（农业生物环境与能源工程专业论文）生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验.pdf

河南农业大学学能论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学豫论 生物覆成黧燃料热农锅炉学位 文题目 的改进设计与试验级别 硕士 学生 李荫 学科农业生物环境导师 熬褒专业与戆源工程姓名 刘圣爨 学位论文 如需保密，解密时间年月翻 是否保密 独创性声明 本入至交论文是在导薅攒簿下透行静掰究工作及取褥研究成果，除了文中 特别加以标注和数谢的地方外，文中不包含其他人已经发袭或撰写过的研究成 果，也不包括为获得河南农业犬学或其他教商机构的学位或证书两使用过的材 瓣，撂导教j | | ；嚣魏遴行了事定。奄我一弱王露豹嚣恚对零磅究雳畿豹鬣 蓦贡藏 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 骚究焦签名：喽咱名i 彬 繇签名：嬲 日期；一( 年月f ，日日期加占年5 月f ) 日 学位论文使髓授粳及翔识产权懿属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存，使用学位论文的规定，即学嫩必须 按照学校要求提交学位论文的鬻剥本和电子版本；学校有权保存提交论文的印 蓐| j 零霸电子舨本，并提供磊录羧索和阕菱骚务，可浚采爱影瘁、缩薅】或籀绉等 复制乎段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式襁不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内袭。 零入完全了解涎素农登犬学懿误产蔽餐 轳办法懿蠢关鬏定，褒擎蝗离 开河南农业大学靥，就在校期阍从事的科研王作发表的所宥论文，第一署名单 位为河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农 鲎大攀瑟毒，虿燹，承摇摆应懿法律责任。 注：保密学往论文在解密后适用于本授较警 碱性氢看荫新鹕：弼粝艚擞； 日期：p 缉6 月痨舀日期洚喉b a a 日颓：霉月日 河南农业大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文是在导师刘圣勇教授的精心指导下完成的。导师在本论文的选题、资 料收集、研究方法、试验方案设计等整个研究过程中给予了关键性的指导；在论 文的撰写过程中，对论文进行了严格而仔细地审阅、修改和把关。在读期间，导 师在学习上给予我精心的指导，在生活上给予我极大的关心，在为人处事上给予 我谆谆教诲；导师严谨、勤勉的治学态度和科研精神对我的学习，研究、生活产 生了极大的影响和促进，并将使我在今后的工作、学习中受益无穷。在此，我衷 心地感谢导师刘圣勇教授三年来对我学业上的精心指导，严格要求和生活上的细 心关照。 在论文的完成过程中，得到了机电工程学院农业生物环境与能源工程系张百 良教授、张全国教授、赵廷林副教授、杨世关副教授，杨群发老师、李刚老师、 徐桂转老师、岳建芝老师、郭前辉老师等给予的建议、指导及提供的试验条件。 同时，感谢河南省太康锅炉厂武乐蜂董事长和周口压力容器检验所秦立臣检验师 在锅炉制造过程中提供的宝贵意见，提高了课题的进展速度，对硕士学位论文的 顺利完成起到了关键性作用。 在课题试验及撰写过程中，还得到了同窗贾孟立、谢海江、师弟苏超杰、王 森、师妹李文雅及0 2 级能源班学生张国海的大力帮助，在此向他们表示衷心的 感谢! 最后，我要向一直支持我、关心我的家人和朋友致以最崇高的敬意和最衷心 的感谢，感谢他们多年来给予我的信任、理解、支持和鼓励。 李荫 2 0 0 6 - 6 河南农业大学硬士学位论文 摘要 摘要 为了能够把生耪袋专用燃烧设备捺囱市场，实骥箕商品纯生产，本研究飙分拼第一代生 物质成测燃料热水锅炉的设计依据出发。针对第一代嫩物质成型燃料热水锅炉存在的炉膛温 度高，摊烟温度高等一蝗问题，进行了改进设计，并制造出一台4 2 k w 燃用生物质成型燃料 懿燕承镌妒。在4 释z 援下对其进行热性爱试验，蠢磺热缝藐疆稼这翻没诗要求，黎静7 第 一代存在的不足，其中燃烧效率最高这9 4 8 4 ，热效率最高达8 0 8 1 。与第一代嫩物质成 型燃料热水锅炉相比，备项热损失、热效率和燃烧效率有着相似的变化规律，但其火小有着 不同程度戆改交； ( 1 ) 改迸后的锅炉散热损失宥了明显降低。改进前4 个工溅下散热损失在7 6 4 - - 3 3 2 8 变化，改进后4 个工况下散热损失在i i i 一1 0 3 2 变化，改进后散热损失比改进前 降低了6 5 3 - - 2 2 9 6 个蓖分点； ( 2 ) 改选后耱锈妒簿矮熬援失誊了裙委箨祗。浚进蓊4 个工况下播耀热损失在i 0 。6 5 铬 3 3 1 8 变化，改进后4 个工况下排烟热损失在3 0 7 1 6 1 1 变化，改进后排烟熟攒失比改 进前降低了7 5 8 1 7 0 7 个百分点； ( 3 ) 改进磊熬锈妒热效率毒7 一定程度戆撵蔫。