生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

范振山+張彥+楊波

摘要:根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的元素分析?工業(yè)分析及其特性,采用熱管作為換熱設(shè)備,將熱管技術(shù)與鍋爐設(shè)計(jì)結(jié)合,設(shè)計(jì)了適合我國(guó)農(nóng)村秸稈特點(diǎn)的生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐?并按正?反平衡法進(jìn)行了該鍋爐熱性能與環(huán)保指標(biāo)試驗(yàn),結(jié)果顯示,生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱水溫度?壓力?熱水量?效率等熱性能指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)要求,正?反平衡熱效率分別為81.1%?80.39%?該鍋爐所排煙氣中煙塵?NOx?SO2?CO?CO2等污染物濃度達(dá)到鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求,環(huán)保效益好?該鍋爐提高了設(shè)備效率與能源利用率,具有較好的市場(chǎng)前景?

關(guān)鍵詞:生物質(zhì)成型燃料;熱管;鍋爐;設(shè)計(jì);熱性能試驗(yàn)

中圖分類號(hào):TK64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2014)11-2650-03

Design and Experiments of Heat Pipe Boiler of Biomass Briquettes

FAN Zhen-shan1a,ZHANG Yan1b,YANG Bo2

(1a. Department of Automotive Engineering 1b.Department of Mechanical Engineering; Zhengzhou Technical College, Zhengzhou 450121, China; 2. Wanfang College of Science & Technology, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China)

Abstract: Based on element analysis, industry analysis and combustion characteristics of biomass briquette fuel, using heat pipe as heat exchange equipment, combining heat pipe technology with boiler design, the heat pipe boiler of biomass briquette suitable for rural straw characteristics of China was designed. The thermal performance and environmental protection index test of the heat pipe boiler of biomass briquette was studied with the positive and counter balance method. Results showed that the thermal performance parameters including hot water temperature, hot water pressure, hot water flow and thermal efficiency were met or exceeded the design requirements. The thermal efficiency of boiler direct heat balance test was 81.1%. The thermal efficiency of boiler indirect heat balance test was 80.39%. The contaminants including fume content, NOx, SO2, CO and CO2 in boiler flue gas were conformed with the national emission standard of air pollutants for boilers, which had good environmental benefits. The boiler could improve equipment efficiency and energy utilization, with good prospects of market.

Key words: biomass briquettes;heat pipe;boiler;design;thermal performance test

基金項(xiàng)目:河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(142400410206)

農(nóng)作物玉米?小麥?水稻等秸稈破碎?熱擠壓制成生物質(zhì)成型燃料,成型燃料的元素組成?微觀結(jié)構(gòu)與原生物質(zhì)(秸稈)基本相同,密度大幅提高,強(qiáng)度明顯增強(qiáng),熱值比原材料略有提高,燃燒特性大為改善,生物質(zhì)成型燃料含硫少,灰分低,可代替薪材?煤做燃料[1,2]?熱管是以真空相變?cè)砉ぷ鞯囊环N導(dǎo)熱性能很高的傳熱元件,由管殼?吸液芯及傳熱工質(zhì)組成,可分成蒸發(fā)段?絕熱段和冷凝段三個(gè)工作區(qū)域[3]?生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)正在發(fā)展,很多技術(shù)問(wèn)題有待解決?研究將熱管技術(shù)與鍋爐設(shè)計(jì)相結(jié)合,研制適合我國(guó)農(nóng)村秸稈特點(diǎn)的生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備,提高設(shè)備效率與能源利用率,促進(jìn)秸稈綜合利用,保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境?

1生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)

1.1生物質(zhì)成型燃料特性

生物質(zhì)成型燃料特性見(jiàn)表1,其中C含量為35.14%~42.57%,低于煤的C含量,發(fā)熱量由C決定,其發(fā)熱量為煤的65%~70%;H含量低于6%;O含量為33.95%~37.86%,與泥煤近似;N含量不到1%,比煤低,燃燒時(shí)以游離態(tài)逸出;S含量不到0.2%,低于煤中S含量,其SO2?NOx等污染物排放量較煤少,造成的污染低于煤;生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)成分均在61%~71%之間,遠(yuǎn)高于煤,灰分含量為6.90%~12.65%,相當(dāng)于特低灰煤,其產(chǎn)生的飛灰含量低于煤,燃燒性能介于原生物質(zhì)和褐煤之間[4-6]?

1.2生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐由對(duì)流換熱室?進(jìn)水管?熱管?爐墻?排煙管道?出水口?出蒸汽口?水箱?煙氣通口?爐膛?爐排?燃料進(jìn)口?上爐門?排渣口?下?tīng)t門等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示?

