生物质成型燃料锅炉设计

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第一章绪论11生物质能源的研究背景煤炭，石油，天然气和其他化石燃料是工业社会的核心能源，但它们是不可再生的，储量是很有限的。据国际能源机构统计，开采煤炭，石油，天然气供人类使用的年限最多只有240年，40年和50年。人类经济和社会的快速发展使消耗能源速率越来越快，尤其是化石燃料的消耗不断增加，导致对它们开采过度，使得价格上涨并趋于用尽；同时，高强度的利用，从而使多余的能量和碳大量释放，打破了能源和碳平衡的性质，导致臭氧层遭到破坏，带来了全球变暖和酸雨等灾难，引起国际社会的极大关注。如果没有新能源来替代常规能源，21世纪将会有一个严重的，灾难性的能源和环境危机。在一体化的国际环境下，中国的能源形势十分严峻。由于改革开放，中国的经济快速发展，经济的增长方式由粗放型转向集约型，但仍在增长化石能源的需求量，而中国的常规能源储量潜力和发展不被看好，每年都将从国外进口大量的石油，潜在的能源危机将逐步威胁到中国经济的快速发展。与此同时，中国的环境压力也越来越大。生态循环能源的开发利用已被提出在重要的发展议程上，环境友好型经济也已被纳入国家发展战略。为了缓解双重危机，目光被聚焦到可再生能源上。虽然太阳能，风能，小水电和其他可再生能源，但不能进行物质生产，而生物质能不仅可以提供能量，也可像煤炭和石油一样生产千百种化工产品。如燃料乙醇和普通汽油相比，一氧化碳的排放可以降低7，碳氢化合物可以减少48，生物柴油富含氧，与普通柴油混合，燃烧将会更充分，由检测得出，生物柴油无毒，可生物降解，如果添加20的生物柴油，可以减少二氧化硫排放量70，空气毒性90，使用生物塑料，白色污染的问题就可以得到解决。生物质能源以畜禽粪便，作物秸秆，农业和林业废弃物，城市有机垃圾为原料，使其无害和资源化，将植物蓄存的光能与物质资源深度开发和回收利用，符合可持续发展和循环经济的理念。因此，生物质能源不仅能缓解能源危机，而且还保护环境，实现可持续发展，是中国可再生能源开发利用的必然选择。生物质能是由植物通过光合作用固定在地球上的太阳能。生物通过光合作用，吸收太阳能、土壤里的水和空气中的二氧化碳，产生氧气和碳水化合物。煤、石油和天然气等化石燃料也由生物质变化而来。生物质与化石燃料相比较，具有以下特点： 1)生物质的生产和分布范围广，使用方法多。2)生物质里的氮、硫含量和灰分含量少，所以在燃烧过程中，NOx、SO2粉尘排放比化石燃料低，是一种清洁的燃料。3)生物质能利用过程中零排放二氧化碳是最突出的特点，由于生物质在生长过程中吸收的CO2量相当于生物质在利用过程中排放的CO2量，因此在大气中CO2接近零排放，可以有效地减少温室效应。4)生物质的热值低，生物质含水量高，从而使其热解和燃烧特性较差。5)由于生物质的分布比较分散，对其收集，运输工作和预处理的成本会比较高。6)可再生能源。生物质通过光合作用可以再生，属于可再生能源，它的资源丰富，可以保证能源的可持续利用。 在世界能源消费中，生物质能源约占14左右，而在欠发达地区则占60以上。全球大概有25亿人生活所用的能源90以上都是生物质能源。中国是人口最多的国家，同时又处在一个经济的快速发展的时期，能源的需求和消费尤为巨大。日益短缺的化石燃料资源，以及燃烧化石燃料造成大气污染，已成为人们关注和忧虑的焦点。21世纪，中国将会面对环境保护和经济增长的双重压力。因此，转变能源生产和消费结构的模式，开发和利用生物质能和其他可再生能源和清洁能源，建立新的可持续发展的能源生产和开发利用体系，为保障和促进可持续发展和环境保护有着显著和深远的意义。生物质能是人类利用最早的能源在20世纪70年代开始对生物质进行大规模的研究。中东战争所造成的世界能源危机使人们开始关注和重视开发和利用可再生能源，其中包括生物质能源。人们清醒的认识到石油，天然气和煤等化石燃料不可再生和所造成的环境等一系列问题使人类的可持续发展受到了阻碍。使用化石燃料会产生“酸雨”，“臭氧耗破坏”，“温室效应”和其他环境问题，人类的生存和可持续发展正面临着巨大的挑战。而为了解决因为使用化石能源所造成的一系列环境问题，人类正积极探索和研究可再生清洁能源以替代化石燃料。据统计，现在生物质能消费占世界总能耗的14左右，位于煤，石油，天然气之后，位居第四。其中，发展中国家占总生物质能的生物能源的使用量的75，发达国家占25左右。