稻壳火床燃烧过程的研究（可编辑）

稻壳火床燃烧过程的研究（可编辑） 稻壳火床燃烧过程的研究 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 稻壳火床燃烧过程研究 作 者:陈耀耀 :刘心志副教授 指导老师 南京理工大学 年月删 四 四 ?川? 四 洲 ? .. 吐 . 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 声 明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本 学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签 。矿年岁月多日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文,按保密的有关规定和程序处理。 研究生签 纠二年岁月够日???。。。。。。。。。。。。。。。??硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 摘要 我国的一次能源消费结构中,煤炭占有最大的份额,排放了大量的大气污染物, 并显著提高了我国的二氧化碳排放强度。作为燃煤的替代,生物质越来越受到人们重 视。生物质替代燃煤直接用于工业锅炉,是一种成本低、能效高的技术路径。 本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 来源于一个校企联合研发项目一“稻壳直燃联产碳化稻壳。针对一台 型号为?..的燃煤蒸汽锅炉,以稻壳为燃料,研制了新的燃料与燃烧系统。 由于碳化稻壳具有良好的经济价值,所以研制的稻壳燃烧系统,主要技术目标有两条: 一是保证燃烧系统的燃烧功率即保证锅炉出力,二是能够同时产出碳化稻壳即 含碳量较高的灰渣。由于稻壳热值低,堆积密度小,系统采用稻壳悬浮热解技术, 热解收缩后的焦炭沉降至火床上继续燃烧,提高了床层燃烧的稳定性的同时也显著地 降低了床层的初始堆积厚度和飞灰份额。 针对稻壳的特性,初选了三种不同的前拱拱型结构,同时研制了一种喷燃器与拱 型相配合。借助流体仿真软件,对不同炉拱结构时炉膛内空气动力场进行模拟, 模拟过程中考虑到了二次风的影响。通过对模拟结果的分析,优选出一种炉拱结构。 优选出的炉拱结构,在炉膛内气流扰动的组织、气流炉内停留时间、气流对于飞灰的 封锁作用等方面,均优于其他两种拱型结构。为了使锅炉能够稳定连续运行, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了 适合于稻壳的送料系统、烟风系统、除尘系统、监测控制系统。 通过实炉运行工况的考核以及对灰渣样品的测试,结果表明:研制的稻壳锅炉燃 烧系统,可以保证锅炉的设计出力,同时还具备了较强的灰渣含碳量的调节能力,可 以根据需要生产出不同含碳量的碳化稻壳。锅炉的蒸发量可以在/至 /之间任 意调节,对应于%至%的额定负荷范围。灰渣含碳量可以在%至.%之间 任意调节,实现了稻壳直燃联产碳化稻壳的目标。 关键词:稻壳,炉拱,火床燃烧,碳化稻壳 硕士论文, , . , . . , . , .一 .. , . .. . , ? 谢 . ,? .. ? ? . ? ? . , , , .. ? % / /. , ., , : 稻壳火床燃烧过程研究 硕士论文 目录 摘墨 荽?.........。........。..。.。。...。。.............。..。.。?.。..... 。........?.。.......。......。..... ......................?.......................................... ....?....................?.......... 