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生物质颗粒燃料常压热水锅炉的研制

发布时间:2019-10-30 09:49内容来源:网络整理 点击:

杨远平,王顺国

(龙山顺天生物质能源有限公司,湖南 湘西土家族苗族自治州 416000)

  摘要:简要论述了一种小型生物质常压热水锅炉的研制及试验。锅炉采用两次送风系统,在提高燃烧效率的同时有效地防止了灰分结渣,采用防反烧设计可有效防止生物质在给料器内反烧和点火器过热,锅炉采用两级螺旋给料机构,同时采用预热水封除尘机构,提高了燃烧热效率,排烟更加清洁环保。

  生物质为可再生的清洁能源,是我国农村及小城镇使用的主要能源之一,目前许多地方仍然采用传统的直接燃烧方式,燃烧效率低,而且还会造成环境的污染和能源的浪费。为提高生物质的燃烧效率,当前我国主要从两个方面进行改进和研究,一是生物质颗粒成型技术的研究和应用,二是各类生物质燃烧锅炉的研究和应用。龙山顺天生物质能源有限公司研制的小型生物质常压热水锅炉,其采用生物质颗粒为燃料,经一系列的技术改进后使用安全可靠,燃烧效率高,烟气排放污染物浓度低,达到国家相关标准。

  1锅炉设计与制造

  1.1锅炉结构及工作原理

  锅炉总体由锅炉主体部分、预热除尘部分、生物质燃料储存及输送部分三部分组成,锅炉主体部分和预热除尘部分的主体结构均为内外两层炉壁结构,中间为水存储空间。生物质颗粒燃料热水锅炉结构简图如图1所示。

  锅炉工作原理如下:

  (1)水系统。冷水首先接入预热及除尘器内进行预热,预热后的水存储于预热器内,用水泵抽入锅炉内进行加热,水泵的启动及停止可根据锅炉内的水位采用自动控制,当水位低于设计低水位时,水泵开启,当水位高于设计高水位时,水泵关闭。锅炉内的水通过炉壁下部进入,炉内燃烧所产生的热量经炉壁和横水管传递给水,水加热至所需温度后从锅炉顶部输出。

  (2)燃烧系统。生物质成型燃料经螺旋给料器送入锅炉燃烧室,空气由鼓风机吹入燃烧室,燃烧后产生的烟气上升与炉内横水管、炉壁换热,从上部排烟口进入到预热除尘器内。

  (3)烟气除尘系统。烟气从锅炉上部排烟口进入预热除尘器内后,烟气首先从上到下流动与除尘器内壁等进行换热,烟气的温度下降,流速下降,烟气中的灰尘等下落到水池中。烟气经下部的水封除尘后变为由下向上流动,由抽风机抽出排放到大气中。

  1.2锅炉炉排及炉膛尺寸

  炉排和炉膛尺寸均为锅炉设计的重要参数,其将直接影响锅炉的供热及燃烧情况,因此是锅炉设计与制造首先要确定的参数。根据锅炉设计计算原理,首先需选取合适的炉排面积热负荷和炉膛容积热负荷。本设计中,根据所用生物质燃料,初步拟定炉排的面积热负荷qt=400kW/m2,炉膛的容积热负荷qv=350kW/m3,炉排与炉膛尺寸的计算公式为[1]

  1.3锅炉送风系统

  生物质成型燃料由于本身成分的复杂性,其燃烧过程也很复杂,主要分为四个燃烧阶段:①预热和干燥阶段、②挥发分析出及木炭形成阶段、③挥发分燃烧阶段、④固定炭燃烧阶段。生物质成型燃料经挤压后密度增大,挥发析出速度减缓,在350℃不完全燃烧过程中大量析出,同时生物质燃料燃烧后所产生的灰熔点较低,温度过高则容易结渣。根据上述特点,在设计送风系统时,应使底部燃料燃烧区为低温厌氧燃烧,使燃料中挥发分析出,燃烧所产生的灰不结渣,析出的挥发分再充分燃烧。