生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐爐體內(nèi)設(shè)有水平的絕熱隔墻和位于絕熱隔墻下側(cè)的豎直隔墻,絕熱隔墻一端固設(shè)于爐體內(nèi)壁?另一端固設(shè)于豎直隔墻頂端上側(cè);絕熱隔墻上側(cè)的爐體內(nèi)設(shè)有水箱,并延伸至爐膛上方,水箱上設(shè)有出水口和出蒸汽口,豎直隔墻將水箱下側(cè)的爐體內(nèi)腔劃分為對(duì)流換熱室和爐膛;對(duì)流換熱室內(nèi)設(shè)有豎向的熱管,熱管向上穿過(guò)絕熱隔墻并且熱管的冷凝段延伸至水箱內(nèi),熱管包括蒸發(fā)段?絕熱段和冷凝段,熱管的蒸發(fā)段位于對(duì)流換熱室內(nèi),熱管插入絕熱隔墻內(nèi)的部分為絕熱段,熱管的冷凝段位于水箱內(nèi),絕熱隔墻與水箱均對(duì)應(yīng)熱管相應(yīng)設(shè)有插口;豎直隔墻上設(shè)有連通對(duì)流換熱室和爐膛的煙氣通口,對(duì)流換熱室上部的爐體上設(shè)有排煙口,排煙口處連接有位于爐體外的排煙管道;對(duì)流換熱室底部的爐體上設(shè)有進(jìn)水口,進(jìn)水管一端與進(jìn)水口連接,依次穿過(guò)對(duì)流換熱室?煙氣通口?爐膛,另一端連接在爐膛上方的水箱上?爐膛內(nèi)的爐排為里端向下的傾斜設(shè)置,爐排與水平夾角為6°~12°,爐排上側(cè)的爐體上設(shè)有燃料進(jìn)口,爐排下側(cè)的爐體上設(shè)有排渣口,對(duì)應(yīng)燃料進(jìn)口設(shè)有上爐門,對(duì)應(yīng)排渣口設(shè)有下?tīng)t門?

1.3工作過(guò)程

使用時(shí),通過(guò)燃料進(jìn)口放入生物質(zhì)成型燃料并使其在爐膛內(nèi)充分燃燒,爐排微傾斜6°~12°,生物質(zhì)成型燃料加在爐排上,逐漸向前推進(jìn),爐膛燃燒的煙氣通過(guò)煙氣通口進(jìn)入對(duì)流換熱室,煙氣中的渣子部分沉降在對(duì)流換熱室內(nèi),煙氣最終從排煙管道排出?進(jìn)水管先在對(duì)流換熱室用煙氣余熱加熱,換熱方式主要為對(duì)流換熱;再進(jìn)入爐膛吸收熱量,換熱方式主要為輻射換熱?熱管蒸發(fā)段吸收對(duì)流換熱室煙氣熱量,熱管冷凝段在水箱內(nèi)放出熱量?生物質(zhì)成型燃料在爐膛內(nèi)燃燒的熱量與熱管換熱的熱量同時(shí)對(duì)水箱進(jìn)行加熱?該鍋爐每次加入燃料量少,時(shí)間短,漏風(fēng)帶走的顆粒量少,且必須穿過(guò)高溫的爐膛空間或高溫燃料層表面,有利于微細(xì)燃料粒的燃燒和分離,燃燒穩(wěn)定,消煙塵效果好?

1.4設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒特性,選用設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示?

2生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱性能與環(huán)保指標(biāo)試驗(yàn)

2.1燃料

含水率9%?密度1.12 t/m3?直徑φ=100 mm的玉米秸稈液壓成圓柱為試驗(yàn)燃料,其收到基低位發(fā)熱量為15 563 kJ/kg?

2.2儀器

KM9106綜合燃燒分析儀;XRY-IA數(shù)顯氧彈式熱量計(jì);QF1901奧氏氣體分析儀;3012H型自動(dòng)煙塵(氣)測(cè)試儀;SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計(jì);IRT-2000A手持式快速紅外測(cè)溫儀;蠕動(dòng)泵;馬弗爐,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水銀溫度計(jì),大氣壓力計(jì),水表?

2.3方法

試驗(yàn)按《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》(GB/T10180-2003)?《鍋爐煙塵測(cè)定方法》(GB5468-1991)?《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》(GB/T15137-1994)?《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271-2001)[7]進(jìn)行?

2.4試驗(yàn)結(jié)果

生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱性能試驗(yàn)按正?反平衡法進(jìn)行[8-10],試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?從表3可以看出,生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱水量?溫度?壓力?效率等熱性能指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)要求,正?反平衡熱效率分別為81.1%?80.39%?該鍋爐所排煙氣中煙塵?NOx?SO2?CO?CO2等污染物濃度達(dá)到鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),環(huán)保效益好?