绪论? .选题的背景与意义.. .生物质直燃技术综述??. ..生物质燃烧技术研究现状? ..稻壳特性..稻壳锅炉综述 .气力输送系统分类.. .碳化稻壳资源利用 .本文主要工作火床燃烧过程分析与计算 .火床燃烧系统改造 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ? .燃料燃烧计算..燃烧所需稻壳量计算??. ..燃烧所需空气量计算??. ..烟气量计算. .床层厚度计算.本章小结? 燃烧系统方案 .炉拱研制? ..炉拱方案一. 炉拱方案二.. .. ..炉拱方案三. 喷燃器研制 . .送料系统? ..风力输送?. ..机械输送?. ..方案选型?. .烟风系统? .除尘系统? ..原有水膜除尘改造.. ..加装多管除尘器?.. ?硕士论文 目录 .监测系统? ..负压测量系统??。 ..二氧化碳浓度测量系统?. ..在线视频?。 .本章小结?. 炉拱研制与结构优化??. .炉膛物理模型. 湍流模型 .. 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 模型??。 ..可实现模型.求解条件设置..近壁区壁面函数..求解器与离散格式. ..边界条件设置??. ..收敛判断?. 不同结构炉膛内流场分析与比较 . ..工况一各拱型结构炉膛流场数值模拟结果分析. 工况二各拱型结构炉膛流场数值模拟结果分析. .. ..方案二拱型结构各工况下炉膛流场数值模拟结果分析.. .炉拱优化与方案实施??. .本章小结? 运行测试与结果分析??.. .稻壳燃烧过程??.. ..干燥? ..热解及挥发分燃烧. ..焦炭燃烧?. .实炉测试?. ..风料系统测试 ..灰渣固定碳含量测试??.. .本章小结? 结 论........。......................。........。.............。........ ................。..............。。。。..。。 谢............?.................................................. ................................................ 参考文献?.. 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 绪论 .选题的背景与意义 全球气温升高对当今人类社会的生存与发展有着重要的影响,例如部分冰川 农业产量减低等。作为温室气体的主要成分的排放 融化导致海平面上升, 量却逐年增加,全球的排放量从年的.吨增加到年的 吨,增加了%。 . 国际能源署 ;舢统计数据显示,年全球排 放达.吨,其中中国和美国分别排放.吨和.吨,占 全球排放总量的.%和。%,如图.所示。 美国 ?锻 俄罗斯 印 . 日本 中国 .皲 其他国襄 .’ 图. 年全球排放数据来源: 我国已经提出减排目标,即到年我国单位的排放比 年下降%%。作为世界最大的发展中国家,我国面临着巨大的减排压力。 统计的数据显示,年我国单位的排放要比世界平均水平高出 .%;比美国,日本和德国等发达国家分别高出.%,.%和.%; 比同为发展中国家的印度高出.%;我国年单位的排放为. 千克/美元,比年的.千克/美元下降了.%,见图.。硕士论文 绪论 一种长鞋廿。。。一嘿撇\。? 辎端。 年年年年年年年 序号年份 图.单位的排放数据来源: 督 乞 趟 疆 卷 图.我国基于化石燃料的排放数据来源: 化石燃料的燃烧是排放的主要来源。我国年与年基于化石燃料 的排放均超过了亿吨,还有上升的趋势,如图.。化石燃料作为非可再生 资源,按照年的开采速度,全球煤炭、石油和天然气的剩余探明储量分别可 供开采年、年和年【】。