第ｌ１卷第６期 ２０１１年１２月 金华职业技术学院学报 ＶｏＤ１．１１ Ｎｏ．６ ｅｃ．２０１１ 生物质成型燃料锅炉的结构特性研究 李文健 ，王标兵 ，盛继生 （１．浙江金锅锅炉有限公司，浙江金华３２１０００；２．金华职业技术学院，浙江金华３２１００７） 摘要：为了提高了锅炉的燃烧效率和热效率，根据生物质成型燃料特性及燃烧规律的试验分析，采用链条炉排，增 强了炉膛燃烧强度：高且加长的的炉膛使得生物质成型燃料在炉膛内燃烧的燃烬程度增加：通过热工计算设计了生物 质成型燃料锅炉。达到了设计的目的。 关键词：生物质成型燃料；燃烧特性；锅炉结构 中图分类号：ＴＫ２２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—３６９９（２０１１）１２—００４９—０４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１６７１—３６９９．２０１ １．１２．０１４ 我国能源生产结构中煤炭比例始终在６７％及 以上，煤炭是我国能源的主体。我国年消耗燃煤约 １２亿～１５亿吨，其中大多数直接作为燃料被消耗 掉．以煤为主的能源结构直接导致能源活动对环境 态物质），燃料中的挥发分及其热值对生物质的着 火和燃烧情况都有较大影响，燃料中挥发分越多， 易着火，燃烧越稳定。生物质和煤的挥发分范围及 热值见表１。 表１生物质和煤的挥发分含量及热值 质量和公众健康造成了极大危害。生物质固体成型 燃料（简称生物质燃料）是利用新技术及专用设备 将农作物秸秆、木屑、锯末、花生壳、树枝叶、干草等 压缩成型的现代化清洁燃料．无任何添加剂和粘结 剂．既可以解决农村的基本生活能源，也可以代替 煤炭直接用于城市传统的燃煤锅炉设备上。生物质 成型燃料破碎率小于１．５％一２．０％．干基含水量小于 １５％，灰分含量小于１．５％，特别是硫和氯含量一般 均小于０．０７％．氮含量小于０．５％，生物质燃料是我 另一个与着火和燃烧情况关系密切的参数是 燃料的热值，不同的生物质种类。其主要组成元素 也不同，热值也有差异。几种主要生物质的元素组 成及热值见表２。 由表１和表２可以看出。生物质成型燃料的挥 国大力提倡的可再生能源资’源【”。 １ 生物质成型燃料的特点 本课题所分析的是以松木为主要原料压制成 发分高于煤炭，而灰分、氮和硫含量远小于煤炭，其 热值也小于煤炭。 型的生物质燃料，与传统的矿物能源燃料比。生物 质成型燃料的成份及燃烧特点都有很大的不同。 １－２生物质成型燃料的燃烧特性 生物质成型颗粒燃料是经过高压而形成的．其 密度远远大于原生物质。成型燃料的结构与组织特 １．１生物质成型燃料的成份特点 生物质燃料的化学组成是十分复杂的高分子 物质，在作为燃料的工程技术应用中．大致可将其 分为二部分［２１：有机物（可燃部分）和无机物（可燃部 征决定了挥发分的析出速度与传热速度都很低。生 物质成型燃料的燃烧过程可分为干燥脱水、挥发分 析出、挥发分燃烧、焦炭燃烧和燃烬几个阶段。加热 分）。有机物中主要是挥发分（由Ｃ、Ｈ、０、Ｎ、Ｓ等元 素组成的气态物质）和固定碳（由Ｃ元素组成的固 收稿日期：２０１１－０６—０８ 初始阶段，生物质颗粒燃料中的水分蒸发。燃料干 燥脱水；随着颗粒燃料温度的不断升高．挥发分开 作者简介：李文健（１９７９一），男，浙江金华人，浙江金锅锅炉有限公司Ｔ程师，研究方向为锅炉产品的设计和开发。 ４９ 金华职业技术学院学报 表２几种典型生物质的元素分析、工业分析及低位发热热值 始析出，这一过程可认为是气化过程；随着燃料继 续被加热。挥发分的温度也随之提高，当挥发分中 可燃物达到一定温度和浓度，挥发分开始着火；同 时挥发分没有燃烬时，木炭只能被加热而不能燃 烧．只有当挥发分烧完后，氧气才能扩散到木炭表 面．木炭才开始着火。 性。对链条炉排的送风系统和炉拱进行改进，以达 到与传统的燃煤锅炉使用方法一致的目的。生物质 成型颗粒燃料燃烧过程：首先将生物质成型颗粒燃 料投入到料斗１．根据锅炉负荷及燃烧情况通过调 节煤闸门２。来控制燃料层厚度。