踱遴兹4 令王涎下热效率在5 2 + 9 龋 7 0 1 骗变化，改进后4 个工况下熟效率在6 3 9 9 种8 0 8 1 变化，改谶后热效率眈改进前增加 了1 0 6 8 i i 0 3 个酉分点； ( 4 ) 改进后的镊炉气体不完全燃烧热损失、题体不完全燃烧热损失和灰渣物蠼热损失 有较夺程度静缮热。毁避翦4 个工撼下气体不完全燃斑熬损失在0 5 2 2 秘i ，2 6 稿掇化，改 进后4 个工况下气体不完全燃烧热损失在2 1 3 6 + 7 2 变化，改进厝气体不完全燃烧热损 失比改进前增加了i 6 l 5 4 5 个酉分点；改进前4 个工况下固体不完全燃烧热损失在 1 ，2 7 5 2 。3 鹩交证，泼遴蓐4 令王凝下霪嚣苓完全燃嶷热损失在3 2 鼹垂4 垂冀交豫，改送 后固体不完全燃烧热损失比改进前增加了i 9 9 2 0 8 个百分点；改进前4 个工况下灰渣物 理热损失在0 0 8 1 0 0 9 1 变化，改j 后4 个工况下灰渣物理热损失在0 1 3 3 0 1 3 9 变 化，改避蔗灰渣物理熬损失鞋：改进裁增期了0 0 5 2 0 。0 4 8 个百分点。 畿蕊应用商监软佟f l u e n t 对不黯辩冷态迸 亍模稼，为蔹螽更深入静模拟打下蒸穑，为 今后的改进设计提供参考依据。 关键词：生物质成型燃料；生物质成型燃料热水锅炉；改进设计；热性能试验；数德模拟 河南农业大学硕士学位论文i 概述 1 概述 1 1 研究背景 能源是经济增长和发展的基本动力“1 ，能源问题关系到政治稳定和社会发展。世界各国 都在不遗余力地为保护其能源安全做出努力，对于一个人口和农业大国更不例外。中国有 8 6 亿左右农民居住在农村。农村能源的持续利用是国家能源问题的瓶颈，而其中农村生活 能源的现代化将是中国实现全面小康社会的重要环节。中国农村能源结构滞后，现阶段仍 以秸秆和薪柴等生物质能为主。2 0 0 2 年中国农村消费能源达7 8 2 7 9 m t c e 。其中，农村生活 用能4 5 3 7 4 m t c e ，占农村消费能源总量的5 7 9 6 ，而农村生活用能以秸秆、煤炭和薪柴为 主，其中秸秆和薪柴非商品能源2 5 5 4 8 m t c e ，占生活用能的5 6 3 1 ，其次为煤炭1 5 7 3 5 m t c e 。 占生活用能的3 4 6 8 ，电力、成品油、液化气和天然气等商品能源的比重较低。1 。 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，还有利于减缓园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。中国是一个农业大国，拥有丰富的生物质能资源，据不完全统计， 中国1 9 9 8 年农作物秸秆7 9 4 亿t 总产量中有约1 5 o u p1 1 9 1 亿t 的秸秆被用来直接还田 造肥，有约2 5 o t l p1 9 8 5 亿t 的秸秆被作为饲料，有约9 0 即7 1 4 6 万t 的秸秆被用作工 业原科。除此之外，有约5 1 o 即4 0 4 9 亿t 的农作物秸秆可以作为能源用途，其中已有1 9 0 叫 亿t 的农作物秸秆被中国农民在民用炉灶内直接燃烧用来炊事和取暖，其余的则被废弃在田 间地头或在田间直接焚烧掉，不仅浪费了资源，也严重地污染了环境。 生物质压缩成型技术是将秸秆、稻壳、锯末，木屑等生物质废弃物，用机械加压的方 法，使原来松散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料”。经压 缩成型后，密度和强度提高，给运输和储存带来了方便，虽然热值没有增高，但其燃烧特性 大为改善，燃料的利用率大大提高，这一技术将成为解决农村秸秆过剩问题的有效途径“”。 其规模化应用对于改善农村生活质量，保护农业生态环境、增加农民收入和促进农业可持续 发展具有重要的现实意义“。但是作为一种新型燃料，其燃烧特性的理论研究还处于初级阶 段，中国对燃用生物质成型燃料的专用燃烧设备的研制开发亦刚刚起步。河南农业大学在研 究生物质成型燃料燃烧特性的基础上设计并制造出的第一代双层炉排生物质成型燃料锅炉， 但存在着炉膛温度高，排烟温度高等一些问题“”，为了能够把生物质专用燃烧设备推向市场， 实现其商品化生产，解决第一代双层炉排生物质成型燃料锅炉存在的问题成为迫切的问题。 为此提出了生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验这一课题。 1 2 生物质成型燃料燃烧设备的国内外研究状况 1 z 1 国外研究状况 美国在2 0 世纪3 0 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1 ；日本在2 0 世纪3 0 年代开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃 物，1 9 5 4 年研制成棒状燃料成型机及相关的燃烧设备；7 0 年代后期，西欧许多国家如芬兰、 河南农业大学硕士学位论文i 概述 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；2 0 世纪8 0 年代亚洲除日本外，泰国、印度、菲律宾、 韩国、马来西亚已建了不少固化、碳化专业生产厂，并已研制出相关的燃烧设备。 