  根据生物质燃料的燃烧特性,本锅炉采用两次送风设计。根据国内相关研究,中小型锅炉的空气过量系数一般大于1.5[2-3],本锅炉的空气过量系数根据理论计算和试验结果取2,一次送风和二次送风比值为3.5∶6.5,二次送风采用多点环形送风系统,风口呈一定角度向上倾斜,确保各风口出风在燃烧室中央形成负压,将生物质燃烧产生的挥发成分向上提升,挥发分充分燃烧,使燃烧的高温部分离开生物质燃料及其燃烧后所产生的灰分,避免灰分过热而结渣。

  1.4两级螺旋给料机构

  小型生物质热水锅炉、热气炉等一般均采用螺旋给料机构,因生物质料斗及送料系统和锅炉本体做成一个整体,料斗至燃烧室之间的距离较短。由于生物质燃料易挥发和易燃烧,在锅炉使用或停机后,燃料可能沿着螺旋传送器管道内反烧至生物质存料斗,引发火灾等安全事故。为了降低可能存在的安全隐患,本热水锅炉在设计上采用的两级螺旋给料机构如图1所示,采用这种结构后增加了燃烧室到料斗之间的距离,同时由于燃料在输送管内堆积的长度增加,隔绝了从料斗到燃烧室的空气,能够有效地阻止从燃烧室反烧至料斗,保证锅炉使用的安全性。

  1.5防反烧设计

  设计时将风机出风一部分引入螺旋给料器,经螺旋给料器出口进入燃烧室。采用从给料器送风的方式可以起到以下三个方面的作用,一是对进入炉膛的燃料进行摊铺,燃料经螺旋输送到炉膛后即堆积在出料口,料口出风使燃料能够比较均衡地摊铺在炉排上;二是能够有效防止反烧,料口的风向控制了燃烧方向,防止炉膛内火反烧到螺旋送料器内;三是可对进入炉膛的新燃料进行冷却,使进入炉膛的新燃料不直接遇到高温过热烟气,延缓了燃料中挥发分的集中析出,降低炉膛温度波动,使燃烧更加稳定,同时防止燃烧后灰尘等因温度过高而结渣。

  2预热及水封除尘器设计

  由于小型热水锅炉的燃烧室小,燃料燃烧后在炉内对流换热与辐射换热的时间短,导致换热不充分,烟气从炉内排出时含有一定量的余热,如不能有效利用将降低燃料的利用效率,同时从锅炉内排除的烟气中含有大量燃烧所产生的的灰尘等污染物,如直接排放会造成空气污染。为解决上述问题,设置了预热及水封除尘器。

  当烟气从锅炉炉膛进入预热及水封除尘器后,烟气与除尘器内的管道、器壁换热后冷却,除尘器内的水温上升,烟气的温度下降,流速降低,烟气中的灰尘等落入除尘器下部的水池中,烟气经引风机排除。烟气经除尘器后灰尘含量低于国家标准,可以直接排放。

  3结论

  (1)通过合理布置一次和二次送风口位置及方向、一次和二次送风的比例,提高了燃烧效率,燃烧后的灰尘不结渣。

  (2)采用两级螺旋给料设计,在不增加锅炉总体尺寸的情况下,增大了燃烧室至料斗间的距离,可有效地防止锅炉反烧,提高了锅炉使用的安全性。

  (3)采用预热及水封除尘系统,有效地提高了燃料的使用效率,燃烧热效率超过90%。降低了锅炉排烟中颗粒物的含量,排烟达到国家排放标准。

  参考文献:

  [1]张德利,吕薇,张晓楠,等.230kW生物质热水锅炉研制[J].哈尔滨理工大学学报,2013,18(2):86-89.

  [2]乐园,李龙生.秸秆类生物质燃烧特性的研究[J].能源工程,2006(4):30-33.

  [3]黄波.生物质成型燃料用于取暖炉的特性研究[D].长沙:中南大学,2011:40-47.

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