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秸秆成型燃料锅炉的热损失试验及分析
发布时间：2013-05-27 07:49 来源：未知
全世界每年由光合作用生成的生物质量是巨大的，其作为能源消耗量仅排在煤炭、石油、天然气之后，称为世界上第四大能源，它是洁净的可再生能源，中国生物质秸秆产量达6亿多t，相当于3亿多t标准煤，由于人民生活水平的提高及能源结构的变化，秸秆的剩余量越来越大，销毁处理不但浪费资源、污染大气，而且影响交通安全，利用秸秆替代矿物燃料，实现CO2零排放，降低大气中的NOx，S02含量，对保护生态环境，发展社会经济，实施能源可持续发展战略有着重大的现实意义，秸秆成型燃料是高效洁净能源，具有便于贮存、运输、使用方便和燃烧效率高等特点，目前国内对秸秆成型燃料燃烧所进行的理论研究和应用研究很少，还没有性能优良的秸秆成型燃料专用生物质锅炉，为了燃烧大量的秸秆成型燃料，必须把原有的燃煤锅炉加以改造，但改造后的锅炉仍存在着炉膛的容积、形状与秸秆成型燃料不匹配，锅炉的受热面与秸秆成型燃料不匹配，过剩空气系数与秸秆成型燃烧不匹配，致使锅炉燃烧效率及热效率较低，出力及工质参数下降，污染物排放超标．根据秸秆成型燃烧理论作者研制出秸秆成型燃料专用锅炉，为了确定锅炉各项热性能参数，用以判断锅炉设计与运行水平；摸清锅炉各项损失，提出降低损失，提高效率，进一步优化设计，作者对双层炉排秸秆成型燃料锅炉的热性能参数进行了试验与分析。
1、方法及仪器
1.1试验方法
根据GB/T15137-1994工业锅炉节能监测方法，对作者设计的双层炉排、单层炉排秸秆成型燃料锅炉[6]按4种工况进行热性能试验，双层炉排与单层炉排燃烧按供风量大小可分为4种工况：工况1（双层炉排排烟处过量空气系数a为1.60，单层炉排排烟处过量空气系数amax为2.8），维持锅炉燃烧最小风量；工况2（双层炉排a为2.20，单层炉排a为3.40），锅炉效率最高风量；工况3（双层炉排amax为3.16，单层炉排d，为5.00），锅炉出力最大风量；工况4（双层炉排a为4.41，单层炉排a7.40），维持锅炉燃烧最大风量。
试验燃料为液压成型玉米秸秆，粒度直径为130 mm的圆柱，密度为0.919 t/m3，收到基净发热量为15 658 kJ kg-1，含水率为15%，环境温度为11℃，大气压力为98 kPa.对双层炉排与单层炉排秸秆成型燃料锅炉分别按4种工况进行热性能对比试验。
秸秆颗粒机、秸秆压块机专业压制生物质颗粒燃料，生物质颗粒燃料主要供生物质锅炉燃烧使用。
1.2试验仪器
(1) KM9106综合燃烧分析仪；(2)IRT - 2000A手持式快速红外测温仪；(3)SWJ精密数字热电偶温度计；(4)3012H型自动烟尘（气）测试仪；(5)C型压力表；(6)磅称，米尺，秒表，水银温度计，水表；(7)XRY -TA数显氧弹式量热计；(8)CLCH -I型全自动碳氢元素分析仪；(9)烘干箱，马氟炉，林格曼里度图；(10)热成像仪。
2、结果与分析
2.1过剩空气系数与主要热损失的关系
根据测试结果，双层炉排燃烧与单层炉排燃烧各工况锅炉各项热损失及效率随a/,7变化规律如图1、图2所示．
2.1.1 过剩空气系数与固体不完全燃烧热损失的关系 从图1与图2可知，秸秆成型燃料采用双层炉排燃烧与采用单层炉排燃烧方式其固体不完全燃烧损失随amax增大而呈现相似变化规律，即随着a从小到大变化，固体不完全燃烧热损失逐渐减少，当固体不完全燃烧热损失减少到一定值后，随着a增大固体不完全燃烧热损失又随着增大，这是因为当a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a，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，这时原有燃料基本上都燃烧掉，这时固体燃料不完全燃烧热损失达到最小；当a。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，造成一定量的固体未完全燃烧损失，而且使排烟热损失增加。
从图1与图2可知，各工况下双层炉排燃烧的固体不完全燃烧损失小于单层炉排燃烧的固体不完全燃烧损失，且达到最小固体不完全燃烧损失时，a值不一样，对于双层炉排燃烧a为2.2，固体不完全燃烧热损失达到最小，为1.3%；对于单层炉排燃烧时a，为3.4时，固体不完全燃烧热损失达到最小，为5%.这主要是由燃烧方式所决定的，对于双层炉排燃烧方式的各工况下，燃料燃烧分步进行，燃料在上炉膛先是半气化燃烧，当未燃尽的灰渣从上炉排掉到下炉排上后，也继续燃烧从而减少了灰渣的含碳量，减少固体未完全燃烧损失，而采用单层炉排时，燃烧一步完成，供氧与需氧不匹配，燃烧条件变差，灰渣中的碳不能完全燃烧，而形成较多的固体未完全燃烧损失。
从图1与图2可知，无论采用双层炉排燃烧还是采用单层炉排燃烧方式，秸秆成型燃料固体不完全燃烧损失均小于煤的固体未完全燃烧损失，这主要是由燃料特性所决定的。