发展中国家的主要利用方式是直接燃烧，为居民提供生活上的能源需求，能源利用低，会造成严重的资源浪费。据可靠预测，全世界供应的生物质能源依赖于农业生产和土地利用水平等不确定性，二十一世纪中叶大概1414会达到1´10MJ至4´10MJ。在世界许多国家，包括发展中国家和发达国家都在促进和发展生物质能利用技术，而且还制定了相关的发展目标，实施激励政策。苏丹是农业国家，且拥有非常有限的石油和天然气资源，生物质能源作为最重要的利用能源，占该国总能源消费的87，所以苏丹十分重视生物质能源的研究开发技术，研究发展，并且认为生物质是解决可持续发展问题的关键。印度非常重视生物质气化和液化技术，生物质的能源消费占总消费的36.2-46.5，大规模利用生物质能，促进农村经济发展，创造大量的就业机会，逐步实现生物质能，生物质燃料发电替代化石12燃料发电。芬兰在1994年年初，总能耗为1.283´10MJ，其中生物质（包括泥煤）为2.5´10MJ，大概占到20。芬兰政府曾鉴于生物质能的重要地位发布一份关于能源政策的白皮书。芬兰的目标是到2005年，利用生物质能的比例达到25以上。德国提供了一系列的法律措施和政府的补贴和支持，以支持生物燃料的使用。德国2000年4月颁布了一项法律，有关于可再生能源方面的发电。它规定根据各类可再生能源和装机容量的不同，要求电网运营商都要购买固定价格的绿色电力;。规定到2010年，在德国生物能源消费要翻一番。土耳其的石油，天然气非常稀缺，主要的利用能源是水电，可是其生物质资源非常丰富，最近土耳其不断地增加生物质能使用情况，生物质能已经占到家庭能源消费的52。世界各国政府与科学家已经非常注重生物质能技术的研究与开发，它已成为世界非常热门的课题之一。很多国家都制定了相应的研究和发展计划，例如印度的绿色能源项目，巴西的酒精能源计划，美国的能源农场和日本的阳光计划，他们当中生物质能源的开发和利用已经有了相当大的比例。直到2007年，国外的生物质能技术和设备以实现商业应用，可以达到大规模的产业化经营程度，比如瑞典、美国和奥地利，高品位能源利用量已经有了相当的规模，分别占各国一次能源消费的16、4和10。在美国，生物质能发电单机容量有10至25MW，装机总容量超过10000MW;美国史泰登垃圾处理站投资了2000万美元，使用湿式处理废弃物垃圾，回收利用沼气，以此来发电和生产化肥；美国还开发了从纤维素废料中生产酒精的技术，建立了年产酒精2500吨的1MW的利用稻壳发电的示范基地。燃料乙醇在巴西的发展和应用是最有特色的，拥有世界上最大的乙醇开发计划，到2007年的执行情况是燃料乙醇占该国汽车燃料消耗量的50。中国拥有着丰富的生物质资源，我国目前使用的生物质资源在可收集利用的条件下主要是常规的生物质，其中包括作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾、工业中的有机废水和废渣等。秸秆年产约6亿吨，约3亿吨可作为燃料使用，相当11于2亿吨标准煤，它占农业总的产出物的51%；农林废弃物年产约8.9亿吨，约2.8亿吨可作为燃料使用，相当于2亿吨标准煤。麻疯树、黄连木、甜高粱、油桐等能源作物种植面积超过2000多万公顷，可以满足年产量大概有5000万吨的生物液体燃料的原料需求量。畜禽业和工业有机废水理论上可以产生沼气约800亿立方米每年。据估计，在中国理论的生物质能源约为50亿吨左右的标准煤，大概为目前中国能源消耗总量的4倍。生物燃料不仅有利于促进能源来源的多样化，以帮助我们摆脱对传统化石能源的严重依赖，还能减少温室气体排放量，减轻对环境的压力。因此，它被看成替代化石燃料之一，对于加强能源安全具有积极意义。 生物质能源的开发和利用在中国的广大农村地区，具有更为显着。中国人口80生活在农村地区，秸秆，薪柴和其他生物质是在农村地区最重要的燃料。虽然煤炭，石油和其他商品的能源使用是在生物能源在农村的迅速增加，仍然占有重要地位。 1998年农村生活的总额为207万吨标准煤万吨标准煤，秸秆和薪柴365万吨，占56.7。开发和利用生物质能技术，提高生物质能源的利用效率，以帮助农村摆脱贫困，以实现建立社会主义小康社会的一项重要战略任务。可再生能源和新能源开发框架的基础上，中国将建立生物质能源产业基地，并提高生物质能源产业体系，使生物质发挥更重要的角色，在整个能源供应系统的变化，以促进生物质能先进技术在农村的能源结构，优化农村能源，农村经济和社会的可持续发展;到二十一世纪二十年代，中国的农业和林业生物质发电的发电容量24000MW，2000MW总发电量的垃圾焚烧，填埋气体的总发电能力1000MW，总发电量达到3000MW。