到2 0 世纪9 0 年代日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，并 形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用。生物质成型燃料燃烧设 各按规模可分为：小型炉，大型锅炉和热电联产锅炉；按用途与燃料品种可分为：木材炉、 壁炉、颗粒燃料炉，薪柴锅炉、木片锅炉、颗粒燃料锅炉、秸秆锅炉、其它燃料锅炉；按燃 烧形式可分为：片烧炉、捆烧炉、颗粒层燃炉等”“1 。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、操作自动化程度好、热效率高、排烟污染小等优点，但 相对与中国存在着价格高、使用燃料品种单一，易结渣、电耗高等缺点，不适合引进中国。 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碳燃烧炉，直接燃用生物质成 型燃料的设备较少，燃烧设备还未定型，还需进一步的研究、实验与开发“”，这些国家 生物质成型燃料燃烧设备也不适合引进中国。 1 z2 国内研究状况 从2 0 世纪8 0 年代引进螺旋推进式秸秆成型机，中国生物质压缩成型技术的研究开发已 有二十多年的历史。南京林业化工研究所在“七五”期间设立了对生物质压缩成型机及生物 质成型理论研究课题。湖南省衡阳市粮食机械厂为处理大量粮食加工谷壳，于1 9 8 5 年根据 国外样机试制了第一台z t - 6 3 型生物质压缩成型机。江苏省连云港市东海粮食机械厂于1 9 8 6 年引进了一台o b m - 8 8 棒状燃料成型机。1 9 9 8 年，东南大学，江苏省科技情报所和国营9 3 0 5 厂研制出m d - 1 5 型固体燃料成型机。1 9 9 0 年以后，陕西武功轻工机械厂、河南巩义包装设 备厂、湖南农村能源办公室以及河北正定县常宏木炭公司等单位先后研制和生产了几种不同 规格的生物质成型机和碳化机组。2 0 世纪9 0 年代期间河南农业大学和中国农机能源动力研 究所分别研究出p b 一1 型机械冲压式成型机、h p b - i 型液压驱动活塞式成型机和c 玎一3 5 型 机械冲压式成型机“”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，改造后的燃烧设备仍存在着空气流动场分布、炉膛温 度场分布、浓度场分布、过量空气系数大小、受熟面布置等不合理现象，严重影响了生物质 成型燃料燃烧正常速度与正常状况“，致使改造后的燃烧设备存在着热效率低，排烟中 的污染物含量高，易结渣等问题4 1 。2 0 0 3 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。 1 3 本课题研究的目的和主要内容 河南农业大学研制出适用于生物质成型燃料燃烧、供热量为8 7 k w 的双层炉排热水锅炉， 并在此设备上进行了生物质成型燃料空气流动场、温度场、气体浓度场、结渣特性及确定燃 烧设备主要设计参数试验，得出了以下一系列规律性成果。经测试，燃烧效率、热效率高， 2 河南农业大学硕士学位论文l 概述 排烟中c o 、n o x 、s 如、烟尘含量符合国家有关锅炉污染物排放标准要求。该燃烧设备采用双 层炉排半气化燃烧方式，较好地解决了层燃生物质成型燃料燃烧设备冒黑烟、不易完全燃烧 及易结渣的技术难题，实践证明，此种炉型适合燃用生物质成型燃料。但是，在对双层炉排 生物质成型燃料锅炉试验及以后的应用过程中发现这种炉型的锅炉仍然存在着一些问题： ( 1 ) 辐射受热面设计布置不够合理，炉膛温度过商，特别是上炉膛，致使上炉门附近 炉墙墙体过热，增加了锅炉的散热损失： ( 2 ) 对流受热面设计布置不够合理，烟道长度有些偏短，烟气与锅炉水箱里的水换热 不够充分，使得排烟温度过高，增加了锅炉的排烟熟损失： ( 3 ) 该锅炉无锅筒，水箱置于锅炉后部，水容量小，当烟气与水箱中的水换热不均时， 会出现热水部分沸腾现象，增加了锅炉运行的不稳定因素； ( 4 ) 该锅炉出水由电磁阀控制，当锅炉水箱里的水达到一定温度，从锅炉侧墙出水 水电由多功能控制柜控制，控制柜上的许多功能未能得到充分利用，增加了锅炉配套设备的 成本。 为了解决上述问题，即：减少锅炉的散热损失、排烟热损失，增强锅炉运行的稳定性， 降低锅炉成本，在第一代双层炉排生物质成型燃料锅炉的基础上，设计并制造一台4 2 h 的 燃用生物质成型燃料的热水锅炉，对其进行热性能试验，并对生物质成型燃料的燃烧特性、 生物质成型燃料锅炉的空气动力场等做进一步的研究。 3 河南农业大学硕士学位论文 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。1 9 9 8 年对农作物 秸秆进行统计，中国作物秸秆总量达到7 9 4 5 4 4 x1 0 t ，其中粮食作物占8 9 9 ，油料作 物占7 1 ，棉花作物占1 7 ，糖料作物占1 2 ，麻类作物占0 1 。粮食作物中水稻秸 秆的产量为2 1 8 6 0 7 x1 0 t ，占粮食作物秸秆产量的3 0 6 ，小麦秸秆的产量为1 2 0 7 0 4 x 1 0 4t ，占粮食作物秸秆产量的1 6 9 ，玉米秸秆的产量为2 6 5 9 0 6 x1 0 4t 。