生物质成型燃料热管锅炉设计与试验

范振山+张彦+杨波

摘要:根据生物质成型燃料的元素分析､工业分析及其特性,采用热管作为换热设备,将热管技术与锅炉设计结合,设计了适合我国农村秸秆特点的生物质成型燃料热管锅炉｡并按正､反平衡法进行了该锅炉热性能与环保指标试验,结果显示,生物质成型燃料热管锅炉热水温度､压力､热水量､效率等热性能指标达到或超过了设计要求,正､反平衡热效率分别为81.1%､80.39%｡该锅炉所排烟气中烟尘､NOx､SO2､CO､CO2等污染物浓度达到锅炉大气污染物排放标准要求,环保效益好｡该锅炉提高了设备效率与能源利用率,具有较好的市场前景｡

关键词:生物质成型燃料;热管;锅炉;设计;热性能试验

中图分类号:TK64文献标识码:A文章编号: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

基金项目:河南省科技计划项目(142400410206)

农作物玉米､小麦､水稻等秸秆破碎､热挤压制成生物质成型燃料,成型燃料的元素组成､微观结构与原生物质(秸秆)基本相同,密度大幅提高,强度明显增强,热值比原材料略有提高,燃烧特性大为改善,生物质成型燃料含硫少,灰分低,可代替薪材､煤做燃料[1,2]｡热管是以真空相变原理工作的一种导热性能很高的传热元件,由管壳､吸液芯及传热工质组成,可分成蒸发段､绝热段和冷凝段三个工作区域[3]｡生物质成型燃料燃烧技术正在发展,很多技术问题有待解决｡研究将热管技术与锅炉设计相结合,研制适合我国农村秸秆特点的生物质成型燃料燃烧设备,提高设备效率与能源利用率,促进秸秆综合利用,保护农村生态环境｡

1生物质成型燃料热管锅炉结构设计与参数

1.1生物质成型燃料特性

生物质成型燃料特性见表1,其中C含量为35.14%~42.57%,低于煤的C含量,发热量由C决定,其发热量为煤的65%~70%;H含量低于6%;O含量为33.95%~37.86%,与泥煤近似;N含量不到1%,比煤低,燃烧时以游离态逸出;S含量不到0.2%,低于煤中S含量,其SO2､NOx等污染物排放量较煤少,造成的污染低于煤;生物质成型燃料的挥发成分均在61%~71%之间,远高于煤,灰分含量为6.90%~12.65%,相当于特低灰煤,其产生的飞灰含量低于煤,燃烧性能介于原生物质和褐煤之间[4-6]｡

1.2生物质成型燃料热管锅炉结构

生物质成型燃料热管锅炉由对流换热室､进水管､热管､炉墙､排烟管道､出水口､出蒸汽口､水箱､烟气通口､炉膛､炉排､燃料进口､上炉门､排渣口､下炉门等部分组成,其结构如图1所示｡

生物质成型燃料热管锅炉炉体内设有水平的绝热隔墙和位于绝热隔墙下侧的竖直隔墙,绝热隔墙一端固设于炉体内壁､另一端固设于竖直隔墙顶端上侧;绝热隔墙上侧的炉体内设有水箱,并延伸至炉膛上方,水箱上设有出水口和出蒸汽口,竖直隔墙将水箱下侧的炉体内腔划分为对流换热室和炉膛;对流换热室内设有竖向的热管,热管向上穿过绝热隔墙并且热管的冷凝段延伸至水箱内,热管包括蒸发段､绝热段和冷凝段,热管的蒸发段位于对流换热室内,热管插入绝热隔墙内的部分为绝热段,热管的冷凝段位于水箱内,绝热隔墙与水箱均对应热管相应设有插口;竖直隔墙上设有连通对流换热室和炉膛的烟气通口,对流换热室上部的炉体上设有排烟口,排烟口处连接有位于炉体外的排烟管道;对流换热室底部的炉体上设有进水口,进水管一端与进水口连接,依次穿过对流换热室､烟气通口､炉膛,另一端连接在炉膛上方的水箱上｡炉膛内的炉排为里端向下的倾斜设置,炉排与水平夹角为6°~12°,炉排上侧的炉体上设有燃料进口,炉排下侧的炉体上设有排渣口,对应燃料进口设有上炉门,对应排渣口设有下炉门｡