生物质固体成型燃料便利金额在2020年达到50吨。因此，生物量不仅是解决我国能源问题，而且还保护生态环境，以确保中国的可持续发展战略的实施。在生物质能源开发方面中国也取得了很大的成绩，但也应该清醒地认识到，生物质能在中国的发展水平与发达国家相比仍有一定的差距。1）开发不到位且技术比较单一中国早期重点发展沼气，近年来，越来越重视对热解气化技术的发展和应用，也取得了一些突破，但由于其他方面的技术的进步非常缓慢，比如酒精生产、直燃技术、热解和速生林的种植方面，没有特别大的突破。2）企业生产规模小，经济效益低我国生物质能源项目不仅资源分散，开发手段落后从而使规模比较小，大多数的项目使用简单的技术工艺且操作设备落后，利用率很低，转换效率不好，导致效益非常低，很难有相当大的规模。3）缺乏标准，管理较为混乱秸秆气化集中供气和沼气工程的发展，没有严格明确的技术标准和监督，很多单位和个人参与沼气工程承包和秸秆气化集中供气设备的生产，但他们根本不具备相关的技术，从而导致设备技术不过关，甚至会带来许多的安全问题，为生物质能利用的后期发展工作带来许多不好的影响。4）技术落后投入产出少在研究方面，投资太少，重复研究多，一些关键技术得不到突破，从而使研究的技术含量低下。例如：辅助技术设备不配套，厌氧消化导致天然气产量低，设备和管理自动化程度较低;气化焦油无法彻底地解决，使得在以后很多技术研究方面带来更多严重的影响;生物质液化中，虽然有关人员在做一些研究，但该技术的关键方面还没有得到很好的突破；气化发电的效率还是很低的，并且它的二次污染问题没有得到解决，导致许多工程系统中往往处在维修或故障条件下，造成很多的经济损失。12生物质燃烧技术的发展和研究现状生物质是一种清洁的能源，但若是采用直接燃烧的方式会造成能源的浪费，而目前中国的农村正普遍在使用这种方式来获取生物质的能量，从而造成了国内大量的生物质能源的浪费。所以人们在积极研究生物质的燃烧方式，基本上生物质的燃烧方式分为几类，比如层燃技术，悬浮燃烧技术和流化床技术。生物质和生物质燃烧锅炉燃料燃烧的锅炉先进的燃烧技术，可以提高利用效率。锅炉燃烧的生物量更集中，大规模应用。更多类型的生物质燃料锅炉，生物质能锅炉燃烧分为不同的类型：柴炉，秸秆炉，垃圾焚烧炉;生物质燃料锅炉根据燃烧方式的不同分为：层燃燃烧锅炉，悬浮燃烧和循环流化床锅炉。1.2.1层燃技术传统的层燃技术是指生物质燃料被放在金属支撑物上，在其上形成一定厚度的分层，然后与从下部上来的风混合逐渐干燥，达到一定温度后热解反应析出大量的可燃气体，与空气混合分布在炉排以上空间中混合燃烧。锅炉主要分布以链条炉的形式自动给及燃料和除渣。这种生物质层燃技术被广泛使用在开发和利用农林废弃物和城市垃圾焚烧上面，比较适合燃烧水分含量高，生物质燃料颗粒大小的变化比较大，并且通常是额定功率小于20兆瓦，投资成本不大而且经济环保操作简单。在丹麦，已开发出一种特殊焚烧秸秆方式的燃烧锅炉，利用液压活塞将一大捆生物质燃料，通过一定的传输通道不断传递给水冷式移动炉排。由于生物质燃料很低的灰熔点从而可以使用水冷炉壁等其他方式来控制生物质燃料燃烧时的温度不超过900。丹麦有公司通过改造锅炉，使其可以在两个阶段都可以被加热。四个平行馈线供应材料，秸秆，木屑可以完全炉排燃烧炉，还设立了一个纤维过滤器，以减少设备磨损和腐蚀烟气中有害物质的管道。通过运行实践证明，生物质能锅炉的改造，运行稳定，并取得了良好的社会效益和经济效益。在中国，有许多科研单位，用于发展生物质能层燃烧器的各类生物燃料的特点，实际效果是好的。对于原料使用的材料和结构层燃烧器，炉体结构，包括双燃烧室结构，封闭炉的结构，和其他结构的有效优化的燃烧特性，这些都是同一层燃烧生物质能开发炉的设计提供了宝贵的经验。应当指出，生物质燃烧与国外的技术层，仍有很大的差距之间的研究和开发工作，应进一步开发具有中国特色的，先进的生物质层燃技术，以提高我周围的生物质燃烧技术的竞争力领域。1.2.2悬浮燃烧技术煤粉燃烧类似的生物悬浮燃烧技术用于绝大多数的大型锅炉。大暂停燃煤系统，燃烧完全，效率高。作为燃料悬浮燃烧系统，生物预处理，水分含量低于15，粒径小于2mm。年12月26日，2005年，在枣庄市十里泉电力厂煤粉煤和农作物秸秆混合燃烧锅炉正式运行，采用的丹麦公司的技术和设备项目的改造升台14KW机组锅炉预计秸秆消耗1070万/年可节约煤炭约81300 t。