年我国煤炭、石油和天然气的储存与开采比 分别为年、年和年【。化石能源存在资源短缺以及价格上涨的压力,需要 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 提高能源利用效率和寻找化石能源的替代能源,为此世界各国已在新能源方面做 了大量的人力物力投入。我国生物质资源丰富,据年的统计,可供开发的生 物质资源折合成标准煤至少可达.亿吨;其中,每年农作物秸秆量有.亿多 吨,林业剩余物资源.亿多吨,而未来可利用边际土地种植的速生林等能源作 物量更大】。稻壳、蔗渣等农业残余物总量达.亿吨。生物质直接燃烧是最 其吸 有效的利用方式之一。。生物质资源在生长过程中需要从大气中吸收,收的量与其在燃烧过程中释放量基本相当,一般认为生物质燃烧与其生长过 即生物质燃烧具有零排放的特性。生物质燃料作为可 程是一个碳平衡过程, 再生资源,燃用生物质燃料,不仅缓解了对煤炭等不可再生能源的依赖,还减少 了的排放,生物质代替部分煤炭作为工业锅炉的燃料显示出了巨大的优 势。 本课题来源于一个校企联合研发项目一“稻壳直燃联产碳化稻壳’’。将 某厂燃煤锅炉改造为稻壳锅炉。该锅炉为某厂生产的...蒸汽锅 炉,设计燃料为类烟煤,改造后用稻壳作为锅炉燃料。稻壳堆积密度为 /,约为煤炭的/,稻壳的低位热值约为/,不足标准煤的一半。 燃料层的堆积高度应该在以上才能达到额定出力。该厂另外一台稻壳锅炉 的运行情况印证了这一点。稻壳的燃料特性与煤炭相比存在一定差异,在用稻壳 作为火床炉的燃料时,炉膛内的燃烧组织与燃煤时将会有很大的不同。稻壳燃料 堆积密度小,热值低,采用传统的给料系统已经不能满足燃烧负荷的要求,需 设 计新的燃料供给系统来解决这一问题,如气动给料或气动给料与煤斗联合给料。 稻壳燃料与煤炭相比挥发分含量高,着火容易,但是固定碳燃尽较为困难。针对 稻壳燃料与煤炭燃料的差异,从燃料自身燃烧特性出发,研制新的拱型结构,配 以合适的二次风,合理地组织炉膛燃烧,可以控制灰渣中的含碳量,生产碳化稻 壳;碳化稻壳具有广阔的市场,这对于锅炉整体运行的经济性将会有所提高。 能耗大,污染物和排放高的特点,这一课题具 鉴于我国火床炉数量多, 有很大的现实意义和广阔的应用前景。 .生物质直燃技术综述 ..生物质燃烧技术研究现状 生物质直接燃烧可以分为传统的炉灶燃烧和现代工业中的锅炉燃烧:传统炉 灶燃烧方式在我国大部分农村地区还作为做饭、取暖的主要能源供应方式,但其 燃烧方式效率低下;锅炉燃烧方式效率较高,可以用来发电和供热。生物质燃料 锅炉在美国,欧洲等国家应用较多,最近几年我国生物质锅炉的发展也较为迅速, 这方面的研究也在不断深入。 硕士论文 绪论 等人【】通过对生物质燃料的成分、热转换效率、与化石燃 马来西亚 料的对比、以及资源密度和运输成本的分析,得出生物质是具有广阔前景的可再 一和波兰的 对欧洲 生能源的结论。斯洛文利亚的 现有的生物质与煤混合燃烧的锅炉进行了总结,认为生物质与煤混合燃烧技术已 经成熟,已经在至少台燃烧装置上成功运行,的炉型均有应用。 ..和德国的.等】认为采用流化床燃烧生物质具有灵 荷兰的 活,稳定和高效的特性,但部分生物质燃料碱金属含量高容易结渣对于燃烧不利。 和..】分析了不同的生物质资源的储量,不同生 印度的 等人设计了 物质资源的有效利用方式以及对环境的影响。希腊的 生物质燃料直接加热系统和热力管网,对其技术可行性和经济性进行了分析。瑞 典的.和.】对生物质锅炉内的飞灰热辐射特性进行了研究。美 国宾夕法尼亚于木材电厂于世纪年代投运,此电厂装机容量为 。美国 .,锅炉主要燃料为伐木场废木,养鸡场养猪场的圈舍垫料 /, 公司利用鲁奇技术研制的以木材作为燃料的循环流化床电站锅炉出力为。 额定压力. 设计了闭式炉膛结 国内研究人员对生物质锅炉也做了大量的研究。翟学明【 构,把燃烧室与辐射受热面分开布置,解决了甘蔗渣燃料水分高不易着火的困难。 