生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐的研制

翟萬里，劉圣勇，管澤運，王鵬曉，劉洪福，夏許寧，唐亞婷（1.河南農業大學農業部農村可再生能源新材料與裝備重點實驗室，鄭州450002；2.生物質能源河南省協同創新中心，鄭州450002）

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生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐的研制

翟萬里，劉圣勇※，管澤運，王鵬曉，劉洪福，夏許寧，唐亞婷
（1.河南農業大學農業部農村可再生能源新材料與裝備重點實驗室，鄭州450002；2.生物質能源河南省協同創新中心，鄭州450002）

摘要：針對生物質成型燃料燃燒特性，通過優化設計和試驗研制出適合生物質成型燃料燃燒的專用鏈條蒸汽鍋爐，該鍋爐為單鍋筒縱置式布置，采用新型鏈條爐膛結構。試驗得出，鍋爐的燃燒效率達96.7%，熱效率達83.2%，鍋爐排煙中CO、NOx、SO2、煙塵含量分別為360×10-6、116×10-6、44×10-6、26.4 mg/m3，表明鍋爐的燃燒效率、熱效率較高，鍋爐消煙除塵性能較好，排煙中的煙塵、氮氧化物及SO2含量低，符合國家鍋爐的污染物排放標準要求。

關鍵詞：蒸汽；生物質；鍋爐；生物質成型燃料；鏈條蒸汽鍋爐；熱性能；消煙除塵

翟萬里，劉圣勇，管澤運，王鵬曉，劉洪福，夏許寧，唐亞婷.生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐的研制[J].農業工程學報，2016，32（01）：243-249.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.034 http://www.tcsae.org

Zhai Wanli, Liu Shengyong, Guan Zeyun, Wang Pengxiao, Liu Hongfu, Xia Xuning, Tang Yating.Development of chain-steam boiler for biomass briquette[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering（Transactions of the CSAE）, 2016, 32 （01）: 243－249.（in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.034 http://www.tcsae.org

0　引言

能源是人類社會生存與發展的物質基礎。隨著世界經濟持續快速發展，各國對能源的需求劇增，而化石能源的有限導致油價居高不下，能源壓力日益凸顯[1]。生物質能占世界一次能源消耗的1/4，是繼化石能源煤、石油、天然氣之后的第4位能源[2]。生物質能貯量豐富，具有安全、清潔、易取等優點，并且是唯一可以儲存和運輸的可再生能源[3]。世界各國都對生物質能源十分重視，紛紛出臺了生物質能源的相關政策和規劃[4]。中國生物質資源量豐富，種類繁多，數量巨大，開發利用生物質能，符合可持續的科學發展觀和循環經濟理念，是解決中國能源問題的有效途徑[5-6]。

生物質成型燃料體積小、密度大，燃燒效率較高，存儲運輸方便，在工業、農業、家用暖房中均有較大利用價值，其燃燒設備的開發利用，是促進生物質能利用的有效途徑[7-10]。目前，國外生物質成型燃料燃燒設備以自動燃燒器為主，搭配各種熱交換設備，組成生物質固體成型燃料燃燒設備整體系統，測控基本實現智能化，廣泛應用于工業干燥、取暖、熱水器等多種領域[11-12]。但存在著維護費用高、智能操作較復雜、電耗較高和國內燃料匹配差等缺點，不適合引進中國[13]。2014年國家發改委、國家能源局、環境保護部發布關于能源行業加強大氣污染防治工作方案的要求，提出大力發展生物質能供熱，力推生物質成型燃料鍋爐供熱示范項目建設[14]。目前，國內劉圣勇等人對生物質成型燃料熱水鍋爐的研究已取得一定進展，但關于生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐的理論研究和應用研究仍然較少。本論文根據生物質成型燃料燃燒特性，針對之前生物質鍋爐存在的一些問題，通過優化設計和試驗研制出適合于生物質成型燃料燃燒的專用鏈條蒸汽鍋爐，旨在解決原有生物質鍋爐適用范圍窄、機械化程度低、熱效率低、受熱面易結渣、消煙除塵效果差等問題[15-17]。