1.2.3流化床技术流化床燃烧热和传质性能，高燃烧效率和减少有害气体的排放，热容量和一系列优点，它是适合燃烧水，生物燃料的热值低。流化床燃烧技术是一种相当成熟的技术，已进入清洁燃烧化石燃料等领域的商业用途。发展和利用生物量中使用现有的成熟技术，在国内和国外已经进行了广泛的研究，并已进入商业化运作。目前，国外使用流化床燃烧技术的开发和利用生物质能具有相当规模。爱达荷州能源产品已发展到生产流化床锅炉燃烧生物质蒸汽锅炉出力为4.5-50吨/小时，供热锅炉出力36.67兆瓦; CE公司利用鲁奇技术。的大型木材循环流化床床功率100/，蒸汽8.7兆帕的压力锅炉输出废物焚烧的发展;木材，发射流化床床由美国乙W公司在20世纪80年代末投入运行初期20世纪90年代制造的锅炉。此外，瑞典的树枝，树叶和其他农林废弃物作为大型循环流化床锅炉燃料使用，锅炉热效率可以达到80;按照比例高倍率，干草和煤炭丹麦循环流化床锅炉6:4作为礼物送给燃烧炉，锅炉输出的100吨/小时，热功率80兆瓦。中国自20世纪80年代末，生物质流化床燃烧技术也进行了深入的研究，科研单位和燃料的生物质循环流化床锅炉的各类锅炉厂，联合开发，投入生产运行后，促进了许多出口到了国外，从而起到了重要的角色，在促进中国生物质能利用。华中科技大学的物理和化学特性和燃烧特性，流化床燃烧设计辅以悬浮燃烧和固定床燃烧燃烧流化床锅炉的组合，对水稻稻壳的基础上，试点研究已经表明了锅炉具有良好性能的流化床燃烧稳定，不易焦化，而目前已获得国家专利。 13生物质颗粒燃料的研究现状131生物质颗粒燃料概念生物质颗粒燃料（成形）高压加热条件下，秸秆，木屑压缩成固体颗粒成型材料的质地和其他林业残留的燃料，可以用于民用炉灶，工业锅炉，家庭取暖炉。在另外一个小灰，零排放，储存和运输方便，沉重，燃烧稳定，热效率高，如生物燃料，生物质颗粒燃料的独特优势，是一种理想的可再生的清洁燃料，具有十分广阔的市场。132生物质燃料成型技术简介1321热压成型机理热压成型是将生物质配合料高速加热到大量形成胶质体的温度下成型的工艺。主要是利用加热加工模具后，注入试料，以压力将模型固定于加热板，控制试料之熔融温度及时间，以达融化后硬化、冷却，再予以取出模型成品即可。材料在热压过程中需特别注意，有些在成型时会产生内在的塑性记忆应力而无法得到理想的产品。因此，成型温度及压力皆有一定的范围、限制。而且在热压成型中，亦会产生某种程度的延伸作用，因此，在选择材料时，必须要注意其成型温度。在做热压成型时，最好在较小范围的时间及温度范围内操作。1.3.2.2 国内情况生物质成型方面，近年来，国内科研院所，加大科研力度，显著的进步已经可以看得到。清华大学清洁能源研究与教育中心已经开发了生物质颗粒燃料冷成型技术和设备，并举办了一个示范项目在北京怀柔区（环境科学与工程研究所）。浙江大学生物学院机电清洁能源利用，在形成理论的生物质型煤燃烧技术国家重点实验室。农业部南京农业机械化研究所江苏正昌集团，牧羊集团等国内知名的机械和设备制造商的设备研究生物质的使用，山东大学机械工程，化学和华中科技大学化学工程系学校，北京林业大学理工学院等生物质型煤。从20世纪80年代，中国科学院林业发展木本生物质原料和农业废料成型技术化学工业研究所。东南大学，中国中科院广州能源转换研究所，湖南农业大学，中国农业机械研究所，可再生能源与环境研究所还开展了一些研究的特点。一些国内生产颗粒饲料制造商已经开始密集的生物质型煤生产，对原有设备的基础上。重点实验室，1992年，河南农业大学农业部可再生能源的开发和生产液压，轧辊和螺旋生物质致密成型机，小批量生产，并取得了良好的社会效益和经济效益。1.3.2.3 国外情况成型燃料技术研究，其燃烧技术，美国在1930年专门研制开发螺杆式压缩机和燃烧设备。而在1940年后，日本开始研制开发相关的机械活塞紧凑的成型技术用来处理农业和城市垃圾，并且在1980年建立了有关煤和生物质成型燃料加工的工厂，年产固体原料600吨以上（其中处理煤75，而生物质能占25）。还建立了一个密集的生物质成型燃料。在亚洲，比如在泰国，印度和其他国家都有投产的生物质燃料成型的生产厂。目前，德国有超过100颗粒型煤厂，锯末，木屑，树枝，废钢为原料的其他生物。瑞典有生物质颗粒成型燃料加工厂，年生产能力超过20万吨以上的，可以很好的生产生物质燃料，为企业单位和个人家庭提供生物质能源。