第一章绪论

1．1生物质能源的研究背景

煤炭，石油，天然气和其他化石燃料是工业社会的核心能源，但它们是不可再生的，储量是很有限的。据国际能源机构统计，开采煤炭，石油，天然气供人类使用的年限最多只有240年，40年和50年。人类经济和社会的快速发展使消耗能源速率越来越快，尤其是化石燃料的消耗不断增加，导致对它们开采过度，使得价格上涨并趋于用尽；同时，高强度的利用，从而使多余的能量和碳大量释放，打破了能源和碳平衡的性质，导致臭氧层遭到破坏，带来了全球变暖和酸雨等灾难，引起国际社会的极大关注。如果没有新能源来替代常规能源，21世纪将会有一个严重的，灾难性的能源和环境危机。

在一体化的国际环境下，中国的能源形势十分严峻。由于改革开放，中国的经济快速发展，经济的增长方式由粗放型转向集约型，但仍在增长化石能源的需求量，而中国的常规能源储量潜力和发展不被看好，每年都将从国外进口大量的石油，潜在的能源危机将逐步威胁到中国经济的快速发展。与此同时，中国的环境压力也越来越大。生态循环能源的开发利用已被提出在重要的发展议程上，环境友好型经济也已被纳入国家发展战略。

为了缓解双重危机，目光被聚焦到可再生能源上。虽然太阳能，风能，小水电和其他可再生能源，但不能进行物质生产，而生物质能不仅可以提供能量，也可像煤炭和石油一样生产千百种化工产品。如燃料乙醇和普通汽油相比，一氧化碳的排放可以降低7％，碳氢化合物可以减少48％，生物柴油富含氧，与普通柴油混合，燃烧将会更充分，由检测得出，生物柴油无毒，可生物降解，如果添加20％的生物柴油，可以减少二氧化硫排放量70％，空气毒性90％，使用生物塑料，白色污染的问题就可以得到解决。生物质能源以畜禽粪便，作物秸秆，农业和林业废弃物，城市有机垃圾为原料，使其无害和资源化，将植物蓄存的光能与物质资源深度开发和回收利用，符合可持续发展和循环经济的理念。因此，生物质能源不仅能缓解能源危机，而且还保护环境，实现可持续发展，是中国可再生能源开发利用的必然选择。.

生物质能是由植物通过光合作用固定在地球上的太阳能。生物通过光合作用，吸收太阳能、土壤里的水和空气中的二氧化碳，产生氧气和碳水化合物。煤、石油和天然气等化石燃料也由生物质变化而来。生物质与化石燃料相比较，具有以下特点：

1)生物质的生产和分布范围广，使用方法多。

2)生物质里的氮、硫含量和灰分含量少，所以在燃烧过程中，粉尘排放比化石燃料低，是一种清洁的燃料。

3)生物质能利用过程中零排放二氧化碳是最突出的特点，由于生物质在生长过程中吸收的量相当于生物质在利用过程中排放的量，因此在大气中接近零排放，可以有效地减少温室效应。

4)生物质的热值低，生物质含水量高，从而使其热解和燃烧特性较差。

5)由于生物质的分布比较分散，对其收集，运输工作和预处理的成本会比较高。

6)可再生能源。生物质通过光合作用可以再生，属于可再生能源，它的资源丰富，可以保证能源的可持续利用。

在世界能源消费中，生物质能源约占14％左右，而在欠发达地区则占60％以上。全球大概有25亿人生活所用的能源90％以上都是生物质能源。中国是人口最多的国家，同时又处在一个经济的快速发展的时期，能源的需求和消费尤为巨大。日益短缺的化石燃料资源，以及燃烧化石燃料造成大气污染，已成为人们关注和忧虑的焦点。21世纪，中国将会面对环境保护和经济增长的双重压力。因此，转变能源生产和消费结构的模式，开发和利用生物质能和其他可再生能源和清洁能源，建立新的可持续发展的能源生产和开发利用体系，为保障和促进可持续发展和环境保护有着显著和深远的意义。

生物质能是人类利用最早的能源在20世纪70年代开始对生物质进行大规模的研究。中东战争所造成的世界能源危机使人们开始关注和重视开发和利用可再生能源，其中包括生物质能源。人们清醒的认识到石油，天然气和煤等化石燃料不可再生和所造成的环境等一系列问题使人类的可持续发展受到了阻碍。使用化石燃料会产生“酸雨”，“臭氧耗破坏”，“温室效应”和其他环境问题，人类的生存和可持续发展正面临着巨大的挑战。而为了解决因为使用化石能源所造成的一系列环境问题，人类正积极探索和研究可再生清洁能源以替代化石燃料。

据统计，现在生物质能消费占世界总能耗的14％左右，位于煤，石油，天然气之后，位居第四。其中，发展中国家占总生物质能的生物能源的使用量的75％，发达国家占25％左右。发展中国家的主要利用方式是直接燃烧，为居民提供生活上的能源需求，能源利用低，会造成严重的资源浪费。据可靠预测，全世界供应的生物质能源依赖于农业生产和土地利用水平等不确定性，二十一世纪中叶大概会达到至。

在世界许多国家，包括发展中国家和发达国家都在促进和发展生物质能利用技术，而且还制定了相关的发展目标，实施激励政策。苏丹是农业国家，且拥有非常有限的石油和天然气资源，生物质能源作为最重要的利用能源，占该国总能源消费的87％，所以苏丹十分重视生物质能源的研究开发技术，研究发展，并且认为生物质是解决可持续发展问题的关键。印度非常重视生物质气化和液化技术，生物质的能源消费占总消费的36.2％-46.5％，大规模利用生物质能，促进农村经济发展，创造大量的就业机会，逐步实现生物质能，生物质燃料发电替代化石燃料发电。芬兰在1994年年初，总能耗为MJ，其中生物质（包括泥煤）为MJ，大概占到20％。芬兰政府曾鉴于生物质能的重要地位发布一份关于能源政策的白皮书。芬兰的目标是到2005年，利用生物质能的比例达到25％以上。德国提供了一系列的法律措施和政府的补贴和支持，以支持生物燃料的使用。德国2000年4月颁布了一项法律，有关于可再生能源方面的发电。它规定根据各类可再生能源和装机容量的不同，要求电网运营商都要购买固定价格的绿色电力;。规定到2010年，在德国生物能源消费要翻一番。土耳其的石油，天然气非常稀缺，主要的利用能源是水电，可是其生物质资源非常丰富，最近土耳其不断地增加生物质能使用情况，生物质能已经占到家庭能源消费的52％。

世界各国政府与科学家已经非常注重生物质能技术的研究与开发，它已成为世界非常热门的课题之一。很多国家都制定了相应的研究和发展计划，例如印度的绿色能源项目，巴西的酒精能源计划，美国的能源农场和日本的阳光计划，他们当中生物质能源的开发和利用已经有了相当大的比例。直到2007年，国外的生物质能技术和设备以实现商业应用，可以达到大规模的产业化经营程度，比如瑞典、美国和奥地利，高品位能源利用量已经有了相当的规模，分别占各国一次能源消费的16％、4％和10％。在美国，生物质能发电单机容量有10至25MW，装机总容量超过10000MW;美国史泰登垃圾处理站投资了2000万美元，使用湿式处理废弃物垃圾，回收利用沼气，以此来发电和生产化肥；美国还开发了从纤维素废料中生产酒精的技术，建立了年产酒精2500吨的1MW的利用稻壳发电的示范基地。燃料乙醇在巴西的发展和应用是最有特色的，拥有世界上最大的乙醇开发计划，到2007年的执行情况是燃料乙醇占该国汽车燃料消耗量的50％。

中国拥有着丰富的生物质资源，我国目前使用的生物质资源在可收集利用的条件下主要是常规的生物质，其中包括作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾、工业中的有机废水和废渣等。秸秆年产约6亿吨，约3亿吨可作为燃料使用，相当于2亿吨标准煤，它占农业总的产出物的51%；农林废弃物年产约8.9亿吨，约2.8亿吨可作为燃料使用，相当于2亿吨标准煤。麻疯树、黄连木、甜高粱、油桐等能源作物种植面积超过2000多万公顷，可以满足年产量大概有5000万吨的生物液体燃料的原料需求量。畜禽业和工业有机废水理论上可以产生沼气约800亿立方米每年。据估计，在中国理论的生物质能源约为50亿吨左右的标准煤，大概为目前中国能源消耗总量的4倍。生物燃料不仅有利于促进能源来源的多样化，以帮助我们摆脱对传统化石能源的严重依赖，还能减少温室气体排放量，减轻对环境的压力。因此，它被看成替代化石燃料之一，对于加强能源安全具有积极意义。

    生物质能源的开发和利用在中国的广大农村地区，具有更为显着。中国人口80％生活在农村地区，秸秆，薪柴和其他生物质是在农村地区最重要的燃料。虽然煤炭，石油和其他商品的能源使用是在生物能源在农村的迅速增加，仍然占有重要地位。 1998年农村生活的总额为207万吨标准煤万吨标准煤，秸秆和薪柴365万吨，占56.7％。开发和利用生物质能技术，提高生物质能源的利用效率，以帮助农村摆脱贫困，以实现建立社会主义小康社会的一项重要战略任务。

    可再生能源和新能源开发框架的基础上，中国将建立生物质能源产业基地，并提高生物质能源产业体系，使生物质发挥更重要的角色，在整个能源供应系统的变化，以促进生物质能先进技术在农村的能源结构，优化农村能源，农村经济和社会的可持续发展;到二十一世纪二十年代，中国的农业和林业生物质发电的发电容量24000MW，2000MW总发电量的垃圾焚烧，填埋气体的总发电能力1000MW，总发电量达到3000MW。生物质固体成型燃料便利金额在2020年达到50吨。因此，生物量不仅是解决我国能源问题，而且还保护生态环境，以确保中国的可持续发展战略的实施。

在生物质能源开发方面中国也取得了很大的成绩，但也应该清醒地认识到，生物质能在中国的发展水平与发达国家相比仍有一定的差距。

1）开发不到位且技术比较单一

    中国早期重点发展沼气，近年来，越来越重视对热解气化技术的发展和应用，也取得了一些突破，但由于其他方面的技术的进步非常缓慢，比如酒精生产、直燃技术、热解和速生林的种植方面，没有特别大的突破。

2）企业生产规模小，经济效益低

我国生物质能源项目不仅资源分散，开发手段落后从而使规模比较小，大多数的项目使用简单的技术工艺且操作设备落后，利用率很低，转换效率不好，导致效益非常低，很难有相当大的规模。

3）缺乏标准，管理较为混乱

秸秆气化集中供气和沼气工程的发展，没有严格明确的技术标准和监督，很多单位和个人参与沼气工程承包和秸秆气化集中供气设备的生产，但他们根本不具备相关的技术，从而导致设备技术不过关，甚至会带来许多的安全问题，为生物质能利用的后期发展工作带来许多不好的影响。

