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建湖燃用生物质能源颗粒锅炉的 燃烧及排放特性

来源: 发布时间:2019-03-20 5306 次浏览

  摘要:为得到燃用生物质能源(说明:向自然界提供能量转化的物质)颗粒锅炉的 燃烧和排放特性,建立了燃烧模拟实验台,进行了一次风量及二次风量不同配比、不同位置及不同料层厚度等参数对燃烧和排放性能(xìng néng)影响的 实验,为生物质能源颗粒锅炉的 设计提供了可靠的 依据。样机测试和实际应用表明,此形式生物质锅炉高效节能、洁净燃烧、大气污染物排放量低,具有广阔的 应用前景。
  生物质颗粒燃料成型燃料是以木屑、秸秆等农林剩余物为原料,在高压加热条件下,压缩成颗粒状且质地坚实的 成型物,可作为工业锅炉、民用炉灶、家庭取暖炉以及农业暖房的 燃料。由于成型燃料除具有比重大、便于贮存和运输、着火容易、燃烧性能好、热效率高的 优点外,还具有灰分小、燃烧时几乎不产生SO2,不会造成环境污染等优点,是一种较为理想的 清洁燃料,有着广阔的 市场开发前景。上世纪30年代开始,许多发达如美国、日本、芬兰等都投入了大量人力物力来研究生物质成型技术及颗粒燃料,80年代后,技术日
  趋成熟,形成了一定规模[1-4]。到了90年代,日本、美国及欧洲一些生物质能源颗粒燃烧设备已经定型,并形成了产业化,在加热、供暖、干燥、发电等领域已推广应用[5-8]。我国起步较晚, ;八五 ;期间,作为重点攻关项目,中国农机院能源动力研究所等机构对生物质成型(Forming)技术及装置进行了攻关,推进了我国hjc黄金城官网(fuel)固化成型的 研究工作[9-10]。
  从目前国内外的 研究及应用现状来看,燃烧设备存在着工艺差、专业化程度低、热效率低、排烟污染严重、劳动强度大等缺点,燃烧设备还未定型,还需进一步的 研究、实验与开发。编辑在自行设计的 燃用生物质能源颗粒锅炉模拟燃烧实验台上,系统研究了燃用生物质能源颗粒锅炉的 燃烧特性、排放特性和结渣特性。通过本实验研究得出了更佳的 二次风送风位置、一二次风量配比率和更佳的 燃料层厚度。并结合生物质能源颗粒的 燃烧机理及燃烧特性分析,为燃用生物质能源颗粒锅炉的 设计提供了科学依据。为今后燃用生物质能源颗粒锅炉的 结构定型提供参考。
  1锅炉燃烧模拟实验台
  1.1实验锅炉结构原理
  燃烧模拟实验台(亦称实验锅炉)结构如1所示。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。
  该实验锅炉燃烧部分由固相燃烧室、气相燃烧室、灰渣室组成。固相燃烧室为生物质能源颗粒提供热解气化热量,并产生生物质燃气。下部生物质燃气经燃烧器进入气相燃烧室实现均相动力燃烧,然后高温烟气进入对流受热面。对流受热面为两排设置在气相燃烧室上部的 烟管束,烟气高速纵向冲刷管内。在固相燃烧室底部为灰渣室,生物质颗粒燃料燃烧在此燃烬、降尘、结渣。1中,测温口用于测量燃料层各点温度和燃料层厚度,点火口除了点火外也是测温口和除渣口,二次风口还是炉膛温度测温孔和观火孔。
  1.2实验台结构原理
  如2所示,该实验装置由生物质能源颗粒锅炉、送风系统、循环水系统、散热系统、烟气排放测试系统等组成。
  送风系统由罗茨高压风机、一次风管路、二次风管路、浮子流量计和流量调节阀组成。一次风从固相燃烧室上部进入,二次风从气相燃烧室后部进入。
  锅炉出水管接一块热量表,使用该表测量锅炉供回水温度、瞬时热量等值。锅炉出水流经电动水泵,以保证锅炉水的 循环。最后,锅炉出水在散热系统中的 换热器内通过强制循环冷却后,流至锅炉的 敞口水箱,重新回到锅炉进行循环加热。
  散热系统采用型号为CSRD-42N的 风机盘管机组,用空气进行强制对流换热来模拟锅炉的 热负荷。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。
