李文濤，劉建禹，李文哲，李晶宇

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

沼氣工程的實(shí)施不僅有利于改善農(nóng)村衛(wèi)生環(huán)境和自然生態(tài)環(huán)境，還可為農(nóng)民提供高效、清潔、方便的能源，在北方高寒地區(qū)，農(nóng)戶僅將沼氣作為炊事用能，冬季采暖方式主要還是以直接燃燒秸稈、薪柴等生物質(zhì)為主，如何在北方高寒地區(qū)實(shí)現(xiàn)冬季取暖、炊事利用沼氣取代以往既燒沼氣又直接燃燒生物質(zhì)的“兩把火”，是現(xiàn)階段農(nóng)村能源發(fā)展需解決的問題[1]。

研究開發(fā)適用于高寒地區(qū)高效小型戶用沼氣采暖鍋爐，是解決“兩把火”的關(guān)鍵。目前市面上有以燃燒天然氣為主的小型戶用采暖鍋爐、以及壁掛式熱水器等；但由于沼氣中甲烷含量較天然氣低，還不能直接將沼氣作為燃料使用。為此，本文參照天然氣鍋爐的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，提出一套適用于小型戶用沼氣鍋爐熱力計(jì)算的方法，并設(shè)計(jì)出沼氣鍋爐的整體結(jié)構(gòu)。

1 沼氣燃燒計(jì)算

沼氣燃燒計(jì)算是鍋爐熱力計(jì)算的一部分，主要包括確定沼氣熱值、燃燒所需的空氣量、沼氣燃燒的溫度及煙焓等等。為計(jì)算鍋爐熱平衡、燃料消耗量提供可靠數(shù)據(jù)，以使換熱器與燃燒器相匹配，提高鍋爐整體的熱效率。

1.1 沼氣燃燒所需空氣量的計(jì)算

（1）理論空氣量的計(jì)算

首先設(shè)定沼氣的甲烷體積分量為60%，二氧化碳為40%，由此計(jì)算處沼氣的低位熱值為21 544 KJ·Nm-3[2]。根據(jù)氣體燃料的組成，沼氣完全燃燒所需的理論空氣量為[3]：

（2）實(shí)際空氣量的計(jì)算

為保證沼氣完全燃燒，提高鍋爐的熱效率，合理選擇過量空氣系數(shù)至關(guān)重要。過量空氣系數(shù)值取決于燃?xì)馊紵椒叭紵O(shè)備運(yùn)行工況，一般控制在1.05～1.20[3]，本設(shè)計(jì)取，實(shí)際空氣量為：

1.2 沼氣燃燒產(chǎn)生煙氣量的計(jì)算

（1）理論煙氣量的計(jì)算

當(dāng)沼氣完全燃燒時(shí)，理論煙氣的組分為CO2、H2O和空氣中的N2等，其中三原子氣體容積為：

理論氮?dú)馊莘e為：

理論水蒸氣容積為：

理論煙氣總量為

（2）實(shí)際煙氣量的計(jì)算

實(shí)際沼氣燃燒過程是在有過量空氣條件下進(jìn)行的，煙氣中除含有三原子氣體、氮?dú)夂退魵馔?，還有過量氧氣，并且煙氣中氮?dú)夂退魵夂恳搽S之有所增加。其中實(shí)際氮?dú)馊莘e為:

實(shí)際水蒸氣容積為：

過剩氧容積為：

實(shí)際煙氣量為：

1.3 煙氣的焓值計(jì)算

煙氣焓值計(jì)算公式為：

其中理論煙氣的焓：

式中CCO2、CN2、CH2O分別為CO2、N2、H2O由0～ty℃的平均定壓容積比熱容，單位為kJ·Nm3·K-1。

理論空氣的焓

式中—空氣由0～tk℃的平均定壓容積比熱容，單位為kJ·Nm3·K-1。

不同溫度下煙氣的焓值計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 沼氣燃燒產(chǎn)生的煙氣焓溫表Table 1 Enthalpy-temperature table of biogas burning smoke

2 熱平衡及燃料消耗量的計(jì)算

考慮到氣體燃料含灰量很小，同時(shí)一般沒有固體不完全燃燒現(xiàn)象，所以燃料的物理熱損失和固體不完全燃燒熱損失可以忽略。燃?xì)忮仩t的熱平衡方程式為[4]：

式中q1-鍋爐有效利用熱量的百分?jǐn)?shù)，即鍋爐的熱效率(%)；q2-排煙熱損失(%)；q3-氣體不完全燃燒熱損失(%)；q5-散熱損失(%)。

根據(jù)燃?xì)忮仩t的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鍋爐的氣體不完全燃燒損失、散熱損失分別取定為0.5%、1.7%[1]；排煙損失可根據(jù)下式計(jì)算：