史向华等人】针对木屑燃料特性设计了..一型生物质锅炉,锅炉布置 二次风强化炉膛空间燃烧,增大燃尽室截面以降低出口烟气速度来减少飞灰份 额,采用水冷短前拱控制着火点。林鹏【】在单元体炉试验台上对不同种类、不同 形状、不同风量条件下生物质的层燃燃烧特性进行了实验研究。张留建【憎通过数 值模拟和试验的方法对稻壳贴壁射流及稻壳在炉膛内沉降特性进行了研究。陈辉 】对某电厂/的生物质锅炉进行了冷态流场模拟和冷态流场的调试。田宜水, 张鉴铭等人【’】采用了双燃烧室方案设计了生物质锅炉;第一燃烧室设置在炉膛 前部,作为主燃区;第二燃烧室设置在炉膛后部,作为辅助燃烧室,两个燃烧室 之间用挡火拱分隔;有效改善了燃烧与换热的矛盾。张峥【根据生物质能资源特 点分析了其物流流向,描述了生物质发电企业燃料供应过程的各个阶段,分析了 供应过程中存在的问题,提出了解决生物质能资源可供性的对策。伊晓路,刘贞 先等人通过对不同粒径的稻壳热重分析发现,粒径越小挥发分析出温度越低, 燃烧速率越快;粒径减小会增加稻壳散热量,粒径减小到临界值时会因散热过多 而熄火。宁新宇【】通过采用不同床料对生物质流化床燃烧进行实验发现温度是影 响床层粘结的重要因素,白云石,河沙等床料通过与生物质灰反应,在结团颗粒 表面形成一层较厚的覆盖物阻止了结团颗粒的增大,抑制了床层发生大面积粘结 现象。哈尔滨锅炉厂与龙基电力有限公司为某电厂联合设计并制造了 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 锅炉,设计燃料为玉米秸秆和小麦秸秆,于年投运至今机 ./.. 组运行稳定【倒。某生物质直燃电厂振动炉排锅炉运行期间,炉膛压力波动剧烈, 中国电力科学院王乐等人【】通过对炉膛负压的变化和炉膛压力波动的仿真结果 分析认为压力剧烈变化主要是因为炉排上的燃料和灰渣形成的阻力对炉排风量 产生的影响,从而使风量分配失去平衡;在炉排振动前,燃料和灰渣经过一个周 期的下降,沉积在炉排表面,风阻迅速增大,这导致炉排风量远小于正常水平。 生物质中的碱金属对炉内结渣,床料结团有着重要的影响,国内针对生物质中的 碱金属问题进行了大量的研究工作。随着计算机技术的发展,数值模拟已经 成为重要的研究手段之一【】。 ..稻壳特性 ...稻壳物理化学特性 稻谷结构组成如图.所示,稻壳主要由外颖、内颖、下护颖、上护颖和小 穗轴组成,外颖比内颖略长而大。稻颖的质量占谷粒总质量的%左右,稻谷中 颖的质量分数随着稻谷的品种、栽培及生长条件等因素的不同略有变化。总 体来 说,成熟、饱满的谷粒,颖薄而轻;未成熟的谷粒,颖富有弹性和韧性,不容易 脱除】。 .稻谷结构组成图【】 图 颖果,丕芽,.夕颖,内颖,穗轴,护颖,.护颖 所示。如图.所示,稻谷内、外颖是两片类 稻壳内、外颖实物如图. 似船形的叶,通过两个钩状结构进行自锁。稻谷颖长一般为~ ,宽约.~ ,稻壳厚度~。稻谷内、外颖构造相似,从多内依次由外表皮、 厚壁组织、海绵组织和内表皮四部分组成【】如图.所示。稻壳一般呈金 黄色,如图.。等【对稻壳外颖中硅的分布进行了定量研究,结果表 明,硅浓度在稻壳外表皮最高,为.%;内表皮次之,为.%;两者之 间几乎没有硅存在。堕垒?????????』坐 图.稻壳内、外颖细胞组织结构实物图】硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 图.浸泡前后稻壳表面形貌比较】 未预处理稻壳外表面;水洗后稻壳外表面; 未预处理稻壳内表面;水洗后稻壳内表面 ...稻壳燃烧特性 稻壳表面的杂质对于稻壳的燃烧会产生一定的影响,未经预处理的稻壳与经 过水洗的稻壳燃烧产生的稻壳灰表面形态如图.所示【】。经过水洗的稻壳燃 烧 后生成的稻壳灰表面干净光滑,稻壳灰中固定碳含量相对较少。未经预处理的稻 壳外表面附着了较多的泥沙和稻壳粉等杂质。