4）技术落后投入产出少

在研究方面，投资太少，重复研究多，一些关键技术得不到突破，从而使研究的技术含量低下。例如：辅助技术设备不配套，厌氧消化导致天然气产量低，设备和管理自动化程度较低;气化焦油无法彻底地解决，使得在以后很多技术研究方面带来更多严重的影响;生物质液化中，虽然有关人员在做一些研究，但该技术的关键方面还没有得到很好的突破；气化发电的效率还是很低的，并且它的二次污染问题没有得到解决，导致许多工程系统中往往处在维修或故障条件下，造成很多的经济损失。

1．2生物质燃烧技术的发展和研究现状

生物质是一种清洁的能源，但若是采用直接燃烧的方式会造成能源的浪费，而目前中国的农村正普遍在使用这种方式来获取生物质的能量，从而造成了国内大量的生物质能源的浪费。所以人们在积极研究生物质的燃烧方式，基本上生物质的燃烧方式分为几类，比如层燃技术，悬浮燃烧技术和流化床技术。

    生物质和生物质燃烧锅炉燃料燃烧的锅炉先进的燃烧技术，可以提高利用效率。锅炉燃烧的生物量更集中，大规模应用。更多类型的生物质燃料锅炉，生物质能锅炉燃烧分为不同的类型：柴炉，秸秆炉，垃圾焚烧炉;生物质燃料锅炉根据燃烧方式的不同分为：层燃燃烧锅炉，悬浮燃烧和循环流化床锅炉。

1.2.1层燃技术

传统的层燃技术是指生物质燃料被放在金属支撑物上，在其上形成一定厚度的分层，然后与从下部上来的风混合逐渐干燥，达到一定温度后热解反应析出大量的可燃气体，与空气混合分布在炉排以上空间中混合燃烧。锅炉主要分布以链条炉的形式自动给及燃料和除渣。这种生物质层燃技术被广泛使用在开发和利用农林废弃物和城市垃圾焚烧上面，比较适合燃烧水分含量高，生物质燃料颗粒大小的变化比较大，并且通常是额定功率小于20兆瓦，投资成本不大而且经济环保操作简单。在丹麦，已开发出一种特殊焚烧秸秆方式的燃烧锅炉，利用液压活塞将一大捆生物质燃料，通过一定的传输通道不断传递给水冷式移动炉排。由于生物质燃料很低的灰熔点从而可以使用水冷炉壁等其他方式来控制生物质燃料燃烧时的温度不超过900℃。丹麦有公司通过改造锅炉，使其可以在两个阶段都可以被加热。四个平行馈线供应材料，秸秆，木屑可以完全炉排燃烧炉，还设立了一个纤维过滤器，以减少设备磨损和腐蚀烟气中有害物质的管道。通过运行实践证明，生物质能锅炉的改造，运行稳定，并取得了良好的社会效益和经济效益。在中国，有许多科研单位，用于发展生物质能层燃烧器的各类生物燃料的特点，实际效果是好的。对于原料使用的材料和结构层燃烧器，炉体结构，包括双燃烧室结构，封闭炉的结构，和其他结构的有效优化的燃烧特性，这些都是同一层燃烧生物质能开发炉的设计提供了宝贵的经验。应当指出，生物质燃烧与国外的技术层，仍有很大的差距之间的研究和开发工作，应进一步开发具有中国特色的，先进的生物质层燃技术，以提高我周围的生物质燃烧技术的竞争力领域。

1.2.2悬浮燃烧技术

煤粉燃烧类似的生物悬浮燃烧技术用于绝大多数的大型锅炉。大暂停燃煤系统，燃烧完全，效率高。作为燃料悬浮燃烧系统，生物预处理，水分含量低于15％，粒径小于2mm。年12月26日，2005年，在枣庄市十里泉电力厂煤粉煤和农作物秸秆混合燃烧锅炉正式运行，采用的丹麦公司的技术和设备项目的改造升台14KW机组锅炉预计秸秆消耗1070万ţ/年可节约煤炭约81300 t。

1.2.3流化床技术

流化床燃烧热和传质性能，高燃烧效率和减少有害气体的排放，热容量和一系列优点，它是适合燃烧水，生物燃料的热值低。流化床燃烧技术是一种相当成熟的技术，已进入清洁燃烧化石燃料等领域的商业用途。发展和利用生物量中使用现有的成熟技术，在国内和国外已经进行了广泛的研究，并已进入商业化运作。目前，国外使用流化床燃烧技术的开发和利用生物质能具有相当规模。爱达荷州能源产品已发展到生产流化床锅炉燃烧生物质蒸汽锅炉出力为4.5-50吨/小时，供热锅炉出力36.67兆瓦; CE公司利用鲁奇技术。的大型木材循环流化床床功率100ţ/Ĥ，蒸汽8.7兆帕的压力锅炉输出废物焚烧的发展;木材，发射流化床床由美国乙＆W公司在20世纪80年代末投入运行初期20世纪90年代制造的锅炉。此外，瑞典的树枝，树叶和其他农林废弃物作为大型循环流化床锅炉燃料使用，锅炉热效率可以达到80％;按照比例高倍率，干草和煤炭丹麦循环流化床锅炉6:4作为礼物送给燃烧炉，锅炉输出的100吨/小时，热功率80兆瓦。中国自20世纪80年代末，生物质流化床燃烧技术也进行了深入的研究，科研单位和燃料的生物质循环流化床锅炉的各类锅炉厂，联合开发，投入生产运行后，促进了许多出口到了国外，从而起到了重要的角色，在促进中国生物质能利用。华中科技大学的物理和化学特性和燃烧特性，流化床燃烧设计辅以悬浮燃烧和固定床燃烧燃烧流化床锅炉的组合，对水稻稻壳的基础上，试点研究已经表明了锅炉具有良好性能的流化床燃烧稳定，不易焦化，而目前已获得国家专利。

1．3生物质颗粒燃料的研究现状

1．3．1生物质颗粒燃料概念

生物质颗粒燃料（成形）高压加热条件下，秸秆，木屑压缩成固体颗粒成型材料的质地和其他林业残留的燃料，可以用于民用炉灶，工业锅炉，家庭取暖炉。在另外一个小灰，零排放，储存和运输方便，沉重，燃烧稳定，热效率高，如生物燃料，生物质颗粒燃料的独特优势，是一种理想的可再生的清洁燃料，具有十分广阔的市场。

1．3．2生物质燃料成型技术简介

1．3．2．1热压成型机理

热压成型是将生物质配合料高速加热到大量形成胶质体的温度下成型的工艺。主要是利用加热加工模具后，注入试料，以压力将模型固定于加热板，控制试料之熔融温度及时间，以达融化后硬化、冷却，再予以取出模型成品即可。材料在热压过程中需特别注意，有些在成型时会产生内在的塑性记忆应力而无法得到理想的产品。因此，成型温度及压力皆有一定的范围、限制。而且在热压成型中，亦会产生某种程度的延伸作用，因此，在选择材料时，必须要注意其成型温度。在做热压成型时，最好在较小范围的时间及温度范围内操作。

1.3.2.2 国内情况 

生物质成型方面，近年来，国内科研院所，加大科研力度，显著的进步已经可以看得到。清华大学清洁能源研究与教育中心已经开发了生物质颗粒燃料冷成型技术和设备，并举办了一个示范项目在北京怀柔区（环境科学与工程研究所）。浙江大学生物学院机电清洁能源利用，在形成理论的生物质型煤燃烧技术国家重点实验室。农业部南京农业机械化研究所江苏正昌集团，牧羊集团等国内知名的机械和设备制造商的设备研究生物质的使用，山东大学机械工程，化学和华中科技大学化学工程系学校，北京林业大学理工学院等生物质型煤。从20世纪80年代，中国科学院林业发展木本生物质原料和农业废料成型技术化学工业研究所。东南大学，中国中科院广州能源转换研究所，湖南农业大学，中国农业机械研究所，可再生能源与环境研究所还开展了一些研究的特点。一些国内生产颗粒饲料制造商已经开始密集的生物质型煤生产，对原有设备的基础上。重点实验室，1992年，河南农业大学农业部可再生能源的开发和生产液压，轧辊和螺旋生物质致密成型机，小批量生产，并取得了良好的社会效益和经济效益。

1.3.2.3 国外情况

   成型燃料技术研究，其燃烧技术，美国在1930年专门研制开发螺杆式压缩机和燃烧设备。而在1940年后，日本开始研制开发相关的机械活塞紧凑的成型技术用来处理农业和城市垃圾，并且在1980年建立了有关煤和生物质成型燃料加工的工厂，年产固体原料600吨以上（其中处理煤75％，而生物质能占25％）。还建立了一个密集的生物质成型燃料。在亚洲，比如在泰国，印度和其他国家都有投产的生物质燃料成型的生产厂。目前，德国有超过100颗粒型煤厂，锯末，木屑，树枝，废钢为原料的其他生物。瑞典有生物质颗粒成型燃料加工厂，年生产能力超过20万吨以上的，可以很好的生产生物质燃料，为企业单位和个人家庭提供生物质能源。

1.4生物质燃烧的相关设备

1．4．1国外生物质燃烧设备情况

    生物质燃烧设备，根据燃料类型分为：柴灶，柴炉，颗粒燃料锅炉，秸秆锅炉;分为：目前热电联产已经成为大趋势，相关的锅炉是大型的锅炉，而目前生物质锅炉一般很难应用于热电联产中。二十世纪中叶以来，日本相继开发关于生物质可以在其中燃烧的锅炉设备;在二十世纪下半叶美国又开发出了利用生物质制成颗粒燃料然后燃烧的更为进步的锅炉设备;1970年后，一些西欧国家通过合作制作有关成型燃料燃烧的先进设备;二十世纪末期，一些亚洲国家也由于能源紧缺和经济问题而对生物质进行研究，研发相关可以让生物质燃烧的设备，紧紧追随西方国家的脚步。在经过了几十年的发展，美国，日本和一些欧洲国家，在加热领域广泛使用的生物质型煤燃烧设备，供热，发电，已产业化。生物质成型燃料燃烧设备自动化程度高，热效率高，污染少。对于中国来说，这些燃烧设备的价格太高，功耗的缺点，不适合引进。东南亚一些国家生物质成型燃料燃烧设备是焦炭的燃烧炉，炭化炉，减少直接燃烧生物质型煤设备，这些劳动密集型的燃烧设备，热效率高，污染严重，需要进一步研究，改进，提高，因此不适合在中国引进。

1．4．2国内生物质燃烧设备情况

    我们的国家从1980年后，通过引进关于生物质成型燃料（秸秆类生物质）的螺旋桨式秸秆成型机，在生物质燃烧设备方面也形成了一定的生产规模。例如，陕西省轻工机械厂的螺旋推进式成型机，由辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机开发的秸秆成型机，南京化工森林工程研究所开发了具有多功能的生物质成型机，河南农业大学，机械和电气工程开发活塞式液压机，在全国已形成了产业化。成型设备，制造工艺的引进和设计都不同程度，有技术和工艺方面的问题，这需要去深入研究和探索，试验，开发。生物质压块设备也存在一些问题，但生物质蜂窝煤，有许多独特的优点：（1）便于储存，运输;（2）易于使用，高生（3）燃烧效率;④是清洁能源，环保。因此，在中国一些地区的生物质成型燃料的大规模生产和形成的研究，生产，发展势头良好。中国未来的能源消费量煤球将占有越来越大的份额。