一次风从送风口３ 穿过炉排４和燃料层５进入炉膛，提供燃烧所需要 的一次空气，燃料在炉排的带动下缓缓向炉后移 ２生物质成型燃料锅炉的结构设计 从生物质成型燃料的特性分析出发．本课题设 计的锅炉为链条炉排炉．锅炉额定蒸发量Ｄ＝２ ｔ／ｈ 动，成型颗粒燃料在热源和空气的共同作用下脱 水、气化、燃烧，产生的含可燃物气体的高温烟气快 速进入炉膛６，进行辐射换热；没有燃烬的可燃物进 入燃烬室７后继续燃烧．然后高温烟气进入第一、 二回程烟管８及锅炉尾部省煤器１０进行对流换 热．在引风机１２的作用下经除尘器１１后送人烟囱 １３．排到大气。燃料燃尽后形成的灰渣由炉排输送 额定工作压力 ＝０．８ ＭＰａ，额定蒸汽温度ｔ＝１７５℃， 给水温度 ＝２０ ｃＣ。 ２．１生物质成型燃料锅炉的总体设计 锅炉的燃烧技术采用层燃技术，与传统的链条 炉排燃煤蒸汽锅炉相似，根据生物质燃料的燃烧特 至出渣口由除渣机９排出炉体（图１）。 根据生物质颗粒的燃烧特点，前拱部位存在大 量的挥发分，因此在前拱出口部设置二次风，起到补 ３ 图１锅炉结构图 ５０ 第６期 李文健等：生物质成型燃料锅炉的结构特性研究 充氧气助燃和扰动烟气的作用：二次风的设计应有一 定的流速和一定的有效射程。考虑到生物质燃料的挥 发分特别高，极易着火，锅炉的着火点应该向后移，同 时将煤闸门改成水冷．以避免引燃料斗中的燃料。 烟温ｏ－ｔ＝１０２７．１２℃，辐射受热面传热量 ＝１７００．２５ ｋｃａｌ／ｋｇ对辐射受热面进行热力校核．校核结果符合 设计要求。 ２．４生物质成型燃料锅炉对流受热面的设计 对流管束的设计计算。对流受热面分两个区 域。第一区由６１支规格为 ５７×３．５ ｍｍ。Ｌ＝３２２０ ２．２生物质成型燃料锅炉炉膛设计 生物质成型燃料锅炉炉膛设计参考文献［３—４１， 炉膛容积和炉排面积是锅炉炉膛设计的两个主要 参数，根据标准推荐，该燃料的炉排面积热负荷 为６００ ８５０ ｋｗ／ｍ ；炉膛容积热强度Ｑ ２３０～３５０ ｋＷ／ｍ 。 ｍｍ的烟管组成，设计烟气流速为１９．２２ ｍ／ｓ；第二 区由４１支规格为ｑｂ５７￣３．５ ｍｍ。Ｌ＝３２２０ ｍｍ的烟管 组成，设计烟气流速为１６．５４ ｍ／ｓ，符合标准推荐值。 同时，为了能满足降低锅炉排烟温度的目的，在锅 炉本体之外．加装了铸铁省煤器．受热面积为 ２１．１２ｍ 。为了提高换热效果，第一、二对流烟管采用 先进的螺纹管技术。并依据相关校核方法校核对流 依据热平衡计算，该锅炉选用燃料的计算燃料 耗量为３４１．１ ｋｇ／ｈ，生物质成型颗粒燃料低位发热 量Ｑｎｅｔ，ａｒ＝１８０４０ ｋＪ／ｋｇ；通过计算得出。锅炉炉膛 容积为 一 Ｑ＝ 一 ３５０ ＿４．一Ｔ‘９ｍ３／－ｕ 管束传热量。结果符合设计要求。 ３生物质成型燃料锅炉热力计算汇总 生物质成型燃料锅炉热力计算参照文献［５１，生 锅炉炉排有效面积为 ＝ 一 ＝ ８５０ ．２．…０２ｍ ～‘ 物质成型颗粒燃料锅炉燃料成份、热效率及热平衡 计算分别见表３、表４。 炉膛相关技术参数为：理论燃烧温度（ ）： １６３４．９５℃；炉膛出口烟温（０”）：１０２７．１２℃；辐射吸 热量（ ）：１７００．２５ ｋｃａｌ／ｋｇ；炉膛出口烟焓（／２）： ２５３２．７７ ｋｃａｌ／ｋｇ；平均热容量（Ｖ ）：２．８５ ｋｃａｌ／ｋｇ．℃。 ２．３生物质成型燃料锅炉辐射受热面的设计 辐射受热面由锅筒和水冷壁管组成．水冷壁管 采用 ＝６３．５ ｍｍ的单排无缝钢管，间距ｓ＝ｌＯ０ ｒｎｍ。 辐射受热面积 ＝５．２６ ｍ 。依据我国层状燃烧及沸 腾燃烧－ｒ＿，＿ｌｋ锅炉热力计算方法、校核计算，对锅炉 的辐射受热面进行了热力计算。计算得出炉膛出口 锅炉各部位受热面积及烟气参数计算见表５。 表３燃料成份和热效率计算 ５１ 金华职业技术学院学报 表５各部位受热面积及烟气参数 ４锅炉风机选型设计 通风设备是锅炉的呼吸器官，通风是调整锅炉 出力的手段，只有合理地设计通风系统和选用通风 设备．才能保证锅炉的燃烧和传热过程正常进行。 目前常用的机械通风方式有三种：即负压通风、平 择风机型号。本设计选择由某公司生产的送风机和 引风机，送风机型号为４—７２ Ｎｏ ３．６Ａ，引风机型号 为Ｙ６—３０Ｎｏ～７．