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生物質熱水鍋爐節能分析
來源:互聯網
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作者:kst2016
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發布時間: 2017-06-25
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生物質熱水鍋爐作為燃用生物質燃料的主要設備之一,直接燃燒固體生物質顆粒燃料,主要用于家庭、賓館、酒店、學校、醫院等場所的熱水、洗浴和取暖。由于燃料為生物質燃料且結構合理,此類鍋爐基本達到無煙化完全燃燒的效果,排放達到環保要求,具有較好的經濟、社會和環境效益。
1、生物質燃料
1.1生物質燃料是指通過生物質壓縮成型技術將秸稈、稻殼、鋸末、木屑等農作物廢棄物加工成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料。
生物質原料經擠壓成型后,密度可達1.1~1.4噸/立方米,能量密度與中質煤相當,而且便于運輸和貯存。在壓縮過程中以物理變化為主,其元素組成及微觀結構與原生物質基本相同。各種生物質燃料中碳含量集中在35%~42%,氫含量較低,為3.82% ~5%,而氮含量不到1%,硫的含量不到0.2%,因此,造成的污染程度極低。生物質燃料的揮發分均在60% ～70%,因此在設計燃燒設備時應重點考慮揮發分的問題。
1.2生物質燃料的燃燒特性
生物質燃料經高壓形成后,密度遠大于原生物質,燃燒相對穩定。雖然點火溫度有所升高,點火性能變差,但比煤的點火性能好。由于生物質燃料是經過高壓而形成的塊狀燃料,其結構與組織特征就決定了揮發分的逸出速度與傳熱速度都大大降低,但與煤相比顯得更為容易。因此,生物質燃料的揮發分特性指數大于煤的,其燃燒特性指數較煤的大。燃燒速度適中,能夠使揮發分放出的熱量及時傳遞給受熱面,使排煙熱損失降低;同時揮發分燃燒所需的氧與外界擴散的氧很好的匹配,燃燒波浪較小,減少了固體與排煙熱損失。
2、生物質燃料熱水鍋爐
2.1 生物質燃料熱水鍋爐的結構
目前我國擁有多種型號生物質燃料熱水鍋爐,按燃料品種可分為木質顆粒鍋爐和秸稈顆粒鍋爐,按應用場合可分為家用型和商用型。下吸式固定雙層爐排熱水爐是應用較廣的一種結構形式,其充分考慮生物質燃料燃燒特性,由爐門、爐排、爐膛、受熱面、風室、降塵室、爐墻、排汽管、煙道、煙囪等主要部分組成。
2.2 生物質燃料熱水鍋爐的工作過程
一定粒徑生物質燃料經上爐門加在爐排上,根據生物質容易著火的燃料特性,片刻就會燃燒起來,在引風機引導下進行下吸式燃燒;上爐排漏下的燃料屑和灰渣到下爐膛底部繼續燃燒并燃燼,然后經出灰口排出;燃料在上爐排上燃燒后形成的煙氣和部分可燃氣體透過燃料層、灰渣層進入下爐膛繼續燃燒,并與下爐排上燃料產生的煙氣一起經出高溫氣流出口流向后面的降塵室和對流受熱面,在充分熱交換后進入煙囪排向外界
3、節能原理
由有關燃燒理論可知,保持燃料充分燃燒的必要條件為保持足夠的爐膛溫度,合適的空氣量及與燃料良好的混合、足夠的燃燒時間和空間。因此,本文將依據生物質燃料本身的特性,結合燃燒理論,針對鍋爐結構進行節能分析。
3.1 爐排及爐膛
生物質燃料熱水鍋爐采用雙層爐排結構,即在手燒爐排一定高度另加一道水冷卻的鋼管式爐排,其成彎管直接插入上方鍋筒中,這種設計一方面增大了水冷爐排吸熱面積,另一方面加快了爐排與鍋筒內回水的熱傳遞。 燃料燃燒采用下吸式燃燒方式。成型燃料由上爐門加在上爐排上進行預熱、燃燒,由于風機的引導,新燃料不會直接遇到高溫過熱煙氣,延緩了揮發分的集中析出,從而避免了爐膛溫度的波動,使燃燒趨于穩定;同時,揮發分必須通過高溫氧化層,與空氣充分混合,在焦炭顆粒間隙中進行著火燃燒;在完成一段燃燒過程后,上爐排形成的燃料屑和灰渣漏至下爐膛并繼續燃燒,直到燃燼。 采用雙層爐排,實現了秸稈成型燃料的分步燃燒,緩解秸稈燃燒速度,達到燃燒需氧與供氧的匹配,使秸稈成型燃料穩定持續完全燃燒,在提高燃料利用率的同時起到了消煙除塵作用。