占粮食作物秸秆 产量的3 7 2 。可见生物质秸秆主要来源于粮食作物秸秆，而粮食作物秸秆中玉米秸秆产 量最大，为此，第一代生物质成型燃料锅炉选择玉米秸秆成型燃料作为设计制造依据，在无 玉米秸秆成型燃料参数的情况下，参考有关烟煤参数选取。 为了增加锅炉的对生物制成型燃料的普遍适应性，本论文将以水稻、小麦和玉米三种 粮食作物秸秆成型燃料为依据，对生物质成型燃料进行燃烧特性分析和燃烧计算。本部分将 对生物质成型燃料和煤进行比较，分析在无生物质成型燃料参数的情况下参考烟煤参数的可 靠性，为指导生物质成型燃料锅炉的改进设计提供依据。 2 1 生物质成型燃科与煤的比较 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。根据碳化程度的深浅，将煤分为泥煤，褐煤、烟煤、无烟煤等四类。 不同类型的煤，其元素组成是不同的，而煤的微观结构也有相应的模型可供参考。 乏 i 生物质成型燃科与虞的元素比较 生物质成型燃料与工业锅炉设计用代表煤种的工业分析及元素分析参考表l 所示”。 表2 1 生物质的工业分析及元素分析 以下将从碳、氢、氧、氮、硫、水分、灰分、挥发分等几种基本元素对煤与生物质成型 燃料进行对比分析”“ c ：煤中碳含量的规律是随煤的变质强度的加深而增加。如：泥煤碳含量5 0 9 6 6 0 9 6 ，褐 4 河南农业大学硕士学位论文2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 煤碳含量6 0 7 5 ，烟煤碳含量增加为7 5 9 0 ，在变质程度最高的无烟煤中则高达9 0 9 8 ，而各种生物质成型燃料中碳含量集中在3 5 4 2 ，低于泥煤的含碳量，约是煤中的碳 含量的4 3 7 0 ，而含碳量直接决定着发热量的大小，因此，秸秆成型燃料发热量低于煤。 约为煤的6 5 7 0 。 h ：煤中氢含量的规律是随煤的变质强度的加深而减少，还与原始成煤植物有很大的关 系，一般低等植物如藻类等形成的煤，其氢含量较高，有时可以超过1 0 9 6 ，而由高等植物形 成的煤，氢的含量较低，一般均小于6 ，各种生物质成型燃料中氢含量较低，一般均低于 5 0 ：煤中氧含量随变质程度的加深而减少，在泥煤中氧含量高达3 0 4 0 9 6 ，褐煤中氧含 量为i 0 3 0 ，而在烟煤中为2 1 0 。无烟煤中则更少，小于2 ，各种生物质成型燃料 中氧含量为3 3 3 8 ，与泥煤近似。 n ：煤中氮含量在1 3 ，煤中氮主要来自成煤植物。在煤燃烧时常呈游离状态逸出， 不产生热量，但在炼焦过程中，氮转化成氨及其它含氮化合物。而生物质成型燃料氮含量比 煤的更低，不到1 ，燃烧时状态以游离态逸出，其形成的氮化物含量少。产生的污染物含 量少。 s ：对煤和生物质成型燃料而言都是有害物质。煤中硫的含量大都在0 5 3 之间，煤 中硫可以分为无机硫和有机硫两大部分。煤中有机硫和硫化物可以燃烧，硫燃烧后在烟气中 形成s 0 2 和少量的s 魄使烟气中水蒸气嚣点大大升高。s 0 2 和s o s 能溶于水变成亚硫酸( 1 1 2 s 也) 和硫酸( i h s o d ，它会使锅炉低温受热面( 如空气预热器) 金属腐蚀及堵灰，炼焦用煤中的 硫则部分转入焦炭之中，然后再转入到铁中，从而降低焦炭及钢铁的质量。焦炭中含硫量每 增加1 ，不仅要使焦炭消耗量增加1 8 2 4 ，溶剂消耗量增加2 0 ，并且还会降低高炉生 产率2 0 。s 如、s ( h 排放到环境中，造成大气环境污染。生物质成型燃料中硫的含量低于煤 中硫的含量，不到0 2 ，可见，其造成的污染程度要低于煤的。 水分：煤中水分含量与变质程度有关，煤的变质程度越高，水分越少，如褐煤中水分 含量1 0 4 0 ，烟煤中1 鳊，无烟煤中1 2 ，干生物质中水分的含量在1 0 左右，介 于褐煤与烟煤之间。水分高，在燃烧过程中水分的汽化要吸收热量，降低热量，降低炉膛的 温度，使锅炉的效率下降，还易在低温处腐蚀设备。 灰分：灰分含量不仅影响着发热量而且影响着着火和燃烧。收到基原煤的灰分，特低 灰煤的1 0 ，高灰煤的 4 0 9 6 。若灰分含量高，则燃烧的烟气中飞灰浓度大，使受热面易受 污染而影响传热，降低效率，同时使受热面易受磨损而减少寿命，生物质成型燃料灰分含量 在1 0 左右，与特低灰煤相当。可见，其产生的飞灰含量要低于煤的。 挥发分：煤的挥发分含量随着煤的变质程度的加深而减少，褐煤中挥发分含量 4 0 ，烟 煤中挥发分含量位于1 0 4 0 之间，无烟煤小于1 0 ，秸秆成型燃料的挥发分均在6 0 7 0 之间，远高于煤的。因此，挥发分是设计锅炉时考虑的一个主要因素。 5 河南农业大学硕士学位论文2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 由上述可见，生物质成型燃料中s 、n 等元素含量较煤少，因此，生物质成型燃料较煤 将大大减少s 也和n o i 等污染物的排放；泥煤碳化程度最浅，水分含量很高，其中还残留了 部分植物的残体，在元素成分含量上，生物质成型燃料与泥煤最为接近，但泥煤发热量低且 含水分高，在用途上受到一定限制，工业上使用价值不大，一般做民用燃料，在锅炉计算手 册中，与泥煤相关的参数几乎没有，因此，在锅炉改进设计时，选用略好于泥煤的褐煤相关 的参数，比选用烟煤相关的参数更为科学。 