1　鍋爐設計的背景及依據

1.1雙層爐排生物質成型燃料鍋爐的不足之處

之前研制的雙層爐排生物質成型燃料鍋爐[15]為熱水鍋爐，經長期使用，發現其存在不足之處。在增大鍋爐燃料消耗量后，上爐排長時間受熱容易出現爐排下沉的情況，影響設備的持續使用；爐膛結構較為簡單，爐墻及煙道漏風情況較為嚴重，水冷壁及對流管束布置面積較小，爐膛的發熱量與受熱面吸熱量不匹配，導致排煙熱損失較大，影響鍋爐熱效率；鍋爐墻體、集箱、汽水管道和煙風道的保溫性能較差，鍋爐散熱損失較大；缺少專用除塵器，消煙除塵效果欠佳；手動上料，操作不便，勞動強度大。

因此，此種雙層爐排生物質成型燃料鍋爐只適合于在供熱量小、供熱參數較低的一些熱工設備上使用。根據出現的這些問題，結合生物質成型燃料燃燒特性，新型生物質鍋爐的改進關鍵之處在于其爐排、爐膛結構的創新及其與汽水管道、煙風系統的高效配合。通過優化設計和試驗，研制出新的生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐，力求在提高鍋爐熱效率的同時，降低大氣污染物排放量，使其適合在高參數、供熱量大的熱工設備上使用，在性能指標和環保指標上達到工業使用的要求，實現機械化燃燒過程，降低勞動強度。

1.2生物質成型燃料成分分析試驗

對5種生物質成型燃料及煙煤進行工業分析，得出其水分、灰分、揮發分和固定碳的質量分數；進行元素分析，得出燃料中各元素含量；測量各種燃料低位發熱量數值。試驗結果如表1所示。

從表中看出，不同種類生物質成型燃料的組成成分存在差異，但總體看來，其揮發分和含氧量遠高于煤，灰分和含碳量小于煤，熱值也小于煤。生物質成型燃料的這種組成成分決定了它的燃燒具有一定的特征：點火性能比原生物質有所降低，但仍好于煤；燃燒速度適中，燃燒相對穩定[18-20]。

表1　生物質成型燃料成分分析結試驗結果Table 1 Analytic result of main components of biomass briquette

1.3生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐主要設計參數

鍋爐額定蒸發量D=1000kg/h，額定工作壓力Pe=0.7MPa，額定出口蒸汽溫度t=170℃，給水溫度tgs=20℃,冷空氣溫度tlk=20℃，排煙溫度θpy=126℃，爐排面積熱強度qR=384.88 kW/m2，爐膛容積熱負荷qV=189.88 kW/m3，爐膛過?？諝庀禂郸羖=1.25，排煙處過?？諝庀禂郸羛y=1.45，排煙熱損失q2=4.685%，氣體不完全燃燒損失q3=0.2%，固體不完全燃燒損失q4=5%，散熱損失q5=3%，灰渣物理熱損失q6=0.206%，燃料消耗量B=193.34 kg/h，鍋爐效率η=86.909%。

2　生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐結構設計

2.1鍋爐整體結構及工作原理

設計研制的生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐為單鍋筒縱置式水火管鍋殼式鍋爐，其燃燒設備為鏈條爐排,如圖1所示。爐膛左右兩側布置輻射受熱面，爐膛兩翼布置對流受熱面，鍋筒內布置螺紋煙管對流受熱面。鍋爐本體在結構上采用上置鍋筒，水冷壁管和集箱左右對稱布置的形式。該鍋爐的鍋爐主機外側為立體形護板殼，爐墻采用耐熱混凝土整體澆注搗制成型新工藝。該鍋爐結構布置合理，燃燒效率高，其工作原理如下：