我国现今对于生物质成型燃烧特性展开了更深入的研究，科研人员也比较多，但优于还缺乏一些系统的理论，经验数据数据和相关设备试验标准。生物质成型燃料燃烧设备的设计开发还在借鉴国外的成果。一些生物质成型燃料燃烧设备的使用者，由于没有了解研究生物质成型燃料燃烧的特点，擅自改变生物质成型燃料燃烧的设备。然而，燃烧设备由于改造后的燃烧室容积，大小形状不匹配，从而导致燃烧设备的燃烧效率和热效率非常低，污染物排放增多。刘圣勇通过做了很多相关生物质成型燃料燃烧的试验，例如单一独立的设计的双层炉排生物质成型燃料燃烧设备的热性能测试，气流测试，温度场中升温速率影响试验，炉内气体浓度变化试验的测试，对设备的主要设计参数的确定从而得到了一系列宝贵的实验数据和研究经验成果，为我国的生物质成型燃料燃烧设备的设计和改造生物质成型燃烧设备的开发奠定了理论基础并具有非常重要的指导作用。而赵迎芳通过研究生物质燃料燃烧的相关特点，经过精心研究最后设计制造了一种功率达到 的生物质成型燃料锅炉。通过最后试验测试表明锅炉的热效率约为 ，相较于其他的锅炉，例如燃煤锅炉，其燃烧后所产生的污染物非常少，显示出了生物质优于煤炭作为燃料的前景和优势。

1.5本章小结

本章通过查阅许多相关文献了解了生物质在今后能源发展中的意义和目前生物质成型技术，燃烧设备的发展状况和我国目前在此方面的研究水平与国外的进行对比。研究的主要目的是：

1) 对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行试验，了解和掌握了生物质成型燃料直燃锅炉的结构，工作原理，燃料燃烧过程和生物质锅炉与其他锅炉相比的优缺点；

2) 对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行分析实验，并设计了生物质直燃锅炉；

3) 对燃烧后产生的污染物进行了分析归类并给与了一些相关的处理措施，减少污染物的产生和排放。

第二章生物质成型燃料直燃锅炉

目前，我国乃至世界上大多数的锅炉都是使用燃煤，但由于煤不可再生且优质煤的缺少，从而导致一系列的环境和经济问题，比如大气污染造成酸雨，城市空气质量严重下降，影响了人们的生活质量和身体健康，所以找出替代燃煤的燃料势在必行。而生物质成型燃料作为一种清洁再生的能源，环保而经济，是作为替代燃煤提供能量的能源之一。但一般的燃煤锅炉无法燃烧生物质，故而生物质成型燃料直燃锅炉被人们高度关注并在积极开发研究中。

2.1生物质成型燃料锅炉结构

如下图所示，生物质成型燃料锅炉包括几个部分

（1）1-上炉门，2-中炉门，3-下炉门；可以将燃料从炉门填入炉膛。

（2）4-上炉排，6-下炉排；炉排片固定在链条上部的支架或支座上，是锅炉中堆置固体燃料并使之有效燃烧的部件。

（3）5-辐射受热面，10-对流受热面；通常按烟气侧换热方式中辐射换热所占比例的大小而把锅炉受热面分为“辐射受热面”和“对流受热面”两种，以辐射换热为主的受热面就叫辐射受热面，以对流换热为主的受热面叫做对流受热面。

（4）7-风室，8-炉膛，9-燃尽室，11-炉墙；风室是提供一次风，二次风的地方；炉膛是由炉墙包围起来供燃料燃烧的立体空间，炉膛的作用是保证燃料尽可能地燃烧，并使炉膛出口烟气温度冷却到对流受热面安全工作允许的温度。

（5）12-排汽管，13-烟道，14-引风机，15-烟囱；引风机是用于克服烟道阻力将烟气送入烟囱的风机。

图1 　生物质成型燃料锅炉结构简图

2.2生物质成型燃料在锅炉中的燃烧过程

生物质成型燃料由于本身成分的复杂性，从而其燃烧过程也很复杂，主要分为四个燃烧阶段：

（1）预热和干燥阶段，当温度达到100度时，生物质燃料进入干燥阶段，水分开始蒸发。

（2）挥发分析出及木炭形成阶段，即干馏，当已经干燥的原料持续加热时，挥发份开始析出，挥发完毕后，最后剩下的就是木炭。

（3）挥发份燃烧阶段，生物质燃料高温热解析出的挥发份在高温下开始燃烧，同时，释放大量的热。

（4）固定炭燃烧阶段，这是最后的阶段，最后剩余灰分。

图2-2生物质成型燃料直燃锅炉

2.3生物质成型燃料锅炉的工作原理

如上图所示的生物质直燃锅炉，其工作原理对应燃烧过程也有以下的四个阶段：

（1）第一阶段（初始阶段），温度从室温到200℃~300℃。首先将生物质成型燃料加入锅炉气化室（也叫做第一燃烧室），接着点火开始，而燃料由于重力作用从上落下，在这个过程中蒸发水分，燃料干燥。

（2）第二阶段，温度从300℃上升到500℃~600℃。干燥后的燃料向下移动进入热解层进行热解反应，此时大量的挥发分从生物质燃料中析出，热解反应析出的挥发分主要有H2O、H2、CO、CO2、CH4、焦油和其它碳氢化合物。

（3）第三阶段，温度从600℃到1000℃左右。在引风机的作用下，热解反应析出的可燃气体进入气化燃烧室（也称作第二燃烧室），而因为气体从上部进入气化燃烧室，可燃气体与焦碳共同燃烧，并与氧气发生化学反应形成火焰现象。

（4）第四阶段（最后阶段），温度达到1000℃~1200℃。可燃气进入气化燃尽室（也称第三燃烧室），由于气化燃尽室是螺旋式上升的结构，故而使可燃气体在燃尽室的停留时间延长了，同时由于大量的燃气在气化燃尽室燃烧使燃尽室的温度上升很高，形成热气流，通过热气流辐射到锅炉中的高温热管上，将水迅速加热。

2.4生物质成型燃料锅炉优缺点

2.4.1优点

    （1）节能。与燃煤锅炉相比，生物质成型燃料利用效率高，锅炉热效率好；生物质成型燃料着火点低，所以点火容易，升火快，燃烧稳定完全，节省燃料。

（2）环保。二氧化碳零排放，燃烧时无烟尘和焦油，燃料能够完全燃烧，最后只剩下一点白灰。清洁卫生无污染，利于健康，生物质排放是燃煤的1/10，远远低于国家排放标准。

（3）经济方便。相对于煤，生物质成型燃料价格便宜经济，来源广泛，储存方便；自动化程度高，操作劳动强度小。

（4）适用范围广。由于原料来源广泛环保，所以广泛适用于环保要求严格的大中城市的产业生产制造以及宾馆、酒店、洗浴中心、事业单位、医院、学校等行业。

2.4.2缺点

（1）生物质能源燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高。

（2）由于生物质挥发分含量较高，燃料着火温度较低，此时如果空气供应量不足，将会增大燃料的化学不完全燃烧损失。

（3）生物质锅炉相对燃煤锅炉构造复杂，价格较高。

（4）有些关键技术没有得到解决，研究方面不是特别成熟。

2.5本章小结

通过去实习公司对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行试验，了解和掌握了生物质成型燃料直燃锅炉的结构，工作原理，燃料燃烧过程和生物质锅炉与其他锅炉相比的优缺点。

第三章 生物质直燃锅炉设计计算

3.1锅炉设计时主要的结构尺寸

1）炉膛净空尺寸：250×250×1400

2）炉排有效面积250×600，共做3块，炉排小孔4mm，开孔率40%，炉排下两侧装导轨，机械传动

3）前拱高200，长50；

4）后拱高180，长300

3）炉顶出口：天圆地方结构，出口60mm

4）点火炉门 80×80，装在侧强

5）看火孔42mm

6）炉前装料斗

7）料层厚度60mm

6）炉顶装省煤器，管子18mm，前后各布置测点一个。

8）每隔300mm一个测点，测点预留孔14mm，烟囱上布置一个测点

9）支架高度800mm

10）炉膛内衬80mm厚，布置抓钉

11）整体用不锈钢外包装

12）支架高度800mm

13）整体外形长宽高：760×410×2200

3.2试验原料

本试验是采用生物质颗粒燃料（玉米秸秆颗粒燃料），是由生物质燃料成型机压制而成的。其尺寸是圆柱形，直径是8mm，燃料颗粒自然堆积密度为554.7kg/m3，其颗粒密度为1200kg/m3。

实验前用氧弹式量热仪测定玉米颗粒燃料的收到基净发热量qnet,ar ， qnet,ar=15132kJ/kg。

由燃料元素分析仪分别测定其收到基中C，H，N，S，O的含量，得到：

Car=44.92%，Har=5.77%，Nar=0.98%，Sar=0.21%，Oar=31.26%。

用燃料工业分析仪分别测定其收到基水分含量（Mar），收到基挥发分含量（Var），收到基固定炭含量（Far），收到基灰分含量（Aar）。如下：

Mar= 9.15%，Var= 75.58%，Far= 7.56%，Aar= 7.71%。

3.3直燃锅炉设计的相关参数

1）锅炉功率要求：10 kW；

2）温度：查阅暖通空调设计指南（P63）可以得到室内空气温度在16-24℃范围内[2]，在试验期间实际测得当时温度为 16℃，室外环境温度t0=10℃，排烟温度tpy低于烟气露点，150℃左右 [20]，tpy =165℃；

3）热负荷：查相关锅炉设计手册得炉排单位面积热负荷经验值700~1050kW/m2 [3-8]，由于低温及燃料易燃尽时取上限，所以取qF= 1050 kW/m2；炉膛单位容积热负荷经验值235~350kW/m3 [3-8]，因为低温及燃料易燃尽时取取上限，所以取qV= 350 kW/m3；

