气发生燃烧，形成橙黄色火焰。 ( 2 ) 除了生物质成型燃料表面部分可燃挥发物燃烧外，成型燃料部分表层的碳处于过 渡燃烧区形成橙红色较长火焰； 2 生物质成型燃料燃烧特r + 及燃烧计算 ( 3 ) 尘物质成型燃料表面仍有较少的挥发分燃烧，吏主要的是燃烧向成型燃料更深层 渗透。焦碳的扩散燃烧，燃烧产物向外扩散，c o 不断与o ：结合成c 0 2 ，成型燃料表层 生成薄狄壳，外层包围着淡蓝色短火焰； ( 4 ) 生物质成型燃料迸一步向更深层发展，在层内主要进行焦炭燃烧( u pc + 0 2 _ c 0 + 热量) ，在表面进行一氧化碳的燃烧( u pc 0 + 0 2 - - , c 0 2 + 热最) ，形成比较厚的狄壳，由于 生物质的燃尽和热膨胀，灰层呈现微孔组织或空隙通道甚至裂缝，较少的短火焰包围着 成型燃料；焦炭燃烧是生物质燃料燃烧的最后阶段，生物质热解之后剩余的焦炭往往具 有多孔性，其内部还含有容易氧化的自由基，也会残留一些氢元素、氧元素。无论是在 氧化环境，还是还原环境下，焦炭都具有很强的反应性。氧气和其他的氧化物扩散到焦 炭颗粒表而或者焦炭空隙中，与边界的焦炭发生反应。焦炭燃烧是典型的异相反应( 气 固反应) ，遵循一般的气固反应过程：氧气和其他的氧化物通过对流或者扩散传播到 焦炭的表面：氧化物分子被吸附在焦炭表面；在焦炭表面发生氧化物及焦炭之间的 复杂反应；反应产物分子从焦炭表面解吸附；反应产物在对流或者扩散的作用下从 焦炭表面脱离。由于焦炭的强反应活性，在燃烧过程中可能会存在多个反应同时或陆续 发生。表2 3 列出了可能发生的反应，并给出了各反应的反应活性畸1 。 袭2 - 3 焦炭燃烧过程中可能发生的反麻 ( 5 ) 燃尽灰壳不断加厚，可燃物基本燃尽，在没有强烈干扰的情况下，形成整体的狄 球，狄球表面几乎看不出火焰，狄球会变成暗红色，至此完成了生物质成型燃料的整个 燃烧过程。燃烧的整个过程可以形象的表示如图2 1 。 o 、 0 _ 0 杨c h q 燃烧 p + h ：。+ 热量 c 0 ： 热量 一c o + 热量 o 1 l 燃l 烧 、4 抽 tc o 十热量 、，- 热量 ( 1 ) 生物质成，钭燃料挥发物燃烧 ( 2 ) 乍物质成剐燃料农而焦炭过渡i 燃烧 东北林业大学硕士学位论文 园 烧一c o + 热量 o ：l c o ：+ 热量 ( 3 ) 生物质成型燃料渗透扩散区主燃烧( 4 ) 生物质成型燃料后期渗透扩散燃烧 灰块 孔 图2 1 生物质成型燃料燃烧过程 2 2 生物质成型燃料燃烧速度及影响因素分析 2 2 1 燃烧速度表示方法 生物质成型燃料燃烧速度一般用烧失量来表示嘶1 ： ( 1 ) 生物质成型燃料烧失量( a m ) - 在一定时问内，生物质成型燃料燃烧的失重量 ( g ) 。 a m = m i 一朋2 ( 2 1 ) ( 2 ) 生物质成型燃料平均燃烧速度( ) ：平均单位时问内生物质成型燃料的失重量 ( g m i n ) 。 驴等( 2 - 2 ) ( 3 ) 生物质成型燃料相对燃烧速度( o ) ：在一定时间内，生物质成型燃料的烧失量与 生物质成型燃料中可燃物质量的百分比( 哟。 o ：上粤 ( 2 3 ) 。小l ( 1 一志) 一 式中 m 。在f 时刻生物质成型燃料质量( g ) ； m ：在t ：时刻生物质成型燃料质量( 曲； f 。生物质成型燃料的开始燃烧时刻( 曲) ； 2 生物质成型燃料燃烧特件及燃烧计算 f 2 生物质成型燃料的燃烧终止时刻( m i n ) ； a 生物质成型燃料的收到基灰分含量( ) 。 