熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐設計

摘要：根據秸稈成型燃料的元素分析、工業分析及其特性，采用熱管作為換熱設備，將熱管技術與鍋爐設計結合，設計了適合中國農村秸稈特點的既能產生熱水又能產生熱風，且可提高換熱效率的秸稈成型燃料熱管鍋爐，并按正、反平衡法進行了該鍋爐熱性能與環保指標試驗。結果表明，熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐排放煙氣中SO2、NOx、CO2、CO、煙塵等污染物濃度符合GB13271，環保效益好；正、反平衡熱效率分別為81.6%、81.3%；熱水量、熱風量、效率、溫度等指標達到了設計的熱性能要求，該鍋爐提高了設備效率與能源利用率，具有較好的市場前景。

關鍵詞：熱水熱風兩用；秸稈成型燃料；熱管；鍋爐；熱性能試驗

中圖分類號：S216.2；TK6；TK229.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2245-03

水稻、小麥、玉米等農作物的秸稈被破碎、加熱擠壓制成秸稈成型燃料，具有與原秸稈基本相同的微觀結構、元素組成，強度增強明顯，密度大幅提高，燃燒特性大為改善，熱值略有提高，其灰分低，硫分少，可替代煤、薪材做燃料[1，2]。秸稈成型燃料燃燒技術正在發展，很多技術問題有待解決。現有的秸稈燃料燃燒爐熱能利用率低，且大部分功能單一，僅能單一地產生熱水或者單一地產生熱風。熱管是以真空相變原理工作，由管殼、吸液芯、傳熱工質組成的一種高導熱性能的傳熱元件，分為蒸發、絕熱、冷凝三個工作段[3，4]。本研究將熱管技術與鍋爐設計相結合，通過第一熱管將煙氣室的煙氣熱量傳遞給水箱中的冷水并產生熱水，通過第二熱管將煙氣室的煙氣熱量傳遞給熱風換熱室并產生熱風，研制適合中國農村秸稈特點的既能產生熱水又能產生熱風，且可提高換熱效率的成型燃料燃燒設備，提高秸稈資源能源利用率，促進農村環保。

1 熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐結構設計與參數

1.1 燃料特性

3種秸稈成型燃料的C、H、O、N、S、灰分、揮發分等含量及燃料發熱量等特性見表1。O含量與泥煤近似；N、S、灰分等含量低于煤，其SO2、NOx排放量、產生的飛灰量、造成的污染低于煤；揮發分遠高于煤；其發熱量為煤的65%～70%，燃燒性能介于原秸稈與褐煤之間[5-7]。

1.2 結構

熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐由爐體、出水口、水箱、絕熱隔墻、排煙管道、排煙口、煙氣室、冷風進口、鼓風機、固定隔墻、熱風換熱室、第二熱管、熱風出口、豎直隔墻、下爐門、排渣口、爐排、上爐門、燃料進口、爐膛、進水管、煙氣通口、出蒸汽口、第一熱管等組成，其結構如圖1所示。

熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐爐體內設有絕熱隔墻、固定隔墻和豎直隔墻，絕熱隔墻和固定隔墻均為左右橫向水平延伸，絕熱隔墻左端固設于爐體上、右端固設于豎直隔墻頂端上側，固定隔墻間隔設于絕熱隔墻下方，固定隔墻左端固設于爐體上、右端固設于豎直隔墻上；豎直隔墻右側的爐體內設置爐膛，絕熱隔墻上側的爐體內設有水箱，水箱向右延伸至爐膛上方；絕熱隔墻上設有數個豎直的第一熱管，固定隔墻上設有數個豎直的第二熱管，第一、第二熱管的蒸發段均在煙氣室內，第一、第二熱管的絕熱段分別是其插入絕熱隔墻內的部分與插入固定隔墻內的部分，第一、第二熱管的冷凝段分別向上伸入水箱內、向下伸入熱風換熱室內；爐體對應煙氣室設有與煙氣室連通的排煙口，豎直隔墻上設有連通煙氣室和爐膛的煙氣通口，排煙口位于煙氣通口的上側，排煙口與煙氣通口高低錯開設置，可增加煙氣在煙氣室內的流動時間，防止排煙口與煙氣通口正對使煙氣直接從排煙口排出，排煙口處連接有位于爐體外的排煙管道；熱風換熱室設有冷風進口和熱風出口，冷風進口設于爐體左側壁上，熱風出口設置在爐體后側壁上，爐體外設有鼓風機，鼓風機的出風口與冷風進口相對設置；爐膛內設有爐排，爐排位于煙氣通口的下側，α為6°～12°。