4）过量空气系数：炉门和进料槽漏风系数△α= 0.2；炉膛进口空气过量系数α1= 1.5，炉膛出口空气过量系数α2,= α1+△α= 1.7；

5）热损失：固体未完全燃烧损失q4=3.56%，CO未完全燃烧损失q3=2.5%，侧壁散发到室内的热量q5=0%；

6）大气压力P=1atm

总结以上数据绘制成下表1

表1  直燃锅炉主要设计参数

序号 主要设计参数 符号 参数来源 数值 单位

　 燃料参数 　 　 　 　

1 燃料种类 给定 玉米桔杆

2 燃料颗粒大小 s 燃料测定 8 mm

3 燃料颗粒自然堆积密度 s 燃料测定 554.7 kg/m3

4 灰渣自然堆积密度 ash 燃料测定 1200 kg/m3

5 收到基碳含量 Car 燃料元素分析仪测定 44.92 %

6 收到基氢含量 Har 燃料元素分析仪测定 5.77 %

7 收到基氮含量 Nar 燃料元素分析仪测定 0.98 %

8 收到基硫含量 Sar 燃料元素分析仪测定 0.21 %

9 收到基氧含量 Oar 燃料元素分析仪测定 31.26 %

10 收到基水分含量 Mar 燃料工业分析仪测定 9.15 %

11 收到基挥发分含量 Var 燃料工业分析仪测定 75.58 %

12 收到基固定炭含量 Far 燃料工业分析仪测定 7.56 %

13 收到基灰分含量 Aar 燃料工业分析仪测定 7.71 %

14 收到基净发热量 qnet,ar 氧弹式量热仪测定 15132 kJ/kg

　 直燃锅炉参数 　 　 　 　

15 功率 W 10 kW

16 温度 thot,2 30-50℃，不超过70℃ [1] 50 ℃

17 室内空气温度 thot,1 在16-24℃范围内选取 [2] 16 ℃

18 炉排单位面积热负荷 qF 经验值700~1050kW/m2 [3-8] 1050 kW/m2

低温及燃料易燃尽时取上限

19 炉膛单位容积热负荷 qV 经验值235~350kW/m3 [3-8] 350 kW/m3

低温及燃料易燃尽时取取上限

20 炉门和进料槽漏风系数 △α 参照文献[9]选取 0.2

21 炉膛出口空气过量系数 α2 α1+△α 1.7

22 炉膛进口空气过量系数 α1 参考文献[10-13] 1.5

23 固体未完全燃烧损失 q4 参考文献[14-16] 3.56 %

24 CO未完全燃烧损失 q3 参照文献[14-16]选取 2.5 %

25 侧壁散发到室内的热量 q5 参考文献 [17-19] 0 %

26 室外环境温度 t0 给定 10 ℃

27 排烟温度 tpy 低于烟气露点，150℃左右 [20] 165 ℃

28 压力 P 给定 1 atm

3.4烟气量的计算

（1）二氧化物量vRO2

二氧化物是指烟气中的量，其计算如下：

vRO2=0.01866(Car+0.375Sar)

            =0.01866（44.92+0.375×0.21）

   =0.839676675Nm3/kg

（2）理论空气量va,0

理论空气量是指每千克固体、液体燃料或每标准立方米气体燃料在化学当量比之下完全燃烧所需的空气量。此试验所需的理论空气量为：

va,0=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar

               =0.0889（44.92+0.375×0.21）+0.265×5.77-0.0333×31.26

=4.488480875Nm3/kg

（3）理论氮气量vN2

理论氮气量包括空气中的氮气量和燃料燃烧所产生的氮气。计算如下：

vN2= 0.008Nar+0.79Va,0

             =0.008×0.98+0.79×4.488480875

=3.553739891 Nm3/kg

（4）理论水蒸气量

理论水蒸气量包括自身水分，空气中水分和H燃烧生成的水分：

=0.111Har+0.0124Mar+0.0161Va,0

                 =0.111×5.77+0.0124×9.15+0.0161×4.488480875

=0.826194542 Nm3/kg

（5）理论烟气量vy,0

理论烟气量是指单位燃料与理论空气进行完全燃烧生成的烟气量。包括二氧化物，氮气和水蒸气的量：

vy,0=VRO2+VN2+VH2O,0

=0.839676675+3.553739891+0.826194542

      =5.219611108 Nm3/kg

（6）实际烟气量vy

实际排放或者测量的烟气量，依状态不同，分为工况和标况两种，工况是依实际条件测定的烟气量，标况是工况换算成标准状态下的烟气量：

vy= vy,0+1.0161(α-1)Va,0

α1= 1.5，则vy=5.219611108+1.0161×（1.5-1）×4.488480875

                 =7.499983817

α2,= α1+△α= 1.7，vy=5.219611108+1.0161×（1.7-1）×4.488480875

                      = 8.4121329

汇总数据成下表2：

表2 烟气量计算

序号 项目 符号 单位 计算公式 数值

1 过剩空气系数 α 1.5 1.7

2 二氧化物量 vRO2 Nm3/kg 0.01866(Car+0.375Sar) 0.839676675 0.839676675

3 理论空气量 va,0 Nm3/kg 0.0889(Car+0.375Sar)

+0.265Har-0.0333Oar 4.488480875 4.488480875

4 理论氮气量 vN2 Nm3/kg 0.008Nar+0.79Va,0 3.553739891 3.553739891

5 理论水蒸气量 vH2O,0 Nm3/kg 0.111Har+0.0124Mar

+0.0161Va,0 0.826194542 0.826194542

6 理论烟气量 vy,0 Nm3/kg VRO2+VN2+VH2O,0 5.219611108 5.219611108

7 实际烟气量 vy Nm3/kg vy,0+1.0161(α-1)Va,0 7.499983817 8.4121329

3.5烟气焓温表

由于实验需多次用到烟气焓温表，所以查阅工业锅炉实用手册得到下表3以随时查找相关数据：

表3  烟气焓温表[21]

θ/℃ iCO2 iN2 iH2O iy,0 ia,0 iy=iy,0+(α-1)ia,0

(ct)CO2 vRO2(ct)RO2 (ct)N2 vN2(ct)N2 (ct)H2O vH2O(ct)H2O iRO2+iN2+iH2O (ct)a va,0(ct)a 1.5 1.7

100 170 142.7450348 130 461.9861859 151 124.7553759 729.4865965 132 592.479476 1025.726334 1144.22223

200 375 314.8787531 260 923.9723717 304 251.1631408 1490.014266 266 1193.93591 2086.982222 2325.7694

300 559 469.3792613 392 1393.066037 463 382.528073 2244.973372 403 1808.85779 3149.402268 3511.17383

400 772 648.2303931 527 1872.820923 626 517.1977833 3038.249099 542 2432.75663 4254.627416 4741.17874

500 994 834.638615 664 2359.683288 795 656.824661 3851.146564 684 3070.12092 5386.207023 6000.23121

600 1225 1028.603927 804 2857.206873 969 800.5825113 4686.393311 830 3725.43913 6549.112874 7294.2007

700 1462 1227.607299 948 3368.945417 1149 949.2975289 5545.850245 978 4389.7343 7740.717392 8618.66425

800 1705 1431.648731 1094 3887.791441 1334 1102.143519 6421.583691 1129 5067.49491 8955.331145 9968.83013

900 1952 1639.04887 1242 4413.744945 1526 1260.772871 7313.566686 1282 5754.23248 10190.68293 11341.5294

1000 2204 1850.647392 1392 4946.805929 1723 1423.533196 8220.986516 1437 6449.94702 11445.96003 12735.9494

1100 2458 2063.925267 1544 5486.974392 1925 1590.424494 9141.324153 1595 7159.127 12720.88765 14152.713

1200 2717 2281.401526 1697 6030.696595 2132 1761.446764 10073.54489 1753 7868.30697 14007.69837 15581.3598

1300 2977 2499.717461 1853 6585.080018 2344 1936.600007 11021.39749 1914 8590.95239 15316.87368 17035.0642

1400 3239 2719.71275 2009 7139.463442 2559 2114.231833 11973.40803 2076 9318.0863 16632.45117 18496.0684

1500 3503 2941.387393 2166 7697.400604 2779 2295.994632 12934.78263 2239 10049.7087 17959.63697 19969.5787

3.6直燃锅炉热效率和燃料消耗量计算

（1）冷空气理论焓 ia,t0,0

由于经过排烟和灰斗预热，温度接近0℃， 近似为基准温度0℃，所以其焓是0.

（2）排烟焓

由排烟温度为165℃可查得排烟焓  ipy=1740 kJ/kg。

（3）排烟热损失 q2 

其值在8～16%范围内，合理。

（4）灰渣温度、焓和排渣率

参照文献[23]可以选取灰渣温度为300℃；参照文献[24]可以得出灰渣焓 iash=(ct)ash=264 kJ/kg；参照文献[25]且通过实验获得排渣率为αash=22%。

（5）灰渣散发到室内的热量 q6

由于在试验中忽略了灰渣散发到室内的热量，所以可以将其设定为0。

（6）直燃锅炉总热损失∑q

∑q= q2+q3+q4+q5+q6=14.11%

（7）直燃锅炉热效率η

η=100-∑q=85.89%>小容量工业锅炉设计效率50-62%

达到了85%的要求，设计合理。

（8）燃料消耗量 m

m=100W/(3600qnet,arη)

                =100×10×1000/(3600×15132×85.89)

=0.0007694 kg/s

=0.769 g/s

（9）保热系数ηb

ηb=1-q5/(η+q5)=100%

（10）燃料最大日消耗量 mmax

mmax=3600×24m

            =3600×24×0.0007694

    =66.467kg/d

（11）料仓容积 Vs

Vs =mmax×nt/s =35

（12）灰产生量 mash

mash= mmax×nt×αash×Aar×7

   =66.467×30×22×7.71

=2.367 kg/week

（13）综合热效率η’

η’=η+(q5+q6)/qnet,ar

=85.89%

    汇总以上数据计算得下表4：

表4  直燃锅炉热效率和燃料消耗量计算

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

1 燃料收到基单位发热量 qnet,ar 表1 15132 kJ/kg

2 冷空气温度 t0 表1 10 ℃

3 冷空气理论焓 ia,t0,0 近似为基准温度0℃

经过排烟和灰斗预热，温度接近0℃ 0 kJ/kg

4 排烟温度 tpy 表1 165 ℃

5 排烟焓 ipy 表3 1740 kJ/kg

6 固体不完全燃烧热损失 q4 表1 3.56 %

7 排烟热损失 q2 100(ipy-α2ia,t0,0)(1-q4/100)/qnet,ar 8.054 %

在8～16%范围内[1, 2]

8 CO不完全燃烧损失 q3 表1 2.5 %

9 侧壁散发到室内的热量 q5 表1 0 %

10 灰渣温度 tash 参照文献[3]、实验和经验选取 300 ℃

11 灰渣焓 iash 参考文献[4]，iash=(ct)ash 264 kJ/kg

12 排渣率 αash 参照文献[5]和实验选择 22 %

13 燃料收到基灰分 Aar 表1 7.71 %

14 灰渣散发到室内的热量 q6 100αash(ct)ashAar/qnet,ar 0 %

15 直燃锅炉总热损失 ∑q q2+q3+q4+q5+q6 14.11 %

16 直燃锅炉热效率 η 100-∑q 85.89 %

>小容量工业锅炉设计效率50-62%[6, 7]