乏1 2 生物质成型燃科与煤的结构比较 燃料的燃烧机理与燃料的结构有一定的关系，生物质成型燃料与煤虽然都来源于植物生 物质，但两者的结构是不同的。因此，有必要对两者在结构上的进行比较，为生物质成型燃 料的燃烧机理的研究提供参考。 生物质成型燃料，是由原生物质压缩成型的，原生物质中含有纤维素、半纤维素、木质 素等物质。木质素在温度为7 0 1 1 0 c 时软化具有粘性当温度达到2 0 0 3 0 0 c 时成熔融状， 粘性高，此时加以一定的压力，使生物质纤维紧密地粘结在一起，并维持既定的，成型燃料 块经冷却降温后，增大了强度。在整个过程中，以物理变化为主，减少的是原生物质的空隙 率，生物质成型燃料的微观结构基本不变，与原生物质基本相同，即为纤维素、半纤维素及 木质素的结构，如图2 1 所示 末腹 t “m _ 堪一 举斛 图2 1 生物质的典型化学结构 煤结构的研究一直都是煤化学研究的主要课题。煤的结构本身极为复杂，更由于煤的非 晶态，强吸收及物理化学异构等特性，使得许多分析仪器在煤科学研究中的应用在很大程度 上受到限制。常规的光谱及质量分析方法只能得到很少甚至得不到真实反映煤结构的信息。 近2 0 年来，由于一些新的高性能仪器及计算机图像处理技术的飞速发展，人们才得以对煤 6 丝霉 河南农业大学硕士学位论文2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 的结构进行深入研究。科学家们用多种化学或物理的方法综合论证了煤的化学结构，至今已 有几十种模型。2 0 世纪6 0 年代以前的经典模型及现代公认的煤的结构如图2 2 ，2 3 所示 h 】 圈2 2 煤的经典结构 囤2 3 煤的现代结构模型 由图2 2 可见，煤是由大量的环状芳烃缩合交联在一起，并且夹着含s 和含n 的杂环， 通过各种桥键相连。从图2 3 中看出，平均3 5 个芳环或氢化芳环单位由较短的脂链和醚 键相连，形成大分子的聚集体，小分子镶嵌于聚集体孔洞或空穴中。可以通过溶剂抽提溶解 出来。随着变质程度的增加，碳原子同芳香单元的键力增强，同时氢和氧的含量下降，芳香 尺寸不断增大。这特性到低挥发烟煤后出现较大突变，而在无烟煤阶段迅速增长。 由上述可知，生物质成型燃料与煤均属于碳氢为基本组成的化学能源，但在结构上有着 很大的差别，而结构上的差别使得到生物质成型燃料与煤的燃烧特性有着显著的差别，因此， 有必要在结构上进一步研究生物质成型燃料，特别是空隙率等因素对燃烧速度的影响，寻找 空隙率与燃烧速度的关系，进一步研究生物质成型燃料的燃烧机理，为生物质成型燃料燃烧 设备的改进设计提供依据。 z1 3 生物质成型燃科与煤的燃烧特性比较 ( 1 ) 生物质成型燃料的燃烧性能介于原生物质和褐煤之间。由于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，但与煤的点火性能相比要好的多”。 ( 2 ) 生物质成型燃料及煤的颗粒粒径、升温速率、样品质量和挥发分释放特性指数都 对两者的着火及燃烬同样产生不同程度的影响。 ( 3 ) 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 挥发分的溢出速度与传热速度较原生物质秸秆大大降低，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。 2 2 生物质成型燃料燃烧计算 锅炉是按指定燃科特性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 锅炉的设计为了达到燃料完全燃烧，应很好组织燃烧过程，并对燃烧过程是否完善进行检 7 河南农业大学硕士学位论文2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 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、燃烧产物生成量成分及焓值等”。在进行这些 量的计算时，需作以下简化： ( 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 ) 略去空气中微量的稀有气体和c 0 2 z z1 生物质成型燃科的参数选取 第一代生物质成型燃料热水锅炉，以玉米秸秆为例，无形中缩小了锅炉的适应范围，考 虑到玉米、小麦、水稻三种作物秸秆产量占中国秸秆产量近9 0 ，本论文将以三者的各项参 数的均值作为改进后的生物质成型燃料热水锅炉的设计依据，扩大锅炉对生物质成型燃料的 适用范围。三种秸秆成型燃料元素分析及工业分析均值如表2 2 所示。 寰22 兰种秸秆成型燃料元素分析及工业分析均值 2z2 生物质成型燃料燃烧的理论空气量及理论烟气量 为了定量分析玉米秸秆成型燃料、生物质成型燃料与煤的区别，本部分将分别对三者的 理论空气量及理论烟气量进行计算，其中，煤选择工业锅炉设计用代表煤种中的褐煤、烟煤 及无烟煤分别进行计算，分析其理论计算上的差距。