3小結(jié)

生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐將熱管技術(shù)與鍋爐設(shè)計(jì)相結(jié)合,可使熱量更充分利用,提高了燃燒效率,縮小了鍋爐體積,節(jié)約了占地面積,減少了金屬材料?該鍋爐利用農(nóng)村秸稈,節(jié)能?環(huán)保?經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,有利于推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,是適合我國(guó)農(nóng)村秸稈特點(diǎn)的生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備,具有較好的市場(chǎng)前景?

參考文獻(xiàn):

[1] 劉圣勇,張百良,張全國(guó),等.玉米秸稈成型燃料鍋爐的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2003,2(2):173-177.

[2] 劉圣勇.生物質(zhì)(秸稈)成型燃料燃燒設(shè)備研制及試驗(yàn)研究[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2003.

[3] 莊駿,張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[4] 馬孝琴,駱仲泱,余春江,等.秸稈成型燃料雙膽反燒爐的設(shè)計(jì)[J].動(dòng)力工程,2006,25(6):800-804.

[5] 李蔭.生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[6] 劉圣勇,張百良,楊群發(fā),等.雙層爐排生物質(zhì)成型燃料鍋爐設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(6):268-271.

[7] 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.工業(yè)鍋爐常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[8] 宋貴良.鍋爐計(jì)算手冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

[9] 林宗虎,徐通模.實(shí)用鍋爐手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999.

[10] 劉圣勇,秦立臣,李蔭,等.秸稈成型燃料鍋爐污染物排放規(guī)律試驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(10):738-740.

1.3工作過(guò)程

使用時(shí),通過(guò)燃料進(jìn)口放入生物質(zhì)成型燃料并使其在爐膛內(nèi)充分燃燒,爐排微傾斜6°~12°,生物質(zhì)成型燃料加在爐排上,逐漸向前推進(jìn),爐膛燃燒的煙氣通過(guò)煙氣通口進(jìn)入對(duì)流換熱室,煙氣中的渣子部分沉降在對(duì)流換熱室內(nèi),煙氣最終從排煙管道排出?進(jìn)水管先在對(duì)流換熱室用煙氣余熱加熱,換熱方式主要為對(duì)流換熱;再進(jìn)入爐膛吸收熱量,換熱方式主要為輻射換熱?熱管蒸發(fā)段吸收對(duì)流換熱室煙氣熱量,熱管冷凝段在水箱內(nèi)放出熱量?生物質(zhì)成型燃料在爐膛內(nèi)燃燒的熱量與熱管換熱的熱量同時(shí)對(duì)水箱進(jìn)行加熱?該鍋爐每次加入燃料量少,時(shí)間短,漏風(fēng)帶走的顆粒量少,且必須穿過(guò)高溫的爐膛空間或高溫燃料層表面,有利于微細(xì)燃料粒的燃燒和分離,燃燒穩(wěn)定,消煙塵效果好?

1.4設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒特性,選用設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示?

2生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱性能與環(huán)保指標(biāo)試驗(yàn)

2.1燃料

含水率9%?密度1.12 t/m3?直徑φ=100 mm的玉米秸稈液壓成圓柱為試驗(yàn)燃料,其收到基低位發(fā)熱量為15 563 kJ/kg?

2.2儀器

KM9106綜合燃燒分析儀;XRY-IA數(shù)顯氧彈式熱量計(jì);QF1901奧氏氣體分析儀;3012H型自動(dòng)煙塵(氣)測(cè)試儀;SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計(jì);IRT-2000A手持式快速紅外測(cè)溫儀;蠕動(dòng)泵;馬弗爐,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水銀溫度計(jì),大氣壓力計(jì),水表?

2.3方法

試驗(yàn)按《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》(GB/T10180-2003)?《鍋爐煙塵測(cè)定方法》(GB5468-1991)?《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》(GB/T15137-1994)?《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271-2001)[7]進(jìn)行?

2.4試驗(yàn)結(jié)果

生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱性能試驗(yàn)按正?反平衡法進(jìn)行[8-10],試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?從表3可以看出,生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱水量?溫度?壓力?效率等熱性能指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)要求,正?反平衡熱效率分別為81.1%?80.39%?該鍋爐所排煙氣中煙塵?NOx?SO2?CO?CO2等污染物濃度達(dá)到鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),環(huán)保效益好?

3小結(jié)

生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐將熱管技術(shù)與鍋爐設(shè)計(jì)相結(jié)合,可使熱量更充分利用,提高了燃燒效率,縮小了鍋爐體積,節(jié)約了占地面積,減少了金屬材料?該鍋爐利用農(nóng)村秸稈,節(jié)能?環(huán)保?經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,有利于推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,是適合我國(guó)農(nóng)村秸稈特點(diǎn)的生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備,具有較好的市場(chǎng)前景?

