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李燕東，王述洋，劉會(huì)粉，汪莉萍，景果仙
(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。黑龍江哈爾濱150040)
摘要：根據(jù)生物質(zhì)成型顆粒燃料特性及燃燒規(guī)律，通過詳細(xì)的熱工計(jì)算設(shè)計(jì)了生物質(zhì)成型顆粒燃料氣化鍋爐。鍋爐采用往復(fù)爐排，增強(qiáng)了爐膛燃燒強(qiáng)度，高的爐膛高度使得鍋爐氣化燃燒的程度增加。從而提高了鍋爐的燃燒效率和熱效率。
0引言
生物質(zhì)能源作為人類利用最早、最直接的一種傳統(tǒng)能源。被利用了幾十萬年。但是由于生物質(zhì)本身存在的問題而未能被大規(guī)模利用.例如：生物質(zhì)熱值低、一般利用前都需預(yù)處理、不便于運(yùn)輸存儲(chǔ)、缺乏專用的燃燒設(shè)備等。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以能源的消耗為重要?jiǎng)恿Γ?jīng)濟(jì)越發(fā)展.能源消耗就越多。尤其是化石燃料消費(fèi)的增加。這樣就有兩個(gè)突出問題擺在我們前面：一是環(huán)境污染日益嚴(yán)重：二是化石燃料的緊缺。農(nóng)村的能源問題更加突出.一方面農(nóng)村過剩的農(nóng)作物剩余物或堆放在田間地頭。占用寶貴的農(nóng)田，或就地焚燒，不僅浪費(fèi)大量的秸稈資源而且嚴(yán)重污染環(huán)境；另一方面國(guó)內(nèi)0.5-4.0 t的燃煤快裝鍋爐已大量應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的生產(chǎn)用熱和鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民的冬季采暖，嚴(yán)重制約了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與能源的可持續(xù)發(fā)展。因此，研發(fā)性能完備的生物質(zhì)燃燒設(shè)備，妥善處理農(nóng)村秸稈剩余問題，已成為解決環(huán)境污染，提高農(nóng)民生活質(zhì)量的一項(xiàng)重要課題。
1設(shè)計(jì)依據(jù)
本文所設(shè)計(jì)的生物質(zhì)成型顆粒燃料氣化鍋爐是以燃燒玉米秸稈成型顆粒燃料的專用燃燒設(shè)備。
1.1生物質(zhì)成型顆粒燃料的特性
表1是玉米秸稈成型燃料的工業(yè)分析和元素分析以及發(fā)熱量數(shù)值。
由表1看出，生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)分高于煤炭。灰分、氮和硫含量遠(yuǎn)小于煤，其熱值小于煤。研究表明。生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒性能優(yōu)于柴薪.可以實(shí)現(xiàn)高效、潔凈、低排放燃燒。生物質(zhì)成型燃料燃燒具有自身的特性。
1.2生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒特性
由于生物質(zhì)成型顆粒燃料是經(jīng)過高壓而形成的顆粒(直徑∅=6～10mm，長(zhǎng)度L<80mm)狀物料，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生物質(zhì)，顆粒燃料的結(jié)構(gòu)與組織特征決定了揮發(fā)分的析出速度與傳熱速度都大大降低。生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒過程可分為干燥脫水、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒和燃燼5個(gè)階段：①生物質(zhì)顆粒燃料中的水分蒸發(fā)；②隨著顆粒燃料溫度的不斷升高，揮發(fā)分開始析出，燃燒處于動(dòng)力區(qū)，這一過程即可認(rèn)為是氣化過程；③揮發(fā)物與氧氣結(jié)合、燃燒，形成火焰，燃燒進(jìn)入過渡區(qū)與擴(kuò)散區(qū)，同時(shí)揮發(fā)分燃燒所需的氧與外界擴(kuò)散的氧很好的匹配，揮發(fā)分能夠燃盡；④揮發(fā)分燃燒完后，此時(shí)燃料中的木質(zhì)素已經(jīng)炭化，空氣中的氧氣充分接觸到焦炭，焦炭開始燃燒。焦炭燃燒所需要的氧與靜態(tài)滲透擴(kuò)散的氧相當(dāng)，燃燒穩(wěn)定持續(xù)，爐溫較高；⑤燃燼殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，在沒有強(qiáng)烈干擾的情況下.形成整體的灰殼，灰殼表面看不到火焰。燃燒過程結(jié)束。