1.4生物质燃烧的相关设备141国外生物质燃烧设备情况生物质燃烧设备，根据燃料类型分为：柴灶，柴炉，颗粒燃料锅炉，秸秆锅炉;分为：目前热电联产已经成为大趋势，相关的锅炉是大型的锅炉，而目前生物质锅炉一般很难应用于热电联产中。二十世纪中叶以来，日本相继开发关于生物质可以在其中燃烧的锅炉设备;在二十世纪下半叶美国又开发出了利用生物质制成颗粒燃料然后燃烧的更为进步的锅炉设备;1970年后，一些西欧国家通过合作制作有关成型燃料燃烧的先进设备;二十世纪末期，一些亚洲国家也由于能源紧缺和经济问题而对生物质进行研究，研发相关可以让生物质燃烧的设备，紧紧追随西方国家的脚步。在经过了几十年的发展，美国，日本和一些欧洲国家，在加热领域广泛使用的生物质型煤燃烧设备，供热，发电，已产业化。生物质成型燃料燃烧设备自动化程度高，热效率高，污染少。对于中国来说，这些燃烧设备的价格太高，功耗的缺点，不适合引进。东南亚一些国家生物质成型燃料燃烧设备是焦炭的燃烧炉，炭化炉，减少直接燃烧生物质型煤设备，这些劳动密集型的燃烧设备，热效率高，污染严重，需要进一步研究，改进，提高，因此不适合在中国引进。142国内生物质燃烧设备情况我们的国家从1980年后，通过引进关于生物质成型燃料（秸秆类生物质）的螺旋桨式秸秆成型机，在生物质燃烧设备方面也形成了一定的生产规模。例如，陕西省轻工机械厂的螺旋推进式成型机，由辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机开发的秸秆成型机，南京化工森林工程研究所开发了具有多功能的生物质成型机，河南农业大学，机械和电气工程开发活塞式液压机，在全国已形成了产业化。成型设备，制造工艺的引进和设计都不同程度，有技术和工艺方面的问题，这需要去深入研究和探索，试验，开发。生物质压块设备也存在一些问题，但生物质蜂窝煤，有许多独特的优点：（1）便于储存，运输;（2）易于使用，高生（3）燃烧效率;是清洁能源，环保。因此，在中国一些地区的生物质成型燃料的大规模生产和形成的研究，生产，发展势头良好。中国未来的能源消费量煤球将占有越来越大的份额。 我国现今对于生物质成型燃烧特性展开了更深入的研究，科研人员也比较多，但优于还缺乏一些系统的理论，经验数据数据和相关设备试验标准。生物质成型燃料燃烧设备的设计开发还在借鉴国外的成果。一些生物质成型燃料燃烧设备的使用者，由于没有了解研究生物质成型燃料燃烧的特点，擅自改变生物质成型燃料燃烧的设备。然而，燃烧设备由于改造后的燃烧室容积，大小形状不匹配，从而导致燃烧设备的燃烧效率和热效率非常低，污染物排放增多。刘圣勇通过做了很多相关生物质成型燃料燃烧的试验，例如单一独立的设计的双层炉排生物质成型燃料燃烧设备的热性能测试，气流测试，温度场中升温速率影响试验，炉内气体浓度变化试验的测试，对设备的主要设计参数的确定从而得到了一系列宝贵的实验数据和研究经验成果，为我国的生物质成型燃料燃烧设备的设计和改造生物质成型燃烧设备的开发奠定了理论基础并具有非常重要的指导作用。而赵迎芳通过研究生物质燃料燃烧的相关特点，经过精心研究最后设计制造了一种功率达到 的生物质成型燃料锅炉。通过最后试验测试表明锅炉的热效率约为 ，相较于其他的锅炉，例如燃煤锅炉，其燃烧后所产生的污染物非常少，显示出了生物质优于煤炭作为燃料的前景和优势。1.5本章小结本章通过查阅许多相关文献了解了生物质在今后能源发展中的意义和目前生物质成型技术，燃烧设备的发展状况和我国目前在此方面的研究水平与国外的进行对比。研究的主要目的是：1) 对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行试验，了解和掌握了生物质成型燃料直燃锅炉的结构，工作原理，燃料燃烧过程和生物质锅炉与其他锅炉相比的优缺点；2) 对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行分析实验，并设计了生物质直燃锅炉；3) 对燃烧后产生的污染物进行了分析归类并给与了一些相关的处理措施，减少污染物的产生和排放。 第二章生物质成型燃料直燃锅炉目前，我国乃至世界上大多数的锅炉都是使用燃煤，但由于煤不可再生且优质煤的缺少，从而导致一系列的环境和经济问题，比如大气污染造成酸雨，城市空气质量严重下降，影响了人们的生活质量和身体健康，所以找出替代燃煤的燃料势在必行。而生物质成型燃料作为一种清洁再生的能源，环保而经济，是作为替代燃煤提供能量的能源之一。