2 2 2 生物质成型燃料燃烧速度影响因素 一般来说，影响生物质成型燃料燃烧速度因素有：生物质的种类、生物质成型燃料 密度、生物质的含水率、生物质成型燃料几何尺寸、生物质成型燃料燃烧温度、燃烧时 的风量等汹3 。前四种影响因素主要是为合理设计及经济运行成型机提供指导，而后两种 影响因素主要是为合理设计和经济运行燃烧设备提供依据，所以这里着重分析后两种影 响因素。 对燃烧温度来说，随着燃烧炉温度的增加，水分、挥发分析出速度增大，因而燃烧 所需能量的增加，燃烧速度就加快。在燃烧初期，燃烧处于动力区，这时燃料的化学反 应速度取决于炉温而非取决于燃料挥发分浓度，所以这时温度对燃烧速度的影响较强， 因此较高的炉膛温度对于保证燃料稳定的燃烧是非常重要的。 对于供风量，生物质成型燃料在燃烧过程中需要适量的空气，空气供给量太大或太 小都不利于燃烧。因为燃料燃烧的实质是燃料中可燃物与氧气作用生成c 0 2 与h 2 0 的 过程，空气量小，燃料缺氧，燃料就会出现不完全燃烧，反应速度减慢，而且造成燃料 浪费；相反空气量大就会使炉温降低，使燃烧速度变小，同时增大排烟热损失。因此在 燃料燃烧的每个阶段，根据不同需氧量供给合适的空气量是非常重要的。燃料初期供给 较少空气量，燃烧中间供给较大的空气量，燃烧后期供给较少空气量。 2 3 燃料燃烧计算 锅炉是按指定燃料及其燃烧特性来设计的，燃料特性直接关系到燃烧方式的选择以 及锅炉的设计啪1 。为了达到燃料完全燃烧，应很好地组织燃烧过程，并对燃烧过程是否 完善进行检测，为此必须进行燃料的燃烧计算，以获得有关燃烧过程的重要数据。燃烧 计算包括燃料发热量、燃料燃烧所需空气量以及过量空气系数、燃烧产物生成量、生成 物的成分及其焓值等啪 3 别。在进行这些量的计算时，作以下简化： ( 1 ) 对空气和烟气中所有组成成分包括水蒸气都作为理想气体处理； ( 2 ) 当温度不超过2 0 0 0 c 时，在计算中不考虑烟气的热分解，亦不考虑固体燃料中灰 质的热分解产物，因为这些热分解产物的数量都是微小的； ( 3 ) 忽略空气中微量的稀有气体和c c h 。 2 3 1 成型燃料发热量 在锅炉设计中，燃料发热量规定用低位发热量计算。本文设计锅炉的主要燃料为玉 米秸秆成型颗粒燃料，直径为0 = 6 - l o m m ，长度l ，且两者比热容接近，故以( c 秒) c d 2 代替式中的( c p ) 只d 2 。烟气中飞 灰焓，历( 1 ( j k 曲为： 厶2 盅( 删 ( 2 - 1 0 ) 式中 ( c 秒) 。1 k g 灰在0 。c 时的焓，可以查文献 3 4 】中的表“； 以秸秆燃料中灰分含量，查表2 2 ，以= 5 9 3 ； 口厢1 k g 燃料燃烧形成飞灰的质量( k g ) 。可以查文献 3 4 】中的表4 - 4 ，取 2 0 1 5 。 在烟气中的飞灰量达到 4 1 8 7 警6 ( 2 1 1 ) 纰w 、 把相应的取值代入式( 2 1 1 ) 得： 4 1 8 7 丛：o 2 3 9 6 6 q 甜憎 所以烟气中飞灰焓可以忽略不计。空气焓和烟气焓计算结果见表2 5 。 2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 表2 - 5 空气焓和烟气焓计算结果 注：各成分征o 。c 的袷值由义献 3 4 1 0 0 的表4 - 4 片i 铀值法求得。 