生物质秸秆燃料热风炉发展与设计.pdf

2023年第8 期农机使用与维修21生物质秸秆燃料热风炉发展与设计陈武东,温海江,孙鹏,马文军,张莉莉”,刘睿,任嘉宇,田新庆（1.黑龙江省农业机械工程科学研究院佳木斯分院，黑龙江佳木斯1 54 0 0 4;2.黑龙江省农业科学院，哈尔滨1 50 0 8 6）摘要：生物质是一种宝贵的可再生资源，最常见的使用方式是直接燃烧产生热量。因此，设计一种生物质秸秆燃烧设备对于实现生物质能的高效利用，实现资源循环、绿色利用具有重要意义。通过对现有生物质秸秆燃烧热风炉基本结构与工作原理进行论述，并以列管式热风炉为例，基于反平衡法开展设计研究。研究结果对于实现生物质资源的高效利用提供一种新的发展思路。关键词：生物质；燃烧；燃烧动力学；热风炉中图分类号：TK229CHEN Wudong,WEN Hajang,SUN Peng,MA Wenjun,ZHANG Lili?,LIU Rui,REN Jiayu,TIAN Xinqing(1.Jiamusi Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Machinery Sciences,Jiamusi 154004,China;2.Hei-longjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China)Abstract:Biomass is a valuable renewable resource and the most common way of using it is to generate heat by directcombustion.Therefore,the design of a biomass straw burning equipment is of great significance to realise the efficientuse of biomass energy and to achieve resource recycling and green use.This study discusses the basic structure andworking principle of existing biomass straw burning hot air furnaces and carries out design research based on the inverseequilibrium method using a column tube hot air furnace as an example.The research results provide a new developmentidea for realising the efficient use of biomass resources.Keywords:biomass;combustion;combustion kinetics;hot air furnace0引言能源是国家经济发展的重要物质保障，随着世界经济的快速发展与提升，人民生活水平逐渐提高，对能源的需求也日益提高 1-3 。随着制造业、汽车产业等快速的发展，世界对化石燃料的过度开发及不合理使用引起了能源危机，目前世界化石能源储量已经不能满足社会发展的需要，因此，开发新型可再生资源是保障社会稳定和能源可持续发展的必由之路 4 。石油、天然气和煤炭是目前世界三大支柱产业，相关统计表明，煤炭、石油和天然气的使用占我国能源结构的9 0%，尤其是煤炭产业占我国能源结构的7 0%以上，因此，需要不断优化能源供应结构 5-7 ,提高能源多元化组成与使用效率,尤其是开发可再生能源对于提高我国能源战略部署具有重要的发展意义。可再生能源生能源发展现状如表1 所示。生物质能主要包括农作物秸秆及动植物、微生物等产生的代谢和排泄物等,由表1 可知,在可再生能源中，作者简介：陈武东（1 9 7 2 一），男，黑龙江佳木斯人，学士，研究员级高级工程师，研究方向为农产品贮藏与加工。