但一般的燃煤锅炉无法燃烧生物质，故而生物质成型燃料直燃锅炉被人们高度关注并在积极开发研究中。2.1生物质成型燃料锅炉结构如下图所示，生物质成型燃料锅炉包括几个部分（1）1-上炉门，2-中炉门，3-下炉门；可以将燃料从炉门填入炉膛。（2）4-上炉排，6-下炉排；炉排片固定在链条上部的支架或支座上，是锅炉中堆置固体燃料并使之有效燃烧的部件。（3）5-辐射受热面，10-对流受热面；通常按烟气侧换热方式中辐射换热所占比例的大小而把锅炉受热面分为“辐射受热面”和“对流受热面”两种，以辐射换热为主的受热面就叫辐射受热面，以对流换热为主的受热面叫做对流受热面。（4）7-风室，8-炉膛，9-燃尽室，11-炉墙；风室是提供一次风，二次风的地方；炉膛是由炉墙包围起来供燃料燃烧的立体空间，炉膛的作用是保证燃料尽可能地燃烧，并使炉膛出口烟气温度冷却到对流受热面安全工作允许的温度。（5）12-排汽管，13-烟道，14-引风机，15-烟囱；引风机是用于克服烟道阻力将烟气送入烟囱的风机。 图1 生物质成型燃料锅炉结构简图 2.2生物质成型燃料在锅炉中的燃烧过程生物质成型燃料由于本身成分的复杂性，从而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，当温度达到100度时，生物质燃料进入干燥阶段，水分开始蒸发。（2）挥发分析出及木炭形成阶段，即干馏，当已经干燥的原料持续加热时，挥发份开始析出，挥发完毕后，最后剩下的就是木炭。（3）挥发份燃烧阶段，生物质燃料高温热解析出的挥发份在高温下开始燃烧，同时，释放大量的热。（4）固定炭燃烧阶段，这是最后的阶段，最后剩余灰分。 图2-2生物质成型燃料直燃锅炉2.3生物质成型燃料锅炉的工作原理如上图所示的生物质直燃锅炉，其工作原理对应燃烧过程也有以下的四个阶段：（1）第一阶段（初始阶段），温度从室温到200300。首先将生物质成型燃料加入锅炉气化室（也叫做第一燃烧室），接着点火开始，而燃料由于重力作用从上落下，在这个过程中蒸发水分，燃料干燥。（2）第二阶段，温度从300上升到500600。干燥后的燃料向下移动进入热解层进行热解反应，此时大量的挥发分从生物质燃料中析出，热解反应析出的挥发分主要有H2O、H2、CO、CO2、CH4、焦油和其它碳氢化合物。（3）第三阶段，温度从600到1000左右。在引风机的作用下，热解反应析出的可燃气体进入气化燃烧室（也称作第二燃烧室），而因为气体从上部进入气化燃烧室，可燃气体与焦碳共同燃烧，并与氧气发生化学反应形成火焰现象。（4）第四阶段（最后阶段），温度达到10001200。可燃气进入气化燃尽室（也称第三燃烧室），由于气化燃尽室是螺旋式上升的结构，故而使可燃气体在燃尽室的停留时间延长了，同时由于大量的燃气在气化燃尽室燃烧使燃尽室的温度上升很高，形成热气流，通过热气流辐射到锅炉中的高温热管上，将水迅速加热。 2.4生物质成型燃料锅炉优缺点2.4.1优点（1）节能。与燃煤锅炉相比，生物质成型燃料利用效率高，锅炉热效率好；生物质成型燃料着火点低，所以点火容易，升火快，燃烧稳定完全，节省燃料。（2）环保。二氧化碳零排放，燃烧时无烟尘和焦油，燃料能够完全燃烧，最后只剩下一点白灰。清洁卫生无污染，利于健康，生物质排放是燃煤的1/10，远远低于国家排放标准。（3）经济方便。相对于煤，生物质成型燃料价格便宜经济，来源广泛，储存方便；自动化程度高，操作劳动强度小。（4）适用范围广。由于原料来源广泛环保，所以广泛适用于环保要求严格的大中城市的产业生产制造以及宾馆、酒店、洗浴中心、事业单位、医院、学校等行业。 2.4.2缺点（1）生物质能源燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高。（2）由于生物质挥发分含量较高，燃料着火温度较低，此时如果空气供应量不足，将会增大燃料的化学不完全燃烧损失。（3）生物质锅炉相对燃煤锅炉构造复杂，价格较高。（4）有些关键技术没有得到解决，研究方面不是特别成熟。 2.5本章小结通过去实习公司对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行试验，了解和掌握了生物质成型燃料直燃锅炉的结构，工作原理，燃料燃烧过程和生物质锅炉与其他锅炉相比的优缺点。 