泥沙可燃成分较少;稻壳粉中有部 分可燃的有机成分,其无机成分主要为二氧化硅,在高温时容易熔融成白色球状 颗粒如图.所示,这些白色球状颗粒的直径一般不超过。在燃烧 过程中,稻壳表面的泥沙,稻壳粉燃烧过程中形成的熔融物,稻壳内、外表皮中 富集的大量二氧化硅,都阻碍了稻壳内部与周围环境传热传质的进行,这是稻壳 在火床炉中难以燃尽的主要原因之一。 图.浸泡前后稻壳焦炭外表面形貌比较 原始稻壳焦炭;漫泡后稻壳焦炭 稻壳作为燃料使用,其燃料特性与传统的煤炭有着较大的区别,华中理工大 学现为华中科技大学燃煤国家重点实验室对稻壳的燃料特性进行了实验分析 硕士论文 绪论 见表.认为【: 稻壳挥发分含量较高,着火温度约; 稻壳焦在以下燃尽时间较长; 稻壳燃烧的最佳温度在。; 温度高于时,稻壳焦容易形成一种碳硅络合物。 表.几种稻壳工业分析结果 水分 灰分 热值 名称 呦 哟 呦 呦 呦 % 呦依挥苎分 ‰ 武汉 稻壳 泰国 稻壳在链条炉中的燃烧大致可以分为物料干燥,挥发分析出燃烧和焦炭的燃 烧,以上各阶段沿着炉排长度方向上相继进行,燃烧过程不随时间变化而变 化, 不存在周期性变化。稻壳与传统燃料煤炭相比主要的特点是挥发分含量高, 着火 容易,然而由于焦炭不易燃尽,稻壳的燃尽时间并不比煤炭燃尽时间短。 与煤炭相比稻壳燃烧具有如下的特剧】:燃烧释放的与水稻生 长过程中吸收的基本相当,具有碳平衡的特点;灰渣可以综合利用; 稻壳热值低,堆积密度小,燃烧需要较大的炉膛容积:挥发分含量较高,空 气量不足或炉膛温度较低时,容易使挥发分裂解析出炭黑导致锅炉冒黑烟; 稻壳燃烧通常不会结渣;稻壳焦碳不易燃尽,在合适的燃烧工况下,灰渣可 作为碳化稻壳产品销售和使用。 ..稻壳锅炉综述 根据燃烧方式不同,可将稻壳锅炉分为以下两类: 层燃炉:层燃是工业锅炉中最为常见的燃烧方式,燃料平铺在炉排上, 在炉排风的作用下进行干燥、热解和燃烧,设置二次风以配合燃料析出的挥 发分 在炉膛空间燃烧。层燃稻壳锅炉炉排主要有链条炉排,往复推饲炉排和水冷振动 炉排。层燃炉结构简单,操作方便,运行费用相对较低,目前/,/,/, /,/,/等稻壳锅炉均有应用。 流化床:流化床燃烧可以较好适应稻壳挥发分含量高、析出迅速以及固 定碳不易燃尽的特点;稻壳表面粗糙,可以采用石英砂、燃煤炉渣等作为流化介 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 质。流态化燃烧还具有传热传质性能好,燃烧效率高,负荷调节范围广等优点。 目前,稻壳锅炉发展迅速,出现了许多专门为稻壳设计的锅炉和燃煤锅炉经 改造之后燃用稻壳的锅炉,对稻壳锅炉的研究还在不断深入。陈冠益,方梦祥等 人【列在对稻壳的流化特性和燃烧特性试验研究的基础上,与无锡锅炉厂合作设计 了/流化床稻壳锅炉。华东理工大学董菊梅和王帅【认为对于小型稻壳锅炉 采用流化床燃烧经济成本较高,自行设计了...型稻壳锅炉;此炉型与 同类型燃煤炉相比增加了炉膛的高度,设置了低而长的前拱和短而高的后拱。济 南锅炉集团有限公司开发了可掺烧或纯烧稻壳的/链条锅炉,采用了风力抛 煤机给料;板式双炉排,炉排面积约.,通风截面比%;炉膛有效高度达 .,前后墙各布置三层二次风【】。王爱喜,张瑞等人【】对济南锅炉集团有限 公司生产的/燃用稻壳的锅炉分析认为,该锅炉可以有效的降低机组排尘浓 度和的排放浓度,可以较好地解决环境污染和资源浪费等问题。粱福任】 采用了“室燃层燃”的双重燃烧方式设计了/的稻壳锅炉,根据经验数据认为 室燃与层燃的比例在:时燃烧较为稳定。出于对煤炭价格及环保考虑,许多工 厂将原有的燃煤锅炉改造为稻壳锅炉,并对改造的经济性和技术可行性进行了分 析.。 .气力输送系统分类 气力输送广泛应用于冶金、采矿、电力、化工、食品等工业中。气力输送的 应用实践表明:气力输送具有输送效率高,设备简单,操作方便,系统密闭性好, 粉尘逸出量少,管道布置灵活等优点。