理论空气量及理论烟气量的计算如下公 式( 2 - 1 ) 一( 2 - 5 ) ，计算结果如表2 3 所示 理论空气量：v o k = o 0 8 8 9 ( 巳+ o 3 7 5 s 。) + o 2 6 5 日，一o 0 3 3 3 0 0 ( 2 1 ) 二氧化物容积：v 9 月吼= o 0 1 8 6 6 【巳一o 3 7 5 s 二) ( 2 - 2 ) 理论氮气容积：”= 0 0 0 8 ，+ o 7 9 v t o ( 2 - 3 ) 理论水蒸气容积：p = o 1 1 1 日，+ o 0 1 2 4 m 。+ 0 0 1 6 1 瓒( 2 - 4 ) 理论烟气量：哕= + 嚷+ ( 2 - 5 ) 寰23 煤、三种燃料理论空气量及理论烟气量的计算结果 项目 符号笔嚣主黧褐煤 烟煤无烟煤单位 理论空气量 贸 3 6 3 - - - 0 7 4 理论氮气容积 2 8 7 理论水蒸气容积0 7 2 墨丝塑皇墨! ：! ：塑! ：丝! ：些! ：翌! ：墼! ：竖： 由上表可见：( 1 ) 对于理论空气量，生物质成型燃料的略大于玉米秸秆成型燃料及褐 s 科酽旷酽 时时 时 一| 蛎 毖 吾； 屯 l 鼠 仉 褐 ；g 晒 瓢 l 毛 m ；5 融 i 8 孔 仉 乞 m 的 鹞 驺 钆 吼 乱 吼 河南农业大学硕士学位论文 2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 煤的，低于烟煤及无烟煤的，从而在理论计算上证明生物质成型燃料的理论空气量远小于烟 煤及无烟煤的，可近似于褐煤的相等； ( 2 ) 对于理论烟气量，生物质成型燃料的略小于玉 米成型燃料的，略大于褐煤的，远低于烟煤及无烟煤的，从而在理论计算上证明生物质成型 燃料的理论烟气量远小于烟煤及无烟煤的，可近似于褐煤的相等；( 3 ) 对于二氧化物容积， 生物质成型燃料的略小于玉米秸秆成型燃料的，略大于褐煤的，远小于烟煤及无烟煤的，从 而在理论计算上证明了生物质成型燃料的污染物排放量低于碳化程度深的烟煤及无烟煤，与 褐煤的相接近。 2 乏3 生物质成型燃科空气焓和烟气焓的计算 实际供给的空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，设计锅炉时需根据燃料种 类、燃烧方式和燃烧设备形式来选择合适的过量空气系数。为改进设计，在第一代生物质成 型燃料热水锅炉对过量空气系数的选取及褐煤的相关参数的基础上，编制设计用空气平衡 表，如表2 4 所示“1 ”。 裹2 4 空气平衡表 在进行锅炉设计计算、整理实验结果时，需要知道空气焓值和烟气焓值。根据生物质成 型燃料的理论空气量及烟气量，查找烟气成分在不同温度下的焓值，即可得出生物质成型燃 料理论上空气和烟气的焓，制表如表2 5 所示，为锅炉的改进设计提供依据。 表25 空气、烟气的始温表 8t)h r o lh如h h 1 1 。h ：jh ： ! 垒! 竺竺竺竺! 兰丘坦( 盟耻! 竺：尘：! 竺蟹( 盟丝 1 0 01 2 5 1 23 7 3 6 21 0 8 8 7 16 0 7 6 1 1 4 7 8 8 9 6 2 0 02 6 2 7 5 2 7 4 7 2 42 1 9 1 8 41 2 2 9 1 7 69 6 5 0 4 8 3 0 04 1 1 4 2 4 1 1 2 6 6 0 83 3 3 8 2 31 8 7 1 8 5 51 4 6 2 0 8 4 4 0 05 6 8 1 9 21 5 1 4 6 9 8 4 5 1 3 4 62 5 3 4 1 3 81 9 6 8 3 7 6 5 0 07 3 1 5 8 4 1 9 0 8 3 3 65 7 3 1 9 53 2 1 3 1 1 52 4 8 1 5 5 2 6 0 09 0 1 62 3 1 0 6 9 66 9 8 6 4 9 3 9 1 0 9 4 53 0 1 1 2 4 7 0 01 0 7 6 0 3 22 7 2 4 5 5 28 2 8 4 2 9 4 6 2 9 0 1 33 5 蚰1 8 4 8 0 01 2 5 4 8 83 1 4 4 1 5 69 6 1 8 1 45 3 6 0 8 5 4 0 9 6 0 1 2 9 0 01 4 3 6 6 7 23 5 6 9 5 0 81 1 0 0 2 4 6 6 1 0 6 4 2 64 6 5 1 0 9 6 1 0 0 01 6 2 2 1 4 44 0 0 0 6 0 61 2 4 2 2 6 36 6 6 5 0 3 55 2 1 3 4 3 6 注l1 0 0 0 口口 - “= 1 0 0 0 0 2 x 6 9 5 1 5 6 5 8 = 0 0 8 9 1 4 3 所以烟气焓未计算飞灰始厶。实际烟气 量可根据公式t h ，= 彬o + ( 口一1 ) 日；计算 2 3 小结 9 河南农业大学硕士学位论文2 生物质成型燃料燃烧特性及燃烧计算 本部分针对第一代生物质成型燃料热水锅炉设计时选用的参考依据的合理性进行分析， 提出改进设计时的参考依据。( 1 ) 在分析比较生物质成型燃料与煤的元素基础上得出：第 一代在设计时参考无烟煤不合理，改进设计时，参考褐煤的相关参数更科学； ( 2 ) 在比较 生物质成型燃料与煤的微观结构的基础上提出：有必要在结构上进一步研究生物质成型燃 料。