当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验


河南农业大学

硕士学位论文
题 目

生堑亟盛型燃料垫坐塑坦的弦进丝过星遮验

学位申请人姓名





导师姓名一室4圣曼夔撞
学科专业壅些生物巫墟生能近王猩 研究方向亘要生能速蔓拯撞盔

一一

/>中国

郑州

2006年6月

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
文题目

生物覆成黧燃料热农锅炉 的改进设计与试验
李荫

学位 级别 导师 姓名

硕士

学生 熬褒
学位论文 是否保密

学科
专业

农业生物环境 与戆源工程 如需保密,解密时间

刘圣爨







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.

繇签名:嬲 骚究焦签名:喽咱名i彬 日期加占年5月f)日
日期;~一(年'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ba/{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02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
2006-6

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42kw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94.84%,热效率最高达80.81%.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7.64%-- 33.28%变化,改进后4个工况下散热损失在I.II%一10.32%变化,改进后散热损失比改进前
降低了6.53--22.96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i0.65铬~ 33.18%变化,改进后4个工况下排烟热损失在3.07%~16.11%变化,改进后排烟熟攒失比改 进前降低了7.58~17.07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52+9龋~

70.1骗变化,改进后4个工况下熟效率在63.99种80.81%变化,改谶后热效率眈改进前增加
了10.68~II.03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0.522秘I,26稿掇化,改
进后4个工况下气体不完全燃烧热损失在2.13%~6+72%变化,改进厝气体不完全燃烧热损 失比改进前增加了I.6l~5.45个酉分点;改进前4个工况下固体不完全燃烧热损失在 1,275%~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.99~2.08个百分点;改进前4个工况下灰渣物 理热损失在0.081%~0.091%变化,改j{}后4个工况下灰渣物理热损失在0.133%~0.139%变 化,改避蔗灰渣物理熬损失鞋:改进裁增期了0.052~0.048个百分点.
畿蕊应用商监软佟Fluent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.2002年中国农村消费能源达782.79Mtce.其中,农村生活 用能453.74Mtce,占农村消费能源总量的57.96%,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255.48Mtce,占生活用能的56.31%,其次为煤炭157.35Mtce.

占生活用能的34.68%,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1998年农作物秸秆7.94亿t总产量中有约15.O%Up 1.191亿t的秸秆被用来直接还田
造肥,有约25.O%tlp 1.985亿t的秸秆被作为饲料,有约9.0%即7146万t的秸秆被用作工

业原科.除此之外,有约51.O%即4.049亿t的农作物秸秆可以作为能源用途,其中已有1.90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.z1国外研究状况 美国在20世纪30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20世纪30年代开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃 物,1954年研制成棒状燃料成型机及相关的燃烧设备;70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;20世纪80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20世纪90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.Z

2国内研究状况 从20世纪80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1985年根据 国外样机试制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机.江苏省连云港市东海粮食机械厂于1986 年引进了一台OBM-88棒状燃料成型机.1998年,东南大学,江苏省科技情报所和国营9305 .厂研制出MD-15型固体燃料成型机.1990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.20世纪90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PB一1型机械冲压式成型机,HPB-I型液压驱动活塞式成型机和C玎一35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…41.2003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87kW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CO,NOx,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42h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.1998年对农作物 秸秆进行统计,中国作物秸秆总量达到79454.4X 10't,其中粮食作物占89.9%,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21860.7X 10't,占粮食作物秸秆产量的30.6%,小麦秸秆的产量为12070.4X
104 t,占粮食作物秸秆产量的16.9%,玉米秸秆的产量为26590.6X 104 t.占粮食作物秸秆

产量的37.2%….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5096~6096,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60%~75%,烟煤碳含量增加为75%~90%,在变质程度最高的无烟煤中则高达90%~ 98%,而各种生物质成型燃料中碳含量集中在35%~42%,低于泥煤的含碳量,约是煤中的碳
含量的43%~70%,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65%~70%. 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1096,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30%~4096,褐煤中氧含 量为i0%~30%,而在烟煤中为2%~10%.无烟煤中则更少,小于2%,各种生物质成型燃料
中氧含量为33%~38%,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S02和少量的S魄使烟气中水蒸气嚣点大大升高.S02和SOs能溶于水变成亚硫酸(112s也) 和硫酸(I'hSOD,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18%~24%,溶剂消耗量增加20%,并且还会降低高炉生

产率20%.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10%~40%,烟煤中1%~鳊,无烟煤中1%~2%,干生物质中水分的含量在10%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≤10%,高灰煤的>4096.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10%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>40%,烟
煤中挥发分含量位于10%~40%之间,无烟煤小于10%,秸秆成型燃料的挥发分均在60%~70% 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NoI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70~110"C时软化具有粘性.当温度达到200~300"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

丝霉

举斛
}∞t"m

_堪∞一

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20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

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.20世纪60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.
Z

1.3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2000"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C02.
ZZ

1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90%,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2 2兰种秸秆成型燃料元素分析及工业分析均值

2z

2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. (2—1) 理论空气量:Vok=o.0889(巳+o.375S.)+o.265日,一o.033300 二氧化物容积:V9月吼=o.01866【巳一o.375s二)(2-2)

理论氮气容积:‰"=0.008Ⅳ,+O.79Vto(2-3)

理论水蒸气容积:p‰=o.111日,+o.0124M.+0.0161瓒(2-4)

理论烟气量:哕=%+嚷+%(2-5)
寰2 3煤,三种燃料理论空气量及理论烟气量的计算结果 项目 理论空气量

符号笔嚣主黧褐煤

3.63 钆 的 吼 ∞ 乱 鹞 吼 驺 孔 ;5} 仉 融 乞 i8 m ¨

烟煤无烟煤
瓢 褐 L ;g 毛 晒 m ∞ 屯 蛎 L 毖 鼠 ∞

单位

---.四‰0.74
理论氮气容积 理论水蒸气容积



时时 时
一|




!:

2·87



%0.72 !:塑

仉 吾;



科酽旷酽

墨丝塑皇墨
由上表可见:

!:丝

!:些

!:翌

!:墼

!:竖::

(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

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2 5空气,烟气的始温表
8

t℃)H Rol

H如H

H11.H:j

H:

!垒!竺竺
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 125.12 262.752 411.424 568.192 731.584 901.6 1076.032 1254.88 1436.672 1622.144

竺竺!兰
373.62 747.24 1126.608 1514.698 1908.336 2310.696 2724.552 3144.156 3569.508 4000.606

丘坦(盟耻!竺:尘:!竺蟹(盟丝
108.871 219.184 333.823 451.346 573.195 698.649 828.429 961.814 1100.246 1242.263 607.611 1229.176 1871.855 2534.138 3213.115 3910.945 4629.013 5360.85 6106.426 6665.035 478.896 965.048 1462.084 1968.376 2481.552 3011.24

35蚰.184
4096.012 4651.096 5213.436

注l

1000·口口·^-/"'=1000×0.2x6.95/15658=0.089<1.43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90%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.

lO

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) 40mm厚水泥砂浆抹面; (2)一砖的普通红砖墙240mm; (3)160ram厚PS板; (4)半砖的普

通红砖墙120m;

(5)40衄厚水泥砂浆抹面,墙体总厚度为600u.

后坡屋面构造由外向里依次为:(1)40m厚水泥砂浆抹面;(2)一层油毡防水层;(3)
200m厚PS板;(4)干铺油毡一层; 日光温室使用的薄膜:聚乙烯膜. (5)25ram厚硬木板.

温室主要技术参数如下:跨度:嘲.7m;顶高:H=2.9m:长度:L=50m,主拱间距:Ll=2m;
副拱间距:L产lm.抗风能力:风压383Pa(相当于风速25m/s的10级风);承载能力:雪压 196Pa(相当于地面积雪200m);温室面积:S=6.7x50=335m2(约0.502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:

AE=g+Q2+Q3+Q4一U一%一乩一U一乩一以
式中:△E——韫室内能的变化量,■}

(3一1)

Q1——进入温室的太阳辐射热量,-; Q——韫室内人体,灯具,设备发热量,_; Q3——进入温室内热物体的散热量,_;
Q4——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,
热损,■;

简称冷风渗透

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AE=0.此时,温室采暖系统供热量为:

Q4=Ul+%+U3+U4+U5+U6

(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.=20"C.中国机械行业标准JB/T10297—2001《温 室加温系统设计规范》中建议采用近20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:

Ql=Q2=Q3=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=Us=乩=0
这样,温室采暖设计热负荷便简化为:

Q4="+U2
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

(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

前屋面采用0.1mm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=305(mb.所以,温室大棚塑料薄膜的传导热量为:

"1=蜀E乜一L);4.0X305X[20-(-5)]=30500(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2i缸
口.'一丑吼
以:40;

∞哪

其中:

%——外围护结构内表面的对流换热系数,_·m吨·X-1,取%=8.72; a0——外围护结构外表面的对流换热系数,_·一·K1,取g,--23.26;

巧——外围护结构隔层材料的厚度,mm,磊=40=疋=240=焉=160=正=120;

^——外围护结构隔层材料的导热系数·-.m4·r1,^:0.93=如:0.76:

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.047;五=o.76:无--0.93.
计算得:jL:0.243(Ⅳ·m4·F1) 两侧山墙和后墙的面积为:E=2x13.6+100=127.2(m2)

两侧山墙和后墙的传导热量为:甜2=岛E也一LJ=0.243x127.2×[20一(一5)]=772.74(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%=8.72; 00——外围护结构外表面的对流换热系数.w·m-2·lr',取a0-23.26,

4——外围护结构隔层材料的厚度,衄,最=40;盈=l;蟊=200,民=1;蠡=25; ^——-夕h围护结构隔层材料的导热系数,w·m-z·K-1,^--0.93;五--0.175; 也=0.047,^=o.175,五=0.058·
计算得:X,=o.204(■·m-z·r1) 后坡屋面的面积为:只=87.5(m2)

后坡屋面的传导热量为:蚝=局E眈一LJ加.204×87.5×[20-(-5)]--446.25(w)
通过温室所有围护结构的总基本传热量:

"=封1+甜,+"1=30500+772.74+446.25=31718.99(■) 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%=1.02;当风速为8.94m·s.时,风力附加修正系数%=1.04.