第三章 生物质直燃锅炉设计计算3.1锅炉设计时主要的结构尺寸1）炉膛净空尺寸：250×250×14002）炉排有效面积250×600，共做3块，炉排小孔4mm，开孔率40%，炉排下两侧装导轨，机械传动3）前拱高200，长50；4）后拱高180，长3003）炉顶出口：天圆地方结构，出口60mm4）点火炉门 80×80，装在侧强5）看火孔42mm6）炉前装料斗7）料层厚度60mm6）炉顶装省煤器，管子18mm，前后各布置测点一个。8）每隔300mm一个测点，测点预留孔14mm，烟囱上布置一个测点9）支架高度800mm10）炉膛内衬80mm厚，布置抓钉11）整体用不锈钢外包装12）支架高度800mm13）整体外形长宽高：760×410×22003.2试验原料本试验是采用生物质颗粒燃料（玉米秸秆颗粒燃料），是由生物质燃料成型机压制而成的。其尺寸是圆柱形，直径是8mm，燃料颗粒自然堆积密度为554.7kg/m3，其颗粒密度为1200kg/m3。实验前用氧弹式量热仪测定玉米颗粒燃料的收到基净发热量qnet,ar ， qnet,ar=15132kJ/kg。由燃料元素分析仪分别测定其收到基中C，H，N，S，O的含量，得到： Car=44.92%，Har=5.77%，Nar=0.98%，Sar=0.21%，Oar=31.26%。用燃料工业分析仪分别测定其收到基水分含量（Mar），收到基挥发分含量（Var），收到基固定炭含量（Far），收到基灰分含量（Aar）。如下： Mar= 9.15%，Var= 75.58%，Far= 7.56%，Aar= 7.71%。3.3直燃锅炉设计的相关参数1）锅炉功率要求：10 kW；2）温度：查阅暖通空调设计指南（P63）可以得到室内空气温度在16-24范围内2，在试验期间实际测得当时温度为 16，室外环境温度t0=10，排烟温度tpy低于烟气露点，150左右 20，tpy =165；3）热负荷：查相关锅炉设计手册得炉排单位面积热负荷经验值7001050kW/m2 3-8，由于低温及燃料易燃尽时取上限，所以取qF= 1050 kW/m2；炉膛单位容积热负荷经验值235350kW/m3 3-8，因为低温及燃料易燃尽时取取上限，所以取qV= 350 kW/m3；4）过量空气系数10-13：炉门和进料槽漏风系数= 0.2；炉膛进口空气过量系数1= 1.5，炉膛出口空气过量系数2,= 1+= 1.7；5）热损失14-16：固体未完全燃烧损失q4=3.56%，CO未完全燃烧损失q3=2.5%，侧壁散发到室直燃锅炉主要设计参数序号 主要设计参数 燃料参数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13燃料种类燃料颗粒大小燃料颗粒自然堆积密度灰渣自然堆积密度 收到基碳含量 收到基氢含量 收到基氮含量 收到基硫含量 收到基氧含量 收到基水分含量 收到基挥发分含量 收到基固定炭含量 收到基灰分含量符号 参数来源给定数值 玉米桔杆8 554.7 1200 44.92 5.77 0.98 0.21 31.26 9.15 75.58 7.56 7.71 15132 1030-50，不超过701单位 mm kg/m3 kg/m3 % % % % % % % % % kJ/kg kW kW/m2 kW/m3fs rs rash Car Har Nar Sar Oar Mar Var Far Aar燃料测定 燃料测定 燃料测定燃料元素分析仪测定 燃料元素分析仪测定 燃料元素分析仪测定 燃料元素分析仪测定 燃料元素分析仪测定 燃料工业分析仪测定 燃料工业分析仪测定 燃料工业分析仪测定 燃料工业分析仪测定14 收到基净发热量 直燃锅炉参数 15 16 17 18 19功率 温度室 W thot,2 thot,1 qF qV 50 16 1050 350在16-24范围内选取 2 经验值7001050kW/m2 3-8 低温及燃料易燃尽时取上限 经验值235350kW/m3 3-8 低温及燃料易燃尽时取取上限 参照文献9选取2 1 q4 q3 q51+参考文献10-13 参考文献14-16 参照文献14-16选取 参考文献 17-190.2 1.7 1.5 3.56 2.5 0% % %262728室外环境温度 排烟温度 压力 t0 tpy P 给定 低于烟气露点，150左右给定 2010 165 1 atm3.4烟气量的计算（1）二氧化物量vRO2二氧化物是指烟气中的CO2和SO2量，其计算如下：vRO2=0.01866(Car+0.375Sar)=0.01866（44.92+0.375×0.21）=0.839676675Nm3/kg （2）理论空气量va,0理论空气量是指每千克固体、液体燃料或每标准立方米气体燃料在化学当量比之下完全燃烧所需的空气量。