特别是空隙率等因素对燃烧速度的影响，寻找空隙率与燃烧速度的关系，进一步研究生 物质成型燃料的燃烧机理，为生物质成型燃料燃烧设备的改进设计提供依据； ( 3 ) 根据中 国秸秆产量中玉米，小麦、水稻三种作物秸秆产量占中国秸秆产量近9 0 提出：第一代生物 质成型燃料热水锅炉，以玉米秸秆为例缩小了锅炉的适应范围，改进设计时选用三者的各项 参数的均值作为设计依据，扩大锅炉对生物质成型燃料的适用范围； ( 4 ) 根据三种秸秆的 均值作为成型燃料同褐煤、烟煤，无烟煤进行燃烧计算比较，从理论计算上证明：生物质成 型燃料与褐煤的相接近。 l o 河南农业大学硕士学位论文3 生物质成型燃料热水锅炉的改进设计 3 生物质成型燃料热水锅炉的改进设计 第一代生物质成型燃料热水锅炉是以北方温室( 两间) 冬季所需采暖热负荷，作为设计 锅炉时的供热量，温室的供暖热负荷的确定采用经验值，为了更准确地确定这个采暖热负荷， 降低锅炉制造成本，本部分首先从理论上计算北方温室的采暖热负荷。然后针对第一代生物 质成型燃料热水锅炉的不足，以单间温室采暖热负荷作为设计锅炉时的供热量，进行锅炉本 体，炉排、辐射受热面及对流受热面改进设计，并选用合适的风机及控制系统。 3 1 采暖热负荷的计算 3 1 1 譬i 室的参数“删 日光温室墙体包括温室的后墙和两个山墙，后墙和两侧山墙构造由外向里依次为：( 1 ) 4 0 m m 厚水泥砂浆抹面；( 2 ) 一砖的普通红砖墙2 4 0 m m ；( 3 ) 1 6 0 r a m 厚p s 板；( 4 ) 半砖的普 通红砖墙1 2 0 m ；( 5 ) 4 0 衄厚水泥砂浆抹面，墙体总厚度为6 0 0 u 。 后坡屋面构造由外向里依次为：( 1 ) 4 0 m 厚水泥砂浆抹面；( 2 ) 一层油毡防水层；( 3 ) 2 0 0 m 厚p s 板；( 4 ) 干铺油毡一层；( 5 ) 2 5 r a m 厚硬木板。 日光温室使用的薄膜：聚乙烯膜。 温室主要技术参数如下：跨度：嘲7 m ；顶高：h = 2 9 m ：长度：l = 5 0 m , 主拱间距：l l = 2 m ； 副拱间距：l 产l m 抗风能力：风压3 8 3 p a ( 相当于风速2 5 m s 的1 0 级风) ；承载能力：雪压 1 9 6 p a ( 相当于地面积雪2 0 0 m ) ；温室面积：s = 6 7 x 5 0 = 3 3 5 m 2 ( 约0 5 0 2 市亩) 3 1 2 温室采暖热负荷的计算” 3 1 2 ，1 温室热平衡的计算 温室是一个半封闭的热力系统，它随时受到室内外诸多扰量的影响，其热平衡方程式为： a e = g + q 2 + q 3 + q 4 一u 一一乩一u 一乩一以 ( 3 一1 ) 式中：e 韫室内能的变化量， q 1 进入温室的太阳辐射热量，- ； q 韫室内人体、灯具、设备发热量，_ ； q 3 进入温室内热物体的散热量，_ ； q 4 韫室采暖系统供热量，_ ； 玑通过屋顶，地面、墙、门窗等围护结构传导和辐射出的热量，简称围护 结构热损失，： 阢加热经过门、窗、围护结构缝隙渗入空气所需要的热量，简称冷风渗透 热损，； 玑加热进入温室内冷物料所需要的热量， 玑由于温室内水分蒸发所消耗的热量，； 己r 通风耗热量，； c 作物光合作用耗热量，。 河南农业大学硕士学位论文3 生物质成型燃抖热水锅炉的改进设计 如果维持温室温度不变，则要求a e = 0 。此时，温室采暖系统供热量为： q 4 = u l + + u 3 + u 4 + u 5 + u 6 ( 3 2 ) 实际工程中，由于室外环境最低温度一般出现于后半夜至凌晨，此时的供热量要求最大， 因此温室设计一般用此刻的供热量作为采暖设计热负荷。温室内应该保证( 在采暖设计条 件下) 达到的最低温度，选取室内设计温度t 。= 2 0 c 。中国机械行业标准j b t 1 0 2 9 7 2 0 0 1 温 室加温系统设计规范中建议采用近2 0 年最冷日温度的平均值作为室外设计温度推荐值，郑 州地区的室外设计温度推荐值为t , = - 5 c 。 夜间没有太阳辐射，现场一般不会有工作人员，即使有发热量也非常有限；温室的照明 或其他用电设备( 如开窗，拉幕电机、循环风扇等) 一般都很小，工作时间也很短，不计 其发热量：夜间一般也没有物料进出温室，因此： q l = q 2 = q 3 = 0 一般情况下，夜间不进行通风换气，通风系统不工作；夜间植物的蒸腾作用很微弱，植 物生理生化能量转换相对而言微不足道；夜间由于温室内温度是由高逐渐降低，温室内水分 的冷凝量一般大于蒸发量，理论上应该是温室得热；夜间一般没有物料进出温室，因此： u = 以= u s = 乩= 0 这样，温室采暖设计热负荷便简化为： q 4 = “+ u 2 ( 3 3 ) 即：温室采暖设计热负荷由经过屋顶、地面、墙、门窗等围护结构传导出和辐射出的热量及 室内空气经过门、窗、围护结构缝隙逸出所带走的热量两部分组成。 3 1 2 2 温室圈护结构传热量的计算 1 ) 温室大棚塑料薄膜的传导热量 前屋面采用0 1 m m 厚双层聚乙烯塑料膜，传热系数墨= 4 0 ( m - z k - 1 ) 。