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·It-1; F——第i区的地面面积,m2;

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6m以内的地面,其传热量与距外墙的距离有较显著的关系,6m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8m以内的地段分为每2m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.47 w·m.2·K.I;

屯-0.23W·一·g-1;b=o.12-·m 2·矿;缸=o.07
所以,通过温室地面的总传热量为:

w·m-Z·K-1.

需要说明的是位于墙角第一个2m内的2mX2m面积的热流量是较强的,应加倍计算.

"--∑iclf眈一L)={o.47×[2x(46×2+2.5×2)+8×2X2]+0.23X46X2.5}
×[20一(一5)]=3316.75(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.

U2=c,脚眈一瓦)=Cp册纯一乙)(3-5)
式中t【,'——温室冷风渗透热损失,■; C.——空气的定压比热.KJ·Kg.1r1,C.--1.0; 脚——冷风渗透进入温室的空气质量,Kg. Ⅳ——温室与外界的空气交换率,亦称换气次数,以每小时的完全换气次数为
单位,新塑料薄膜温室Ⅳ:0.60~1.00,取0.80,

y——温室内部体积,r,矿=13.6×50=680: ,——空气的容重,Kg·m-3,室外温度为一5℃时,,=1.3185.
计算得:【,,=4981(w)

3.I.2.5温室采暖热负荷的计算 温室采暖热负荷按下式计算:

Q4=q口2"+研4-U2
=1.02×1.04×31718.99+4981+3316.75=41945.25(W)

通过温室的热平衡计算,求出了温室采暖热负荷值,作为改进后的生物质成型燃料热水
锅炉的供热量.为其提供设计依据.

3.2生物质成型燃料热水锅炉本体改进设计Ⅲ'蜘
第一代生物质成型燃料锅炉的结构简图如图3.1左所示,采用双层炉排结构即在手烧炉 排一定高度另加一道水冷却的钢管式炉排.双层炉排的上炉门常开,作为投燃料与供应空气 之用;中炉门用于调整下炉排上燃料的燃烧和清除灰渣,仅在点火及清渣时打开;下炉门用 于排灰及供给少量空气,正常运行时微开,开度视下炉排上的燃烧情况而定.上炉排以上的
空间相当于风室,上下炉排之间的空间为炉膛,其后墙上设有烟气出口,烟气出口不宣过高,

以免烟气短路,影响可燃气体的燃烧和火焰充满炉膛,但也不宜过低,以保证下炉排有必要
14

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

的灰渣层厚度(100~200mm).

图3 I第—代生物质成型燃料热水锅炉及改进后的结构简豳

其工作过程是:一定粒径秸秆成型燃料经上炉门加在炉排上.下吸燃烧,上炉排漏下的秸 秆屑和灰渣到下炉排上继续燃烧并燃烬.秸秆成型燃料在上炉排上燃烧后形成的烟气和部分 可燃气体透过燃料层,灰渣层进入上,下炉排间的炉膛进行燃烧,并与下炉排上燃料产生的
烟气一起,经两炉排间的出烟口流向燃烬室和后面的对流受热面. 改进生物质成型燃料热水锅炉需在吸取第一代优点的基础上对其存在的不足给以改正.

第一代生物质成型燃料热水锅炉经试验及以后的应用表明:采用双层炉排燃烧,实现了秸秆 成型燃料的分步燃烧,缓解秸秆燃烧速度,达到燃烧需氧与供氧的匹配,使秸秆成型燃料稳 定持续完全燃烧,起到了消烟除尘作用.因此,改进设计的锅炉同样采取双层炉排燃烧.第 一代生物质成型燃料热水锅炉存在不足在概述部分已经提出,因此,应以辐射受热面,对流 受热面,水箱,及温控部分为重点对第一代生物质成型燃料锅炉进行改进设计.改进后的生 物质成型燃料热水锅炉结构简图如图3.1右所示,亦采用双层炉排,保留两个炉门,上炉门 仍常开,作为投燃料与供应空气之用;把第一代的中炉门与下炉门合二为一,用于清除灰渣
及供给少量空气,正常运行时微开,在清渣时打开;一方面保留了第一代的全部功能,另一

方面减少了由于炉门多而造成的散热损失,具体各部分的改进设计见下面的详述,设计参数
如表3.1所示,能选用第一代生物质成型燃料锅炉总结的关于生物质成型燃料燃烧设备的设 计参数的就直接引用,不能参考的按照一般锅炉手册中褐煤的参数来选取.

其工作过程与第一代生物质成型燃料热水锅炉基本相似:一定粒径秸秆成型燃料经上炉
门加在炉排上,下吸燃烧,上炉排漏下的秸秆屑和灰渣到下炉膛底部继续燃烧并燃烬.秸秆 成型燃料在上炉排上燃烧后形成的烟气和部分可燃气体透过燃料层,灰渣层进入下炉膛进行

燃烧,并与下炉排上燃料产生的烟气一起,经出烟口流向后面的对流受热面.

15

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

1 2 3 4 5 6
7

锅炉出力G/ks·h1 热水压力P/MPa 热水温度t—℃ 热水焓/如/l【J·l【91

设定

1000

设定480 设定 设定 同左 设定 同左 参博 参博 参博 参博 参博
O.1 95 398 20 63.6 350 348 1.3 1.0 o.4

设定0.1 设定 查水蒸气表 设定
95 397.1 20

进水温度抽佗
给水焓/h,,/kJ·ksl 炉排有效面积热负荷q,/蚶·一 炉排体积热负荷q,/kW/m4 炉膛出口过剩空气系数口·. 炉膛进口过剩空气系数口,' 对流受热面漏风系数△口- 后烟道总漏风系数△口, 固体未完全燃烧损失和嘎

查水蒸气表83.6 查表9-14 查表9-14 查表6-10 查表6-16 查表6-17 查表6-17 查表7-3 查表7-3 查表7_5 给定
450 400 1.7 1.3 0.4 0.1 5 3 5 20 93.48 250 2686.26 15658

8 9 10 11 12 13

参博0.01 参博 参博 参博 给定 同左 给定 参表2.5 参袁2.2 同左 参博 参博 参博 参表2.2
3 2 5 10 47.89 200 1625 15380 lo 300 264 80 9.96

14气体未完全燃烧损失和矗
15

散热损失如属

i6冷空气温度}z/C

17冷空气理论焓/H#/kJ·ks'圪?庀"t 18排烟温度T‖℃
19 20 21

给定 参博表2.3 参博表2.1

排烟焓塌/灯·kg.I

燃料收到基发热量/缸/kJ·kg_'
捧烟热损失/盘/I

100似,一口删)"一q,A00)/'k.16
选取 查表2-2l 壹表7_6 查博袁2.1

22灰渣温度/锄,c
23

300 264

灰渣焓/正''/l【J·l【91

24排渣率/口-^
25 26


6.95

燃料收到基灰分/山^ 灰渣物理热损失/和曩

100口-出".丘/a吐,0.1 o+函地,+qs+曲
26.1 74 313500 O.0075 o.0073

同左0.137 同左 同左 同左
20 80 151200

27锅炉总热损失/:c‖%

28锅炉热效率/目^100-Iq
29 30 31 32

锅炉有效利用热量/0,J kJ·11"1 燃料消耗量/8/kg·s.I

口mr缸)
100#,,/3600"..目
占n—q,/100)

同左0.003414 同左
O.003312

计算燃料消耗量/M/ks·s,I
保热系数/毋

1一‖r町+和)0.925

同左0.941

注,参博指参考博士论文,置袭指查锅炉手册中的表,参博表指参考博士论文中的表.

3.3生物质成型燃料热水锅炉炉膛及炉捧的改进设计
炉膛和炉排是锅炉的重要组成部分,其尺寸的大小直接关系着燃料的燃烧状况.实践证 明,第一代生物质成型燃料热水锅炉采用双层炉排燃烧收到良好的效果,因此,炉排的改进 设计主要是在新设计参数的基础上,确定其尺寸,由于改进设计时,原来的中炉门与下炉门 合二为一·因此可省去下炉排,让未燃烬的燃料及灰渣落在下炉膛的底部,炉排仍采用水冷

16

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

管,其设计计算过程见表3.2,第一代生物质成型燃料热水锅炉炉排结构如图3.2左所示,改
进后的炉排结构如图3.2右所示.
表3 2第一代生物质成型燃料热水锅炉及改进后的炉排设计计算




17

厨僵辱
围3.2第一代生物质成型燃料热水锅炉及改进后的炉排结构图

由图3.2可见,第一代生物质成型燃料热水锅炉由于水冷炉排与水箱相连,所以有两个
连箱;而改进后的水冷排与上方锅筒相连,因此直接做成弯管插入锅筒中.