与机械输送相比,气力输送具有能耗高, 管道容易磨损等缺点,表.为气力输送能耗与机械输送能耗的比较【】。 表.气力输送与机械输送装置单位能耗比较 按照气力输送状态可以将气力输送分为稀相输送、密相输送和栓流输送。按 照气力输送管道内的压力划分,可将气力输送分为吸送负压式输送系统、压 送正压式输送系统和混合式气力输送系统。 绪论 硕士论文 吸送式气力输主要是靠气源设备罗茨风机、真空泵等吸气作用,将物料 从料仓通过管道输送到目的地的悬浮式气力输送装置。其主要组成部分包括吸 嘴、输料管,分离装置,关风器和气源机械等,常见的工艺布置系统如图.所 示。气源布置在系统尾部,气源工作时整个系统处于负压状态,物料由吸嘴进入 输料管中,在分离器分离后经关风器输出。有些粒度较细的物料在分离器中难以 分离,在气源与分离器之间安装除尘器和过滤器以保证气源正常工作和环保要 求。 图.吸送式气力输送装置系统图 .料仓:吸嘴;输料管;除尘器; ;关风器;.分离器;过滤器;.气源 按照输料量划分,吸送式装置有大型和小型之分,小型装置的生产率通常为 每小时数百公斤至每小时数十吨,大型装置则可由每小时一百吨至几百吨。目前 港吸粮机的单管输送能力可达/鲫。 根据管道内的压力可将系 压送式气力输送系统是利用高压空气来吹送物料, 统分为低压压送和高压压送两种。低压输送系统的压力~般不超过.,高 压输送系统的压力一般为..。压送式气力输送装置组成部分主 要包括气源机械,给料装置,输料管,关风器等。压送式系统气源均设置在系统 的进料端,图.为低压压送式气力输送装置典型系统。物料从料仓经关风器 落入喷射式给料器,物料通过输料管进行输送。 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 / 图.低压压送式气力输送装置典型系统 .料仓;.关风器;.气源;.喷射给料器.输料管 混合式气力输送系统结合了吸送式和压送式两种气力输送特点【。例如,吸 送式输送段的分离器和关风器作为压送式输送段的料仓使用,吸送段从分离器中 出来的空气经过风机压缩后作为压送段的气源将物料输送至卸料地点。 .碳化稻壳资源利用石 碳化稻壳可以作为制备活性炭、水玻璃和白炭黑的原料。工艺流程如图. 所示,可以根据市场需求,切换生产流程,以改变种产品的产量。活性炭在食 品、发酵、化学和冶金等行业中应用非常广泛,主要用来脱色、脱味、滤毒以及 空气净化、污水处理等。白炭黑即无定形水合二氧化硅,是精细陶瓷、光导纤维 和太阳能电池等工业的基本原料,也是橡胶、塑料、造纸、涂料、油漆等行业的 补强剂或填充剂,还可作为制造高纯硅溶胶的原料。水玻璃即硅酸钾的用途 ,主要用于电视荧光粉、电焊条粘接剂、高温涂料粘接剂、洗涤剂、焊很广 接用 的电极还原染料、防火剂、防腐剂、展色剂、墙壁涂料、高级陶瓷涂料等。 碱液 碳化稻壳?反应器?。过滤器水洗、酸洗??干燥?活性炭 水玻璃?沉淀反应器?.?过滤??干燥?叶白炭黑 土 上 废液回收 浓缩???高模数水玻璃 图.碳化稻壳深加工工艺流程图硕士论文 绪论 黑龙江省某农业技术推广中心侯建民等人‘通过对水稻田的试验研究发现: 在水稻田中施用碳化稻壳并配合一定量的农肥使用,可以促进水稻生长发育,增 产增收效果显著,而且有明显的促早熟作用。周建业等人通过试验认为在土壤 中加入适量的碳化稻壳可以改善土壤孔隙率,有利于植物移栽的成活率,也有利 于植物的健壮成长。王立等人认为碳化稻壳与反应,在用硫酸对其活化 后经过干燥洗涤等工序得到一种脱色剂,该脱色剂在油脂精炼脱色工艺中脱色效 果良好,具有较好的应用前景。碳化稻壳具有多孔结构,堆积密度小,导热系数 低,性能稳定等特点,目前广泛应用于钢水的保温工艺中,碳化稻壳中的固定碳 在高温环境下与周围环境中的氧气发生反应,为钢水提供部分热量的同时还能防 止钢水的氧化。 .