范振山+張彥+楊波

摘要:根據(jù)生物質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備,將熱管技術與鍋爐設計結合,設計了適合我國農村秸稈特點的生物質成型燃料熱管鍋爐?并按正?反平衡法進行了該鍋爐熱性能與環(huán)保指標試驗,結果顯示,生物質成型燃料熱管鍋爐熱水溫度?壓力?熱水量?效率等熱性能指標達到或超過了設計要求,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等污染物濃度達到鍋爐大氣污染物排放標準要求,環(huán)保效益好?該鍋爐提高了設備效率與能源利用率,具有較好的市場前景?

關鍵詞:生物質成型燃料;熱管;鍋爐;設計;熱性能試驗

中圖分類號:TK64文獻標識碼:A文章編號: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

基金項目:河南省科技計劃項目(142400410206)

農作物玉米?小麥?水稻等秸稈破碎?熱擠壓制成生物質成型燃料,成型燃料的元素組成?微觀結構與原生物質(秸稈)基本相同,密度大幅提高,強度明顯增強,熱值比原材料略有提高,燃燒特性大為改善,生物質成型燃料含硫少,灰分低,可代替薪材?煤做燃料[1,2]?熱管是以真空相變原理工作的一種導熱性能很高的傳熱元件,由管殼?吸液芯及傳熱工質組成,可分成蒸發(fā)段?絕熱段和冷凝段三個工作區(qū)域[3]?生物質成型燃料燃燒技術正在發(fā)展,很多技術問題有待解決?研究將熱管技術與鍋爐設計相結合,研制適合我國農村秸稈特點的生物質成型燃料燃燒設備,提高設備效率與能源利用率,促進秸稈綜合利用,保護農村生態(tài)環(huán)境?

1生物質成型燃料熱管鍋爐結構設計與參數(shù)

1.1生物質成型燃料特性

生物質成型燃料特性見表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;生物質成型燃料的揮發(fā)成分均在61%~71%之間,遠高于煤,灰分含量為6.90%~12.65%,相當于特低灰煤,其產生的飛灰含量低于煤,燃燒性能介于原生物質和褐煤之間[4-6]?

1.2生物質成型燃料熱管鍋爐結構

生物質成型燃料熱管鍋爐由對流換熱室?進水管?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?燃料進口?上爐門?排渣口?下爐門等部分組成,其結構如圖1所示?

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

1.3工作過程

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

1.4設計參數(shù)

根據(jù)生物質成型燃料燃燒特性,選用設計參數(shù)如表2所示?

2生物質成型燃料熱管鍋爐熱性能與環(huán)保指標試驗

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;QF1901奧氏氣體分析儀;3012H型自動煙塵(氣)測試儀;SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計;IRT-2000A手持式快速紅外測溫儀;蠕動泵;馬弗爐,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水銀溫度計,大氣壓力計,水表?

2.3方法

試驗按《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》(GB/T10180-2003)?《鍋爐煙塵測定方法》(GB5468-1991)?《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》(GB/T15137-1994)?《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB13271-2001)[7]進行?

2.4試驗結果

生物質成型燃料熱管鍋爐熱性能試驗按正?反平衡法進行[8-10],試驗結果見表3?從表3可以看出,生物質成型燃料熱管鍋爐熱水量?溫度?壓力?效率等熱性能指標達到或超過了設計要求,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等污染物濃度達到鍋爐大氣污染物排放標準,環(huán)保效益好?

3小結

生物質成型燃料熱管鍋爐將熱管技術與鍋爐設計相結合,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?該鍋爐利用農村秸稈,節(jié)能?環(huán)保?經濟實惠,有利于推動農村經濟的發(fā)展,是適合我國農村秸稈特點的生物質成型燃料燃燒設備,具有較好的市場前景?

參考文獻:

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[2] 劉圣勇.生物質(秸稈)成型燃料燃燒設備研制及試驗研究[D].鄭州:河南農業(yè)大學,2003.

[3] 莊駿,張紅.熱管技術及其工程應用[M].北京:化學工業(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計[J].動力工程,2006,25(6):800-804.