1.3生物質(zhì)顆粒燃料氣化鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)
2生物質(zhì)成型顆粒燃料氣化鍋爐設(shè)計(jì)
2.1鍋爐總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
鍋爐的燃燒技術(shù)利用層燃技術(shù)，采用單鍋筒縱向布置，鍋筒下部為爐膛，爐膛內(nèi)布置水冷壁；爐膛兩側(cè)為對(duì)流煙道，對(duì)流煙道里布置對(duì)流受熱管束；鍋筒內(nèi)設(shè)置煙管，此外有下集箱、風(fēng)室、進(jìn)料斗、灰渣室、爐墻、閥體等組成，鍋爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
以圖1為例介紹該生物質(zhì)成型顆粒燃料氣化鍋爐的工作原理。首先一定量的生物質(zhì)成型顆粒燃料經(jīng)過爐門1送入到水平往復(fù)爐排2上。一次風(fēng)從送風(fēng)口13穿過爐排和燃料層進(jìn)入爐膛。提供燃燒所需要的一次空氣，燃料在活動(dòng)爐排的帶動(dòng)下緩緩向前移動(dòng).成型顆粒燃料在熱源和空氣的共同作用下脫水、氣化、燃燒，產(chǎn)生的含可燃物氣體的高溫?zé)煔庠诤蠊?的阻擋下反向流動(dòng)進(jìn)入上部爐膛空間.與二次風(fēng)道4噴出的空氣充分混合而迅速燃燒。燃燒完全的高溫?zé)煔獗环殖蓛晒煞謩e進(jìn)入左右煙道5，然后煙氣流經(jīng)爐膛兩側(cè)的對(duì)流煙道6中，沖刷對(duì)流受熱管束并與其中的工質(zhì)進(jìn)行熱交換.錯(cuò)綜排列的對(duì)流管束使煙氣中灰分的含量大大減少。由對(duì)流煙道6出來的潔凈煙氣經(jīng)過外煙道7進(jìn)入埋設(shè)在鍋筒里的煙管8中，潔凈煙氣流過煙管8由煙口9排出.在引風(fēng)機(jī)的抽力作用下送入煙囪，排到大氣中。燃料燃盡后形成的灰渣由往復(fù)爐排的輸送從出渣口14排到鍋爐底部的灰渣室。此外，在鍋筒上安裝安全閥10、入孔11、主蒸汽出口12。
2.2生物質(zhì)成型顆粒燃料氣化鍋爐爐膛設(shè)計(jì)
爐膛體積和爐排面積是鍋爐爐膛的兩個(gè)主要參數(shù)，由式(1)、(2）呵計(jì)算出鍋爐爐膛及爐排尺寸：
2.6氣化鍋爐風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)
通風(fēng)是鍋爐的“呼吸”器官。也是調(diào)整鍋爐出力的手段。只有合理地設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)和選用通風(fēng)設(shè)備，才能保證鍋爐的燃燒和傳熱過程正常進(jìn)行。目前常用的機(jī)械通風(fēng)方式有三種，即負(fù)壓通風(fēng)、平衡通風(fēng)和正壓通風(fēng)。本文設(shè)計(jì)的鍋爐選用平衡通風(fēng)，即在鍋爐設(shè)備中同時(shí)裝有送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)。
依據(jù)燃燒需要的空氣量及適當(dāng)?shù)倪^量空氣系數(shù)和風(fēng)道全壓降。選擇送風(fēng)機(jī)時(shí)往往為了安全起見應(yīng)考慮一定的儲(chǔ)備，用儲(chǔ)備系數(shù)加以修正。引風(fēng)機(jī)是用于克服煙道阻力的，依據(jù)燃燒產(chǎn)生的煙氣量和煙道全壓降以及一定的儲(chǔ)備系數(shù).選擇引風(fēng)機(jī)。送、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓可由計(jì)算確定。依據(jù)計(jì)算結(jié)果和鍋爐輔機(jī)廠家提供的產(chǎn)品目錄選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)。選擇由某公司生產(chǎn)的送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)型號(hào)為：4—72—3.6A；引風(fēng)機(jī)型號(hào)為：Y5—47—3C。
3結(jié)論
采用高爐膛結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了顆粒燃料的氣化效果，使燃燒更加充分，從而提高鍋爐熱效率；采用平衡配風(fēng)法使?fàn)t膛過量空氣系數(shù)減小而減少排煙損失；往復(fù)爐排的應(yīng)用使得爐膛燃燒強(qiáng)度增加。改善了燃料的著火狀況。 |