3.2 輻射受熱面
早期的部分生物質燃料熱水鍋爐設計布置不夠合理,水冷爐排直接與水箱相連,使得爐膛溫度過高,特別是上爐膛,致使上爐門附近爐墻墻體過熱,增加了鍋爐的散熱損失。在不斷優化設計中,水箱被上下兩個鍋筒所代替,上鍋筒部分置于上爐膛上方,利用鍋筒里的水吸收燃料燃燒在上爐膛的熱量,從而增加輻射受熱面積,起到降低上爐膛溫度的目的,從而減少鍋爐的散熱損失,提高熱效率。
3.3 對流受熱面
生物質燃料熱水鍋爐的對流受熱面分為兩個部分:降塵對流受熱面和降溫受熱面。對流受熱面極易發生以下現象:高溫煙氣與鍋筒中的水換熱不均,從而引起熱水部分出現沸騰,增加鍋爐運行的不穩定因素;受整體外形約束,煙道長度設計偏短,導致煙氣與鍋筒里的水換熱不夠充分,使得排煙溫度過高,增加了鍋爐的排煙熱損失。為避免上述問題出現,降溫對流受熱面與降塵對流受熱面常常采取分開布置;降溫換熱面置于上鍋筒內,采用煙管并聯設計,增加煙氣與鍋筒中水的熱交換,降低排煙溫度,提高燃燒效率;降塵則利用鍋爐后部的下鍋筒及管路引起的煙氣通道面積的變化達到效果。
3.4 爐門設計
目前應用較多的爐門設計為雙爐門。上爐門常開,作為投燃料與供應空氣之用;下爐門用于清除灰渣及供給少量空氣,正常運行時微開,在清渣時打開;一方面保證了燃燒所需條件,另一方面減少了由于爐門多而造成的散熱損失。
4.生物質熱水鍋爐節能優勢
(1)生物質燃料熱水鍋爐依據生物質燃料本身的特性,結合燃燒理論,在爐排及爐膛、輻射與對流受熱面、爐門等結構設計上充分挖掘節能潛力。鍋爐燃燒效率可達94.84%,熱效率為78.2%~81.25%。
(2)生物質燃料熱水鍋爐在技術性能上具有一定優勢。節能方面,鍋爐熱效率和燃燒效率均高于傳統燃煤鍋爐,遠遠超過國家標準;廢氣排放方面,煙中NOx、CO、SO2及煙塵含量均低于燃煤鍋爐,符合清潔能源的要求。
(3)生物質燃料熱水鍋爐在運行費用上較其它類型設備要低,盡管目前其固定資產投入費相對較高。隨著節能環保要求的提高,此類鍋爐在經濟效益上將會越來越具有優勢。
1、生物質燃料
1.1生物質燃料是指通過生物質壓縮成型技術將秸稈、稻殼、鋸末、木屑等農作物廢棄物加工成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料。
生物質原料經擠壓成型后,密度可達1.1~1.4噸/立方米,能量密度與中質煤相當,而且便于運輸和貯存。在壓縮過程中以物理變化為主,其元素組成及微觀結構與原生物質基本相同。各種生物質燃料中碳含量集中在35%~42%,氫含量較低,為3.82% ~5%,而氮含量不到1%,硫的含量不到0.2%,因此,造成的污染程度極低。生物質燃料的揮發分均在60% ～70%,因此在設計燃燒設備時應重點考慮揮發分的問題。
1.2生物質燃料的燃燒特性
生物質燃料經高壓形成后,密度遠大于原生物質,燃燒相對穩定。雖然點火溫度有所升高,點火性能變差,但比煤的點火性能好。由于生物質燃料是經過高壓而形成的塊狀燃料,其結構與組織特征就決定了揮發分的逸出速度與傳熱速度都大大降低,但與煤相比顯得更為容易。因此,生物質燃料的揮發分特性指數大于煤的,其燃燒特性指數較煤的大。燃燒速度適中,能夠使揮發分放出的熱量及時傳遞給受熱面,使排煙熱損失降低;同時揮發分燃燒所需的氧與外界擴散的氧很好的匹配,燃燒波浪較小,減少了固體與排煙熱損失。
2、生物質燃料熱水鍋爐
2.1 生物質燃料熱水鍋爐的結構
目前我國擁有多種型號生物質燃料熱水鍋爐,按燃料品種可分為木質顆粒鍋爐和秸稈顆粒鍋爐,按應用場合可分為家用型和商用型。下吸式固定雙層爐排熱水爐是應用較廣的一種結構形式,其充分考慮生物質燃料燃燒特性,由爐門、爐排、爐膛、受熱面、風室、降塵室、爐墻、排汽管、煙道、煙囪等主要部分組成。