塑料薄膜 的传热面积f = 3 0 5 ( m b 所以，温室大棚塑料薄膜的传导热量为： 1 = 蜀e 乜一l ) ；4 0 x 3 0 5 x 2 0 - ( - 5 ) = 3 0 5 0 0 ( w ) 2 ) 两侧山墙和后墙的传导热量 两侧山墙和后墙的传热系数按下式计算： 岛2 i 缸 哪 口。一丑吼 其中： 外围护结构内表面的对流换热系数，_ m 吨x - 1 ，取= 8 7 2 ； a 0 外围护结构外表面的对流换热系数，_ 一k 1 ，取g ，- - 2 3 2 6 ； 巧外围护结构隔层材料的厚度，m m ，磊= 4 0 = 疋= 2 4 0 = 焉= 1 6 0 = 正= 1 2 0 ； 以：4 0 ； 外围护结构隔层材料的导热系数- 。m 4 r 1 ， ：0 9 3 = 如：0 7 6 ： 河南农业大学硕士学位论文 3 生物质成型燃料热水锅炉的改进设计 五- o 0 4 7 ；五= o 7 6 ：无- - 0 9 3 。 计算得：j l ：0 2 4 3 ( m 4 f 1 ) 两侧山墙和后墙的面积为：e = 2 x 1 3 6 + 1 0 0 = 1 2 7 2 ( m 2 ) 两侧山墙和后墙的传导热量为：甜2 = 岛e 也一l j = 0 2 4 3 x 1 2 7 2 2 0 一( 一5 ) = 7 7 2 7 4 ( w ) 3 ) 后坡屋面的传导热量 后坡屋面的传热系数亦按式( 3 - 4 ) 计算： 其中：外围护结构内表面的对流换热系数，w m k - 1 ，取= 8 7 2 ； 0 0 外围护结构外表面的对流换热系数。w m - 2 l r ，取a 0 - 2 3 2 6 , 4 外围护结构隔层材料的厚度，衄，最= 4 0 ；盈= l ；蟊= 2 0 0 , 民= 1 ；蠡= 2 5 ； - 夕h 围护结构隔层材料的导热系数，w m - z k - 1 ， - - 0 9 3 ；五- - 0 1 7 5 ； 也= 0 0 4 7 , = o 1 7 5 , 五= 0 0 5 8 计算得：x ，= o 2 0 4 ( m - z r 1 ) 后坡屋面的面积为：只= 8 7 5 ( m 2 ) 后坡屋面的传导热量为：蚝= 局e 眈一l j 加2 0 4 8 7 5 2 0 - ( - 5 ) - - 4 4 6 2 5 ( w ) 通过温室所有围护结构的总基本传热量： “= 封1 + 甜，+ “1 = 3 0 5 0 0 + 7 7 2 7 4 + 4 4 6 2 5 = 3 1 7 1 8 9 9 ( ) 工程计算中，通常根据多年积累的经验按基本传热量的百分率进行附加予以修正。对温 室工程，附加修正主要包括结构形式修正和风力修正。金属结构塑料薄膜温室结构形式附加 修正系数= 1 0 2 ；当风速为8 9 4 m s 。时，风力附加修正系数= 1 0 4 。 3 1 2 3 髓地面传热热损失的计算 温室地面的传热情况与墙、屋面有很大区别分析温室空气向土壤的传热温度场发现， 加温期间温室地面温度稳定接近室内空气温度，温室中部向土壤深层的传热量很小，只有在 靠近温室外墙地面的局部传热较大，而且越靠近外墙，温度场变化越大，传热量也越多，这 部分热量主要是通过温室外墙传向室外。由于上述温度场的变化比较复杂，要准确计算传热 量是很困难的。为此，在工程上采用了简化计算方法，即假定传热系数法。假定传热系数的 含义是：温室通过地面传出的热量等同于一个假定传热系数条件下，室内外空气温差通过地 面面积传递的热量。依此概念，温室地面的传热量就可以采用与温室围护结构相同的公式来 计算： 研= 墨e 眈一巧) 式中：听通过温室地面的总传热量，； 蜀第i 区的地面传熟系数，皿_ 2 i t - 1 ； f 第i 区的地面面积，m 2 ； 瓦，瓦分别为温室室内、外采暖设计温度。 鉴于外界气温对地面各地段传热影响不同，地面传热系数也随之各异。靠近外墙的地面，由 河南农业大学硕士学位论文3 生物质成型燃科热水锅炉的改进设计 于热流经过的路程较短，熟阻小，传热系数就大；而距外墙较远的地方，传热系数就小。根 据实验，在距外墙6 m 以内的地面，其传热量与距外墙的距离有较显著的关系，6 m 以外则几乎 与距离无关。因此，在工程中一般采用近似计算，将距外墙8 m 以内的地段分为每2 m 宽为一个 地带，在地面无保温层的条件下，各带的传热系数分别t = o 4 7w m 。2 k i ； 屯- 0 2 3 w 一g - 1 ；b = o 1 2 - m2 矿；缸= o 0 7w m - z k - 1 。 需要说明的是位于墙角第一个2 m 内的2 m x 2 m 面积的热流量是较强的，应加倍计算。 所以，通过温室地面的总传热量为： “- - i c l f 眈一l ) = o 4 7 2 x ( 4 6 2 + 2 5 2 ) + 8 2 x 2 + 0 2 3 x 4 6 x 2 5 2 0 一( 一5 ) = 3 3 1 6 7 5 ( w ) 3 1 2 愠室冷风渗透热损失的计算 冬季，室外冷空气经常会通过镶嵌透光覆盖材料的缝隙、门窗缝隙，或由于开门、开窗 而进入室内。这部分冷空气从室外温度加热到室内温度所需的热量，称为冷风渗透热损失， 其计算公式入式( 3 - 5 ) 所示 u