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

第一代生物质成型燃料热水锅炉的炉膛与改进后在结构上差别不大,都是由上下两个炉 膛组成,两者的均可抽象成如图3.3所示,计算过程如表3.3所示.

图3,3第一代生物质成型燃科热水锅炉及改进后的炉膛抽象图




1 2 3
4

炉膛容积/‖一凰t再/q,0.34
炉艟有效高度/Ha'=,朋
上炉膛有效高度/凰加
下炉膛有效高度//.t=/皿
1

项目i磊广也卫1i—瓦磊篇

.

表3.3第一代生物质成型燃料热水锅炉及改进后的炉膛设计计算 第一代

第二代

同左0.154 同左
1

灰渣层+燃料层+空间0.60

同左0.60 同左0.40 周左0.160 周左400 同左400

品呐0
.P,/3

0.40 0.10 370 370

5 6 7

下炉膛面积为/‖f
下炉膛有效宽度为/z"m 下炉排有效长度为/£‖珊

查表9-17 查表9—17

3.4生物质成型燃科热水锅炉辐射受热面改进设计
第一代生物质成型燃料热水锅炉的辐射受热面即是水冷排的表面,其结构如图3.2左所
示,其设计布置不够合理,使得炉膛温度过高,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,因此,在改进设计时把原来的水箱改为上下两个锅筒,上锅筒 部分置于上炉膛上方,利用锅筒里的水吸收燃料燃烧在上炉膛的热量,从而增加辐射受热面
积,起到降低上炉膛温度的目的,从而减少锅炉的散热损失.其结构亦与水冷排的相似如图 3.2右所示,只是在上方多出一个辐射受热面,其计算过程如表3.4所示.
裹3 4第一代生物质成型燃科热水锅炉及改进后的辐射受热面计算

18

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

4 5

锅炉有效利用热量/n/k■ 系数/岛

由热平衡计算得出 由表10-18选取

87 1.1

同左 同左 同左 同左 同左

让¨ 4
o

6 7 8

热空气带入炉内热量/渊

0·32岳41'乎d阢一划d一0
q,/100)/1000 900 38.7

炉膛出口烟温/‖/'C 假定 辐射受热面吸热量/"/k-rr一Ⅳ'儿k/r,一&,
(三)查取辐射受热面热强度qft计算有效辐射受热面积Hf 辐射受热面热强度/q,/kW·m-m 有效辐射受热面///z/一 受热面的布置 辐射受热面利用率/'纬 辐射受热面实际表面积/凰/岔 查表10-19

砉|扭 姒
∞叭 瑚

9 10 11 12 13

70

同左 同左

0/q,0.53 根据R'和Hf对辐射受热面进行布置 按表10-20选取s/d
75

同左

毋‖0.7
根据实际布置计算0.8 中间巾51X5×590两端由80x2X590见图2.2 按表10~20选取0.76
届7 Y7 岛/H,7 0.61 60.8 850

札吣m
同左
仉 龉

(四)校核计算根据辐射受热面积揖'讦算辐射受熟面熟强度和查得炉艟出口烟温乎,进行较核
14 15 16 17 18 19 20 2l

实际有效辐射受热面//{7 实际受热面的布置/ 实际辐射受热面利率/,7 实际有效辐射面/岳7 辐射受热面热强度/毋7

周左 同左 同左 同左 乱m犯{8 虬砌一. 阱叮

炉艟出口烟温/‖ 炉膛出口烟温较核/‖一7矿

查表10-19

--50<±100辐射受热面布置合理 同左 凯

实际辐射受热面吸热量/G/kW仃'一‖几k‖吖r一%,42.4

3.5生物质成型燃料热水锅炉对流受热面改进设计
第一代生物质成型燃料热水锅炉的对流受热面分为两个部分.如图3.4左所示:降尘

对流受热面和降温受热面,两个对流受热面均置于水箱内,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,其设计布置不够合 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 锅炉的排烟热损失,因此,在改进设计时,降温对流受热面置于上锅筒内,利用锅炉后部的 下锅筒及管路引起的烟气通道面积的变化起到降尘作用.结构如图3.4右所示,其计算过程
如表3.5所示.

毒O●0 0

串由鲁岳亩:
10e00-

粤.吵.争

7骱

M


中,
I

,

".

图3.4第一代生物质成型燃料热水锅炉及改进后的对流受热面结构

19

弼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

表3 5第一代生物质成型燃料热水锅炉及改进后的对流受热面传热计算

3.6风机的选型
第一代生物质成型燃料热水锅炉根据下吸式燃烧方式选用引风机,根据风机制造厂产品 目录选择出了风机型号为:Y5-47;规格:2.80;风量:1828ms·h.1;风压:887Pa;转速: 2900r·min-1.根据风机型号选用电机型号为;Ygo.S-2;功率:I.5kw;电流:3.4A;转速;
2840 r·min~.存在的问题:当风门有一微小变化,燃烧状况变化很大,可见.引风机型号

选偏大,经过市场考察,此型号是最小的风机标准件,若要获得很小的风量及风压需定制非

标引风机,为节约费用,仍选用同第一代一样的风机,但电机选用0.5 kW的,并将电机轴 直径选成风机轴直径的一半,选用较窄皮带,从而起到降低风机转速,减少风量及风压的且

河南农业大学硕士学位论文

3生物质成型燃料熟水锅炉的改进设计

的.风压及风量的计算过程如表3.6所示.
表3 6第一代生物质成型燃料热水锅炉及改进后的风压与风量的计算

21

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

3.7电路及控制部分的设计
3.7.I电路部分的设计

第一代生物质成型燃料热水锅炉采用多功能控制柜控制,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.其出水由电磁阀控制,当锅炉水箱里的水达到一
定温度,从锅炉侧墙出水.改进设计时,仅选用温控部分,并连同锅炉用电部分,组装成一

配电箱,其主电路图如图3.5所示…1.

图3 5主电路圈

图3 6电机控制电路图

由图3.5可见:该锅炉的配电经过电度表肋,总开关s1及熔断器F【J分三路:一是带 动电动机M的动力电路,闭合S1,由电动机的控制电路闭合聊接通电动机,而电动机通过
皮带传送带动引风机;二是带动灯泡的照明电路,闭合Sl,闭合S2接通灯泡,为锅炉房提

供照明;三是接电磁阀,同传感器及温度控制仪组成温控电路,控制锅炉的出水.
3.7.2控耐部分的设计 改进后锅炉的控制电路分二部分:一是对电动机的起停控制,一是对电磁阀的温度控 制.

电动机为三相异步电机,采用直接起停的控制电路.闭合主电路图上的s1,引入电源, 按下动合(常开)按钮SBT,接通删线圈,主电路图中的酬闭合,电动机M启动,控制线 路中的删闭合,自锁;按下动断(常闭)按钮SBP,主电路图中的圈断开,电动机M脱离 电源而停车,控制电路图中的麟断开,切除自锁.此线路具有三种保护作用:(I)熔断器 F【J的短路保护.一旦发生短路事故,熔体立即熔断,电动机自动停车;
(2)热继电器Fll

的过载保护.当过载时,它的热元件加热主双金属片驱使常闭触点SBP跳开,使交流接触器

线圈删断电,主触点脚断开,使电动机从电源切除而停车;

(3)自锁触点的零压(或欠

压)保护.在分析控制线路图的起动工作过程中,在按下起动按钮SBT使接触器通电动作的 同时,与SBT并联的接触器辅助动合触点瑚也随即闭合,在放松SBT(其触点复位断开) 后,接触器的线圈电路通过已经闭合的蹦(辅)触点仍然接通,使继电器继续保持通电动 作状态.接触器通过自身动合辅助触点来保持继续通电动作状态的控制作用,称为接触器的
自锁.当电源暂时停电或电源电压偏低时,电动机自动从电源切除而停电,而电源电压恢复 时,如果不重新按起动按钮SBT,则电动机不能自动起动,因为自锁触点已经断开.电机控

制电路图如图3.6所示…'. 温度控制是通过温控仪控制电磁阀来实现的,温控示意图如图3.7所示….电磁阀安装

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

在进水管上,锅筒内安装温度传感器.通过温控仪来控制电磁阀的闭合.其控制电路图如图

3.8所示.闭合开关s,当水温低于温控仪设定的下限时,温控仪上,下限常闭触点TL,1lI 闭合,接触器碰闭合,主电路上电磁阀闭合,不进水,当水温大于等于温控仪设定的下限 小于等于温控仪设定的上限时,常闭触点TL断开.接触器脚仍然闭合,主电路上电磁阀仍 然闭合,不进水,当水温高于温控仪设定的上限时,常闭触点11{断开,接触器删断开,主
电路上电磁阀断开,进水.

,


I 城I

L1

图3.7温控示意图

图3.8温控电路固

3.8小结
本部分首先从理论上计算北方温室的采暖热负荷,以此作为改进设计后的生物质成型燃

料热水锅炉的供热量,以吸收第一代的优点纠正缺点为改进设计的指导原则,然后针对第一 代生物质成型燃料热水锅炉的不足,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温度控制系统.改进设计后的锅炉如图3.9所示,配电箱如图3.10 所示.