1）燃料路徑：一定粒徑的生物質成型燃料經進料斗送入鍋爐鏈條爐排，爐排借電動機通過變速齒輪箱減速后由鏈輪來帶動，將燃料帶入爐內，燃料一邊燃燒，一邊向后移動。

2）煙氣路徑：燃料燃燒產生的大量高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱，將熱量傳遞給管內的水，并沖刷爐膛兩翼對流管束，之后通過前煙箱進入螺紋煙管對流受熱面，經過省煤器、除塵器，由引風機抽引通過煙囪排入大氣。

3）水循環路徑：鍋爐給水由水泵加壓，先流經省煤器得到預熱，然后進入鍋筒。鍋爐工作時，水冷壁和對流管束內的水受熱變為汽水混合物，高溫蒸汽向上進入鍋筒，由于下降管內的水不受熱，密度較大，壓迫下集箱的水繼續補充水冷壁和對流管束，形成水循環回路。

4）出渣路徑：燃料完全燃燒后產生的灰渣，有少量從鏈條爐排的縫隙落于灰渣斗，大部分在爐排末端被除渣板鏟除于灰渣斗后排出。

圖1　生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐結構圖Fig.1 Structure figure of biomass briquette chain-steam boiler

該鍋爐采用新型爐膛結構，使爐膛與鏈條爐排高效配合，加以獨特的二次風設計，提高了鍋爐燃燒效率及燃燒穩定性。爐膛內的八字墻和出口煙窗部分都具有一定的降塵作用，使鍋爐的原始排塵濃度控制在標準以下，保證鍋爐煙塵排放達到國家環保規定的指標。鍋爐采用拱型管板與高效螺紋煙管組成鍋筒，使鍋筒由準鋼性體結構變為準彈性體結構，取消了管板區的拉撐件，減少了應力，并且強化了傳熱效果，提高了鍋爐的熱效率。

2.2多拱爐膛的結構設計及計算

本文設計的生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐采用新型爐膛結構，如圖2所示。鏈條爐排的上方從前至后依次設有前拱、中拱和后拱，中拱由豎向的折焰墻構成，后拱包括豎向的花墻和設置在花墻底部后側的前后橫向延伸的橫向墻，前拱與中拱之間以及中拱與后拱之間均均設有拱頂，前拱和中拱之間設有第一燃燒室，中拱和后拱之間設有第二燃燒室，后拱的后側設有豎向的后爐墻，花墻、橫向墻和后爐墻三者圍設成第三燃燒室。此種設計能使鏈條爐排與爐膛高效配合，組織爐內空氣動力場，提高燃燒效率及燃燒穩定性，改善生物質燃燒過程中積灰結渣問題。

圖2　生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐爐膛結構圖Fig.2 Structure figure of biomass briquette chain-steam boiler furnace

爐排面積和爐膛體積是鍋爐爐膛的兩個主要參數，由（1）～（2）式[21]可計算出鍋爐爐排及爐膛的尺寸。

式中F為爐排面積，m2；V為爐膛容積，m3；B為燃料消耗量，kg/s；Qnet,ar為生物質成型燃料收到基凈發熱量，kJ/kg；qF為爐排面積熱強度，kW/m2；RV為爐膛容積強度，kW/m3。

2.3鍋爐受熱面的結構設計及校核計算

2.3.1鍋爐輻射受熱面的結構設計及校核計算

鍋爐中以輻射換熱形式為主的受熱面稱為輻射受熱面，輻射受熱面又稱為水冷壁，敷設在鍋爐爐膛四周的爐墻上，如圖3所示。生物質成型燃料鏈條鍋爐輻射受熱面的設計包括其結構特性計算及傳熱計算。根據（3）式，通過結構特性計算可得出鍋爐的總有效輻射受熱面積。

式中Hf為總有效輻射受熱面積，m2；Hfz為爐膛左墻輻射受熱面積，m2；Hfy為爐膛右墻輻射受熱面積，m2；Hfq為爐膛前墻輻射受熱面積，m2；Hfh為爐膛后墻輻射受熱面積，m2；Hfc為出口煙窗輻射受熱面積，m2。