17 直燃锅炉功率 W 表1 10 kW

18 燃料消耗量 m 100W/(3600qnet,arη) 0.0007694 kg/s

0.769 g/s

19 保热系数 ηb 1-q5/(η+q5) 100 %

20

燃料最大日消耗量

mmax 3600×24m 66.477 kg/d

21 运行时间系数 nt 按经验选取 30 %

22 料仓容积 Vs mmax×nt/s，1仓/天 35 l

23 燃料月消耗量 mmon 30mmax×nt 0.598 t/mon

24 灰斗容积 Vash mash/ash 1 l

25 灰产生量 mash mmax×nt×αash×Aar×7，1次/周 2.367 kg/week

26 综合热效率 η’ η+(q5+q6)/qnet,ar 85.89 %

3.7燃烧器和炉膛设计计算

3.7.1水平炉排和侧壁风孔计算

（1）炉排单位面积燃烧率qm

参考文献[21]，Far=7.56%<无烟煤45%，符合计算设计标准

qm=3600×(0.45/Far×qF)/qnet,ar ,

         =3600×（0.45/7.56×1050）/15132

=1487 kg/(m2h)

（2）水平炉排

参考文献[21]，Far=7.56%<无烟煤45%，符合计算设计标准

总面积Ap= m×qnet,ar/(0.45/Far×qF)

              =0.00076942×15132/(0.45/7.56×1050)

=0.001863 m2

1)水平炉排类型参照calimax样机确定，是宽而窄；

2)水平炉排形状系数参照calimax样机选取3.5；

3)水平炉排区有效长度lp：联立lp/wP=3.5和lp×wP=Ap求解，可得lp=82mm，进料槽颗粒能

4)沿炉排长度方向较均匀(随机)分布；

5)水平炉排区有效宽度wp减薄火焰厚度和减小炉排中心缺氧区域面积：

wp=1000×Ap/lP

         =1000×0.001863/0.082

=24mm

(3) 燃烧需实际空气量va

va= (α1+α2)/2×va,0

=(1.5+1.7)/2×4.488480875

= 7.1815694 Nm3/kg

(4) 空气通过炉排间隙流速ua

ua= va×m×a/(a+1)/[(n1+1)×dp×wp]

= 7.1815694×0.00076942×2/(2+1)/ [(7+1)×5×24]

=5.08 m/s

(5) 水平炉排通风截面积Atf

Atf= va×m×a/(a+1)/ua

=7.1815694×0.00076942×2/(2+1)/ 5.08

=960mm2

(6) 水平炉排通风截面积比ftf

ftf=Atf /Ap×100

=960/0.001863×100

=51.5%

(7) 水平炉排片数目n1

n1=(lp-dp)/(dp+p) 

=(82-5)/(5+5)

=7.7,取整即7

水平炉排片直径p=5mm

水平炉排片间距dp=5mm

（8）一、二次风孔面积比Atf : Ack=7.5

(9) 侧壁矩形风孔总面积Ack

Ack= Atf /(Atf : Ack)

=960/7.5

=128 mm2

(10) 侧壁矩形风孔宽度wck

考虑颗粒和calimax样机侧壁风孔(3mm)设计,得wck=2.1mm

(11) 侧壁矩形风孔高度hck

hck=2wck=4.2，和calimax样机侧壁风孔面积相等

(12) 侧壁矩形风孔数目n2

n2=Ack / (wck×hck) 

=128/(2.1×4.2)

=14.5,取整即为14

（13）侧壁沿炉宽方向矩形风孔个数n21参照calimax样机选定为3个

（14）前后侧壁矩形风孔个数之比n22:n23参照calimax样机布置为0.6

则，前侧壁矩形风孔个数n22=n22 : n23/(n22 : n23+1)×(n2 - 2×n21)=3个；

后侧壁矩形风孔个数n23=n2-2×n21-n22=5个

（15）通过水平炉排的一次风百分数φa,p

φa,p=100×(n1+1)×dp×wp/[(n1+1)×dp×wp+n2×wck×hck]

=100×（7+1）×5×24/[(7+1)×5×24+14×2.1×4.2]

=88.6%

(16) 通过侧壁风孔的二次风百分数φa,ck

φa,ck=100-φa,p

=100-88.6%

=11.4%

汇总如下表5：

表5  水平炉排和侧壁风孔计算

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

1 燃料消耗量 m 表4 0.00076942 kg/s

2 燃料收到基低位发热量 qnet,ar 表1 15132 kJ/kg

3 炉排单位面积热负荷 qF 表1 1050 kW/m2

4 炉排单位面积燃烧率 qm 1487 kg/(m2h)

5 水平炉排总面积 Ap 0.001863 m2

6 水平炉排类型 宽而窄

7 水平炉排形状系数 lp/wP 3.5

8 水平炉排区有效长度 lp 82 mm

9 水平炉排区有效宽度 wp 1000×Ap/lP 24 mm

10 燃烧需实际空气量 va (α1+α2)/2×va,0 7.1815694 Nm3/kg

11 空气通过炉排间隙流速 ua 5.08 m/s

12 水平炉排通风截面积 Atf va×m×a/(a+1)/ua 960 mm2

13 水平炉排通风截面积比 ftf Atf /Ap×100 51.5 %

14 水平炉排片数目 n1 (lp-dp)/(dp+p)，取整 7 根

15 水平炉排片直径 p 5 mm

16 水平炉排片间距 dp 5 mm

17 水平炉排材质 参考文献[3] HT150-200

18 水平炉排脊背形状 参考文献[4] 半圆形

19 一、二次风孔面积比 Atf : Ack 7.5

20 侧壁矩形风孔总面积 Ack Atf /(Atf : Ack) 128 mm2

21 侧壁矩形风孔宽度 wck 2.1 mm

22 侧壁矩形风孔高度 hck 4.2 mm

23 侧壁矩形风孔数目 n2 Ack / (wck×hck)，取整 14 个

24 侧壁沿炉宽方向矩形风孔个数 n21 3 个

25 前后侧壁矩形风孔个数之比 n22:n23 0.6

26 前侧壁矩形风孔个数 n22 3 个

27 后侧壁矩形风孔个数 n23 n2-2×n21-n22 5 个

28 通过水平炉排的一次风百分数 φa,p 88.6 %

29 通过侧壁风孔的二次风百分数 φa,ck 100-φa,p 11.4 %

3.7.2炉膛计算

（1）炉膛容积V炉膛

通过参考文献[21]，设计大炉膛容积，保证燃烬时间，

V炉膛= m×(qnet,ar-Far×0.01×30000)/qv

=0.00076942×(15132-7.56×0.01×30000)/350

=28m3

炉膛类型参照calimax样机确定为宽、高而窄

（2）炉膛梯形区高度h梯

参照calimax样机选定，火焰最高温度正常高度为300mm

(3) 炉膛矩形区高度h矩

h矩= [V炉膛/W炉膛-(l梯下底+L炉膛)×h梯/2]/L炉膛

= [28/150-(152+400)×300/2]/400

=260mm

炉膛梯形区底边长l梯下底利于落灰和组织宽高薄火焰,

l梯下底=lp+2×dfp

=82+2×35

=152

炉膛长度L炉膛=400mm

炉膛宽度W炉膛=150mm

(4) 炉膛侧壁底部与炉排间距dfp

为了便于放取水平炉排，dfp设定为35mm

(5) 炉顶辐射换热管与垂直方向夹角θ按辐射圆管实际布置确定便于在窄小空间里布置更多辐射换热面积，最终确定为40o。

(6) 腔顶斜边长a暖参照calimax样机选定为100mm; 矩形通道斜宽度W暖,1参照calimax样机选定为25mm; 垂直空气腔宽度δ暖参照calimax样机选定为70mm; 辐射换热管端面斜宽度W暖,2，端面布置辐射换热管，参照calimax样机选定为75mm;

(7) 炉膛前侧壁高度H前

H前= h梯+h矩+0.5W炉膛/tgθ 

= 300+260+0.5×150/40o

=650mm

(8) 炉膛中间高度H中

H中=h梯+h矩+0.5W炉膛/tgθ+a暖sinθ

=300+260+0.5×150/tg40o +100sin40o

=714mm

(9)垂直空气腔后侧壁高度H后

H后=H中-(δ暖+W炉膛-a暖×cosθ)/tgθ

=714-(70+150-100×cos40o)/tg40o

=543mm

汇总以上数据得下表：

表6  炉膛计算

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

1 炉膛单位容积热负荷 qV 表1 350 kW/m3

2 炉膛容积 V炉膛 28 m3

3 炉膛类型 宽、高而窄

4 炉膛梯形区高度 h梯 300 mm

5 炉膛矩形区高度 h矩 260 mm

6 炉膛侧壁底部与炉排间距 dfp 便于放取水平炉排 35 mm

7 炉膛梯形区底边长 l梯下底 152 mm

8 炉膛长度 L炉膛 400 mm

9 炉膛宽度 W炉膛 150 mm

10 炉顶辐射换热管与垂直方向夹角 θ 40 °

11 腔顶斜边长 a暖 100 mm

12 矩形通道斜宽度 W暖,1 25 mm

13 垂直空气腔宽度 δ暖 70 mm

14 辐射换热管端面斜宽度 W暖,2 75 mm

15 炉膛前侧壁高度 H前 650 mm

16 炉膛中间高度 H中 714 mm

17 垂直空气腔后侧壁高度 H后 543 mm

3.7.3颗粒层阻力计算

（1）阻力系数M

参考文献得知在10-20范围内选取故选取M=10

（2）包括炉排在内的阻力Pm

考虑炉排上积灰百分数，

Pm =M(qmαash)2/103

=10×（1487×22%）/103

=1072 Pa

（3） 颗粒层最大容许厚度hm

参照文献[]可知颗粒和灰渣不堵炉膛侧壁二次风孔在25~50mm之间，参考calimax样机选取为50mm。

（4）侧壁矩形风孔高出水平炉排的高度h

h和颗粒层最大容许厚度相等，即为50mm

汇总数据得下表7：

表7  颗粒层阻力计算

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

1 系数 M 在10-20范围内选取[2] 10

2 包括炉排在内的阻力 Pm 1072 Pa

3 颗粒层最大容许厚度 hm 50 mm

4 侧壁矩形风孔高出水平炉排的高度 h 　 50 mm

3.8辐射换热计算

3.8.1计算理论燃烧温度

（1）燃料系数e

参考文献[1]，查无烟煤数据可得e=0.15

（2）燃质系数N

参考文献[1]，查无烟煤数据可得N=2500

（3）理论燃烧温度tmax,1

tmax,1= N/(α2+e)

=2500/(1.7+0.15)