參考文獻(xiàn):

[1] 劉圣勇,張百良,張全國(guó),等.玉米秸稈成型燃料鍋爐的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2003,2(2):173-177.

[2] 劉圣勇.生物質(zhì)(秸稈)成型燃料燃燒設(shè)備研制及試驗(yàn)研究[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2003.

[3] 莊駿,張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[4] 馬孝琴,駱仲泱,余春江,等.秸稈成型燃料雙膽反燒爐的設(shè)計(jì)[J].動(dòng)力工程,2006,25(6):800-804.

[5] 李蔭.生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[6] 劉圣勇,張百良,楊群發(fā),等.雙層爐排生物質(zhì)成型燃料鍋爐設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(6):268-271.

[7] 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.工業(yè)鍋爐常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[8] 宋貴良.鍋爐計(jì)算手冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

[9] 林宗虎,徐通模.實(shí)用鍋爐手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999.

[10] 劉圣勇,秦立臣,李蔭,等.秸稈成型燃料鍋爐污染物排放規(guī)律試驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(10):738-740.

1.3工作過(guò)程

使用時(shí),通過(guò)燃料進(jìn)口放入生物質(zhì)成型燃料并使其在爐膛內(nèi)充分燃燒,爐排微傾斜6°~12°,生物質(zhì)成型燃料加在爐排上,逐漸向前推進(jìn),爐膛燃燒的煙氣通過(guò)煙氣通口進(jìn)入對(duì)流換熱室,煙氣中的渣子部分沉降在對(duì)流換熱室內(nèi),煙氣最終從排煙管道排出?進(jìn)水管先在對(duì)流換熱室用煙氣余熱加熱,換熱方式主要為對(duì)流換熱;再進(jìn)入爐膛吸收熱量,換熱方式主要為輻射換熱?熱管蒸發(fā)段吸收對(duì)流換熱室煙氣熱量,熱管冷凝段在水箱內(nèi)放出熱量?生物質(zhì)成型燃料在爐膛內(nèi)燃燒的熱量與熱管換熱的熱量同時(shí)對(duì)水箱進(jìn)行加熱?該鍋爐每次加入燃料量少,時(shí)間短,漏風(fēng)帶走的顆粒量少,且必須穿過(guò)高溫的爐膛空間或高溫燃料層表面,有利于微細(xì)燃料粒的燃燒和分離,燃燒穩(wěn)定,消煙塵效果好?

1.4設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒特性,選用設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示?

2生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱性能與環(huán)保指標(biāo)試驗(yàn)

2.1燃料

含水率9%?密度1.12 t/m3?直徑φ=100 mm的玉米秸稈液壓成圓柱為試驗(yàn)燃料,其收到基低位發(fā)熱量為15 563 kJ/kg?

2.2儀器

KM9106綜合燃燒分析儀;XRY-IA數(shù)顯氧彈式熱量計(jì);QF1901奧氏氣體分析儀;3012H型自動(dòng)煙塵(氣)測(cè)試儀;SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計(jì);IRT-2000A手持式快速紅外測(cè)溫儀;蠕動(dòng)泵;馬弗爐,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水銀溫度計(jì),大氣壓力計(jì),水表?

2.3方法

試驗(yàn)按《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》(GB/T10180-2003)?《鍋爐煙塵測(cè)定方法》(GB5468-1991)?《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》(GB/T15137-1994)?《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271-2001)[7]進(jìn)行?

2.4試驗(yàn)結(jié)果

生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱性能試驗(yàn)按正?反平衡法進(jìn)行[8-10],試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?從表3可以看出,生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐熱水量?溫度?壓力?效率等熱性能指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)要求,正?反平衡熱效率分別為81.1%?80.39%?該鍋爐所排煙氣中煙塵?NOx?SO2?CO?CO2等污染物濃度達(dá)到鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),環(huán)保效益好?

3小結(jié)

生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐將熱管技術(shù)與鍋爐設(shè)計(jì)相結(jié)合,可使熱量更充分利用,提高了燃燒效率,縮小了鍋爐體積,節(jié)約了占地面積,減少了金屬材料?該鍋爐利用農(nóng)村秸稈,節(jié)能?環(huán)保?經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,有利于推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,是適合我國(guó)農(nóng)村秸稈特點(diǎn)的生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備,具有較好的市場(chǎng)前景?

參考文獻(xiàn):

[1] 劉圣勇,張百良,張全國(guó),等.玉米秸稈成型燃料鍋爐的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2003,2(2):173-177.

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[3] 莊駿,張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[4] 馬孝琴,駱仲泱,余春江,等.秸稈成型燃料雙膽反燒爐的設(shè)計(jì)[J].動(dòng)力工程,2006,25(6):800-804.

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