輻射受熱面的傳熱計算采用校核計算的方法，即先假定出口煙氣溫度，然后進行校核計算，若計算得出的出口煙氣溫度在誤差要求范圍之內，則傳熱計算結束，否則應重新假定出口煙氣溫度進行校核計算，直到計算結果在誤差范圍之內為止。出口煙氣溫度根據（4）式（傳熱方程式）和（5）式（熱平衡方程式）聯立計算求得[22]。

式中：Qr為輻射受熱面吸熱量，kJ/kg；σ0為黑體輻射常數；Hf為有效輻射受熱面積，m2；Tll為理論燃燒溫度，℃；Bj為計算燃料消耗量，kg/h；α1為爐膛系統黑度；m為系數；φ為保熱系數；VCpj為煙氣平均比熱容，kJ/（kg·℃）；θ1為理論燃燒溫度，℃；θ1′為爐膛出口煙氣溫度，℃。

若計算得出的出口煙氣溫度與假定值相差在±100℃之內，則符合要求，否則應重新假定并校核。

本研究設計的與生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐爐膛結構相匹配的水冷壁，具有以下特點和作用：

1）保護爐墻，降低高溫堆爐墻的破壞；

2）加強傳熱，減小鍋爐總受熱面積，降低鍋爐鋼材耗量與造價；

3）吸收爐內的輻射熱量，產生鍋爐的大部分飽和蒸汽；

4）防止爐膛結渣。

2.3.2鍋爐對流受熱面的結構設計及校核計算

本研究設計鍋爐的對流受熱面包括鍋爐對流管束（圖3）和鍋爐省煤器（圖1）。在對流受熱面中，高溫煙氣主要以對流的方式進行放熱。對流受熱面的設計包括其結構特性計算和傳熱計算。根據（6）式，通過結構特性計算可得出鍋爐對流管束和省煤器的受熱面積。

式中：H對流受熱面積，m2；n為管子數；d為管子平均直徑，m；l為管子長度，m。

對流受熱面的傳熱計算需采用校核計算的方法，先假定受熱面出口溫度，通過查表得出其焓值，由式（7）求出煙氣側放熱量，由式（8）求出受熱面傳熱量。

式中：Qrp為煙氣側放熱量，kJ/kg；φ為保熱系數；h′為受熱面進口煙氣焓，kJ/kg；h″為受熱面出口煙氣焓，kJ/kg；Δα為受熱面漏風系數；h0lk為冷空氣理論焓，kJ/kg；Qcr為受熱面傳熱量，kJ/kg；K為傳熱系數，kW/（m2·K）；H為對流受熱面積，m2；Δt為對流受熱面進出口溫差，℃；Bj為計算燃料消耗量，kg/h。

校核煙氣側放熱量和受熱面傳熱量的相對誤差，若在±2%之內，則符合要求，否則應重新假定并校核。

該文設計的高效螺紋煙管對流受熱面，強化對流傳熱效果，使鍋爐升溫、升壓加快，提高了鍋爐的傳熱系數和熱效率；煙氣在管內有擾動作用，煙管內不易積灰，起到自清掃的作用。

圖3　生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐受熱面結構圖Fig.3 Structure figure of biomass briquette chain-steam boiler heating surface

2.4鍋爐鼓、引風機的參數確定及選型

鍋爐鼓風機和引風機能保證在既定的工作條件下，滿足鍋爐全負荷運行時對煙、風流量和壓頭的需要。鍋爐風機的選型，首先應按風機的比轉數選定風機形式，然后根據鍋爐煙風系統的設計流量和設計壓頭來確定所選風機的規格。風機的比轉數可由（9）式計算得出，風機設計計算流量可由（10）式計算得出，風機的的設計計算全壓降可由（11）式計算得出：

式中：ns為風機比轉數；n為風機轉數，r/min；Q為風機的設計流量，m3/h；ρ為工作介質的密度，kg/m3；p為風機的設計壓頭，Pa；Qj為風機設計計算流量，m3/h；V為鍋爐額定負荷下的介質流量，m3/h；b0為當地海拔的大氣壓力，Pa；H′為風機入口截面處的負壓，Pa；β1、β2分別為風機風量和壓頭的裕量系數；Hj為風機的設計計算全壓降，Pa；β2′為修正系數；ΔH為風機全壓，Pa。