国3.9改进后的锅炉

田3,10改进后的配电箱

河南农业大学硕士学位论文

4改进后生物质成型燃料热水锅炉的热性能试验

4改进后生物质成型燃料热水锅炉的热性能试验
4.1试验目的
为了验证改进后的生物质成型燃料热水锅炉能否弥补第一代的不足,有必要对其进行热 性能试验.

4.2试验依据
根据GBl0180--2003工业锅炉热工性能试验规程,GB/T15137--1994工业锅炉节能监测
方法,GB5468---91锅炉烟尘测定方法及6B 13271-2001锅炉大气污染物排放标准四,对改

进后的生物质成型燃料热水锅炉同第一代一样按4种工况(进风量的不同)进行热性能及环
保指标的试验.

4.3试验仪器
(I)K^19106综合燃烧分析仪,其各指标的测量精度分别为:也浓度_0.1%和+o.2%,co浓 度±20ppm,c如浓度±5%,效率±1%,排烟温度±0.3%;
试仪,精度为±O.5%; (5)蠕动泵:

(2)3012H型自动烟尘(气)测

(3)大气压力计,精度为1.0级;(4)0.F1901奥氏气体分析仪;

(6)磅称,米尺,秒表,水银温度计,水表.

4.4试验内容及结果分析
锅炉热性能试验是锅炉设备热工试验中最基本的试验内容.热性能试验可以按反平衡及
正平衡两种方法进行.反平衡法是根据各项熟损失求热效率;正平衡法是根据有效用热量求

熟效率.正平衡试验主要是为得出燃烧设备效率,用以判断燃烧设备设计及运行水平;反平 衡试验主要是为得出各项热损失的大小,找出减少损失,提高效率的途径,为燃烧设备改进
及优化设计提供科学依据…'.本部分将对锅炉改进前后正平衡试验结果及反平衡试验结果进

行比较,分析改进后的生物质成型燃料热水锅炉能否弥补第一代的不足. 4...1正平衡试验结果比较 锅炉改进前后正平衡试验结果比较""如表4.1所示.
袭4 1改进前后锅炉正平衡试验结果比较

河南农业大学硕士学位论文

4改进后生物质成型燃料热水锅炉的热性能试验

其中平均热水量,热水温度,热水压力,给水温度,平均小时燃料量为实测,热水焓,

给水焓查表得来,正平衡效率按公式刁:竺!兰!;竺二兰一计算.由表4.1可见,改进前锅
DgM4

炉热效率为51.60%~74.39%,改进后锅炉热效率为62.44%~81.25%,比第一代提高了6.86~ 10.84个百分点,工况2时的热效率为81.25%,达到了改进设计时热效率80%的要求. 4-4.2反平衡试验结果比较 锅炉改进前后反平衡试验结果比较如表4.2所示.
寰4.2改进前后锅炉反平衡试验结果比较

1.平均每小时炉渣质量仇/kg·矿
2.炉渣中可燃物含量/c√I 3.灰中可燃物含量/o焉

1.1 10.92 14.65 97 3 1.9 8.6 8.359 0.113 1.6 3.56 0.8 2.82 O.58 87.27

O.8 12.89 16.65 9B 2 4.23 7.4 7.36 0.6 1.43 3.63 0.74 2.87 0.72 70.8 435.13 341.63

1.58 7.3 llJ2 92.54 7.458 1.275 11.4

1.26 9.4 13.32 93.62 6.38 3.26 9.8 lO.67 n33 2.00 3.63 0.74 2.87 0.72 196.7

1.86 7.58 11.56 89.93 10.67 1.35 5.9 14.53 0.267 3.16 3.56 0.8 2.82 0.58 246.5

1.52 g.62 13.78 90.13 9.87 3.39 5.4 13.52 0.43 2.85 3.63 0.74 2.87 0.72 177.6

1.6 12.65 16.3

1.31 14.85 17.33 86.17 13.83

4.炉渣百分比/口矾
5.灰百分比/d嘏
6.固体不完全燃烧损失/4^

85.∞
14.91 2.36 3.9

4."
3.3 15.48 0.53 3.62 3.63 0.74 2.87 0.72 150.0 921.88

7.排烟中三原子气体容积百分比/膨^
8.排烟中氧气容积百分比/国僵

11.∞
0.05l 2.2 3.56 O.8 2.82 0.58 265.7 1616 1254 3120 13 16.9 132.4

16.蚰
0.51 4.4l 3.56 0.6 2.82 0.58 236.1

9.排烟中卯容积百分比/c嬲
10.排烟处过剩空气系数/口, 11.理论空气需要量/Y./Ni·kg"1

12.三原子气体容积/y赢/^口·kg-l

13.理论氮气容积/嚷/Nm,·k91

14.理论水蒸气窖积/‰/删'.kg-I
15.排烟温度/7,,/C

16.燃料理论烟气量焓/j7:/蚶·kg-1

11鹤.6
902.I

1208.89 1504.6 949.12

1091.51 l"3.8

17.燃料理论空气量焓/月:/l【J·kg-1
18.捧烟焓/岛/蚶·k91 19.冷空气温度/70℃

1183.53 856.96

lll7.84 723.79 5255.33 2818.21 13 16.9 265.32 33.18 1.267 7.9 175.5 0.08l 55.47 13 62.26 225.38 16.11 8.00 7.32 175.6 0.139 63.99

1689.86 582.03 13 16.9 96.26 10.65 L12 33.28 175.5 13 62.26

2158.Ol 4061.02 2676.89 13 62.26 124.62 12.79 1.90 1.11 175.5 0.133 80.8l 13 16.9 190.12 26.0l 0.842 7.73 175.5 13 62.26 17L44 15.70 4.31 3.63 175.5 0.133 72.84

20.冷空气焓/陆‖m/kJ·N一
21.燃料冷空气焓/鼠/kJ·J'g.1 22.排烟热损失/啦属 23.气体不完全燃烧损失/鲫曩

朗.03
3.07 4.35 10.56 175.5 0.139 77.65

20.∞
0.522 7.64 175.5

24.散热损失/硝
25.灰的焓/(硼^/kJ.kg-1
26.灰渣物理熟损失/口.嗤 27.锅炉反平衡效率/口—焉

0.∞l
52.96

O.∞3
70.13

0.∞1
63.99

28.锅炉正反平衡效率偏差/△口/鼻0.577<50.78<5 4.26<5 0.44<5 0.21<5 0.46<5 3.87<5 0.I<8

其中平均每小时炉渣质量,炉渣中可燃物含量,飞灰中可燃物含量,排烟中三原子气体 容积百分比,排烟中氧气容积百分比,排烟温度,冷空气温度由试验测得,其它项目由下列

河南农业大学硕士学位论文4改进后生物质成型燃料热水锅炉的热性能试验

炉渣百分比计算公式为:%=竺堕学
公式计算而得.

(4—1)

飞灰百分比计算公式为:%=100-a自
固体不完全燃烧热损失计算公式:

(4—2)

g.:78.3x4.18Aa,.I盟+堑x100 吼一姊.【而藏+而蔫j
ji写i二二互2三1重堕!亘二 21—79——_二土—二==二一 100一ROI—02一CO

(4—3)

排烟处过剩空气系数计算公式:口一2

ct—t,

燃料冷空气焓计算公式:上k=口.矿o(cf)*(4--5)

排烟熟损失计算公式:g:=堡垒二兰掣(4--6)

气体不完全燃烧损失计算公式:
一葛,埘

舻塑铲南(100咱) 散热损失计算公式:吼=坚蔓二呈[兰鱼_芸要二里生三螋(4--8)
"1,

船勰獭艏轮如s=鲁器
失及灰渣热损失的增加程度,使得锅炉热效率增加.其原因见试验结果分析.

"一.,

锅炉反平衡效率计算公式:,7,=100一92一q3一鼋4一吼一吼(4--10)

由表4.2可见:改进后的锅炉排烟热损失及散热损失有大幅度的下降.但是,气体不完
全燃烧热损失,固体不完全燃烧热损失及灰渣物理热损失有不同程度的增加.综合分析,改

进后,排烟熟损失及散热损失下降的程度大于气体不完全燃烧热损失,固体不完全燃烧热损

4.4.3试验结果分析 为了验证改进后的生物质成型燃料热水锅炉能否弥补第一代的不足,有必要从反平衡法 的结果出发,分析改进前后排烟处过剩空气系数与烟气及各项热损失的关系,找出改进设计
后排烟热损失及散热损失是否得到有效的降低,分析改进设计后锅炉存在的问题,为生物质 成型燃料热水锅炉的迸一步改进及优化设计打下基础. 4.4.3.1锅炉改进前后过剩空气系数与烟气关系的比较

河南农业大学硕士学位论文4改进后生物质成型燃料热水锅炉的热性能试验

用综合烟气分析仪测定的烟气中S02含量为零,NO,含量最大不超过4pDm,含量远远低

于国家污染物排放标准,可以忽略不计,本部分主要分析锅炉改进前后排烟处过剩空气系数 与c0及R02(主要是COD的关系.根据表4.2结果分别画出排烟出过剩空气系数与c0及
R02(主要是coz)的关系图,如图4.1,4.2所示.