文献标识码：ADevelopment and Design of Biomass Straw-fuelled Hot Air Stovesdoi:10.14031/ki.njwx.2023.08.006生物质来源较多，具有储存、运输方便且不产生任何环境污染等应用优势。我国生物质能源以农业和林业的废弃物为主，如农作物秸秆、树叶、树皮等。生物质直接燃烧技术主要是将生物质转化为燃料，通过燃烧过程转化为热能，但是目前存在生物质燃烧效率低、设备不完善等问题。针对以上问题，本研究对现有生物质秸秆燃烧热风炉进行优化设计，对设计方案进行系统论述与分析。研究结果对于提高生物质能源利用效率及设备优化提供技术参考与借鉴。1生物质燃料及相关设备的研究现状生物质燃烧技术主要包括生物质型煤燃烧技术、生物质与煤混合燃烧技术、生物质粉体燃烧技术和生物质成型燃烧技术等。目前使用最为广泛的为生物质成型燃料燃烧技术，主要是指利用一定的方法将农作物秸秆、林木废弃物等压缩至一定的形状且密度较大的固体成型燃料，与其他技术相比，该方法具有生物质储存时间长、运输成本低、燃烧稳定、热效率高和污染排放低等应用优势。我国生物质燃料燃烧产业具有广阔的发展前景，相关统计表明，截止至2 0 1 9 年底，我国生物质成型燃料利用规模超过1 50 0 万t，相关生物质成型燃料的设备22较为完善,并且形成了产业化发展，被公认为是目表1 可可再生能源发展现状类型理论蕴藏量装机容量/年发电量/水能万kW69 440年辐射量太阳能5 1 022 J陆地/亿kW风能25.6近海蕴藏量/潮汐能/海洋能亿kW14.95生物质能资源量/亿t农作物秸秆6.81林木剩余物1.25畜禽粪便2.39工业有机垃圾500.00城市有机垃圾1.50国内外相关学者开展了大量研究，但是目前主要缺乏相应的理论模型和基础数据，因此限制了生物质燃料燃烧设备和技术的进一步推广应用，导致生物质燃料燃烧设备存在热效率低、污染较高等问题,限制了相关技术的进一步发展与应用。国内外生物质燃烧热风炉主要采用燃烧型热风炉，如列管式和无管式热风炉，存在设备设计工艺低下，热风炉燃烧效率低，与国外先进国家发展差距较大。2生物质燃料热风炉的优化设计本节对生物质热风炉的主要工作原理、基本结构组成和分类等进行论述，并对热风炉的主要技术参数进行设计。2.1热风炉的基本组成与工作原理热风炉主要是指利用生物质燃料燃烧产生热能，燃烧产生的烟雾经过炉膛和换热器与空气进行充分的气体交换与换热，进而实现空气升温得到热风，热风作为一种介质实现粮食烘干、房屋取暖和温室加热等用途。因此，热风炉被广泛用于农业生产、日常生活、食品加工等生产领域，其中热风炉的风量、温度的评定热风炉工作性能农机使用与维修前解决生物质燃烧的最佳方法和技术。技术可开发量经济可开发量装机容量/年发电量/亿kWh万kW60 82954 164年底表吸收热能17000亿t标准煤海上/亿kW1.9波浪能/潮流能/亿kW亿kW0.220.13可获得量/亿t5.461.252.39500.001.20的主要指标。2.1.1基本组成热风炉主要包括热交换系统、燃料燃烧系统、排烟系统等。目前随着智能化发展，热风炉逐渐增加控制系统和智能监测系统等，实现对热风炉内生物质燃料燃烧状态进行监测。1)燃烧系统。主要燃烧原料为生物质颗粒等固体燃料，根据不同的燃料来源设计不同的燃烧装置，固体燃料主要使用炉膛，液体、气体燃料，如汽油、天然气和沼气等主要使用燃烧机。2)换热系统。换热系统是进行冷热交换的工作部件，包括蓄热式、混合式和间壁式等。目前使用生物质燃料主要使用间壁式换热器2.1.2工作原理热风炉的基本工作过程：生物质燃料在热风炉的燃烧室内充分燃烧，生物质燃料在燃烧过程中，高温产生的烟雾与冷空气在热风炉换热系统中进行气体交换，进而得到一定的热空气，气体换热结束后剩余的烟气经过尾气处理后排放至大气中。热风炉根据工作原理可以分为直接加热式、间接加热式和电加热式热风炉。