1.3 工作過程

秸稈成型燃料在爐膛內燃燒的煙氣通過煙氣通口進入煙氣室，煙氣最終從排煙管道排出。爐膛內秸稈成型燃料燃燒放出的熱量以及第一熱管從煙氣室得到的熱量共同加熱水箱，同時第二熱管將煙氣室的煙氣熱量傳遞給熱風換熱室并產生熱風，實現該鍋爐可同時產熱水以及熱風的雙重功能。

1.4 設計參數

熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐設計參數見表2。

2 熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐熱性能與環保指標試驗

2.1 燃料

收到基低位發熱量為15 581 kJ/kg、直徑（φ）80 mm、密度1.13 t/m3、含水率8%的液壓成型玉米秸稈圓柱狀燃料。

2.2 儀器

KM9106綜合燃燒分析儀、QF1901奧氏氣體分析儀；XRY-I A數顯氧彈式量熱計、SWJ精密數字熱電偶溫度計、IRT-2000A手持式快速紅外測溫儀、3012H型自動煙塵（氣）測試儀、馬弗爐、烘干箱、蠕動泵、水表、大氣壓力計、水銀溫度計、秒表、米尺、磅稱。

2.3 方法

按《鍋爐煙塵測試方法》（GB5468-1991）、《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2001）、《工業鍋爐節能監測方法》（GB/T15137-1994）、《工業鍋爐熱工性能試驗規程》（GB/T10180-2003）[8]進行試驗。

2.4 結果與分析

從表3可以看出，按正、反平衡法進行熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐熱性能試驗[9-11]，熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐排放煙氣中SO2、NOx、CO2、CO、煙塵等污染物濃度符合GB13271-2001，環保效益好；正、反平衡熱效率分別為81.6%、81.3%；熱水量、熱風量、效率、溫度等指標達到設計的熱性能要求。

3 小結

熱水熱風兩用秸稈成型燃料熱管鍋爐將熱管技術與鍋爐設計相結合，通過第一熱管將煙氣室的煙氣熱量傳遞給水箱中的冷水并產生熱水，通過第二熱管將煙氣室的煙氣熱量傳遞給熱風換熱室并產生熱風，是適合中國農村秸稈特點的既能產生熱水又能產生熱風，且可提高換熱效率的秸稈成型燃料熱管鍋爐，可更充分地利用熱量，縮小了鍋爐體積，環保、節能，市場前景好。

參考文獻：

[1] 劉圣勇，張百良，張全國，等.玉米秸稈成型燃料鍋爐的設計與試驗研究[J].熱科學與技術，2003，2（2）：173-177.

[2] 劉圣勇.生物質（秸稈）成型燃料燃燒設備研制及試驗研究[D].鄭州：河南農業大學，2003.

[3] 莊 駿，張 紅.熱管技術及其工程應用[M].北京：化學工業出版社，2000.

[4] 范振山，張 彥，楊 波.生物質成型燃料熱管鍋爐設計與試驗[J].湖北農業科學，2014，53（11）：2650-2652.

[5] 馬孝琴，駱仲泱，余春江，等.秸稈成型燃料雙膽反燒爐的設計[J].動力工程，2006，25（6）：800-804.

[6] 李 蔭.生物質成型燃料熱水鍋爐的改進設計與試驗[D].鄭州：河南農業大學，2006.

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[11] 劉圣勇，秦立臣，李 蔭，等.秸稈成型燃料鍋爐污染物排放規律試驗研究[J].環境污染與防治，2006，28（10）：738-740.