豳4.t改进前后过剩空气系数与∞的关系图

圈4.2改进前后过剩空气系数与胁.的关系围

从图4.I可见:1)改进前后co随排烟处过剩空气系数a.变换规律相似,随着a.增

加c0含量先是从大到小,a.到达一定数值,c0含量达到一个最小值,随着a.的继续增
加co含量又逐渐增大.这主要是因为当o.较小时,燃烧室内的过剩空气系数也较小,炉

膛中空气量不足,空气与燃料混合的不均匀,易生成一定量的co,而出现一定量的气体不 完全燃烧损失;如果a.较大时,则炉膛内温度偏低,燃料与氧接触将形成较多量的c0中 间产物,从而使烟气中co含量增大;当a.达到一定量时,c0有一个最低值,改进后a矿2 时,c0含量最小为0.33%,改进前a矿3.16时,C0含量最小为0.267%;2)改进后c0的含 量在4个工况下均高于改进前的,改进后c0含量在0.33%~0.6%变化,改进前co含量在 0.051%~0.113%变化,改进后c0含量比改进前提高了0.279~0.487个百分点.这主要是因 为改进后的锅炉炉膛温度比改进前的偏低,使得固体不完全热损失偏高,c0含量偏高. 从图4.2可见:1)改进前后R如随排烟处过剩空气系数a.变换规律相似.随着a.增 加R晚含量先是从小到大,o.到达一定数值,R嘎含量达到一个最大值,继续增加R0.含量 又逐渐减小.这主要是由于a.过大或过小时,燃烧状况不理想,炉膛内温度偏低,R晚含量 小,当a.适当时,ROz含量有一个最大值,改进后a矿2时,R如含量最小为9.8%,改进前
o

p,=3.16时,R02含量最小为11.4%;2)改进后R02的含量在4个工况下均低于改进前的,

改进后RQ含量在3.3%~9.8%变化,改进前R02含量在3.996~11.4%变化,改进后R也含量比

改进前降低了0.6~1.6个百分点.这主要是因为改进后的锅炉炉膛温度比改进前的偏低, 使得固体不完全燃烧热损失偏高,c0含量偏高,R晓含量偏低.
t 4.3.2锅炉改进前后过剩空气系数与各项热损失关系的比较

根据表4.2结果分别画出改进前后排烟出过剩空气系数与排烟热损失q2,气体不完全燃 烧热损失q.,固体不完全燃烧热损失m,散热损失q5,灰渣物理热损失q.,总损失q j,锅
炉热效率n,锅炉燃烧效率n'关系图,如图4.3~4.10所示.

,{◆
t_

河南农业大学硕士学位论文4改进后生物质成型燃料热水锅炉的热性能试验

●'——●一日唯■

●■

圈4.3改进前后过剩空气系数与啦的关系图

图4.4改进前后过剩空气系数与qj的关系图

从图4.3可见:1)改进前后排烟热损失随排烟处过剩空气系数o.变换规律相似,随 着a.的增大,排烟热损失增大.这是因为排烟热损失的大小主要由排烟量与排烟温度决定, 当排烟温度变化不大时,排烟温度决定于排烟量,排烟量越大即a.越大,排烟热损失越大; 2)改进后的q:在4个工况下均低于改进前的,改进后q2在3.07%~16.11%变化,改进前q2 在10.65%~33.1896变化,改进后q2比改进前降低了7.58~17.07个百分点.这主要是因为
经过改进设计锅炉排烟温度比改进前的有了大幅度降低.

从图4.4可见:1)改进前后气体不完全燃烧热损失大小随口.增大而呈相似变化规 律,即随着o.从小到大,q.先减小后增大,出现一个最小值,改进后为1.996,改进前为 0.522%.这是因为当d.过小时,炉膛中空气量不足,燃烧时形成较多的c0,如,cIII等中 间产物,从而使气体不完全燃烧损失增加,当a.等于一定的值时,燃料燃烧所需要的氧与 外界供给的空气中的氧相匹配时,燃料燃烧充分,减少中间产物co,112,Cm生成,从而使 气体不完全燃烧损失的量达到最小值,当a.继续增大时,炉膛中的炉温降低,从而减弱了
反应进行,形成较多的c0,地,CliI等中间产物,使qa增大;2)改进后的q.在4个工况下 均高于改进前的,改进后qa在2.13%~6.72%变化,改进前q3在0.522%~I.267%变化,改进

后中比改进前增加了I.61~5.45个百分点.这主要是因为改进设计后锅炉的炉膛温度比改 进前的有了大幅度降低,使得固体不完全燃烧热损失偏高,c0生成量偏高,气体不完全燃
烧热损失偏高.

;

;¨.,¨:o

围4

5改进前后过剩篓气系数与q'的关系围

田4.6改进前后过班气系数与印的关系图

从图4.5可见:1)改进前后固体不完全燃烧损失随a.增大而呈现相似变化规律,即

河南农业大学硕士学位论文

4改进后生物质成型燃料热水锅炉的热性能试验

随着a.从小到大变化,q'先减少后增大,出现一个最小值,改进后为3.26%,改进前为
1.275%.这是因为当Ⅱ.过小时,炉膛中空气量不足,燃料中有一部分碳不能与氧充分反应, 产生一定的固体未完全燃烧热损失,当o.等于一定值时,燃料燃烧需要的氧与空气供给的

氧相当,氧气与燃料能充分燃烧,国体不完全燃烧热损失达到最小,当o.继续增大时,炉 膛中空气量过剩,过剩空气不但降低炉温,使燃料不能与氧有效反应,使得固体未完全燃烧 损失增加;2)改进后的q'在4个工况下均高于改进前的,改进后q.在3.26%~4.44%变化, 改进前m在1.275%~2.36%,6变化,改进后q4比改进前增加了1.99~2.08个百分点.这主要
是因为改进设计后锅炉的炉膛温度比改进前的有了大幅度降低,使得固体不完全燃烧热损失 偏高.

从图4.6可见:1)改进前后散热损失随a.增大而呈现相似变化规律,即随着d.从 小到大变化,n·先减少后增大,出现一个最小值,改进后为I.11%,改进前为7.64%.这主 要是因为散热损失不仅和炉温水平有关,还于锅炉燃烧状况有关,在炉温水平变化不大的情 况下,燃烧工况越好,散热损失小:2)改进后的qs在4个工况下均低于改进前的,改进 后qs在1.Ii¥~10.32%变化,改进前qs在7.64%~33.28%变化,改进后qs比改进前降低了 6.53~22.96个百分点.这主要是因为改进设计时增加了辐射受热面,对流受熟面,使得改
进后的锅炉炉膛温度比改进前的有了明显降低,降低了锅炉的散热损失.

田4.7改进前后过剩空气系数与m的关系围

田4.8改进前后过剩空气系数与q·的关系圈

从图4.7可见:1)改进前后灰渣物理热损失随排烟处过剩空气系数变化幅度不大, 这主要是因为灰渣物理热损失与灰渣中可燃物含量及燃料本身灰含量有关,其大小随排烟处 过剩空气系数变化不大:2)改进后的qe在4个工况下均高于改进前的,改进后m在0.133%~ 0.139%变化,改进前qB在0.081%~0.09lo/r变化,改进后m比改进前增加了0.052~0.048 个百分点.这主要是因为改进设计后锅炉炉膛温度比改进前的有了明显降低,灰渣中可燃物 含量增加,从而使灰渣物理热损失增加. 从图4.8可见:1)锅炉的总热损失为固体不完全燃烧热损失,气体不完全燃烧热损 失,排烟熟损失,散热损失及灰渣物理热损失之和.改进前后总热损失随a.增大而呈现相
似变化规律,即随着a.从小到大变化,q t先减少后增大,出现一个最小值,改进后为19.190,6,

河南农业大学硕士学位论文4改进后生物质成型燃料热水锅炉的热性能试验

改进前为29.87%.这主要是因为在q.较小阶段,总热损失主要决定于散热损失大小,Q.

较大阶段,总熟损失主要取决于排烟热损失大小,o.中值阶段,总热损失主要取决于排烟
热损失与散热损失;2)改进后的q j在4个工况下均低于改进前的.改进后q e在19.19%~ 36.00%变化,改进前q e在29.87%~47.04%变化,改进后q j比改进前降低了10.68~11.04

个百分点.这主要是因为针对第一代生物质成型燃料热水锅炉的不足的改进设计取得了成功
有效降低了排烟热损失及散热损失,从了降低了锅炉的总热损失,提高了锅炉热效率.

●-

._

圈4.9改进葡后过剩空气系数与n韵关系图

图4.10改进前后过剩空气系数与q'的关系固

从图4.9可见:1)改进前后热效率呈现相似变化规律,即随着a.从小到大变化,11 先增大后减少.出现一个最大值,改进后为80.81%,改进前为70.13%.其原因为热效率等 于100减去总热损失,与总热损失变化规律相反;2)改进后的q在4个工况下均高于改进 前的,改进后n在63.99%~80.81lj6变化,改进前q在52.96%~70.13%变化,改进后11比改
进前增加了10.68~11.03个百分点.其原因同q j,不再赘述.

从图4.10可见:1)改进前后燃烧效率呈现相似变化规律,即随着a.从小到大变化, q'先增大后减少,出现一个最大值,改进后为94.84%,改进前为98.20%.燃烧效率是气 体不完全燃烧热损失与固体不完全燃烧热损失之和,因此其变化规律同上述两者相同;2)
改进后的q 7在4个工况下均低于改进前的,改进后q'在87.56%~94.84%变化,改进前

q'在96.37%~98.2忮化,改进后11'比改进前降低了3.36~8.81个百分点.其原因同
上.