2023 年第8 期装机容量/年发电量/亿kWh万kW24 74040 180年可利用量22亿kW合计/亿kW27.5盐差能/温差能/亿kW亿kW0.141.25能源可利用量/亿t1.381.252.39500.000.15亿kWh17 534亿kW13.212023年第8 期2.2热风炉的设计本研究在考虑安全性和经济性的前题下，选取列管式热风炉，基于反平衡法开展设计研究，热平衡计算相关参数如表2 所示。表2 热平衡参数项目参数选择(以环境温度为准)气体未完全燃烧损失率Q=1.15%固体未完全燃烧损失率Q2=6.19%散热损失率Q;=2.4%空气带入热量Q:=0烟气带出热量Q,=H,yoo-H,2o=737.00 kJ/kg排烟热损失量Qp=Q,=738.60 kJ/kg排烟热损失率n,=Q2/Qdl=4.18%煤代人热量Qm=0灰渣带出热量Q,=H h600-Hh2o=164.04 kJ/kg灰渣热损失率mh=Qh/Qdo=0.93%反平衡热效率n,=85.15%2.2.1生物质燃料消耗量生物质燃料消耗量计算如式（1)所示B=一NmxQa式中N一热风炉功率，W；n一热风炉的热效率；Qda一低位发热量,kJ/kg。取 N=15 10*4.186 8,n=0.851 8,Qa=16 450,代人式(1),计算得B=44.83kg/h。2.2.2炉排、炉膛设计炉排主要是支持热风炉的燃烧层，保证热空气均匀地通过燃烧层，炉排在工作过程中一方面要承受燃烧层的重量，又要承受生物质燃料不断添加及生物质燃料燃烧后的灰渣的重量，因此，对炉排强度要求较高。炉排的面积设计公式如式（2）所示BQmF,=qA式中?B一每小时耗煤量,kg/h;qA一炉排热强度,kJ/kg。取qA=5001034.1868kJ/kg,代人式(2),计算得 F,=0.36 m。炉膛容积V,设计公式如式（3）所示BQV,=q式中q,一炉膛热强度,kJ/kg。取q,=2501034.1868kJ/kg,代入式(3)计算得 V,=0.7 m。农机使用与维修炉排有效面积A，计算公式如式（4）所示BVa(k)A,=3600Mo式中A,一炉篦有效面积,m；Va(k)一每千克煤所需空气量,m/kg;o一空气通过炉排缝隙的标准空气速度，m/s。取Va()=6.25 m/kg,自然通风时o=0.75 2 m/s,代人式(4),计算得A,=0.047。炉膛有效高度H，的计算公式如式(5)所示将V=0.7m,F,=0.36m代入式(5),计算得 H,=2.00 m。炉膛总高度H，计算公式如式（6)所示H,=H,+Hm式中Hm一空灰层厚度,m,H.取值0.0 5 0.1 m。本设计取Hm=0.1m,代入式(6),计算得H,=2.1 m。(1)3结论与展望3.1结论本研究以生物质燃料为切入点，在分析目前能源紧缺的基础上，系统论述了生物质能源在可再生能源中的应用优势，对生物质燃料热风炉的发展现状及设计过程进行论述，并对列管式热风炉换热器关键部件设计参数进行设计与优化，研究结果可以为生物质燃料热风炉的设计提供理论依据。3.2展望未来在开展生物质燃料热风炉的设计过程中，应进一步对热风炉风量、风速等影响因素开展研究，实现生物质燃烧热风炉的优化与高效运转。参考文献：1温海江.圆捆秸秆拆捆直燃热风炉工艺 J.现代化农(2)业,2 0 2 2(2):6 8 -6 9.2顾靖峰.间接链排式秸秆热风炉的研究与开发 J.农机科技推广,2 0 1 6(1)：4 3-4 4+4 6.3靳伟，张学军，刘云，等.立式秸秆节能热风炉的设计与研究 J.中国农机化学报,2 0 1 5,3 6（4）：2 4 9-2 52.4习峻豪.热风炉控制系统的设计与优化 D.包头：内蒙古科技大学,2 0 2 1.5潘俊花.高炉热风炉自动控制系统的设计与应用(3)D.兰州：兰州理工大学,2 0 2 0.6兴农.新型链排式秸秆热风炉研究开发 J.农业装备技术,2 0 1 6,4 2(1):2 8.7朱悦琪.内燃式热风炉CFD数值模拟优化节能研究D.鞍山：辽宁科技大学,2 0 2 1.(05)23(4)V(5)(6)