2.2 生物質燃料熱水鍋爐的工作過程
一定粒徑生物質燃料經上爐門加在爐排上,根據生物質容易著火的燃料特性,片刻就會燃燒起來,在引風機引導下進行下吸式燃燒;上爐排漏下的燃料屑和灰渣到下爐膛底部繼續燃燒并燃燼,然后經出灰口排出;燃料在上爐排上燃燒后形成的煙氣和部分可燃氣體透過燃料層、灰渣層進入下爐膛繼續燃燒,并與下爐排上燃料產生的煙氣一起經出高溫氣流出口流向后面的降塵室和對流受熱面,在充分熱交換后進入煙囪排向外界
3、節能原理
由有關燃燒理論可知,保持燃料充分燃燒的必要條件為保持足夠的爐膛溫度,合適的空氣量及與燃料良好的混合、足夠的燃燒時間和空間。因此,本文將依據生物質燃料本身的特性,結合燃燒理論,針對鍋爐結構進行節能分析。
3.1 爐排及爐膛
生物質燃料熱水鍋爐采用雙層爐排結構,即在手燒爐排一定高度另加一道水冷卻的鋼管式爐排,其成彎管直接插入上方鍋筒中,這種設計一方面增大了水冷爐排吸熱面積,另一方面加快了爐排與鍋筒內回水的熱傳遞。 燃料燃燒采用下吸式燃燒方式。成型燃料由上爐門加在上爐排上進行預熱、燃燒,由于風機的引導,新燃料不會直接遇到高溫過熱煙氣,延緩了揮發分的集中析出,從而避免了爐膛溫度的波動,使燃燒趨于穩定;同時,揮發分必須通過高溫氧化層,與空氣充分混合,在焦炭顆粒間隙中進行著火燃燒;在完成一段燃燒過程后,上爐排形成的燃料屑和灰渣漏至下爐膛并繼續燃燒,直到燃燼。 采用雙層爐排,實現了秸稈成型燃料的分步燃燒,緩解秸稈燃燒速度,達到燃燒需氧與供氧的匹配,使秸稈成型燃料穩定持續完全燃燒,在提高燃料利用率的同時起到了消煙除塵作用。
3.2 輻射受熱面
早期的部分生物質燃料熱水鍋爐設計布置不夠合理,水冷爐排直接與水箱相連,使得爐膛溫度過高,特別是上爐膛,致使上爐門附近爐墻墻體過熱,增加了鍋爐的散熱損失。在不斷優化設計中,水箱被上下兩個鍋筒所代替,上鍋筒部分置于上爐膛上方,利用鍋筒里的水吸收燃料燃燒在上爐膛的熱量,從而增加輻射受熱面積,起到降低上爐膛溫度的目的,從而減少鍋爐的散熱損失,提高熱效率。
3.3 對流受熱面
生物質燃料熱水鍋爐的對流受熱面分為兩個部分:降塵對流受熱面和降溫受熱面。對流受熱面極易發生以下現象:高溫煙氣與鍋筒中的水換熱不均,從而引起熱水部分出現沸騰,增加鍋爐運行的不穩定因素;受整體外形約束,煙道長度設計偏短,導致煙氣與鍋筒里的水換熱不夠充分,使得排煙溫度過高,增加了鍋爐的排煙熱損失。為避免上述問題出現,降溫對流受熱面與降塵對流受熱面常常采取分開布置;降溫換熱面置于上鍋筒內,采用煙管并聯設計,增加煙氣與鍋筒中水的熱交換,降低排煙溫度,提高燃燒效率;降塵則利用鍋爐后部的下鍋筒及管路引起的煙氣通道面積的變化達到效果。
3.4 爐門設計
目前應用較多的爐門設計為雙爐門。上爐門常開,作為投燃料與供應空氣之用;下爐門用于清除灰渣及供給少量空氣,正常運行時微開,在清渣時打開;一方面保證了燃燒所需條件,另一方面減少了由于爐門多而造成的散熱損失。
4.生物質熱水鍋爐節能優勢
(1)生物質燃料熱水鍋爐依據生物質燃料本身的特性,結合燃燒理論,在爐排及爐膛、輻射與對流受熱面、爐門等結構設計上充分挖掘節能潛力。鍋爐燃燒效率可達94.84%,熱效率為78.2%~81.25%。
(2)生物質燃料熱水鍋爐在技術性能上具有一定優勢。節能方面,鍋爐熱效率和燃燒效率均高于傳統燃煤鍋爐,遠遠超過國家標準;廢氣排放方面,煙中NOx、CO、SO2及煙塵含量均低于燃煤鍋爐,符合清潔能源的要求。
(3)生物質燃料熱水鍋爐在運行費用上較其它類型設備要低,盡管目前其固定資產投入費相對較高。隨著節能環保要求的提高,此類鍋爐在經濟效益上將會越來越具有優勢。
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