生物质成型燃料双层炉排锅炉温度场试验研究

能源研究与信息第22卷第2期EnergyResearchandInformationVol.22No.22006收稿日期：2005-10-22作者简介：侯中兰(1980-)，女(汉)，讲师，[e-mail]。文章编号:1008-8857(2006)02-0069-06生物质成型燃料双层炉排锅炉温度场试验研究侯中兰1,2,郭前辉1,贾孟立1,陈夫进1(1.河南农业大学农业部可再生能源重点实验室,郑州450002;2.黄河科技大学工学院,郑州450005)摘要:生物质能是极具开发潜力的可再生能源。生物质直接燃烧技术的深入研究及锅炉技术的成熟和锅炉类型的多样化为更好开发生物质能源创造了条件。生物质成型燃料与原生物质及煤相比燃烧性质有较大差别，依据该燃料的特点采用双层炉排层燃锅炉。根据有限元分割成型原理布置测点，用热电偶温度计和红外测温仪测出各点温度，得出各个方向温度分布图，并对其进行分析比较，为水冷壁的合理布置、进风量选择及锅炉稳定燃烧、经济燃烧提供理论依据。关键词:生物质成型燃料;双层炉排锅炉;温度场中图分类号:X705文献标识码:A在众多的可再生能源中，生物质能以其资源储量丰富、清洁方便和可再生的特点，具有极大的开发潜力。美国、日本、巴西及印度都相继制定了各自的生物质能源研究开发计划[1~2].就我国的基本国情和生物质利用开发水平而言，生物质直接燃烧技术无疑是昀简便可行的高效利用生物质资源的方式之一[3]。生物质燃料在燃烧过程中的燃烧机理、反应速度以及燃烧产物的成分与化石燃料相比存在较大差别[4]。目前，根据所采用生物质燃料种类及特性的不同[5~7]，甘蔗渣锅炉、生物质废料流化床锅炉、垃圾焚烧炉、稻壳流化床锅炉及燃木屑、木粉等新型锅炉应运而生[8~11]。锅炉技术的成熟及锅炉类型的多样化为生物质燃料代替煤作燃料创造了条件。生物质成型燃料是经过高压而形成的密度为块状燃料，其结构与组织特征决定了它的燃烧性质优于原生物质，同时也不尽同于煤[12~13]。为了较好反映该燃料的燃烧特性并使排烟符合环保要求，提高锅炉效率，本试验采取双层炉排锅炉[14~16]。其中炉膛温度直接影响炉膛均匀燃烧程度及经济燃烧性，同时也是锅炉布置受热面的重要依据。通过对温度场的试验可以找出温度分布规律，确定昀佳燃烧状态，同时也可以找出燃烧设备存在问题，为炉膛优化及燃烧设备改进提供依据[17]。1试验内容1.1试验设计该锅炉为双层炉排，上炉膛放料上炉门打开，安装在下炉门后墙的风机把空气从上炉门能源研究与信息2006年第22卷70口吸入上炉膛并由上至下经过燃料层，与燃料发生燃烧反应后，烟气被风机抽走。所用的生物质块直径约为120mm。以炉膛为研究对象，适当选取炉排一端为原点，分别以炉膛的深度方向、高度方向及宽度方向为X、Y、Z轴。根据有限元分割方法将炉膛分为若干截面，每个方格的对角线交叉点即为某个截面内某个测点的位置。本试验装置考虑到实际加工情况，在炉膛右侧对称线上留下35个孔，主要研究炉膛对称线上温度场情况。燃烧设备分别在四种工况下燃烧[18]：工况1apy=1.6，工况2apy=2.2，工况3apy=3.2，工况4apy=4.4，其中apy为排烟处过量空气系数。1.2试验设备[19](1)铂铑-铂铠装热电偶，测温范围0℃~1200℃，分辨率1℃，稳定度±2℃，响应时间10s，环境温度-10~50℃，湿度≤85%。(2)Raynger3iLTDL2便携式红外测温仪：测温范围-30℃~1200℃，光分辨率75:1，光谱范围8μm~14μm，双激光瞄准方式。(3)SWJ-Ⅲ精密数字式温度计、秒表、米尺。1.3试验方法试验开始前，先用米尺量得炉膛宽度X=73cm，深度Y=55cm，高度Z=37cm，炉膛一侧测温口的直径d=3cm，各测温口间距m=8cm，均匀分布。将宽度方向值10等分，每等分8cm，并做标记。将热电偶温度计与数字温度计连接，待读取显示的温度数值。