通過計算得出鍋爐風機有關參數，根據風機制造廠產品目錄選擇出本鍋爐的鼓風機型號為G4-72，風量為1 688～3 517 m3/h，轉速為2900 r/min，電機型號為Y90L-2，風壓為1 300～792 Pa，功率為2.2 kW；引風機型號為Y5-47，風量為3 130～5 750 m3/h，轉速為3 300 r/min，電機型號為Y112M-2，風壓為1 873～1 285 Pa，功率為4 kW。

2.5鍋爐除塵器的設計

根據生物質成型燃料燃燒特性及該鍋爐結構特性設計配套專用水膜除塵器，如圖4所示。具有除塵效率高、占地面積小、使用壽命長等優點。其工作原理如下：

1）鍋爐含塵煙氣由引風機抽引經除塵器進氣口進入，在煙氣流速降低時，借助煙塵自身重力，從煙氣中自然沉降分離出來，落入沉降池中；

2）當煙氣流動方向急劇改變時，借助煙塵慣性力，通過塵粒與除塵器下部的水層碰撞，使煙塵從煙氣中分離出來，落入沉降池中；

3）當煙氣進入水中時，煙塵粒子及未燃盡的碳灰等塵粒被吸附于水中，經過濾后的煙氣向上走；

4）煙氣中含的水分經除塵器上部的擋板消除后，留下潔凈的白煙經煙囪排入大氣，沉降池中的灰渣被定期清理出來。

圖4　生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐除塵器結構圖Fig.4 Structure figure of biomass briquette chain-steam boiler deduster

3　生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐試驗

3.1材料與儀器

該鍋爐試驗燃燒的生物質成型燃料取自鄭州德潤鍋爐股份有限公司，3種燃料分別為液壓成型稻稈、液壓成型玉米秸稈、液壓成型高梁稈，密度為1.10 t/m3，粒度為50～70 mm圓柱，含水率為6.8%。

試驗儀器：MGA5移動式紅外煙氣分析儀（約克儀器設備有限公司）、Omega Scope便攜式高溫紅外線溫度計（Omega工業測量—中國）、SC8010煙氣黑度儀（上海錫諾儀器有限公司）、ZDHW-6A微機全自動立式量熱儀（鶴壁市天冠儀器儀表有限公司）、遠紅外烘干箱（鶴壁市天冠儀器儀表有限公司）、高溫節能馬弗爐（鶴壁市天冠儀器儀表有限公司）、電子天平、卷尺等。

3.2試驗結果

根據GB/T10180-2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》、GB13271 -2014《鍋爐大氣污染物排放標準》、GB5468-1991《鍋爐煙塵測試方法》，于2015年3月對該文研制出的生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐進行熱性能及環保指標試驗。試驗地點為河南農業大學機電工程學院三區試驗工廠，試驗日鍋爐每天正常運行6 h，持續7 d。試驗結果如表2所示。

表2　生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐試驗結果Table 2 Test results of biomass briquette boiler

4　結論

1）試驗得出，該鍋爐輸出蒸汽量達到984 kg/h、蒸汽溫度達到173℃，蒸汽壓力達到0.7 MPa，均滿足設計要求，可在高參數、供熱量大的熱工設備上使用。

2）該鍋爐燃燒效率達96.78%，與之前雙層爐排生物質成型燃料鍋爐的98.4%相比略有降低，這是由不同的爐排結構以及燃料消耗量的顯著增加引起的，屬正常范圍；而全面反映鍋爐性能的熱效率由81.4%提升至83.2%，說明這種鏈條爐排、多拱爐膛結構與各受熱面較好匹配，排煙熱損失由10.6%降至8.6%，散熱損失由5.3%降至3.4%，在顯著增大供熱量的同時仍提高鍋爐熱效率，說明鍋爐設計合理。

