生物質(zhì)熱水鍋爐節(jié)能分析

生物質(zhì)熱水鍋爐作為燃用生物質(zhì)燃料的主要設(shè)備之一,直接燃燒固體生物質(zhì)顆粒燃料,主要用于家庭、賓館、酒店、學校、醫(yī)院等場所的熱水、洗浴和取暖。由于燃料為生物質(zhì)燃料且結(jié)構(gòu)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(huán)保要求,具有較好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。 

1、生物質(zhì)燃料是什么？

1.1生物質(zhì)燃料是指通過生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)將秸稈、稻殼、鋸末、木屑等農(nóng)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(zhì)原料經(jīng)擠壓成型后,密度可達1.1~1.4噸/立方米,能量密度與中質(zhì)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(jié)構(gòu)與原生物質(zhì)基本相同。各種生物質(zhì)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(zhì)燃料的揮發(fā)分均在60% ～70%,因此在設(shè)計燃燒設(shè)備時應(yīng)重點考慮揮發(fā)分的問題。 

1.2生物質(zhì)燃料的燃燒特性：

生物質(zhì)燃料經(jīng)高壓形成后,密度遠大于原生物質(zhì),燃燒相對穩(wěn)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(zhì)燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料,其結(jié)構(gòu)與組織特征就決定了揮發(fā)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(zhì)燃料的揮發(fā)分特性指數(shù)大于煤的,其燃燒特性指數(shù)較煤的大。燃燒速度適中,能夠使揮發(fā)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(fā)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(zhì)燃料熱水鍋爐 

2.1 生物質(zhì)燃料熱水鍋爐的結(jié)構(gòu) 

目前我國擁有多種型號生物質(zhì)燃料熱水鍋爐,按燃料品種可分為木質(zhì)顆粒鍋爐和秸稈顆粒鍋爐,按應(yīng)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(yīng)用較廣的一種結(jié)構(gòu)形式,其充分考慮生物質(zhì)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(zhì)燃料熱水鍋爐的工作過程 

一定粒徑生物質(zhì)燃料經(jīng)上爐門加在爐排上,根據(jù)生物質(zhì)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(xù)燃燒并燃燼,然后經(jīng)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(xù)燃燒,并與下爐排上燃料產(chǎn)生的煙氣一起經(jīng)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(jié)能原理 

由有關(guān)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(jù)生物質(zhì)燃料本身的特性,結(jié)合燃燒理論,針對鍋爐結(jié)構(gòu)進行節(jié)能分析。 

3.1 爐排及爐膛 

生物質(zhì)燃料熱水鍋爐采用雙層爐排結(jié)構(gòu),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(shè)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(nèi)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(fā)分的集中析出,從而避免了爐膛溫度的波動,使燃燒趨于穩(wěn)定;同時,揮發(fā)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(xù)燃燒,直到燃燼。 

采用雙層爐排,實現(xiàn)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(wěn)定持續(xù)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(zhì)燃料熱水鍋爐設(shè)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(yōu)化設(shè)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(zhì)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(fā)生以下現(xiàn)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(xiàn)沸騰,增加鍋爐運行的不穩(wěn)定因素;受整體外形約束,煙道長度設(shè)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(xiàn),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(nèi),采用煙管并聯(lián)設(shè)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(shè)計 

目前應(yīng)用較多的爐門設(shè)計為雙爐門。上爐門常開,作為投燃料與供應(yīng)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(zhì)熱水鍋爐節(jié)能優(yōu)勢

(1)生物質(zhì)燃料熱水鍋爐依據(jù)生物質(zhì)燃料本身的特性,結(jié)合燃燒理論,在爐排及爐膛、輻射與對流受熱面、爐門等結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分挖掘節(jié)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(zhì)燃料熱水鍋爐在技術(shù)性能上具有一定優(yōu)勢。節(jié)能方面,鍋爐熱效率和燃燒效率均高于傳統(tǒng)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(zhì)燃料熱水鍋爐在運行費用上較其它類型設(shè)備要低,盡管目前其固定資產(chǎn)投入費相對較高。隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高,此類鍋爐在經(jīng)濟效益上將會越來越具有優(yōu)勢。