[5] 李蔭.生物質成型燃料熱水鍋爐的改進設計與試驗[D].鄭州:河南農業(yè)大學,2006.

[6] 劉圣勇,張百良,楊群發(fā),等.雙層爐排生物質成型燃料鍋爐設計與研究[J].農業(yè)工程學報,2003,19(6):268-271.

[7] 中國標準出版社.工業(yè)鍋爐常用標準規(guī)范匯編[M].北京:中國標準出版社,2004.

[8] 宋貴良.鍋爐計算手冊[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1995.

[9] 林宗虎,徐通模.實用鍋爐手冊[M].北京:化學工業(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)律試驗研究[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(10):738-740.

1.3工作過程

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

1.4設計參數(shù)

根據(jù)生物質成型燃料燃燒特性,選用設計參數(shù)如表2所示?

2生物質成型燃料熱管鍋爐熱性能與環(huán)保指標試驗

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;QF1901奧氏氣體分析儀;3012H型自動煙塵(氣)測試儀;SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計;IRT-2000A手持式快速紅外測溫儀;蠕動泵;馬弗爐,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水銀溫度計,大氣壓力計,水表?

2.3方法

試驗按《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》(GB/T10180-2003)?《鍋爐煙塵測定方法》(GB5468-1991)?《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》(GB/T15137-1994)?《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB13271-2001)[7]進行?

2.4試驗結果

生物質成型燃料熱管鍋爐熱性能試驗按正?反平衡法進行[8-10],試驗結果見表3?從表3可以看出,生物質成型燃料熱管鍋爐熱水量?溫度?壓力?效率等熱性能指標達到或超過了設計要求,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等污染物濃度達到鍋爐大氣污染物排放標準,環(huán)保效益好?

3小結

生物質成型燃料熱管鍋爐將熱管技術與鍋爐設計相結合,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?該鍋爐利用農村秸稈,節(jié)能?環(huán)保?經濟實惠,有利于推動農村經濟的發(fā)展,是適合我國農村秸稈特點的生物質成型燃料燃燒設備,具有較好的市場前景?

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[2] 劉圣勇.生物質(秸稈)成型燃料燃燒設備研制及試驗研究[D].鄭州:河南農業(yè)大學,2003.

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[9] 林宗虎,徐通模.實用鍋爐手冊[M].北京:化學工業(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)律試驗研究[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(10):738-740.

1.3工作過程

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

1.4設計參數(shù)

根據(jù)生物質成型燃料燃燒特性,選用設計參數(shù)如表2所示?

2生物質成型燃料熱管鍋爐熱性能與環(huán)保指標試驗

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;QF1901奧氏氣體分析儀;3012H型自動煙塵(氣)測試儀;SWJ精密數(shù)字熱電偶溫度計;IRT-2000A手持式快速紅外測溫儀;蠕動泵;馬弗爐,烘干箱;磅秤,米尺,秒表,水銀溫度計,大氣壓力計,水表?

2.3方法

試驗按《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》(GB/T10180-2003)?《鍋爐煙塵測定方法》(GB5468-1991)?《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》(GB/T15137-1994)?《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB13271-2001)[7]進行?

2.4試驗結果

生物質成型燃料熱管鍋爐熱性能試驗按正?反平衡法進行[8-10],試驗結果見表3?從表3可以看出,生物質成型燃料熱管鍋爐熱水量?溫度?壓力?效率等熱性能指標達到或超過了設計要求,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等污染物濃度達到鍋爐大氣污染物排放標準,環(huán)保效益好?

3小結

生物質成型燃料熱管鍋爐將熱管技術與鍋爐設計相結合,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?該鍋爐利用農村秸稈,節(jié)能?環(huán)保?經濟實惠,有利于推動農村經濟的發(fā)展,是適合我國農村秸稈特點的生物質成型燃料燃燒設備,具有較好的市場前景?

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[5] 李蔭.生物質成型燃料熱水鍋爐的改進設計與試驗[D].鄭州:河南農業(yè)大學,2006.

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[8] 宋貴良.鍋爐計算手冊[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1995.

[9] 林宗虎,徐通模.實用鍋爐手冊[M].北京:化學工業(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)律試驗研究[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(10):738-740.