式中H L-沼氣的低位熱值，取21 544 kJ·Nm-3；Ipy-在排煙溫度下煙氣的焓，取排煙溫度為130℃（先假定，后校核），查表1可知焓值為1 336.48 kJ·Nm-3；-在送入鍋爐的空氣溫度下理論空氣的焓，取冷空氣的溫度為30℃，其焓值為226.12 kJ·Nm-3。由式（14）可得，鍋爐效率為92.8%。

沼氣鍋爐設(shè)計(jì)供熱面積為60 m2，根據(jù)民用建筑的單位面積供暖熱指標(biāo)單層住宅81.5～104.5 W·m-3[5]，本文選取95 W·m-3，每天供熱時(shí)間為8小時(shí)，則鍋爐的熱負(fù)荷為17 kW。對于氣體燃料而言，計(jì)算燃料消耗量與燃料消耗量相等，即Bj=B，燃料消耗量為：

式中Q-鍋爐的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，17 kW；ηb-鍋爐效率，92.8%。

3 鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鍋爐的整體結(jié)構(gòu)見圖1，爐膛特性計(jì)算結(jié)果見表2，對流換熱面結(jié)構(gòu)及特性計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3及表3。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Boiler structure

圖2 煙氣橫掠管束的流動(dòng)Fig.2 Smoke flow condition cross tube bundle

表2 爐膛結(jié)構(gòu)特性計(jì)算Table 2 Furnaceheat transfer calculation

表3 對流換熱面的結(jié)構(gòu)特性計(jì)算Table3 Calculation of structural characteristics for the convective heat

4 鍋爐熱力計(jì)算

4.1 爐膛熱力計(jì)算

爐膛傳熱計(jì)算主要是為了確定爐膛受熱面的吸熱量和煙氣爐膛出口溫度，傳熱過程中主要以高溫火焰與盤管之間的輻射換熱，一般情況下，由于煙氣流速較小，對流換熱可略去不計(jì)[6]。

爐膛出口煙溫取1 450℃（先假定，后校核），其絕對溫度為1 723 K，查表1可得爐膛出口煙氣焓為17 404.52 kJ·Nm-3。根據(jù)前面計(jì)算的結(jié)果可得，煙氣中水蒸氣的容積份額rH2O為0.1733，煙氣中三原子氣體的總?cè)莘e份額r p為0.3092，常壓下三原子氣體的總分壓力Pq為0.03092 MPa。

（1）理論燃燒溫度tu的計(jì)算

空氣帶入爐膛的熱量為：

爐膛有效放熱量為：

根據(jù)爐膛有效放熱量Q1，查表1可得理論燃燒溫度tu=1 764.21℃，理論燃燒絕對溫度T''u為2 037.21 K。

（2）爐膛黑度a1的計(jì)算

三原子氣體輻射減弱系數(shù)和火焰中炭黑粒子的輻射減弱系數(shù)可按下式計(jì)算[4]

火焰黑度由ahy火焰不發(fā)光部分的黑度和火焰發(fā)光部分黑度afg組成，對于氣體燃料發(fā)光部分在火焰中的份額m為0.1[4]，火焰黑度計(jì)算公式如下：

在實(shí)際計(jì)算爐膛傳熱時(shí)要綜合考慮沾污系數(shù)和有效系數(shù)對傳熱的影響，需要引用熱有效系數(shù)ψ。對于氣體燃料沾污系數(shù)為0.65，有效角系數(shù)為1，故ψ=ζx=0.65×1.0=0.65。爐膛黑度為：

（3）爐膛出口煙氣溫度的計(jì)算

根據(jù)前蘇聯(lián)熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式可知[4]：

（4）煙氣放熱量Qrp的計(jì)算

煙氣在爐膛內(nèi)放出熱量應(yīng)該等于燃料在爐膛內(nèi)有效放熱量與爐膛出口煙氣帶走熱量之差，即：

設(shè)鍋爐供回水為95/70℃，鍋爐供熱負(fù)荷為17 kW，則鍋爐循環(huán)水量為584.8 kg·h-1。根據(jù)熱平衡，鍋爐循環(huán)水通過爐膛后水溫升高至t0為74.79℃。

4.2 對流換熱面的設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）煙氣側(cè)放熱量的計(jì)算

由上述計(jì)算已知，爐膛出口煙氣溫為1 477.18℃，焓值為17769.92 kJ·Nm-3，鍋爐排煙溫度為130℃（先假定，后校核），焓值為1 336.48 kJ·Nm-3，則煙氣側(cè)放熱量為：