2.1.2过剩空气系数与气体不完全燃烧热损失的关系 从图1与图2可知，秸秆成型燃料采用双层炉排燃烧方式和单层炉排燃烧方式，其气体不完全燃烧热损失大小随a，增大而呈相应变化规律，即随着a从小到大的变化，气体不完全燃烧热损失逐渐减小，当气体不完全燃烧热损失减小到一定值时，随着a增大，气体不完全燃烧热损失又随之增大，这是因为当a过小时，炉膛中空气量不足，燃料燃烧时易形成较多的C0，H2，CH4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，H2，CH4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CO，H2，CH4等中间产物，使气体不完全燃烧热损失增大。
从图1与图2可知，各工况下双层炉排燃烧气体不完全燃烧热损失小于单层炉排燃烧气体不完全燃烧损失，且达到最小气体不完全燃烧损失时，a值不一样，对于双层炉排燃烧a为2.2，气体不完全燃烧热损失达到最小，为0.5%；对于单层炉排燃烧时a为3.4时，气体不完全燃烧热损失达到最小，为1.3%．这主要是由燃烧方式所决定的，对于双层炉排燃烧方式的各工况下，燃料燃烧分步进行，燃料在上炉膛呈半气化燃烧，形成大量的C0，H2，CH4气体，当这些中间产物经过下炉膛时再次燃烧生成C02与H20，形成了供氧与需氧匹配，从而减少了排烟中中间产物存在，即减少了气体不完全燃烧热损失；对于单层炉排燃烧，燃料一次燃烧，供氧与需氧很不匹配，燃烧条件变差，会形成较高的中间产物，形成了较多的气体不完全燃烧热损失。
从图1与图2可知，对于秸秆成型燃料无论采用双层炉排燃烧方式还是单层炉排燃烧方式，秸秆成型燃料燃烧的气体不完全损失都远远小于煤的气体不完全燃烧损失，这主要是由秸秆成型燃料特性所决定的。
2.1.3过剩空气系数与排烟热损失的关系 从图1与图2可知，无论是双层炉排燃烧还是单层炉排燃烧，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的情况下，排烟热损失决定于排烟量，无论是双层炉排燃烧还是单层炉排燃烧，随着a增大，排烟量增大，排烟热损失增大，因此在保证燃烧情况下a愈小愈好，对于相似工况下，双层炉排排烟热损失大于单层炉排的排烟热损失，这主要是双层炉排燃烧时排烟温度高。
2.1.4过剩空气系数与散热损失的关系从图1与图2可知，无论是双层炉排燃烧，还是单层炉排燃烧，随着a增大，散热损失越来越小，小到一定程度散热损失保持不变．对于相似工况下，双层炉排的表面散热损失高于单层炉排表面散热损失，这是因为对于双层炉排燃烧来说，对于相似工况，燃烧情况好，炉温水平高，而炉壁温度高，特别是上炉膛周围的炉壁温度较高，表面散热量大，同时通过上炉门向外热辐射热损失也大，双层炉排燃烧时，表面热损失会大一些，相应对于单层炉排而言，对于相似工况，燃烧状况差一些，炉温水平低，炉壁温度低，表面散热损失会小一些．
2. 1.5 过剩空气系数与总热损失的关系 从图1与图2可知，双层炉排燃烧与单层炉排燃烧，其总损失随着a，变化规律相似，即随着aPy增大一总损失越来越小，当总损失减少到一定值后不再减少，随着a继续增大一总损失逐渐增大，在a较小阶段, 总损失主要决定于散热损失大小，aPy较大阶段一总损失主要取决于排烟热损失大小，a中值阶段,总损失主要取决于排烟热损失与散热损失。
对于相似工况下，双层炉排燃烧总损失小于单层炉排总损失，即在所有工况下，双层炉排总损失小于单层炉排总损失，在最佳工况下对于双层炉排a为2.2时一总损失∑q为29.0%，对于单层炉排a为3.4时，总损失∑q为37.3%．
对于秸秆成型燃料来讲，在较好工况下采用双层炉排燃烧效率为97.81%~98.20%，热效率可达64.78%~74.39%，与单层炉排相比燃烧效率提高4.49%~5.15%，热效率提高10. 72%~11. 60%．同时该锅炉大大降低排烟中的CO，H2，CH4等中间产物，起到消烟作用。
3、结论
1)由试验得出，根据生物质成型燃料的燃烧特性设计出的秸秆成型燃料锅炉的热效率、热水流量、热负荷，水温等热性能参数达到了设计要求（在较好工况下），证明了该设计方法正确性和科学性。
2)在较好工况下秸秆成型燃料采用双层炉排燃烧效率比采用单层炉排燃烧效率可提高4.49%~5.15%，热效率可提高10 .72%~11. 60%，大大降低排烟中的CO等中间产物及烟尘含量，起到了消烟除尘作用，双层炉排将成为秸秆成型燃料的主要炉型之一。
3)经试制该燃烧设备制造工艺简单，价格与同容量燃煤锅炉相当，试验时操作也比较容易，可大大提高秸秆利用率，且有较高的经济效益与社会效益．
4)从试验可看出，双层炉排秸秆成型燃料锅炉运行参数与设计选用参数之间存在一定差别，这主要是由于国内外文献中还缺乏秸秆成型燃料燃烧设备的具体设计参数，有些参数是按煤质或按经验确定的，这就向人们提出了要尽快试验确定出有关秸秆成型燃料锅炉设计参数，以提高生物质成型燃料锅炉设计精度。