1.3工作过程

使用时,通过燃料进口放入生物质成型燃料并使其在炉膛内充分燃烧,炉排微倾斜6°~12°,生物质成型燃料加在炉排上,逐渐向前推进,炉膛燃烧的烟气通过烟气通口进入对流换热室,烟气中的渣子部分沉降在对流换热室内,烟气最终从排烟管道排出｡进水管先在对流换热室用烟气余热加热,换热方式主要为对流换热;再进入炉膛吸收热量,换热方式主要为辐射换热｡热管蒸发段吸收对流换热室烟气热量,热管冷凝段在水箱内放出热量｡生物质成型燃料在炉膛内燃烧的热量与热管换热的热量同时对水箱进行加热｡该锅炉每次加入燃料量少,时间短,漏风带走的颗粒量少,且必须穿过高温的炉膛空间或高温燃料层表面,有利于微细燃料粒的燃烧和分离,燃烧稳定,消烟尘效果好｡

1.4设计参数

根据生物质成型燃料燃烧特性,选用设计参数如表2所示｡

2生物质成型燃料热管锅炉热性能与环保指标试验

2.1燃料

含水率9%､密度1.12 t/m3､直径φ=100 mm的玉米秸秆液压成圆柱为试验燃料,其收到基低位发热量为15 563 kJ/kg｡

2.2仪器

KM9106综合燃烧分析仪;XRY-IA数显氧弹式热量计;QF1901奥氏气体分析仪;3012H型自动烟尘(气)测试仪;SWJ精密数字热电偶温度计;IRT-2000A手持式快速红外测温仪;蠕动泵;马弗炉,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水银温度计,大气压力计,水表｡

2.3方法

试验按《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T10180-2003)､《锅炉烟尘测定方法》(GB5468-1991)､《工业锅炉节能监测方法》(GB/T15137-1994)､《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2001)[7]进行｡

2.4试验结果

生物质成型燃料热管锅炉热性能试验按正､反平衡法进行[8-10],试验结果见表3｡从表3可以看出,生物质成型燃料热管锅炉热水量､温度､压力､效率等热性能指标达到或超过了设计要求,正､反平衡热效率分别为81.1%､80.39%｡该锅炉所排烟气中烟尘､NOx､SO2､CO､CO2等污染物浓度达到锅炉大气污染物排放标准,环保效益好｡

3小结

生物质成型燃料热管锅炉将热管技术与锅炉设计相结合,可使热量更充分利用,提高了燃烧效率,缩小了锅炉体积,节约了占地面积,减少了金属材料｡该锅炉利用农村秸秆,节能､环保､经济实惠,有利于推动农村经济的发展,是适合我国农村秸秆特点的生物质成型燃料燃烧设备,具有较好的市场前景｡

参考文献:

[1] 刘圣勇,张百良,张全国,等.玉米秸秆成型燃料锅炉的设计与试验研究[J].热科学与技术,2003,2(2):173-177.

[2] 刘圣勇.生物质(秸秆)成型燃料燃烧设备研制及试验研究[D].郑州:河南农业大学,2003.

[3] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000.

[4] 马孝琴,骆仲泱,余春江,等.秸秆成型燃料双胆反烧炉的设计[J].动力工程,2006,25(6):800-804.

[5] 李荫.生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验[D].郑州:河南农业大学,2006.

[6] 刘圣勇,张百良,杨群发,等.双层炉排生物质成型燃料锅炉设计与研究[J].农业工程学报,2003,19(6):268-271.

[7] 中国标准出版社.工业锅炉常用标准规范汇编[M].北京:中国标准出版社,2004.

[8] 宋贵良.锅炉计算手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1995.

[9] 林宗虎,徐通模.实用锅炉手册[M].北京:化学工业出版社,1999.