4.7小结 本部分对改进后的生物质成型燃料热水锅炉进行了热性能试验,结果表明:改进设计后 的锅炉,大幅度降低了排烟热损失及散热损失,从而降低了总热损失,提高了锅炉的热效率.

30

掰南农业大学硬士擘位论文

5生穗旗成型燃料热承镳炉模拟

5生物质成型燃料热水锅炉冷态模拟
在改透浸话蓬纛巾.虽然赞对第一健在结擒等方覆存在戆苓蹩送行了蘩改,毽簌锅炉翻 造安装前仍然无法确保改进设计的成功,通过热性能试验验证改进设计后的锅炉的确克服了 第一代的不足,降低丁排烟热损失及散热损失,提岗丁锅炉的热效帛,但是锅炉炉臆温度有 所降低,飙嚣降低7燃烧效率,蔻越,在以后的改逡设谤中骞必要瓣篡运行状态遴纷诗算辊 模拟,找到改进设诗过程中存在的瓣瓤及对穆改,为敬进设计提供参考.本部分将对改进设 计后的炉膛用商业软件Fluent作为Z具对不加料冷杰进行模拟,为今后生物质成型燃料锅 炉运行状态的模拟提供思路.

5.1霸l秘薛麓奔
FLUENT是用于计算流体流动_葶口佟热问题的程序….它提供的非结构网格生成穰序,对 相对复杂的几何结构网格生成非常有效.可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格;

三维约籍嚣俸,六霹髂及滢台网播.FLL联T还可裰攘诗霎结果疆熬霹揍,这彝夔褥鹣鑫逶
应能力对于精确求解肖较大梯度的流场有很实际的僚塌.由于弼格囟适应和调节只是在需要 加密的流动区域里实施,而非整个流场.因此可以节约计算时间.

FLL则T程序包中彀括下面几个部分:1.GAMBIT,用于建立几何结梅和唾格盼擞藏,2.
FLUENT,矮子逢行流动援苏诗算静求解器,3.prePDF,羯子模接FDF燃烧过程,毒.∞ri玉罐 子从现有的边界网格生成体网格,5. Filters,转换其他程序生成的网格,膊 予&溅躲计算.可苏搂叠戆疆痔毡撂;
ANSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等.

利用FLUENT软件进行流体流动与 传热的模拟计算流程如圈5.1所示.嚣 先翻麓GAMBIT避行流动区域凡簿形状 的构建,边界类型以及网格的生成,井

输出用予FL咖求解器计算的格式{然
嚣剩爱飘疆赆求簿器慰诱l凌嚣壤遵行 求解计算,并进行计算结果的后处理.
围5.1 fluent的组织结构圈

5.2阚题簸搓述
了解锅炉炉建懿流渤状态对手锅炉豹设计,舞发靼运行是菲常鬟瑟的.改进静衙生物质 成型燃料热水锅炉的炉膛结构基本没肖变化,其示意图如图3.3所萄薯,在X轴方向轴对称, 不加料冷态进风量适中(工况2)时,将空气其看作二维流动(x与Y向),其几何模型如
垂5.2掰暴.

5.3嗣格的划分

塑童查些盔兰塑主兰堡堡茎

!竺塑垦堕型堡整垫查塑丝堡型

利用FLUENT程序包中的GA蛐IT划分网格如图5.3所示,空气参数及边界条件…1如表
5.1所示.

圈5.2计算区域结构示意圈

5.3几何模型网格的划分朋 裹5 1空气参数及边界条件

项目

密度

等压比热

导热系羲

动力粘度

进口藏速

出口压力



望:!
查茎堡
!:!!! 5.4模型的选择

望:鲨:!!:!:!
!:!!! !:!!

垒:!

!:!:
!

翌.

上一
.-兰翌一

:!:!!!£竺

二!竺!一

炉膛内流动是一个复杂的湍流流动,目前有很多描述湍流流动的模型,FLIJEN'I"求解器 中亦给出多种模型,考虑到模型的可靠性和工程应用的可能性,选用k—e双方程模型对雷 诺应力项进行模拟,可以得到所需的控制方程.在正交直角坐标系下,基本控制方程""可用
式(5-1)~式(5-5)表示; 连续方程

善(雕)+÷(户D=0 蹦
cy, x方向动量方程

(5_1)

丢c刖+导p∞=昙俯·参+导俯,爹+
去c膨.考,+昙c膨·尝卜罢
y方向动量方程

,,

旧纠

去c椰导c删嗉九》专泐·-m6')
昙九.移+号九.等一爹

睁.,

河南农业大学硕士学位论文

5生物质成型燃料热水锅炉模拟

湍动能k方程

兰(础)+晏(肿)=昙岸.刍+昙岸.刍+G一班(5-4) 蕊 靠m劣 卵 卵西卵
湍动能耗散率e方程

兰(艘)+昙(‖o=晏(丝.罢)+晏(丝.刍+兰(c.G一心2占) 麟 四国啊 钾仍卯
Oy


(5—5)

咖滕]2+(珊(爹+妒盼(圳
y方向的速度分量. 上述方程中的系数C,=0.09;CI.1.44,C2=1.92;0'=1;o s=I.3.

伊e,

式(5-6)为湍流脉动动能的产生项:P为流体压力;p为气体密度;n.萨u1+ut为
有效粘性系数,其中,p-为层流粘性系数,u.=CⅡ·p k'/e为湍流粘性系数;U,v为x,

5.5离散化方法
由于所求解的基本方程都是非线形耦合的微分方程,因而基本方程在一般情况下是不能 用解析法求解的,而必需用数值解法求解.通过采用交错网格和一定的差分格式,可将上述 基本方程离散化,在此采用FLUENT默认的离散化方法.

5.6模型求解结果及分析
利用FLUENT求解器进行迭代计算,为了防止迭代发散,本文在迭代过程中采用各变量 松弛系数如下表5.2所示,残存曲线如图5.4所示,模拟结果如图5.5~5.8所示.

Turbulence

Turbulence dissipati.n 7u.rbule.nc.energy
vlsCoslty

困变量

pressure

density!.曲m.mentum
force

kinetic !呈!三g!

松弛因子0.3

I

1

0.7

0.8

从图5.4可见:连续性方程,x方向速 度,y方向速度,湍动能k方程,湍动能耗 散率£方程及能量方程在计算到176次时均 收敛,即上述方程在指定边界条件下是有解

的,因此,冷态不加料时,在规定的炉膛计 算区域及网格内,应用k--e模型模拟此状
态是合理的.

薹k
0.8 1

三璺!!

l

图5.4残差曲线图 5.E

1炉艟内空气速度分布的模拟结果

河南农业大学硕士学位论文

5生物质成型燃料热水锅炉模扭

圈5.5空气速度等值云图及速度矢量图

冷态不加料时,空气速度的等值云图及速度矢量图如5.5所示,由图可见:炉膛入口处

速度分布是均匀的,说明炉口进风均匀,速度分布主线分布较均匀,呈抛物线状,这与用彩
色飘带和细微粉末试验结果相似,炉膛出口处,由于截面积突然减小,速度骤增,炉膛的右

上角及左下角速度分布不均匀,有涡流的出现,说明有风死角.一方面浪费了锅炉空间,另 一方面对锅炉的均匀布风有很大的影响,因此,建议在以后的改进或优化过程中.对这两个
死角做合理的处理. 5.O.2妒膛内空气压力分布的模拟结果

固5.6空气压力等值云图硬等值线圈

冷态不加料时,空气压力的等值云图及等值线图如5.6所示,由图可见:在炉膛内压力

为负值,由上而下压力呈递减分布,这是因为锅炉使用后置引风机,在炉膛出口处,由于截
面积突减,速度骤增,压力则骤减.压力与速度的平方成正比,选择合适的风机,对锅炉的

布风至关重要,试验所用风机为市场中最小型号,但是对于所设计锅炉来说仍较大,在使用 过程中采用了将电机轴直径选成风机轴直径的一半及选用较窄皮带起到降低风机转速,减少 风量及风压的目的,从经验上而言可以达到设计要求,建议在以后的改进或优化过程中,对

河南农业大学硕士学位论文

5生物质成型燃料热水锅炉模拟

风机的选型要更加谨慎.

5.0.3妒厦内空气稿动能和潘动能耗散事分析 在湍流流动中,湍动能是指单位质量流体由于湍流脉动所具有的动能.习惯上.人们定

义湍流速度脉动场的湍动能为:七=去E.2+',2+_产J,由此可知,'湍动能主要来源于湍流


脉动,通过雷诺切应力傲功给湍流体提供能量. 湍动能的耗散是指脉动粘性应力与脉动应变率的乘积.湍动能耗散是指湍流动能与分子
动能之间发生输运,最终将这些能量耗散成热能.一般来说,湍流脉动量的瞬时速度梯度,

总比速度梯度大得多,因而湍动能的耗散要比平均流的牯性耗散大得多.
流体的湍动能和湍动能耗散不是孤立的,是有联系的.湍动能.i}和湍动能耗散率占的关
三}b

系是占=C:::-.