  为有效监控锅炉运行状况,需准确测量锅炉排烟中主要污染物的 浓度,测试仪器选用英国凯恩企业生产的 型号为KM9106的 综合烟气分析仪。该仪器能够测量出烟气中O2、C
  O、SO2、N
  O、NOx的 体积分数以及烟气温度和环境温度,并能自动计算12个燃烧参数。
  2锅炉燃烧模拟实验分析
  本实验的 目的 是通过对专门设计的 实验用燃用生物质能源颗粒锅炉进行热工性能测试、大气(dàqì)污染物排放测试,考察在不同工况下,燃用生物质能源颗粒热水锅炉实际运行过程中的 燃烧及排放特性,分析其燃烧性能和环保性能,为今后设计、改进及运行此种锅炉提供可靠依据。
  2.1一次风量对燃烧排放的 影响
  2.1.1一次风量对烟气中CO体积分数的 影响
  一次风量对烟气中CO体积分数的 影响如3所示。随着一次风量的 增大,烟气中CO体积分数先减小然后又逐渐升高。由分析可知,由于炉膛内缺乏气流扰动,有些可燃分子在燃烧时难以找到氧化剂,所以仅通过改变一次风量大小不能够较好改善炉膛内燃烧不完全的 状况。
  2.1.2一次风量对燃料层温度的 影响
  4为燃料层更高温度随一次风量的 变化曲线。随一次风量的 逐渐增大,燃料层内温度也逐渐升高,当风量超过10m3/h时,过量空气系数约为1.2左右,燃料层内更高温度超过1000℃,锅炉(Boilers)很快结焦渣,燃烧工况恶化。
  2.2
  一、二次风量配比率及二次送风位置的 影响
  2.2.1
  一、二次风量(定义:单位时间内空气的流通量)配比率对烟气中CO体积分数的 影响
  如5所示,随着
  一、二次风量配比率的 增加,CO体积(volume)分数先是从大到小,当风量配比率为50%时,CO体积分数达到一个最小值(505×10-6),当配比率继续增加,CO体积分数又逐渐增大。
  2.2.2
  一、二次风量配比率对炉膛内温度的 影响
  由6可知,当配比率为50%时,炉膛内温度达到更大值,炉膛中空气量合适,燃料燃烧及挥发速度适中,生物(Organism)质燃气与空气量混合均匀,炉膛内温度达到更大值,此时燃烧工况更好。
  2.2.3
  一、二次风量配比率对氮氧化物体积分数的 影响
  NOx有3种生成机理:热力(heating power)型NOx由燃烧空气中气体氮氧化而成;燃料型NOx由燃料中的 化学氮转换而成;快速型NOx由碳氢基同分子氮发生反应,随后原子氮又与氢氧基相互作用而形成的 ,在一般的 燃烧装置中其生成量很少。本实验排烟中的 NOx主要是由燃料中的 化学氮转换而成的 燃料型NOx。如7所示,NOx体积(volume)分数在
  一、二次风量配比率约52%左右达到更大值,但是,其体积分数值小于190×10-6,优于燃煤锅炉的 指标。
  2.2.4
  一、二次风量配比率对锅炉各项热损失(loss)的 影响
  表1列出了
  一、二次风量配比率对锅炉各项热损失的 影响。实验表明:当
  一、二次风量配比率为50%时,燃用锅炉达到较佳性能,此时气体不完全燃烧损失更低,而锅炉的 热效率(efficiency)达到更大值。
  2.4 SO2质量浓度变化
  用烟气分析仪检测各实验中烟气的 SO2质量浓度,其值均在5mg/m3以下。这是由于生物质能源颗粒中硫的 含量很小,因此燃烧后生成的 SO2质量浓度很低,或检测不出。这也是生物质能源颗粒燃烧可减轻对环境污染的 重要原因之一。
  2.5实验结果分析
  通过实验研究得出了更佳的 二次风送风位置,
  一、二次风量配比率和更佳的 燃料层厚度。在炉膛中部送二次风,
  一、二次风量配比率为50%,燃料层厚度为450mm时,锅炉为更佳工况,热效率更高。
  该锅炉(Boilers)的 排烟热损失为13.16%~15.68%,在更佳工况时排烟热损失达13.32%,这是由于排烟处的 过量空气系数过高,各测温孔、送风孔、炉膛及后部漏风系数大,导致排烟量增大;排烟温度高,一般排烟温度每提高12℃~15℃时,排烟热损失将增加1%。因此在合理供风量下,导致排烟热损失大的 主要原因就是排烟温度高。在今后的 锅炉设计、优化、改造中,应减少漏风,降低排烟处的 过剩空气系数;在保证燃料充分燃烧的 情况下,供给空气量越小越好;合理设计对流受热面的 大小与形式,从而降低排烟热损失。