2 4 本章小结 在分析生物质成型燃料特性的基础上，研究了生物质成型燃料的点火特性，生物质 成型燃料的点火过程。点火基本上归纳为6 个步骤，即在热源作用下：水分蒸发、挥发 分析出、挥发分局部着火燃烧、点火面扩大、形成整体火焰、点火区域深入到一定深度 并完成点火。根据前人研究成果，采用观察与实验方法，分析了单个生物质成型燃料燃 烧模型，并对生物质成型燃料的燃烧过程以及对生物质成型燃料燃烧的影响因素进行了 研究与分析，为燃烧设备初步设计与运行提供依据。 锅炉是按指定燃料以及燃烧特性来设计的，其特性直接关系到燃烧方式的选择以及 锅炉的设计运行。本章对生物质成型燃料进行了燃烧计算，包括理论空气量的计算、过 量空气系数的选取、理论烟气量的计算以及空气焓和烟气焓的计算，为排烟焓和排烟热 损失的计算奠定了基础，为生物质高效洁净化利用的方式与方法提供理论依据。 东北林业大学硕f ：学位论文 3 生物质成型燃料气化锅炉总体设计 3 1 燃烧方式的选择 锅炉是把燃料的化学能转变成工质热能的换热设备，而这一过程的转变是通过燃料 的燃烧及燃烧产物与工质问的换热得以实现的。所以，燃烧过程是锅炉工作的重要组成 部分。燃烧过程进行的好坏，直接影响锅炉的安全、经济运行，是锅炉其它工作的基 础，而燃烧过程的实现是通过燃烧设备来完成的，而燃烧设备是燃烧能否顺利进行的根 本保证。燃烧设备的根本任务是保证燃料及时的着火、稳定的燃烧、快速的燃尽，充分 利用燃料的化学能，并满足炉内辐射换热的要求。 燃烧工况是非常复杂的，这就决定了燃烧设备的多样性，不同的燃烧方式需采用不 同的燃烧设备。通常，按燃烧方式的不同，可将燃烧设备分为室燃炉、层燃炉、旋风炉 和沸腾炉四类。一般来说，工业锅炉大都采用层燃的燃烧方式1 ，室燃的燃烧方式常用 于电站锅炉，也有少数室燃炉用于大容量的工业锅炉上。旋风炉的燃烧是在一个圆柱形 的旋风筒内进行的高速旋转燃烧，一般用于小容量的电站锅炉和较大容量的工业锅炉。 流化床锅炉( 也称作沸腾炉) 是一种新型燃烧设备，由于其采用低温燃烧技术，燃料在 炉内停留时间长，因此具有清洁、高效、低污染的优点，近年来发展很快，可用于燃烧 劣质煤的电站锅炉。 依据本设计中燃料( 生物质秸秆成型燃料，直径伊6 1 0 m m ，长度l 5 0 m m ) 的特 点以及锅炉的用途，本文设计的锅炉设计采用层燃燃烧方式。 3 2 层燃技术 3 2 1 层燃炉 层燃炉具有多种形式，包括固定床、往复炉排、链条炉排、旋转炉排和振动炉排 等。依据燃烧特性的不同，上述技术存在着优势和不足，因此必须谨慎的选择。 层燃炉适用于含水率高、燃料尺寸变化大和灰分含量高的生物质。层燃炉可以燃烧 木柴等混合燃料1 。设计选择一个控制良好的炉排从而保证燃料均匀分布，灰层覆盖整 个炉排表面，保证一次空气在炉排不同区域的均匀供给是非常重要的。燃料在炉排上的 传输应尽可能地保持平稳和均匀，保证灰层的稳定和均匀，避免出现火口和飞灰与未燃 尽燃料粒逃逸等现象。 完成上述目标的技术有连续活动炉排，灰层高度控制系统，为炉排不同区域提供一 次空气的调频风机。将一次空气供给分为不同区域，以分别适应干燥、气化和固定碳燃 烧等不同过程对空气量的特别需求( 见图3 - 1 ) 。通过分区域控制一次空气的供给，使层 燃炉在低负荷状态下平稳运行( 最低为额定出力的2 5 ) ，同时控制过量空气系数，保 证燃烧室内还原性气氛，减少n o ；生成。此外，采用水冷炉排可以避免出现结渣现象， 3 生物质成型燃料气化锅炉总体设计 延长炉排使用寿命。 炉膛 床层表面 必和筠铮 念 炉律 图