[10] 刘圣勇,秦立臣,李荫,等.秸秆成型燃料锅炉污染物排放规律试验研究[J].环境污染与防治,2006,28(10):738-740.

1.3工作过程

使用时,通过燃料进口放入生物质成型燃料并使其在炉膛内充分燃烧,炉排微倾斜6°~12°,生物质成型燃料加在炉排上,逐渐向前推进,炉膛燃烧的烟气通过烟气通口进入对流换热室,烟气中的渣子部分沉降在对流换热室内,烟气最终从排烟管道排出｡进水管先在对流换热室用烟气余热加热,换热方式主要为对流换热;再进入炉膛吸收热量,换热方式主要为辐射换热｡热管蒸发段吸收对流换热室烟气热量,热管冷凝段在水箱内放出热量｡生物质成型燃料在炉膛内燃烧的热量与热管换热的热量同时对水箱进行加热｡该锅炉每次加入燃料量少,时间短,漏风带走的颗粒量少,且必须穿过高温的炉膛空间或高温燃料层表面,有利于微细燃料粒的燃烧和分离,燃烧稳定,消烟尘效果好｡

1.4设计参数

根据生物质成型燃料燃烧特性,选用设计参数如表2所示｡

2生物质成型燃料热管锅炉热性能与环保指标试验

2.1燃料

含水率9%､密度1.12 t/m3､直径φ=100 mm的玉米秸秆液压成圆柱为试验燃料,其收到基低位发热量为15 563 kJ/kg｡

2.2仪器

KM9106综合燃烧分析仪;XRY-IA数显氧弹式热量计;QF1901奥氏气体分析仪;3012H型自动烟尘(气)测试仪;SWJ精密数字热电偶温度计;IRT-2000A手持式快速红外测温仪;蠕动泵;马弗炉,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水银温度计,大气压力计,水表｡

2.3方法

试验按《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T10180-2003)､《锅炉烟尘测定方法》(GB5468-1991)､《工业锅炉节能监测方法》(GB/T15137-1994)､《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2001)[7]进行｡

2.4试验结果

生物质成型燃料热管锅炉热性能试验按正､反平衡法进行[8-10],试验结果见表3｡从表3可以看出,生物质成型燃料热管锅炉热水量､温度､压力､效率等热性能指标达到或超过了设计要求,正､反平衡热效率分别为81.1%､80.39%｡该锅炉所排烟气中烟尘､NOx､SO2､CO､CO2等污染物浓度达到锅炉大气污染物排放标准,环保效益好｡

3小结

生物质成型燃料热管锅炉将热管技术与锅炉设计相结合,可使热量更充分利用,提高了燃烧效率,缩小了锅炉体积,节约了占地面积,减少了金属材料｡该锅炉利用农村秸秆,节能､环保､经济实惠,有利于推动农村经济的发展,是适合我国农村秸秆特点的生物质成型燃料燃烧设备,具有较好的市场前景｡

参考文献:

[1] 刘圣勇,张百良,张全国,等.玉米秸秆成型燃料锅炉的设计与试验研究[J].热科学与技术,2003,2(2):173-177.

[2] 刘圣勇.生物质(秸秆)成型燃料燃烧设备研制及试验研究[D].郑州:河南农业大学,2003.

[3] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000.

[4] 马孝琴,骆仲泱,余春江,等.秸秆成型燃料双胆反烧炉的设计[J].动力工程,2006,25(6):800-804.

[5] 李荫.生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验[D].郑州:河南农业大学,2006.

[6] 刘圣勇,张百良,杨群发,等.双层炉排生物质成型燃料锅炉设计与研究[J].农业工程学报,2003,19(6):268-271.

[7] 中国标准出版社.工业锅炉常用标准规范汇编[M].北京:中国标准出版社,2004.

[8] 宋贵良.锅炉计算手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1995.

[9] 林宗虎,徐通模.实用锅炉手册[M].北京:化学工业出版社,1999.