=1351℃

（4）理论燃烧温度tmax,2

tmax,2由表3烟气焓温表查得1171℃

（5）理论燃烧温度计算值tmax

tmax=max(tmax,1, tmax,2)= 1351℃

汇总数据见下表8：

表8 理论燃烧温度

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

1 炉膛出口过量空气系数 α2 表1 1.7

2 燃料系数 e 0.15

3 燃质系数 N 2500

4 理论燃烧温度 tmax,1 1351 ℃

5 理论燃烧温度 tmax,2 1171 ℃

6 理论燃烧温度计算值 tmax 1351 ℃

3.8.2计算辐射换热量

（1）炉膛出口烟温tll,cal

由参考文献可知tll,cal<灰软化温度860-900℃，设定为700℃

（2）辐射换热量Qrad,cal

Qrad,cal=(tmax-tll,cal)W/(tmax-tpy)

=(1351-700)×10/(1351-165)

=5.489kW

（3）辐射换热面热强度qrad,cal

参照文献[]，结合tll线性外延，可得qrad,cal=30kW/m2

（4）有效辐射换热面Arad,0

Arad,0=Qrad,cal/qrad

=5.489/30

=0.182967m2

(5) 辐射换热面利用率ηrad

参考文献[3]，并结合经验选取ηrad=76%

(6) 辐射换热面积计算值Arad,cal

Arad,cal=Arad/ηrad

=0.182967/76%

=0.240746m2

(7) 观察窗下底边边长awin,down和炉排长度lp相等，取整得80 mm；

观察窗两边预留宽度∆awin,down安装观察窗需要知其为60mm;

观察窗上底边边长awin,up= awin,down-2×∆awin,down=280mm;

观察窗顶边离梯形顶边距离∆hwin= 40mm;

观察窗高度hwin= hwin-∆hwin= 260mm;

观察窗辐射换热面积Awin= (awin,down+awin,up)×hwin/2= 0.0468mm;

过渡烟道宽度∆Wy为了便于布置过渡烟道设置为70mm。

（8）炉顶辐射换热面积Atop

Atop= (L炉膛-2×∆Wy)×W炉膛/sinθ

= (400-2×70)×150/sin40o

=0.060673m2

（9）炉顶换热管外径pipe

炉顶换热管布置在炉顶外，参照calimax样机选取pipe=25mm。

（10）炉顶换热管单管长度lpipe

lpipe=W炉膛/sinθ

=150/sin40o

=200mm

(11) 炉顶换热管根数npipe

npipe=Arad,cal/(fpipe×p×lpipe)

= 0.240746/(25×p×200)

=12根

（12）辐射换热管总换热面积Apipe

Apipe= npipe×fpipe×p×lpipe

= 12×25×p×200

= 0.1884 m2

（13）辐射换热管排数npipe,row

辐射换热管排数参照calimax样机布置成2排。

（14）上排辐射换热管根数npipe,up

npipe,up=int[npipe/2+0.5]

=int[12/2+0.5]

=6根

下排辐射换热管根数npipe,down参照calimax样机布置为6根。

（15）上排边缘辐射换热管中心与烟道间距∆d1参照calimax样机布置，∆d1=10+0.5pipe=22.5mm;

    上排辐射换热管管中心间距∆d2=(W炉膛-2×∆Wy-2×∆d1)/(npipe,up-1)=43mm,可以防止积灰；

    下排辐射换热管管中心间距∆d4和上排辐射换热管间距相等,为43mm;

    下排边缘辐射换热管中心与烟道间距∆d3= (W炉膛-2×∆Wy-(npipe,down-1)×∆d4)/2=22.5mm;

    上下排辐射换热管中心与炉顶板间距∆d5参照calimax样机布置为5+0.5pipe=17.5mm;

    上下排辐射换热管管中心间距∆d6= W暖,2-2×∆d5=20mm。

（16）实际辐射换热面积Arad,act

Arad,act=pipe+Awin

=+0.0468

= 0.2352 m2

（17）实际辐射换热面积与计算值差值rad

rad= |Apipe-Arad,cal|/Arad,cal×100%

 |0.1884-0.240746|/0.240746×100%



（18）实际辐射换热面利用率ηrad

参考文献[3]，并结合经验选取ηrad=76%

（19）实际有效辐射面积Arad,0

Arad,0=Arad,act×ηrad

=0.2352×76%

=0.178752m2

（20）实际辐射换热面热强度qrad

qrad=Qrad/Arad,0

=5.455/0.178752

=30.707kW/m2

(21) 实际炉膛出口烟温tll

参照文献[3]，结合tll线性外延得知tll=704℃

（22）炉膛出口烟温校核tll

tll=|tll,cal-tll|/tll,cal×100%

|700-704|/700×100%



（23）实际辐射换热面吸热Qrad

Qrad=(tmax-tll)W/(tmax-tpy)

=(1351-704)×10 /(1351-165)

=5.455kW

（24）辐射换热与对流换热比Qrad : Qcon=1.2

Qrad : Qcon

= 5.455 : 4.545

=1.2

（25）观察窗辐射换热量Qwin

Qwin= Qrad×Awin/(Apipe+Awin)

= 5.455×0.0468/(0.1884+0.0468)

=0.242 kW

（26）辐射换热管换热量Qpipe

Qpipe= Qrad×Apipe/(Apipe+Awin)

= 5.455×0.1884/(0.1884+0.0468)

= 5.213 kW

（27）观察窗辐射换热百分数

Qwin/(Qpipe+Qwin)×100

= 0.242/(5.213+0.242)×100

=4.44%

汇总辐射换热量数据见下表9：

表9  辐射换热计算

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

7 直燃锅炉功率 W 表1 10 kW

8 固体不完全燃烧损失 q4 表1 7.5 %

9 直燃锅炉热效率 η 表4 85.89 %

10 助燃空气显热 Qa 表4 0 kW

11 炉膛出口烟温 tll,cal 700 ℃

12 排烟温度 tpy 表1 165 ℃

13 辐射换热量 Qrad,cal 5.489 kW

14 辐射换热面热强度 qrad,cal 30 kW/m2

15 有效辐射换热面 Arad,0 0.182967 m2

16 辐射换热面利用率 ηrad 76 %

17 辐射换热面积计算值 Arad,cal 0.240746 m2

18 实际辐射换热面积计算值 Arad,cal 0.240746 m2

19 观察窗下底边边长 awin,down 80 mm

20 观察窗两边预留宽度 ∆awin,down 60 mm

21 观察窗上底边边长 awin,up 280 mm

22 观察窗顶边离梯形顶边距离 ∆hwin 40 mm

23 观察窗高度 hwin 260 mm

24 观察窗辐射换热面积 Awin 0.0468 m2

25 过渡烟道宽度 ∆Wy 70 mm

26 炉顶辐射换热面积 Atop 0.060673 m2

27 炉顶换热管外径 pipe 25 mm

28 炉顶换热管平面与垂直方向夹角 θ 表5 40 °

29 炉顶换热管单管长度 lpipe 200 mm

30 炉顶换热管根数 npipe 12 根

31 辐射换热管总换热面积 Apipe 0.1884 m2

32 辐射换热管布置

33    辐射换热管排数 npipe,row 2 排

34    上排辐射换热管根数 npipe,up 6 根

35    上排边缘辐射换热管中心与烟道间距 ∆d1 22.5 mm

36    上排辐射换热管管中心间距 ∆d2 43 mm

37    下排辐射换热管根数 npipe,down 6 根

38    下排辐射换热管管中心间距 ∆d4 43 mm

39    下排边缘辐射换热管中心与烟道间距 ∆d3 22.5 mm

40    上下排辐射换热管中心与炉顶板间距 ∆d5 17.5 mm

41    上下排辐射换热管管中心间距 ∆d6 20 mm

42 实际辐射换热面积 Arad,act 0.2352 m2

43 实际辐射换热面积与计算值差值 rad 0.2 %

44 实际辐射换热面利用率 ηrad 76 %

45 实际有效辐射面积 Arad,0 0.178752 m2

46 实际辐射换热面热强度 qrad 30.707 kW/m2

47 实际炉膛出口烟温 tll 704 ℃

48 炉膛出口烟温校核 tll 0.57 %

49 实际辐射换热面吸热 Qrad 5.455 kW

50 辐射换热与对流换热比 1.2

51 辐射换热分配

   观察窗辐射换热量 Qwin 0.242 kW

   辐射换热管换热量 Qpipe 5.213 kW

　    观察窗辐射换热百分数 　 　 4.44 %

3.9对流换热计算

3.9.1对流换热量和换热前后烟空气温度及平均温差

（1）对流换热热量Qcon

Qcon=(tll-tpy)W/(tmax-tpy)

=(704-165)×10 /(1351-165)

=4.545kW

（2）热空气出口温度thot,med

thot,med=thot,1+(thot,2-thot,1)/W×Qcon

=16+(50-16)/10×4.545

=31.45℃

（3）最大温差tmax

tmax=tll-thot,1

704-16

℃

（4）最小温差tmin

tmin=tpy-thot,med

165-31.45



（5）平均温差tm

根据参照文献[]可知温差修正系数tmax/tmin=0.477；

Dtm=y×Dtmax=0.477×688=328.18℃

数据统计如下表10：

表10  对流换热量和换热前后烟空气温度及平均温差

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

　 计算对流换热量及对流换热前后烟空气温度

1 离炉烟气温度 tll 表6 704 ℃

2 排烟温度 tpy 表1 165 ℃

3 理论燃烧温度 tmax 表6 1351 ℃

4 直燃锅炉功率 W 表1 10 kW

5 助燃空气显热 Qa 表4 0 kW

6 对流换热热量 Qcon 4.545 kW

W-Qrad 4.545 kW

7 室内空气温度 thot,1 表1 16 ℃

8 热空气出口温度 thot,med 31.45 ℃

　 计算平均温差 　 　 　 　

9 最大温差 tmax tll-thot,1 688 ℃

10 最小温差 tmin tpy-thot,med 133.55 ℃

11 温差修正系数  按tmax/tmin 0.477

12 平均温差 tm ×tmax 328.18 ℃

3.9.2烟空气流量和流速计算

（1）空气平均温度thot,aver

thot,aver=0.5×(thot,1+thot,med)

=0.5×(16+31.45)

=23.73℃

（2）烟气平均温度ty,aver

ty,aver=thot,aver+tm

=23.73+

=351.91

（3）烟气流量Vy

Vy=m×vy×(1+ty,aver/273)

=0.0007694×7.499983817×(1+351.91/273)

=0.014816m3/s

（4）烟气流速wy,cal

wy,cal按经验选取经济流速[2]为6.52m/s

（5）假设烟气流通截面积Ay,cal=Vy/wy,cal=0.002272m2；

对流换热管数量ny参照calimax样机设计为2个；

垂直烟气腔水平截面宽度by参照calimax样机选取为100mm；

垂直烟气腔水平截面厚度y=Ay,cal/ny/by=0.002272/2/100=11mm。

（6）烟气实际流速wy

wy= Vy/(ny×by×y)，属经济流速[2]

= 0.014816/(2×100×)

=6.73

（7）烟气实际流通截面积Ay

Ay= by×y×ny

= 100××2×10-6

=0.0022m2

（8）空气流量Va

Va=W/[1.165×1.005×(thot,2-thot,1)]

=10/[1.165×1.005×(50-16)]