3）該鍋爐排煙中CO、NOx、SO2、煙塵含量分別為360× 10-6、116×10-6、44×10-6、26.4 mg/m3，其中煙塵含量較雙層爐排鍋爐的108.6 mg/m3降至26.4 mg/m3，說明該鍋爐煙風系統及除塵器的設計布置有效、得當，消煙除塵效果較好，具有較高的環保效益。

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Development of chain-steam boiler for biomass briquette

Zhai Wanli, Liu Shengyong※, Guan Zeyun, Wang Pengxiao, Liu Hongfu, Xia Xuning, Tang Yating
（1.Key Laboratory of New Materials and Facilities for Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2.Collaborative Innovation Center of Biomass Energy, Henan Province, Zhengzhou 450002, China）

Abstract:A special chain-steam boiler applied to biomass briquette was devised through optimum design and performance test to overcome the shortcoming of traditional biomass boiler which had low degree of mechanization and high pollution.The design foundation included the component analysis of biomass briquette, the combustion characteristic of biomass briquette and the main technical parameters of the special chain-steam boiler.The boiler had single longitudinal layout drum and water-fire tube shell, and its combustion equipment was chain grate.Water-cooled wall was installed on both the left and right sides of the furnace, and convection banks fixed on the flanks, while screw smoke tube convection heating surface applied in the drum.During the boiler working, biomass briquettes with certain particle size were fed into chain grate by feed hopper, and then burning in the furnace.The high-temperature flue gas was generated by combustion flowed along the bottom of the drum, then entered the convection banks on the flanks through the export of boiler smokestack, and then entered the convection heating surface of screw smoke tube through the frontal smoke chamber.Passing through economizer and deduster, the exhausted gas was discharged into atmosphere through chimney pumped by induced-draft fan finally.Innovation of the boiler was the new structure of the furnace which has front, middle and rear arch on the upper part of the chain grate to form more efficient air dynamic field.The stability of combustion was improved on account of the arrangement of the arch crown and combustion chambers, and the combustion efficiency was improved also for the high fitting degree of chain grate and furnace in this design.In addition, the screw smoke tube in the drum, which may strengthen the effect of convection heat transfer, could also raise the thermal efficiency of this boiler.For the purpose of achieving to the national standard, new type water film dust collector was chosen to decrease the discharge quantity of atmospheric pollution in the exhaust smoke.Experiments were carried out in the pilot plant of Henan Agricultural University on March 2015.Three different types of biomass briquette were combusted to test the thermal performance and environmental index of the chain-steam boiler.These experiments continued 7 days, and the boiler operated normally 6 h each day.The test results showed that the combustion efficiency of this boiler reached 96.7%, and the thermal efficiency was 83.2%.The output of steam was 984 kg/h, while the temperature of steam reached 173℃, and the pressure of steam 0.7 MPa.Furthermore, the content of CO in the exhaust smoke was 360×10-6, and 116×10-6for that of NOx.For SO2, the content was 44×10-6, while 26.4 mg/m3for smoke dust.The test data indicated that combustion and thermal efficiency of the new boiler were higher than traditional boilers.Moreover, powerful smoke removing function could be achieved by this new boiler, and contents of smoke dust, nitrogen oxide and sulfur dioxide in the exhaust smoke are low enough to meet the national standard.

Keywords:vapors; biomass; boiler; biomass briquette; chain-steam boiler; thermal performance; smoke removing

通信作者：※劉圣勇（1964-），男，河南柘城人，博士，教授，主要從事可再生能源方面的研究。鄭州河南農業大學農業部農村可再生能源新材料與裝備重點實驗室，450002。Email：liushy@vip.sina.com

作者簡介：翟萬里（1993-），男，河南焦作人，主要從事生物質能源方面的研究。鄭州河南農業大學農業部農村可再生能源新材料與裝備重點實驗室，450002。Email：277833272@qq.com

基金項目：河南省科技創新杰出人才計劃（144200510015）；鄭州市科技創新團隊（131PCXTD588）

收稿日期：2015-07-24

修訂日期：2015-12-02

中圖分類號：TK6

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-01-0243-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.034