圈5.7空气湍动能等值云图及等值线圈

田5.8空气湍动能耗散事等值云图厦等值线圈

冷态不加料时,空气湍动能及湍动能耗散率的等值云图及等值线图如图5.7,5.8所示. 由图5.7可见:在速度分布主线湍动能基本保持不变,在炉膛出口处湍动能变化剧烈,急剧
35

河南农业大学硕士学位论文

5生物质成型燃料热水锅炉模拟

增加,这主要是因为出口处截面变化剧烈所致.由图5.8可见:炉膛内湍动能耗散率较小并 基本不变,炉膛出口处湍动能耗散率有较小程度的增大,说明此状态整体能量损失较小.由 湍动能和湍动能耗散率综合分析可以看出,他们是相互联系的:在湍动能大的地方湍动能耗 散率也较大.

5.7小结 本部分对改进设计后锅炉的炉膛用商业软件Fluent作为工具对不加料冷态进行模拟, 为以后生物质成型燃料锅炉的模拟提供参考,为今后发现改进设计过程中存在的问题及时修
改,为提高改进设计水平提供依据.

河南农业大学硕士学位论文

6结论与建议

6结论与建议
6.1结论
在研制第一代生物质成型燃料过程中,运用技术经济学对其进行分析,得出该类型的设 备在经济上是可行的,但与同类型的燃煤锅炉相比,燃煤锅炉在价格上还有一定的优势,随
着化石能源价格的上涨和国家对环保要求的提高,生物质成型燃料锅炉在价格上与燃煤锅炉

的差距将越来越小.但第一代生物质成型燃料热水锅炉存在着炉膛温度高,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,本研究从分析第一 代生物质成型燃料热水锅炉的设计依据出发.针对生物质成型燃料锅炉存在的问题,进行了 改进设计,并制造出一台421m的燃用生物质成型燃料的热水锅炉,在4种工况下对其进行 热性能试验,各项热性能指标达到设计要求,燃烧效率最高达94.84%,热效率最高达80.81%. 与第一代生物质成型燃料热水锅炉相比,各项熟损失,热效率和燃烧效率有着相似的变化规
律,但其大小有着不同程度的改变:

(1)改进后的锅炉散热损失有了明显降低.改进前4个工况下散热损失在7.64%~ 33.28%变化,改进后4个工况下散热损失在1.11%~10.32%变化,改进后散热损失比改进前
降低了6.53~22.96个百分点;

(2)改进后的锅炉排烟热损失有了明显降低.改进前4个工况下排烟热损失在10.65%~
33.18%变化,改进后4个工况下排烟热损失在3.07%~16.11%变化,改进后排烟热损失比改 进前降低了7.58~17.07个百分点;

(3)改进后的锅炉热效率有了一定程度的提高.改进前4个工况下热效率在52.9696~ 70.13%变化,改进后4个工况下热效率在63.99%~80.81%变化,改进后n比改进前增加了 10.68411.03个百分点; (4)改进后的锅炉气体不完全燃烧热损失,固体不完全燃烧热损失和灰渣物理热损失 有一定程度的增加.改进前4个工况下气体不完全燃烧热损失在0.522%~1.267n%变化,改 '进后4个工况下气体不完全燃烧热损失在2.13%~6.72%变化,改进后气体不完全燃烧热损 失比改进前增加了1.61~5.45个百分点;改进前4个工况下固体不完全燃烧热损失在 1.275%~2.30',eJ毫化,改进后4个工况下固体不完全燃烧热损失在3.26%~4.44%变化,改进 后固体不完全燃烧热损失比改进前增加了1.99~2.08个百分点;改进前4个工况下灰渣物 理热损失在0.081%~0.091%变化,改进后4个工况下灰渣物理热损失在0.133%~0.139%变
化.改进后灰渣物理热损失比改进前增加了0.052~0.048个百分点.

6.2建议
(1)在对生物质成型燃料与煤在微观结构进行比较时发现两者有着很大的差别,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.

河南农业大学硕士学位论文

6结论与建议

(2)通过热性能试验证明改进设计后的生物质成型燃料热水锅炉克服了第一代的不足, 但是,气体不完全燃烧热损失,固体不完全燃烧热损失及灰渣物理热损失较小程度的增加是 我们不愿看到的结果,为了提高改进设计水平,有必要对生物质成型燃料锅炉运行状态进行 模拟.本论文对冷态不加科这种最简单的情况进行了模拟,还不能为改进设计提供充足的参 考,因此有必要进一步对其进行各种状态,各种工况进行模拟,用于指导以后的改进或优化
设计.

河南农业大学硕士学位论文

参考文献

参考文献
[1Iv.斯密尔,t E.诺兰德.发展中国家的能源问题Is].北京:农业出版社,1983.

[2]邓可蕴,贺亮.我国农村地区能源形势分析[J].中国工程科学,2000,2(6):52—58. [3]王革华.全面建设小康社会的农村能源问题及其发展战略[J].科技导报,2005,23(5):
53—55.

[4]中国农村能源行业协会.中国生物能开发利用与战略思考[R].2000. [5]何元斌.生物质压缩成型燃料及成型技术一[J].农村能源,1995,(5):12-14. [6]何元斌.生物质压缩成型燃料及成型技术二[J].农村能源,1995, [7]何元斌.生物质压缩成型燃料及成型技术四[J].农村能源,1996,
(6):19-21. (2):14-15.

[8]郑戈,杨世关,孔书轩,等.生物质压缩成型技术的发展与分析口】.河南农业大学学报,
1998,32(4):349-354.

[9]李保谦,马孝琴,张百良,等.秸秆成型与燃料技术的产业化分析[J].河南农业大学学
报,2001,35(1);78—80.

[103樊峰鸣.我国农村秸秆成型燃料规模化技术研究【D].郑州:河南农业大学,2005. [11]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.

[12]刘圣勇.国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状[J].可再生能源,2002,
(4):14-15.

[13]J.■Taylor,L.Hennah.The affect
on

of binder displacements during

Briquetting

the Strength of Formed coke EJ].Fuel 1991,(70):860—875
from

[14]Launhardt Thomas.How Clean Do Chip Furnace.Burn-measuring FⅫissions

Domestic Wood Chip Furnaces All Across Bavaria[J].Lan Dtechnik.1999,54(1): 28—5

[15]Faborode M.o.Callaghan J.R.Theoretical Analysis

of the Compression of Fibrous

Agricultural llaterials[J].Journal of Agricultural Engineering Research 1980,

35(3):170—190

[16]Bein

K R.Bemtgen J M.A clean coal technology_combustion of coal and biomass.

Fuel Procedding

Technology.1998.54:159—169
of Particle F如ission from

[17]J.Pagels,M Strand,A Gudmundssom Characterization
a

Commercially Operated 1MW Biomass Fired Boiler 111.Journal of Aerosol Science.
'

USA'2001,32(1):9卜96

[18]张百良,樊峰鸣,等.生物质成型燃料技术及产业化前景分析[J].河南农业大学学报,
2005,39(1):11卜115.

[19]徐康富,龙兴.浅谈生物质型煤利用生物质能的意义及环保效益[J].能源研究与利用,
1996,(3):3-6.

河南农业大学硕士学位论文

参考文献

[20]刘雅琴.大力开发工业锅炉生物质燃烧技术前景分析[J].工业锅炉,1999,(3):2-3. [2t]马孝琴,李刚.小型燃煤锅炉改造成秸秆成型燃料锅炉的前景分析[J].农村能源,200l,
(5):20-22.

[22]徐通模.燃烧学[M].北京:机械工业出版社,1984. [23]钟华平,岳燕珍,樊江文.中国作物秸秆资源及其利用[J].资源科学,2003,25(4):
62—67.

[24]马孝琴.生物质(秸秆)成型燃料燃烧动力特性及液压秸秆成型机改进设计研究[D].
郑州:河南农业大学,2002.

[25]朱群益,赵广播,等.煤粉着火温度与煤的元素分析及工业分析间的关系[J].哈尔滨
工业大学学报,1993,25(2):25—28.

[26]孙学信.燃煤锅炉燃烧试验技术与方法[M].北京:中国电力出版社,2002. [27]毛健雄,等.煤的清洁燃烧[M].北京:科学出版社,1998.
[28]郑楚光.洁净煤技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1996.

[29]吴刨之,马隆龙.生物质能现代化利用技术[町.北京:化学工业出版社,2003. [30]袁权.能源化学进展瞳].北京:化学工业出版社,2005. [31]陈军,陶占良.能源化学[M].北京:化学工业出版社,2004. [32]刘圣勇,赵迎芳,张百良.生物质成型燃料燃烧理论分析[J].能源研究与利用,2002,
(6):26-28.

[33]马孝琴.秸秆着火及燃烧特性的试验研究[刀.河南职业技术师范学院学报,2002,16
(2):69—73.

[34]沈伯雄,刘德昌,陆继东.石油焦着火和燃烧燃烬特性的试验研究[J].石油炼制与化
工,2000,31(10):60-65. [35J张全国.燃烧理论及其应用叫].郑州:河南科学技术出版社,1993

[36]常弘哲.等.燃料与燃烧[H].上海:上海交通大学出版社,1993 [37]傅维镳,等.燃烧学[M].上海:高等教育出版社,1989.
[38]宋贵良.锅炉设计手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1996. [39]马承伟,苗香雯.农业生物环境工程CU].北京:中国农业出版社,2005. [40]鲁楠.新能源概论[U3.北京:中国农业出版社,1995.

[41]蔡龙俊,鲁雅萍.农业温室供热系统的研究与设计[力.建筑热能通风空调,2001,(2).
23—27.

[42]周增产.温室采暖热负荷计算及常用补温方式的选择[J].蔬菜,2004,(10)i

41-43.