=0.251205

（9）空气流通截面布置

垂直腔宽度见表1为70mm；

炉膛侧壁夹套厚度参照calimax样机选取为30mm；

垂直腔空气流通截面积Aa=暖×L炉膛+××W炉膛暖Ay

                                  ×400+××150×10-60.0022

0.039m2

（）风速wa

wa=Va/Aa，属经济流速[2, 3]

=0.251205/0.039

=6.44m/s

相关数据统计如表11：

表11  烟空气流量和流速计算

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

1

空气平均温度 thot,aver 23.73 ℃

2 烟气平均温度 ty,aver 23.73 ℃

3 对流换热区空气过剩系数 α2 表1 1.7

4 直燃锅炉热效率 η 表4 85.89 %

5 烟气流量 Vy 0.007035 m3/s

6 烟气流速 wy,cal 6.52 m/s

7 烟气流通截面积假设 Ay,cal 0.001079 m2

8 对流换热管数量 ny 2 个

9 垂直烟气腔水平截面宽度 by 100 mm

10 垂直烟气腔水平截面厚度 y 5 mm

11 烟气实际流速 wy 7.04 m/s

12 烟气实际流通截面积 Ay 0.0022 m2

13 空气流量 Va 0.251205 m3/s

14 空气流通截面布置

垂直腔宽度 δ暖 表5 70 mm

炉膛侧壁夹套厚度  30 mm

垂直腔空气流通截面积 Aa 0.039 m2

15 风速 wa 6.44 m/s

传热系数的计算

（1）传热系数K

与烟气流速有关系数k1，由参考文献[1]，顺排4wy+6= 40.92；

管径系数k2，为了简化计算，取近似值1；

冲刷系数k3，参照文献[4]选取值为1；

传热系数K= k1×k2×k3×1.163×10-3= 40.92×1×1×1.163×10-3=0.048kW/(m2K)。

（2）对流换热面积Acon

Acon=Qcon/(K×tm)

=4.545/(0.048×)

=0.288523m2

（3）对流换热面布置

水平排烟高度hy参照calimax样机选取为130mm；

对流换热单管高度hcon=H后-hy=543-130=413mm；

对流换热单管周度ΣL=Acon/(hcon×ny)，取整得348 mm；

波纹换热富裕系数kbo考虑波片粘结粉尘和换热富裕为1.225；

波纹单片伸展宽度bbo= (ΣL-y)/2×kbo= (348-)/2×1.225= 206 mm；

波纹单片数目nbo= 2×ny= 4片；

波纹倾斜角θbo= arccos(by/bbo)= 61°；

波纹单片面积Abo= hcon×bbo= 413×206×10-6=0.085284m2；

数据统计如下表12：

表12  传热系数的计算

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

1

与烟气流速有关系数 k1 40.92

2 管径系数 k2 1

3 冲刷系数 k3 1

4 传热系数 K 0.048 kW/(m2K)

5 对流换热面积 Acon 0.288523 m2

6 对流换热面布置

水平排烟高度 hy 130 mm

对流换热单管高度 hcon 414 mm

对流换热单管周度 ΣL 348 mm

波纹换热富裕系数 kbo 1.225

波纹单片伸展宽度 bbo 206 mm

波纹单片数目 nbo 2×ny 4 片

波纹倾斜角 θbo 61 °

波纹单片面积 Abo 0.085284 m2

3.9.4对流换热面校核计算

（1）实际对流换热面积Acon

Acon= 2×ny×Abo+ny×y×hcon

= 2×2×0.085284+2××414

=0.350244 m2

（2）烟管污染系数k4

考虑波纹换热富裕，k4=1/kbo= 0.82

（3）考虑污染的烟管传热系数K'

K'= K×k4

= 0.048×0.82

= 39 W/(m2K)

（4）对流换热量Qcon,act

Qcon,act= K'×Acon×tm

= 39×0.350244×

=4.483kW

（5）对流换热量误差Qcon

Qcon=|Qcon,act-Qcon|/Qcon×100%

|4.483-4.545|/4.545×100%

1.36%

数据统计如下表13：

表13  对流换热面校核计算

序号 项目 符号 数据来源 数值 单位

1

实际对流换热面积 Acon 0.350244 m2

2 烟管污染系数 k4 0.82

3 考虑污染的烟管传热系数 K' K×k4 39 W/(m2K)

4 对流换热量 Qcon,act 4.483 kW

5 对流换热量误差 Qcon 　 1.36 %

3.10 风机风压与风量计算

3.10.1空烟气流动阻力计算

（1）对流换热区烟气密度y

y=(1-0.01Aar+1.306αVa,0)×Vy×(1+ty,aver/273)

(1-0.01×7.71+1.306×1.7×4.488480875)×0.014816×(1+351.91/273)

0.565kg/m3

（2）对流换热区入口局部阻力系数y,1

y,1通过参考文献[1] ，由于圆角过渡选取为0.5。

（3）对流换热区入口局部阻力h

hy,1×y×wy×wy/2

××6.73×6.73/2

Pa

（4）烟气管沿程阻力系数y

y通过参考文献[2] ，按钢管阻力系数选取为0.04。

（）烟管当量直径dy

dy= Ay/ny×4/[(by+y)×2]

= 0.0022/2×4/[(100+)×2]

= 19.8mm

（6）烟管沿程阻力hl,1

Dhl,1=y×ly×y×wy×wy/(2×dy)

=0.04×0.414×0.565×6.73×6.73/(2×19.8)×103

=10.7Pa

（7）烟气管等径拐直角弯局部阻力系数y,2

y,2参考文献[1]取1.15。

（）烟气管等径拐直角弯局部阻力h

hy,2×y×wy×wy/2

××6.73×6.73/2

14.7Pa

（）排烟连接管直径dy,out

排烟连接管直径dy,out参照calimax样机选取为0.1m。

（10）烟气管变径局部阻力系数y,3

参考文献[1]，y,3= power(1-dy×dy/dy,out/dy,out,2)

 power(1-19.8×19.8/0.1/0.1,2)

= 0.92

（11）烟气管变径局部阻力h

hy,3×y×wy×wy/2

××6.73×6.73/2

 11.8 Pa

（）排烟连接管烟气速度wy,out

wy,out= Vy/dy,out/dy,out//4





（13）排烟连接管长度ly,out按安装需要预留为1m。

（14）排烟连接管沿程阻力hl,2

hl,2=ly×ly,out×y×wy,out×wy,out/(2×dy,out)

=0.414×1×0.565×0.059×0.059/(2×0.1)

=0.0041 Pa

（15）助燃空气入口负压Pa按经验值选取20 Pa

（16）进气管长度la为装箱安装备用件选取为1m；

进气管直径da参照calimax样机选取为0.05m。

（17）空气入口流速wa

wa= m×α1×va,0/(da×da×/4)

= 0.0007694×1.5×4.488480875/(0.05×0.05×/4)

= 2.638 m/s

（18）实验测得进气管空气密度a= 1.293；

进气管沿程阻力hl,3=y×la×a×wa×wa/(2×da)

×1××2.638×2.638/(2×0.05)

 3.6 Pa

（）进气管入口局部阻力系数a,4和进气管出口局部阻力系数a,5参考文献[1]分别为0.5和1。

（20）进气管进出口阻力h

h (a,4+a,5)×a×wa×wa/2

 (+)××2.638×2.638/2

 Pa

（21）辐射换热单管局部阻力系数y,60

y,60通过参照文献[1]选取，取近似值为0.75；

辐射换热管束局部阻力系数y,6

y,6= (npipe,up+npipe,down+1)y,60

 (6+6+1)



（22）换热管束局部阻力h

h简化估算为，hy,6×y×wy×wy/2

××2.638×2.638/2

= 124.8 Pa

（23）空烟气流动阻力总和h)

h)1=hl,1+hl,2+hl,3+h,1+h,2+h,3+h +h,6+Pm- Pa

+++++++ 1072-20

1230.7Pa

汇总数据如下表：

表14  空烟气流动阻力计算

序号 项目 符号 计算依据 数值 单位

1 对流换热区烟气密度 y 0.565 kg/m3

2 对流换热区烟气流速 wy 表7 6.73 m/s

3 对流换热区入口局部阻力系数 y,1 参考文献[1] 0.5

4 对流换热区入口局部阻力 h 6.4 Pa

5 烟气管沿程阻力系数 y 参考文献[2] 0.04

6 烟气管长度 ly 表7 0.414 m

7 烟管当量直径 dy 19.8 mm

8 烟管沿程阻力 hl,1 10.7 Pa

9 烟气管等径拐直角弯局部阻力系数 y,2 参考文献[1] 1.15

10 烟气管等径拐直角弯局部阻力 h 14.7 Pa

11 排烟连接管直径 dy,out 0.1 m

12 烟气管变径局部阻力系数 y,3 参考文献[1] 0.92

13 烟气管变径局部阻力 h 11.8 Pa

14 排烟连接管烟气速度 wy,out 0.059 m/s

15 排烟连接管长度 ly,out 1 m

16 排烟连接管沿程阻力 hl,2 0.0041 Pa

17 助燃空气入口负压 Pa 按经验值选取 20 Pa

18 进气管长度 la 1 m

19 进气管直径 da 0.05 m

20 空气入口流速 wa 2.638 m/s

21 进气管空气密度 a 1.293 kg/m3

22 进气管沿程阻力 hl,3 3.6 Pa

23 进气管入口局部阻力系数 a,4 参考文献[1] 0.5

24 进气管出口局部阻力系数 a,5 参考文献[1] 1

25 进气管进出口阻力 h 6.7 Pa

26 料层阻力 Pm 表5 1072 Pa

27 辐射换热单管局部阻力系数 y,60 参照文献[1] 0.75

28 辐射换热管束局部阻力系数 y,6 9.75

29 换热管束局部阻力 h 124.8 Pa

30 空烟气流动阻力总和 h)1 1230.7 Pa

3.10.2排烟通道总阻力计算

（1）空气腔入口负压Phot按经验值选取为20Pa

（2）空气腔当量直径dhot,

dhot,aL炉膛4/[(a+L炉膛)2]

=4004/[(+400)2]

=119mm

（3）室内空气入口局部阻力系数hot,1

参考文献[1]，圆角过渡(r/d=0.05)，hot,1= 0.25。

（4）空气密度hot

按定性温度(thot,1+thot,med)/2查表得1.15 kg/m3

（5）空气腔长度lhot,

根据结构尺寸得lhot, hcon= 414mm。

（6）空气腔出口局部阻力系数hot,2

参考文献[1]， 圆角过渡(r/pipe=0.1)，hot,2= 0.12

（7）辐射换热管空气流速whot,○

whot,○= whot,aL炉膛-Ay)/(npipepipepipe/4+W暖,1L炉膛

= 6.44400-0.0022)/(12/4+25400)

=10.46 m/s，属于经济流速[3]