  本文实验结果说明炉膛内燃烧不够完全,在今后的 设计中炉膛内应采取一定的 措施,如采用旋流结构,使炉膛内生物质燃气能有一定的 燃烧空间和时间,从而促进燃烧完全。
  3研制与应用
  以基础实验研究为依据,设计开发了数种燃用生物质能源颗粒的 锅炉。这是集生物质能源颗粒气化、燃烧及传热为一体的 新型锅炉。燃烧部分采用三室结构,即固相燃烧室、气相燃烧室及燃烬除尘室。在固相燃烧室内,为生物质成型燃料提供热解气化热量,并产生生物质可燃气。在底部,生物质可燃气被滤清净化(purification),然后进入气相燃烧室实现均相动力燃烧。气相燃烧室尾部采用了旋流结构,使燃气火焰得到充分扰流,从而促进燃烧完全。燃烧除尘室采用了燃烬、降尘、凝渣及辐射传热的 组合结构,达到洁净燃烧及辐射换热的 双重效果(effect)。经过计算机优化设计得到高强化传热、低流动阻力的 优化对流换热面。实践表明,新型复合燃烧气化传热一体化锅炉具有高效节能、洁净燃烧、结构新颖、输出功率大和使用方便等特点。燃用生物质能源颗粒锅炉样机如10所示。
  此锅炉设计计算结果为:额定功率为120kW;额定出水温度为80℃;额定回水温度为60℃;循环水流量为5150kg/h;冷空气温度为20℃;燃料为直径10mm的 玉米秸秆颗粒燃料;燃料低位发热量为16284kJ/kg;燃料消耗量为33kg/h;设计热效率为80.5%;炉栅有效面积为0.8m2;炉膛容积为0.6m3;炉膛有效辐射受热面积为2.2m2;炉膛出口烟温为743℃;锅炉排烟温度为210℃;烟管直径为0.057m;烟管壁厚为0.0035m;烟管流程数为2;烟管长度为2m;每程烟管根数为6根;总对流换热面积Hd=3.77m2。
  热工测试结果表明:此型锅炉(Boilers)的 主要热损失是排烟热损失,其他热损失较小,其额定负荷热效率达到80.3%。比GB/T15317工业锅炉节能监测方法所规定的 合格指标高20%以上。环境检测结果为:烟气林格曼黑度为0-1级,出口烟尘质量浓度为65mg/m3,二氧化硫质量浓度为9mg/m3,氮氧化物质量浓度为235mg/m3。环保指标远优于GB 13271锅炉大气排放污染物排放标准所规定的 一类地区锅炉运行排放标准。
  4结论
  (1)自行研制的 燃用生物质能源颗粒热水锅炉的 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,说明了该种炉型适合生物质能源颗粒的 燃烧。
  (2)更佳工况下,该锅炉热效率达到80.3%,比GB/T 15317工业锅炉节能监测方法中所规定的 热效率合格指标高出20%以上,同时锅炉排烟中NO
  X、SO2等环保指标远远低于燃煤锅炉,远优于GB 13271锅炉大气排放污染物排放标准所规定一类地区的 锅炉运行排放标准,且有较好的 环保效益(benefit)。
  (3)改变一次风量大小不能够较好地改善炉膛内的 燃烧不完全状况。烟气(flue gas)中CO体积分数可大于15000×10-6,排烟处O2的 体积分数一直保持在1.5左右,未有明显变化趋势,且炉内燃烧工况不稳定,当一次风量过大时锅炉容易结焦渣。
  (4)通过实验研究得出了更佳的 二次风送风位置(position ),
  一、二次风量配比率和更佳的 燃料层厚度。在炉膛中部送二次风,
  一、二次风量配比率为50%、燃料层厚度为450mm时,锅炉为更佳工况,热效率更高。
  (5)对实际应用锅炉的 结构设计分析及其热工性能和环保性能测试表明,该种炉型的 锅炉具有一系列独特的 优点,高效节能、环保,值得在工程实际应用当中推广。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。
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