５Ｃ。 ５结论 通过对生物质成型燃料燃烧特性的分析。比较 衡通风和正压通风。本文设计的锅炉选用平衡通 风，即在锅炉设备中同时装有送风机和引风机，送 风机是用于克服风道阻力，依据燃烧需要的空气量 及适当的过量空气系数和风道全压降。选择送风机 燃散煤锅炉的结构特点，改进燃散煤锅炉的结构， 采用高且加长的炉膛，加强了颗粒燃料的气化效 时，为了安全起见应考虑一定的储备，用储备系数 加以修正。引风机是用于克服烟道阻力，依据燃烧 产生的烟气量和烟道全压降以及一定的储备系数， 果，使燃烧更加充分，从而提高锅炉热效率；采用多 点平衡配风法使炉膛过量空气系数减小而减少排 烟损失；往复炉排的技术应用在生物质成型燃料锅 炉上。使得炉膛燃烧强度增加。改善了燃料的着火 状况，燃料燃烬率高。 来进行选择。送、引风机风量和风压可由计算确定， 依据计算结果和锅炉辅机厂家提供的产品目录选 参考文献： 【１］王江辉，王才梅，程［２］吕学敏，虞亚辉，林浩．生物质固体成型燃料锅炉燃烧环保分析【Ｊ】．农村农业农民：Ａ版，２０１０（９）：３０－３１． 鹏，等．典型生物质燃料层燃燃烧特性的试验研究［Ｊ］．动力工程，２００９（３）２８２－２８５． ［３】李燕东，王述洋，刘会粉，等．生物质成型颗粒燃料气化锅炉的设计研究［Ｊ】．机电产品开发与创新，２００９（７）：３７－３９． ［４］Ｅｄｕａｒｄ Ｈａｔｔｏｎ．中欧工业锅炉节能减排现状［Ｊ］．工业锅炉，２００９（６）：１１－１７． ［５］宋贵良．锅炉计算手Ｅｔｆ［Ｍ］．沈阳：辽宁科学技术出版社，１９９５． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｆｏｒ Ｂｉｏｍａｓｓ Ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ Ｂｏｉｌｅｒ ＬＩ Ｗｅｎ－ｊｉａｎ，ＷＡＮＧ Ｂｉａｏ－ｂｉｎｇ，ＳＨＥＮＧ Ｊｉ—ｓｈｅｎｇ （１．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｊｉｎｇｕｏ Ｂｏｉｌｅｒ ＣＯ．，ＬＴＤ．，Ｊｉｎｈｕａ ３２１０００，Ｃｈｉｎａ，＂２．Ｊｉｎｈｕａ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｊｉｎｈｕａ ３２１００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍａｓｓ ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｈｅａｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｉｔ ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｂｉｏｍａｓｓ Ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ Ｂｏｉｌｅｒ．Ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ ｇｒａｔｅ，ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｒｔｈ ｂｏｘ．Ｔｈｅ ｌｏｎｇｅｒ ｈｅａｒｔｈ ｂｏｘ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍａｓｓ ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｗｅｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍａｓｓ ｂｒｉｑｕｅｔｔｅ，ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｂｏｉｌｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 责任编辑傅美贞 ５２