（8）排烟通道阻力总和h)

h)2=hot[(ylhot,/dhot+hot,1)whot,whot,/2+ (ylpipe/pipe+hot,2)whot,○whot,○/2]-Phot

[(414/119+)10.4610.46/2+(200/+)10.4610.46/2]-20



数据汇总如下表15：

表14  排烟通道总阻力计算

序号 项目 符号 计算依据 数值 单位

31 空气腔入口负压 Phot 按经验值选取 20 Pa

32 空气腔当量直径 dhot, 119 mm

33 室内空气入口局部阻力系数 hot,1 圆角过渡(r/d=0.05)，参考文献[1] 0.25

34 空气密度 hot 1.15 kg/m3

35 空气腔长度 lhot, hcon 414 mm

36 空气腔内空气流速 whot, 表7 6.44 m/s

37 空气腔出口局部阻力系数 hot,2 0.12

38 辐射换热管上方空隙宽度 W暖,1 表5 25 mm

39 辐射换热管空气流速 whot,○ 10.46 m/s

40 辐射换热单管长度 lpipe 表6 200 mm

41 排烟通道阻力总和 h)2 17 Pa

3.10.3排烟风机及电机选型计算

（1）排烟风机类型

排烟风机类型为离心引风机。

（2）风机压头备用系数k1

参考文献[4-6]确定k1= 1.2。

（3）风机选型压头Hend

Hend= k1(h)1

= 1.2

=1477 Pa

= 150 mmH2O

（4）风机风量备用系数k2

参考文献[4-6]，确定k2=1.15。

（5）风机选型风量Vend

Vend= k2Vy

= 1.15 0.014816

=61m3/h

（6）风机效率η1

参考文献[7]，比大风机效率60-70%要低，确定为η1= 45%。

（7）电机功率备用系数k3

参考文献[8, 6, 9]，确定k3= 1.5。

（8）电机效率η2

参考文献[10]，确定η2=0.9

（9）驱动电机校核功率Wend

Wend= HendVendk3/(η1η2)

= 1477611.5/(0.450.9)

=92.7 W

汇总数据如下表15：

表15  排烟风机及电机选型计算

序号 项目 符号 计算依据 数值 单位

42 排烟风机类型 离心引风机

43 风机压头备用系数 k1 参考文献[4-6] 1.2

44 风机选型压头 Hend 1477 Pa

150 mmH2O

45 风机风量备用系数 k2 参考文献[4-6] 1.15

46 风机选型风量 Vend 17 l/s

61 m3/h

47 风机效率 η1 45 %

48 电机功率备用系数 k3 参考文献[8, 6, 9] 1.5

49 电机效率 η2 参考文献[10] 0.9

50 驱动电机校核功率 Wend 92.7 W

3.11本章小结

本章参照诸多相关文献对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行分析实验。

（1）对生物质成型燃料进行工业分析，元素分析和发热量的测定；

（2）对直燃锅炉的相关参数进行确定，计算了烟气量，锅炉热效率，燃料消耗量，辐射换热量，对流换热，风机风量，并与实际试验过程中数据进行比对分析，都较为符合实际。

（3）对炉排和炉膛进行了设计计算，确定排烟风机类型，并进行了数据的校核。

根据本章计算可以得知直燃锅炉的热效率为85.89%>85%，符合设计要求。炉膛容积为28m3, 炉膛类型宽、高而窄。各方面误差均在允许范围之内，设计也较为合理。

直燃锅炉对生物质成型燃料的种类和功率适应性：可以通过调整辐射换热管和波纹片倾斜角，可以调整辐射换热和对流换热比例，适应生物质燃料种类变化(但消耗不变)导致的理论燃烧温度变化；可以通过调整炉膛高度和炉排宽度，且等比例调整辐射换热和对流换热，可以适应生物质燃料消耗变化(燃烧功率变化但种类不变)；炉膛高度、辐射换热管倾斜角和波纹片倾斜角调整幅度有限，直燃锅炉燃烧功率大幅度增加的空间不大；从进料槽落下的颗粒能随机均匀覆盖的炉排区域(炉排宽度)有限，在高效清洁燃烧前提下直燃锅炉功率大幅度增加的空间不大。

第四章 生物质成型燃料燃烧污染物

生物质成型燃料是比较清洁的燃料，排放的污染物较少，但是无法避免燃烧的污染物的排放。实际过程中，由于锅炉设备，燃料质量，燃烧操作问题也会造成更多的污染物情况。本章就通过实验后实际观察和检测来说明生物质成型燃料燃烧的污染物情况和相应的处理方法。

4.1生物质成型燃料燃烧污染物的类型

污染物主要分为以下几种：

（1）工业废气。包括有机废气（未完全燃烧的），酸碱废气和异味废气（CO等）。其中污染物CO的排放是非常主要的大气污染物。

（2）二氧化硫。这是造成酸雨的主要污染物。

（3）烟尘。指在生物质成型燃料的燃烧过程中形成的漂浮于空中的颗粒物，主要成分是二氧化硅、氧化铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁等。典型的烟尘是烟筒里冒出的黑色烟雾，即燃烧不完全的小小黑色碳粒。烟尘的粒径很小，一般小于1gm 。

（4）氮氧化物，氮氧化物是生物质成型燃料燃烧排放的主要污染物之一，其中包括多种化合物，如一氧化氮、二氧化氮等。

（5）粉尘。粉尘不会直接对人体造成伤害，但随着时间的推移，人接触粉尘逐渐积累，影响人的呼吸道，可能会导致呼吸道感染。并且如果人的眼睛进入了粉尘，会影响人眼睛的健康，也会影响现场工作人员的仪器操作，对经济生产造成损失。由于生物质燃料的基本特性会产生木尘等，它着火点低，容易燃烧，如果不对其控制处理则会造成火灾等重大人员伤亡或经济方面的损失。另外，有些粉尘例如悬浮性粉尘会磨损生产装置，导致装置使用年限缩短，使工厂的支出费用增加，给人们带来非常大的损失。

（6）灰渣。灰渣是生物质成型燃料燃烧充分燃烧后剩余的矿物渣滓。灰渣主要成份为硅酸盐、铝硅酸盐、氧化硅、硫酸盐、铁等物质。对土地、地表水，空气具有一定的污染。

4.2污染物的对应处理方法

（1）对于CO等工业废气，通常采用活性炭吸附法、催化燃烧法、催化氧化法、酸碱中和法、生物洗涤、生物滴滤法、等离子法等，氧化未完全燃烧部分，酸碱中和吸附和洗涤异味。

（2）对于二氧化硫，需要在锅炉尾气排放前安装一个脱硫装置（如下图），进行脱硫后再排放可以有效控制二氧化硫对空气的污染。目前烟气脱硫技术种类达几十种，按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫分为：湿法、半干法、干法三大类脱硫工艺。湿法脱硫技术较为成熟，效率高，操作简单。传统的石灰石/石灰—石膏法烟气脱硫工艺采用钙基脱硫剂吸收二氧化硫后生成的亚硫酸钙、硫酸钙，由于其溶解度较小，极易在脱硫塔内及管道内形成结垢、堵塞现象。双碱法烟气脱硫技术是为了克服石灰石—石灰法容易结垢的缺点而发展起来的。

（3）对于烟尘和粉尘的处理，需要配套电除尘器设备。也可以使用通风设备，把粉尘扩散到大范围的空间，减少粉尘浓度从而降低粉尘的污染，不过这种措施显然是下下之策。还可以对烟尘和粉尘进行回收利用变废为宝，它目前的主要作用用于制作水泥、复合型材料以及建筑行业等综合使用；或者采用封闭的生产环境，把粉尘封闭在小环境内从而减少了粉尘的排放。上上之策是使用不产生粉尘的生产工艺，或者从源头，通过控制燃料的粒径细度，或者更充分地燃烧燃料，降低粉尘产生的可能，从而可以从根本上解决这种问题。

（4）对于氮氧化物，工业中主要适用氨气与氮氧化物发生化学反应中和氮氧化物，氨气与氮氧化物分解反应后产生氮气与水，从而达到无污染排放。

（5）灰渣处理需要排渣水系统，防止灰渣水污染土地。灰渣除直接用于填埋、铺路外，也可以回收利用，目前最主要的用途是作建筑材料，如制砖、作水泥混合材料、混凝土骨料等。

附中国大陆生物质燃烧排放的污染物清单：

4.3其他措施

虽然处理措施可以有效改善污染物的排放情况，但不能完全避免污染物的排放，所以有时候需要采取一些其他措施来降低污染并保障人员安全和身体健康。

（1）对燃烧过程的控制。合理控制炉膛的负压，不能过大；合理配风，使燃烧更充分减少污染物的生成，从源头控制污染物。

（2）准备和后期工作充分。做好点火启动前准备工作，减少启动时间；锅炉排污要勤排、少排、均匀排，从而减少浪费，降低污染物排放。

（3）定时检查维修设备。发现问题马上处理，保证燃烧充分，处理污染物效率高。

（4）提高职工人员的环保意识。通过环保意识的加强可以有效提高锅炉热效率并降低污染物含量。

4.4本章小结

本章对生物质成型燃料在直燃锅炉中燃烧污染物进行分析归类并查阅相关资料给出了一些处理措施来有效控制污染物的排放。

第五章 结论和建议

 5.1结论   

（1）本文通过查阅许多相关文献了解了生物质在今后能源发展中的意义和目前生物质成型技术，燃烧设备的发展状况和我国目前在此方面的研究水平与国外的进行对比。

（2）通过去实习公司对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行试验，了解和掌握了生物质成型燃料直燃锅炉的结构，工作原理，燃料燃烧过程和生物质锅炉与其他锅炉相比的优缺点。

（3）参照诸多相关文献对生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒）进行分析实验，并设计了生物质直燃锅炉，得直燃锅炉的热效率为85.89%>85%，符合设计要求。炉膛容积为28m3, 炉膛类型宽、高而窄。各方面误差均在允许范围之内，设计也较为合理。

（4）最后对燃烧后产生的污染物进行了分析归类并给与了一些相关的处理措施，减少污染物的产生和排放，提高锅炉的热效率和保障人员的健康安全。

（5）本文的创新之处是试验所用燃料是生物质成型燃料，设计的是生物质直燃锅炉，所得的相关数据误差在允许范围内，对今后自己更深入的了解和研究生物质燃烧方面内容提供了经验和一些值得参考的数据。

5.2建议

（1）本文由于实验材料和时间有限，只取了一种生物质成型燃料（玉米秸秆颗粒燃料）进行了实验分析。故而可能会造成相关数据对于所有的生物质成型燃料是否都适用存在了疑问。

（2）锅炉设计中炉膛高度、辐射换热管倾斜角和波纹片倾斜角调整幅度有限，直燃锅炉燃烧功率大幅度增加的空间不大。

（3）从进料槽落下的颗粒能随机均匀覆盖的炉排区域(炉排宽度)有限，在高效清洁燃烧前提下直燃锅炉功率大幅度增加的空间不大。

    由于本文水平有限，谬误难免，敬请见谅。

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