热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉设计

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摘要：根据秸秆成型燃料的元素分析、工业分析及其特性，采用热管作为换热设备，将热管技术与锅炉设计结合，设计了适合中国农村秸秆特点的既能产生热水又能产生热风，且可提高换热效率的秸秆成型燃料热管锅炉，并按正、反平衡法进行了该锅炉热性能与环保指标试验。结果表明，热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉排放烟气中SO2、NOx、CO2、CO、烟尘等污染物浓度符合GB13271，环保效益好；正、反平衡热效率分别为81.6%、81.3%；热水量、热风量、效率、温度等指标达到了设计的热性能要求，该锅炉提高了设备效率与能源利用率，具有较好的市场前景。
关键词：热水热风两用；秸秆成型燃料；热管；锅炉；热性能试验
中图分类号：S216.2；TK6；TK229.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）09-2245-03
水稻、小麦、玉米等农作物的秸秆被破碎、加热挤压制成秸秆成型燃料，具有与原秸秆基本相同的微观结构、元素组成，强度增强明显，密度大幅提高，燃烧特性大为改善，热值略有提高，其灰分低，硫分少，可替代煤、薪材做燃料[1，2]。秸秆成型燃料燃烧技术正在发展，很多技术问题有待解决。现有的秸秆燃料燃烧炉热能利用率低，且大部分功能单一，仅能单一地产生热水或者单一地产生热风。热管是以真空相变原理工作，由管壳、吸液芯、传热工质组成的一种高导热性能的传热元件，分为蒸发、绝热、冷凝三个工作段[3，4]。本研究将热管技术与锅炉设计相结合，通过第一热管将烟气室的烟气热量传递给水箱中的冷水并产生热水，通过第二热管将烟气室的烟气热量传递给热风换热室并产生热风，研制适合中国农村秸秆特点的既能产生热水又能产生热风，且可提高换热效率的成型燃料燃烧设备，提高秸秆资源能源利用率，促进农村环保。
1 热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉结构设计与参数
1.1 燃料特性
3种秸秆成型燃料的C、H、O、N、S、灰分、挥发分等含量及燃料发热量等特性见表1。O含量与泥煤近似；N、S、灰分等含量低于煤，其SO2、NOx排放量、产生的飞灰量、造成的污染低于煤；挥发分远高于煤；其发热量为煤的65%～70%，燃烧性能介于原秸秆与褐煤之间[5-7]。
1.2 结构
热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉由炉体、出水口、水箱、绝热隔墙、排烟管道、排烟口、烟气室、冷风进口、鼓风机、固定隔墙、热风换热室、第二热管、热风出口、竖直隔墙、下炉门、排渣口、炉排、上炉门、燃料进口、炉膛、进水管、烟气通口、出蒸汽口、第一热管等组成，其结构如图1所示。
热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉炉体内设有绝热隔墙、固定隔墙和竖直隔墙，绝热隔墙和固定隔墙均为左右横向水平延伸，绝热隔墙左端固设于炉体上、右端固设于竖直隔墙顶端上侧，固定隔墙间隔设于绝热隔墙下方，固定隔墙左端固设于炉体上、右端固设于竖直隔墙上；竖直隔墙右侧的炉体内设置炉膛，绝热隔墙上侧的炉体内设有水箱，水箱向右延伸至炉膛上方；绝热隔墙上设有数个竖直的第一热管，固定隔墙上设有数个竖直的第二热管，第一、第二热管的蒸发段均在烟气室内，第一、第二热管的绝热段分别是其插入绝热隔墙内的部分与插入固定隔墙内的部分，第一、第二热管的冷凝段分别向上伸入水箱内、向下伸入热风换热室内；炉体对应烟气室设有与烟气室连通的排烟口，竖直隔墙上设有连通烟气室和炉膛的烟气通口，排烟口位于烟气通口的上侧，排烟口与烟气通口高低错开设置，可增加烟气在烟气室内的流动时间，防止排烟口与烟气通口正对使烟气直接从排烟口排出，排烟口处连接有位于炉体外的排烟管道；热风换热室设有冷风进口和热风出口，冷风进口设于炉体左侧壁上，热风出口设置在炉体后侧壁上，炉体外设有鼓风机，鼓风机的出风口与冷风进口相对设置；炉膛内设有炉排，炉排位于烟气通口的下侧，α为6°～12°。
1.3 工作过程
秸秆成型燃料在炉膛内燃烧的烟气通过烟气通口进入烟气室，烟气最终从排烟管道排出。炉膛内秸秆成型燃料燃烧放出的热量以及第一热管从烟气室得到的热量共同加热水箱，同时第二热管将烟气室的烟气热量传递给热风换热室并产生热风，实现该锅炉可同时产热水以及热风的双重功能。
1.4 设计参数
热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉设计参数见表2。
2 热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉热性能与环保指标试验
2.1 燃料
收到基低位发热量为15 581 kJ/kg、直径（φ）80 mm、密度1.13 t/m3、含水率8%的液压成型玉米秸秆圆柱状燃料。
2.2 仪器
KM9106综合燃烧分析仪、QF1901奥氏气体分析仪；XRY-I A数显氧弹式量热计、SWJ精密数字热电偶温度计、IRT-2000A手持式快速红外测温仪、3012H型自动烟尘（气）测试仪、马弗炉、烘干箱、蠕动泵、水表、大气压力计、水银温度计、秒表、米尺、磅称。
2.3 方法
按《锅炉烟尘测试方法》（GB5468-1991）、《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2001）、《工业锅炉节能监测方法》（GB/T15137-1994）、《工业锅炉热工性能试验规程》（GB/T10180-2003）[8]进行试验。
2.4 结果与分析
从表3可以看出，按正、反平衡法进行热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉热性能试验[9-11]，热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉排放烟气中SO2、NOx、CO2、CO、烟尘等污染物浓度符合GB13271-2001，环保效益好；正、反平衡热效率分别为81.6%、81.3%；热水量、热风量、效率、温度等指标达到设计的热性能要求。
3 小结
热水热风两用秸秆成型燃料热管锅炉将热管技术与锅炉设计相结合，通过第一热管将烟气室的烟气热量传递给水箱中的冷水并产生热水，通过第二热管将烟气室的烟气热量传递给热风换热室并产生热风，是适合中国农村秸秆特点的既能产生热水又能产生热风，且可提高换热效率的秸秆成型燃料热管锅炉，可更充分地利用热量，缩小了锅炉体积，环保、节能，市场前景好。
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