（2）水側(cè)的放熱系數(shù)的確定

水的定性溫度為（95+74.79）/2=84.9℃，其物性參數(shù)可查表得：導(dǎo)熱系數(shù)λ為67.7×10-2W·m-1·K-1，運(yùn)動(dòng)粘度v為0.3455×10-6m2·s-1，普朗特常數(shù)Pr為2.08。

鍋爐循環(huán)水量為584.8 kg·h-1，對流翅片管內(nèi)徑為9 mm，則管內(nèi)水流速為2.55 m·s-1。管內(nèi)水流的雷諾數(shù)為：

根據(jù)迪圖斯-貝爾特公式，水側(cè)的準(zhǔn)則方程為[7]：

故水側(cè)的放熱系數(shù)

（2）煙氣側(cè)放熱系數(shù)的α1確定

煙氣的定性溫度t'w為（1 477.18+130）/2=803.59℃，煙氣平均絕對溫度Ty為1 076.59 K，其物性參數(shù)可查表得：λ'為9.18×10-5kW·m-2·℃，v'為1.325×10-4m2·s），Pr'為0.599。根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)及煙氣量，可計(jì)算得出煙氣的流速u'=0.8875 m·s-1。

煙氣的雷諾數(shù)為：

煙氣側(cè)的準(zhǔn)則方程為[7]：

煙氣側(cè)的放熱系數(shù)：

因?yàn)闊煔庠诔崞苁g隙內(nèi)進(jìn)行輻射，其有效輻射厚度s為:

對流過程三原子氣體輻射衰減系數(shù)按下式計(jì)算：

根據(jù)煙氣有效輻射厚度和三原子氣體輻射衰減系數(shù)來確定煙氣黑度為：

壁面溫度與煙氣的溫度之比:

煙氣輻射放熱系數(shù)：

煙氣側(cè)的總放熱系數(shù)為:

（3）煙氣側(cè)放熱量Qcr鍋爐總的傳熱系數(shù):

本設(shè)計(jì)采用混合流動(dòng)方式，故需要對平均溫差進(jìn)行修正，修正系數(shù)為0.9[7-8]，則修正后平均溫差為

根據(jù)傳熱方程對流換熱量為：

設(shè)計(jì)計(jì)算誤差：

為檢驗(yàn)受熱面的煙氣出口溫度原假設(shè)是否合理，當(dāng)煙氣的放熱量與傳熱量的誤差百分?jǐn)?shù)在2%以內(nèi)時(shí)，視為煙氣出口溫度合理，否則需重新假定煙氣的出口溫度再次進(jìn)行計(jì)算，本設(shè)計(jì)計(jì)算誤差為0.29%，符合要求。

5 鍋爐試驗(yàn)

本試驗(yàn)參照家用炊事、水暖煤爐熱性能實(shí)驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)，采用加熱定流量水的方法進(jìn)行試驗(yàn)。定高度穩(wěn)壓水箱的水位差為800～1000 mm，通過燃?xì)獾娜紵龑﹀仩t內(nèi)定流量的水加熱，使之升溫，獲得鍋爐部分熱性能參數(shù)。熱效率以正平衡原理計(jì)算。經(jīng)過測試，沼氣實(shí)際甲烷含量為53.36%，熱值為19159.8 KJ·Nm-3，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 鍋爐熱性能試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)Table4 Data of thermal performance

表5 鍋爐熱效率Table5 Thermal efficiency of boiler （%）

6 結(jié) 論

通過設(shè)計(jì)計(jì)算確定輻射部分水冷壁盤管長度為2.0 m，總有效輻射受熱面積為0.1385 m2，煙氣的放熱量為3.27 kW；對流部分翅片管長為2.5 m，外表面積為0.54734 m2，肋化比為4.392，煙氣的放熱量為13.72 kW，設(shè)計(jì)計(jì)算誤差為0.29%，符合對流設(shè)計(jì)要求。經(jīng)試驗(yàn)實(shí)測鍋爐的平均熱效率達(dá)到92.76%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，消耗沼氣量為3.061 Nm3·h-1。

[1]劉科.小型戶用沼氣供暖鍋爐的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[2]姚向君,田宜水.生物質(zhì)能資源清潔轉(zhuǎn)化利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3]同濟(jì)大學(xué).燃?xì)馊紵c應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[4]趙欽新,惠世恩.燃油燃?xì)忮仩t[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2000.

[5]秦裕琨.爐內(nèi)傳熱[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

[6]余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué),2006.

[7]史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].4版.南京:東南大學(xué)出版社,2009.

[8]李慧君,羅忠錄,程剛強(qiáng),等.天然氣鍋爐煙氣換熱特性的分析[J].動(dòng)力工程,2006,26(4):467-471.

[9]李文濤,劉建禹,陳澤興,等.沼氣燃燒器燃燒性能參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011(9):237-240.