试验开始等待燃烧状态稳定后，在深度方向和宽度方向上炉膛烟气空间处可将热电偶分别放入X轴、Z轴测温口，放入长度为炉膛宽度值。计时3min后，将红外测温仪测温点对准热电偶10等分的每个点，读取温度值，记录；深度方向及宽度方向其他在炉膛烟气空间测温方法同上。测取宽度方向燃料层温度时，可将热电偶埋入燃料层，分别测取10等分各点的温度值。各工况测温方法相同。所测得的各点温度在每个方向上求平均值得出各面温度，从而建立各个方向温度分布图。2试验数据分析2.1垂直方向温度分布分析上炉膛燃料层由上至下依次是干馏层、氧化层、还原层、灰渣层，且各层的高度及温度分布随着工况的不同而异。如图1所示，随着风门由小变大，氧化层的厚度增加，还原层厚度减小。由工况4至工况1其昀高温度依次降低。燃料层温度上方烟气温度工况3昀高，工况1次之，工况4昀低，并由于受进风量大小的影响工况1温度分布较均匀，工况2、工况3次之，工况4烟气温度变化幅度昀大。氧化层的温度和厚度是布置锅炉受热面的一个重要因素。安装在下炉门后墙的风机把空气从上炉门口吸入，进入上炉膛，由上至下经过燃料层，与燃料发生燃烧反应后，烟气被风机抽走。当风门较小进空气量较少时，空气与燃料热交换少，燃料层总高度为35cm，在距炉排12cm处，即达到昀高温度。若高于12cm空气与燃料热交换大，难以达到昀高温度；若低于第2期侯中兰等：生物质成型燃料双层炉排锅炉温度场试验研究7112cm，虽空气与燃料热交换量进一步减小，但因空气量不足，燃料不能完全燃烧，形成还原层，亦难以达到昀高温度；而当风门较大，如工况3，由于进风量较多的影响，热交换量增加，氧气充足，所以其氧化层与还原层的分界点，也即此工况昀高温度距炉排较工况1、工况2近，由图1工况3可知为7cm。工况4进风量昀大，所以其还原层几乎与灰渣层混合，氧化层与还原层分界点降至炉排2cm处。进空气量由小变大燃料的燃烧也完全，因此氧化层厚度由大变小。由炉膛垂直方向温度变化可知，由于高温燃料层的热辐射降低炉膛内烟气随着炉排高度的增加，温度逐渐降低。当风门较小，如工况1、工况2，空气换热量小，降温梯度较小约为200℃；风门较大，如工况3、工况4，与空气换热量大，温度降低也非常大，正对炉膛出口处出现较明显的降温趋势，工况4可达400℃。试验中下炉门没打开，所以其温度总变化趋势降低，但由于烟气经过水冷壁，所以在炉排处温度较距12cm处低。同样，由于受风门的影响，工况1、工况2温度变化小，工况3、工况4，氧化层温度高易结渣会使燃料层中通风不畅而使下炉膛温度忽高忽低，温度变化梯度大，如图2所示。010203040050010001500温度/℃距上炉排距离Y/cm工况1工况2工况3工况4-50-40-30-20-1000300600900温度/℃距上炉排高度/cm工况1工况2工况3工况4图1上炉膛垂直方向温度分布图2下炉膛垂直方向温度分布Fig.1Temperaturedistributionofup-furnace-Fig.2Temperaturedistributionofdown-furnace-tankinheightindouble-grateboilertankinheightindouble-grateboiler2.2深度方向温度场分布分析从炉门至炉膛及后墙，由于各工况进风量及空气压力、速度的不同，影响其深度方向温度分布主要有三个因素：①空气与燃料及烟气的热交换；②受炉拱形状影响进入炉膛内的空气的压力和流速，此因素决定空气是否能与燃料充分接触并与可燃气体良好混合，即是否能很好组织气流使其有利于燃烧；③与炉壁的热交换。本试验中锅炉的炉膛呈较规则六面体而非流线型，在一定程度上未能有效使空气与炉膛内各点的燃料、烟气良好混合。在上炉膛出口处，空气与烟气的热交换量昀大，且在此处，进入炉膛的空气更多与距出口一段距离的烟气和燃料混合，致使此处形成死角，燃烧差，温度低；在距出口7cm处，被加热的空气与烟气及燃料的热交换较炉膛出口处小，且此处空气的压力、速度很大，形成了有利于燃烧的气流，燃烧状况昀好，因此温度骤然上升；炉膛更深处空气压力、速度降低，燃烧状况较差，温度降低。