[43]徐克生,王琦,王述洋.刘明刚.目光温室的热平衡计算[J].林业机械与木工设备,
2004. (7):24—27.

["]叶文荪,赵朝会.电工技术rM].北京:机械工业出版社,1998. [45]钱清泉.实用电工手册【M].成都:电子科技大学出版社,1996.
40

河南农业大学硕士学位论文

参考文献

[46]田秀华,杨顺.几种温度控制方法的特点及应用[J].自动化与仪表,2001,16(6):
62_63.

[47]李之光.工业锅炉常用标准规范汇编[M].北京:中国标准出版社,2004. [48]张永涛.锅炉设备及系统[M].北京:中国电力出版社,1998.5.

[49]韩占忠,王敬,兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大
学出版社,2004. [50]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2002. [51]扬官平,潘朝红,王保生.霄型火焰锅炉燃烧室三维冷态流场的数值计算[刀.电力情报,
1999(2):38—38.

41

河南农业大学硕士学位论文

英文摘要

IMPROVED DESIGN

AND EXPER耵uENT ON HOT

WATER

BoILER OF

BIOMASS BRIQUETTES

FUEL

Supervisor:Prof.Liu Shengyong

Master Candidate:Li Yin
ABSTRACT
to the market

This paper aims tO getting the biomass briquettes fuel burning equipment

and realizing commercial produce.First the study analyzes the calculation

reliance ofthe 1st hot water boiler ofbiomass briquettes fuel,then aiming at the problem of

it,such器laigller

hearth

temperature.higller

smoke temperature improved design is

conducted and another smaller hot water boiler ofbiomass briquettes fuel is manufactured. Under 4 states thermal characteristics experiment is conducted,the highest combustion efficiency is 94.84%,the highest thermal efficiency is 80.81%,and other kinds ofthermal

characteristics parameter attain design requisition,the deficiency ofthe 1st generation is o'vel"come.Comparing
to the 1st

generation,all kinds of thermal loss,thermal efficiency

and combustion efficiency have the similar variance law,but the degree is different.

(1)The heat elimination

loss of improved design has apparently decreased.Before

improved design the heat elimination loss is between 7.64%and 33.28%OIl 4 states.after improved design the heat elimination loss is between 1.11%and 10.32%Oil 4 states.after improved design 6.35,--22.96%has been saved.

(2)The

exhaust smoke heat loss of improved design has apparently decreased.Before
states,

improved design the exhaust smoke heat loss is between 10.65%and 33.18%On 4

after improved design the exhaust smoke heat loss is between 7.58%and 17.07%011 4 states,after improved design 7.55~17.07%has been saved.

(3)m thermal efficiency of improved design has increased.Before improved design
the thermal efficiency is between 52.96%and 70.13%011 4 states,aider improved design the thermal efficiency is between 63.99%and 80.81%011 4 states.afIer improved design

10.68~11.03%has been added.

(4)The
physical

gas imperfect combustion loss,the solid imperfect combustion loss and the heat loss have increased.Before improved design the gas

slag

imrm'feet

combustion loss is betwl=cn O.522%and 1.267%013.4 states,alter improved design the gas

imperfect combustion loss is between 2.13%and 6.72%On 4 states.after improved
design

1.61~5.45%has been added.Before improved

design

the

solid

imr,erf鳅

combustion loss is between 1.275%and 2.36%013.4 states.after improved design the solid imperfect combustion loss is between 3.26%and 4.44%On 4 states.atter improved design 1.99,--2.08%has been added.Before improved design the physical slag heat loss is

河南农业大学硕士学位论文

英文摘要

be括veen O.081%and O.091%on 4 states.after improved design the physical slag heat loss

is between O.133%and O.139%OH 4 states.after improved design O.052~0.048%has been added. Finally commercial
which provides
a

software(Fluent)is

used to simulate the cool state of no—fuel,
Success

way of thinking to increase the

coefficient of improved defign

and lays

a

foundation for the flLrther simulation.

Key words:Biomass Briquettes;Hot

Water

Boiler ofBiomass Bdquettes;Improved

Defign;Number

simulation

43

生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验
作者: 学位授予单位: 李荫 河南农业大学

相似文献(3条) 1.期刊论文 王晓东.武少菁.刘圣勇.贵祥震.李荫.Wang Xiaodong.Wu Shaojing.Liu Shengyong.Gui Xiangzhen.Li Yin 新Ⅱ型生物质成型燃料热水锅炉的正反(火用)平衡分析 -农业机械学报2009,40(3)
通过对新Ⅱ型生物质成型燃料热水锅炉进行正,反(火用)平衡计算和分析,得出新Ⅱ型生物质成型燃料热水锅炉的主要(火用)损失部位和参数,用反平衡 (火用)效率分析得知燃烧不可逆(火用)损失最大,约为69.93%,其次为传热不可逆(火用)损失,约为14.50%,并用可避免(火用)损失概念对计算结果进行分析 ,表明采用可避免(火用)损失概念后,燃烧部位,传热部位,排烟部位的实用(火用)效率分别为42.6%,86.2%,92.1%.

2.期刊论文 赵迎芳.梁晓辉.徐桂转.叶芳.刘圣勇.孙建青.ZHAO Ying-fang.LIANG Xiao-hui.XU Gui-zhuan.YE Fang. LIU Sheng-yong.SUN Jian-qing 生物质成型燃料热水锅炉的设计与试验研究 -河南农业大学学报2008,42(1)
在对生物质成型燃料元素分析及燃烧特性研究的基础上,设计生产了180 kW生物质成型燃料热水锅炉,并进行了热性能试验.结果表明,在试验工况下锅炉 燃烧效率达94.8%,热效率迭78.2%,排烟损失为10.09%,气体不完全损失为0.522%,散热损失为7.9%.排烟中NOx,SO2及烟尘浓度远远低于燃煤锅炉,且符合国家 工业锅炉大气中污染物排放标准要求.

3.期刊论文 赵迎芳.谢芳.刘圣勇.ZHAO Ying-fang.XIE Fang.LIU Sheng-yong 180 kW生物质成型燃料热水锅炉的经 济技术评价 -实验技术与管理2008,25(9)
针对上一代生物质成型燃料燃烧设备的缺陷而进行改进设计的适合于生物质成型燃料燃烧,供热量为180 kW的新型生物质成型燃料专用燃烧设备,采用 技术经济的动态分析法进行评价,得出该锅炉效益-费用比为1.721,净现值87899,投资回收期为1.28,内部收益率为51.34%,在技术经济上是可行的,具有较好 的推广前景.

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y962603.aspx 授权使用:上海电力学院(wfshdlxy),授权号:bc935a80-b027-47e2-be9e-9dc40106ecb2 下载时间:2010年7月31日

相关文章:
生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验
生物质成型燃料热水锅炉的改进设计与试验 中文摘要 1 概述 1.1 研究背景 1.2 生物质成型燃料燃烧设备的国内外研究状况 1.2.1 国外研究状况 1.2.2 国内研究...
生物质成型燃料锅炉设计
生物质成型燃料锅炉设计_能源/化工_工程科技_专业资料...在形成理论的生物质型煤燃烧技术国家重点 实验室。 ...需要进一步研究,改进,提高,因此不适合在 中国引进。...
一种固体成型燃料生物质热水锅炉的开发设计
一种固体成型燃料生物质热水锅炉的开发设计_能源/化工_工程科技_专业资料。龙源...20℃ 试验压力:1.4MPa 辐射受热面:26.08m2 对流受热面:111.7m2 省煤器...
生物质热水锅炉节能分析
1、生物质燃料 1.1 生物质燃料是指通过生物质压缩成型技术将秸秆、稻壳、锯末...3.2 辐射受热面 早期的部分生物质燃料热水锅炉设计布置不够合理,水冷炉排直接...
生物质成型燃料锅炉设计原理
生物质成型燃料锅炉设计原理_电子/电路_工程科技_专业...在形成理论的生物质型煤燃烧技术国家重点 实验室。 ...需要进一步研究,改进,提高,因此不适合在 中国引进。...
小型燃煤锅炉改造为生物质成型燃料锅炉的可行性分析
试验,燃煤锅炉改造成生物 质成型燃料锅炉后可达到相同的工作出力,锅炉热效率达 58%以上。 四、锅炉改造经济性分析 锅炉在达到相同工作出力情况下运行的经济性主要...
燃煤锅炉改生物质燃料锅炉方案分析
锅炉改造为燃烧生 物能(生物质固体成型燃料)锅炉。...为了节约锅炉房占地面积,同时又符合锅 炉设计规范...(3) 通过三参数三水平三参数全部实验模拟, 可以...
生物质锅炉节能改造案例
生物质锅炉节能改造案例_化学_自然科学_专业资料。生物质气化炉,生物质成型燃料 生物质锅炉节能改造案例案例 1: 浙江某县化工园区有多家小型化工企业, 因国家限制...
生物质成型燃料技术
成型 燃料高新技术.生物质成型燃料主要用于热水锅炉...靠性差,仍需要投入大量资金与技术进行改进设计、完善...还有些 是小企业与科研单位边试验边生产改进,经济...
更多相关标签:
生物质成型燃料 | 生物质成型燃料机 | 生物质成型燃料价格 | 生物质成型燃料设备 | 生物质成型燃料标准 | 生物质成型燃料热值 | 生物质固体成型燃料 | 生物质成型燃料锅炉 |