此试验所需的理论空气量为：va,0=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar=0.0889（44.92+0.375×0.21）+0.265×5.77-0.0333×31.26=4.488480875Nm3/kg （3）理论氮气量vN2理论氮气量包括空气中的氮气量和燃料燃烧所产生的氮气。计算如下：vN2= 0.008Nar+0.79Va,0=0.008×0.98+0.79×4.488480875=3.553739891 Nm3/kg （4）理论水蒸气量vH2O,0理论水蒸气量包括自身水分，空气中水分和H燃烧生成的水分：vH2O,0=0.111Har+0.0124Mar+0.0161Va,0=0.111×5.77+0.0124×9.15+0.0161×4.488480875=0.826194542 Nm3/kg（5）理论烟气量vy,0理论烟气量是指单位燃料与理论空气进行完全燃烧生成的烟气量。包括二氧化物，氮气和水蒸气的量： vy,0=VRO2+VN2+VH2O,0=0.839676675+3.553739891+0.826194542=5.219611108 Nm3/kg （6）实际烟气量vy实际排放或者测量的烟气量，依状态不同，分为工况和标况两种，工况是依实际条件测定的烟气量，标况是工况换算成标准状态下的烟气量：vy= vy,0+1.0161(-1)Va,01= 1.5，则vy=5.219611108+1.0161×（1.5-1）×4.488480875=7.4999838172,= 1+= 1.7，vy=5.219611108+1.0161×（1.7-1）×4.488480875 = 8.4121329汇总数据成下表2： 表2 烟气量计算序号1234567项目 过剩空气系数 二氧化物量 理论空气量 理论氮气量 理论水蒸气量 理论烟气量 实际烟气量 符号 vRO2 va,0 vN2 vH2O,0 vy,0 vy 单位 计算公式 数值 1.5 1.7 Nm3/kg 0.01866(Car+0.375Sar) 0.839676675 0.839676675 Nm3/kg 0.0889(Car+0.375Sar) +0.265Har-0.0333Oar Nm/kg 0.008Nar+0.79Va,0 Nm/kg 0.111Har+0.0124Mar +0.0161Va,0 Nm3/kg VRO2+VN2+VH2O,0 Nm3/kg vy,0+1.0161(-1)Va,0 334.488480875 4.488480875 3.553739891 3.553739891 0.826194542 0.826194542 5.219611108 5.219611108 7.499983817 8.4121329 3.5烟气焓温表由于实验需多次用到烟气焓温表，所以查阅工业锅炉实用手册得到下表3以随时查找相关数据： 213.6直燃锅炉热效率和燃料消耗量计算（1）冷空气理论焓 ia,t0,0由于经过排烟和灰斗预热，温度接近0， 近似为基准温度0，所以其焓是0.（2）排烟焓由排烟温度为165可查得排烟焓 ipy=1740 kJ/kg。（3）排烟热损失 q2q2=100(ipy-a2ia,t0,0)(1-q4/100)/qnet,ar=100´（1740-1.7´0）´(1-3.56/100）/15132=8.054%其值在816%范围内，合理。（4）灰渣温度、焓和排渣率参照文献23可以选取灰渣温度为300；参照文献24可以得出灰渣焓 iash=(ct)ash=264 kJ/kg；参照文献25且通过实验获得排渣率为ash=22%。（5）灰渣散发到室内的热量 q6由于在试验中忽略了灰渣散发到室内的热量，所以可以将其设定为0。（6）直燃锅炉总热损失qq= q2+q3+q4+q5+q6=14.11%（7）直燃锅炉热效率=100-q=85.89%>小容量工业锅炉设计效率50-62%达到了85%的要求，设计合理。（8）燃料消耗量 mm=100W/(3600qnet,ar)=100×10×1000/(3600×15132×85.89)=