[10] 刘圣勇,秦立臣,李荫,等.秸秆成型燃料锅炉污染物排放规律试验研究[J].环境污染与防治,2006,28(10):738-740.

1.3工作过程

使用时,通过燃料进口放入生物质成型燃料并使其在炉膛内充分燃烧,炉排微倾斜6°~12°,生物质成型燃料加在炉排上,逐渐向前推进,炉膛燃烧的烟气通过烟气通口进入对流换热室,烟气中的渣子部分沉降在对流换热室内,烟气最终从排烟管道排出｡进水管先在对流换热室用烟气余热加热,换热方式主要为对流换热;再进入炉膛吸收热量,换热方式主要为辐射换热｡热管蒸发段吸收对流换热室烟气热量,热管冷凝段在水箱内放出热量｡生物质成型燃料在炉膛内燃烧的热量与热管换热的热量同时对水箱进行加热｡该锅炉每次加入燃料量少,时间短,漏风带走的颗粒量少,且必须穿过高温的炉膛空间或高温燃料层表面,有利于微细燃料粒的燃烧和分离,燃烧稳定,消烟尘效果好｡

1.4设计参数

根据生物质成型燃料燃烧特性,选用设计参数如表2所示｡

2生物质成型燃料热管锅炉热性能与环保指标试验

2.1燃料

含水率9%､密度1.12 t/m3､直径φ=100 mm的玉米秸秆液压成圆柱为试验燃料,其收到基低位发热量为15 563 kJ/kg｡

2.2仪器

KM9106综合燃烧分析仪;XRY-IA数显氧弹式热量计;QF1901奥氏气体分析仪;3012H型自动烟尘(气)测试仪;SWJ精密数字热电偶温度计;IRT-2000A手持式快速红外测温仪;蠕动泵;马弗炉,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水银温度计,大气压力计,水表｡

2.3方法

试验按《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T10180-2003)､《锅炉烟尘测定方法》(GB5468-1991)､《工业锅炉节能监测方法》(GB/T15137-1994)､《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2001)[7]进行｡

2.4试验结果

生物质成型燃料热管锅炉热性能试验按正､反平衡法进行[8-10],试验结果见表3｡从表3可以看出,生物质成型燃料热管锅炉热水量､温度､压力､效率等热性能指标达到或超过了设计要求,正､反平衡热效率分别为81.1%､80.39%｡该锅炉所排烟气中烟尘､NOx､SO2､CO､CO2等污染物浓度达到锅炉大气污染物排放标准,环保效益好｡

3小结

生物质成型燃料热管锅炉将热管技术与锅炉设计相结合,可使热量更充分利用,提高了燃烧效率,缩小了锅炉体积,节约了占地面积,减少了金属材料｡该锅炉利用农村秸秆,节能､环保､经济实惠,有利于推动农村经济的发展,是适合我国农村秸秆特点的生物质成型燃料燃烧设备,具有较好的市场前景｡

参考文献:

[1] 刘圣勇,张百良,张全国,等.玉米秸秆成型燃料锅炉的设计与试验研究[J].热科学与技术,2003,2(2):173-177.

[2] 刘圣勇.生物质(秸秆)成型燃料燃烧设备研制及试验研究[D].郑州:河南农业大学,2003.

[3] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000.

[4] 马孝琴,骆仲泱,余春江,等.秸秆成型燃料双胆反烧炉的设计[J].动力工程,2006,25(6):800-804.

[5] 李荫.生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验[D].郑州:河南农业大学,2006.

[6] 刘圣勇,张百良,杨群发,等.双层炉排生物质成型燃料锅炉设计与研究[J].农业工程学报,2003,19(6):268-271.

[7] 中国标准出版社.工业锅炉常用标准规范汇编[M].北京:中国标准出版社,2004.

[8] 宋贵良.锅炉计算手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1995.

[9] 林宗虎,徐通模.实用锅炉手册[M].北京:化学工业出版社,1999.

[10] 刘圣勇,秦立臣,李荫,等.秸秆成型燃料锅炉污染物排放规律试验研究[J].环境污染与防治,2006,28(10):738-740.