由于空气与燃料及烟气的热交换减小，温度亦慢慢能源研究与信息2006年第22卷72升高，在距炉膛出口约42cm处出现第二个波峰；由于与后墙的热交换增加，致使炉膛温度再次下降。试验中上下炉膛温度分布是有差别的，下炉膛昀高温度出现在炉膛中心(即距出口32cm处)。由于此状态下炉门未打开，影响温度分布的因素主要有：①燃料层的温度；②与炉壁的热交换；③燃料层是否通风顺畅。上炉排燃料燃烧时，昀高温度出现在燃料层中间，且在此处与前后炉壁的热交换昀少，两个有利因素致使在炉膛中央出现昀高温度；而上炉门须打开，由于空气热交换影响致使温度出现两个波峰，且昀高温度出现在距中心后方10cm处，即距出口42cm处。由图3可知，上炉膛深度方向，工况4因风门昀大，且燃料及烟气发生热交换量偏高，排烟热损失大，致使其温度昀低；工况2、工况3温度分布大致相同，工况2略高于工况3，且由于受炉膛形状的影响，在距出口12cm范围内都出现了波动；工况1较工况2、工况3温度偏低。由图4可知，在试验过程中，当风门较大时氧化层温度偏高易结渣，致使燃料层通风不畅而使下炉膛温度忽高忽低，如工况3、工况4；当风门较小时，空气量及压力、速度都较小，料层极易发生堵塞，使燃料燃烧不完全，炉膛温度偏低；工况2燃烧状况昀好，不易结渣，不易堵塞，温度分布较为均匀。03006009000204060距炉口深度/cm温度/℃工况1工况2工况3工况403006009000204060距炉口深度/cm温度/℃工况1工况2工况3工况4图3上炉膛深度方向温度分布图4下炉膛深度方向温度分布Fig.3Temperaturedistributionofup-furnace-Fig.4Temperaturedistributionofdown-furnace-tankindepthindouble-grateboilertankindepthindouble-grateboiler2.3宽度方向温度分布分析决定锅炉炉膛宽度方向温度分布的主要因素有：①燃料层的温度；②与炉壁的热交换；③燃料、烟气和空气之间热换交量。由于空气直接从出口进入，增加了燃料、烟气和空气间热换交量对炉温的影响，使正对出口的宽度方向出现较低的温度，图5所示第3点和第8点处，从而使得温度分布图倒过来看像鹿角，风门较大，这种形状昀为明显，如工况4所示。在上炉膛中，工况2、工况3偏高，且工况2温度梯度小、分布均匀；工况1温度分布曲线亦较为平滑但温度偏低；工况4温度昀低且温度梯度大。下炉膛温度分布呈现较规则的抛物线，如图6，在第7点出现的温度陡然降低应是炉壁或炉门处漏风增加了热交换损失所致。如图6所示，各工况温度相差不大，其中工况2、工况3温度仍偏高，工况1昀低。第2期侯中兰等：生物质成型燃料双层炉排锅炉温度场试验研究730200400600800020406080炉膛宽度/cm温度/℃工况1工况2工况3工况40200400600800020406080炉膛宽度/cm温度/℃工况1工况2工况3工况4图5上炉膛宽度方向温度分布图6下炉膛宽度方向温度分布Fig.5Temperaturedistributionofup-furnace-Fig.6Temperaturedistributionofdown-furnace-tankinwidthindouble-grateboilertankinwidthindouble-grateboiler3结论3.1分布特点(1)工况1燃料燃烧较不完全，燃料层容易发生堵塞而熄火，温度偏低；工况2燃料燃烧完全，燃料层不发生堵塞，不易结渣，温度较高且分布均匀；工况3较易结渣，温度偏高但分布较不均匀；工况4氧化层温度高，极易结渣，空气与炉膛内烟气热交换量大，温度偏低且温度梯度很大；(2)炉膛烟气温度偏高促进了燃烧的良好进行，同时增加了排烟热损失，其中烟箱温度随风门大小而变化：