本文主要工作 “稻壳直燃联产碳化稻壳”是一个校企联合研发项目,项目的目标是将某厂 设计燃料为类烟煤的锅炉改造成为纯烧稻壳的稻壳锅炉,在保证锅炉出力的情 况下生产碳化稻壳,改造工作本着不改动锅炉受热面的原则,并在不损伤现有锅 炉钢架的条件下进行。本文的工作是联合研发项目的一部分。 研制新的前拱。从稻壳燃料特性出发,研发合适的拱型结构,使拱型与 喷燃器有机结合,配上合适的二次风。通过数值模拟的方法进行优化设计。 研制喷燃器。相对于煤炭来讲,生物质燃料堆积密度小,热值低。由于 煤闸门和引燃拱的高度有一定的限制,利用煤斗给料不能很好的满足燃烧需 要, 需要研制新的锅炉给料系统以满足燃烧需要。 设计锅炉的监测与操作系统 进行热态调试与碳化稻壳测试。 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 火床燃烧过程分析与计算 .火床燃烧系统改造方案 稻壳的低位热值约为/,约为设计燃 该锅炉的设计燃料为类烟煤; 料的%;稻壳的堆积密度不足煤炭的%。在相同的锅炉热效率情况下,要 炉膛内稻壳燃料的体积需是煤炭的倍。即使燃用稻 达到相同的燃烧功率, 壳时炉排速度是燃煤时的倍,保证锅炉正常燃烧负荷时,火床上燃料的堆积厚 度也是燃煤时的倍,火床上稻壳厚度应在以上。在改为稻壳燃料后 即使把煤闸门提到最高点,采用原有的煤斗与链条炉排结合的送料方式仍然不能 满足锅炉的燃烧负荷。稻壳的可燃基挥发分一般在%以上,着火温度低,其燃 料特性与锅炉原始设计燃料差异较大,原有的拱型对于稻壳燃料适应性较差,需 要重新设计拱型。 为了满足锅炉燃烧所需的燃料,进料系统必须调整,拟采用喷燃器通过风力 输送方式将稻壳送入炉膛。拱型设计在考虑稻壳燃料特性的同时要与喷燃器匹配 以便更好的组织炉内燃烧。系统改造方案如图.所示。稻壳由喷燃器喷入炉膛, 撞击前拱后沉降至炉排上。稻壳的挥发分含量高,着火容易,主燃区靠前,部分 稻壳在飞行的同时开始干燥和热解收缩,热解产生的可燃气体燃烧进一步促进了 这一过程的进行。由于稻壳热解后会产生收缩,这也使火床的床层厚度在一定程 度上有所减小。 燃烧系统的改造除了炉拱和锅炉进料改造外,对除尘系统、送引风系统也作 了改进。对原有的部分燃烧参数测试系统损坏或缺失的部分,做了修复和设计安 装。 图.系统改造方案硕士论文 火床燃烧过程分析与计算 .燃料燃烧计算 燃料基本计算中稻壳的元素组成和热值取表.中的武汉稻壳的分析数据。 ..燃烧所需稻壳量计算 压力为.时饱和蒸汽的焓值。..//,时饱和水的焓 值./。稻壳低位热值按照./【计算,锅炉总体效率取% 计算,则每千克稻壳可产出饱和蒸汽量为 圣:兰坠鱼兰丝:. . ‘ .?. 要达到/的蒸汽供应量,每小时需要供应稻壳量为.吨。 ..燃烧所需空气量计算 燃料完全燃烧并且在燃烧产物中无自由氧存在时所需的空气量干空气 称为理论空气量,以标准状态下矿/来表示,可以根据燃料中的、、 、等元素计算得到。锅炉燃烧中的氧气来源于空气,氧气在空气中的体积百 分数为%,可以得出吨燃料完全燃烧时所需标准状态下的理论空气量为: ’ . ‘ 。 、 丝‰堡 。志鱼 . 根据式.计算可得,每吨稻壳燃烧所需的理论空气量为,过量空 .,则实际燃烧过程中所需空气量为。.吨稻壳完全燃烧所 气系数取 需的理论空气量为;过量空气系数取.时,实际燃烧过程中所需空 气量为。 ..烟气量计算 标准状态下,吨燃料在理论空气量下完全燃烧时所产生的燃烧产物的体积 称为燃料的理论烟气量,用下式表示: . :协晚是巧乏 式中:一标准状态下理论烟气量,/; 一标准状态下的体积,/; ‰一标准状态下.昭的体积,/; 嚷一标准状态下?的理论体积,/; 嚷?标准状态下的理论水蒸气体积,/。 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 二原于气体体枳‰ 由碳和硫的完全燃烧反应方程式可知,碳完全燃烧后产生 彳.×:的,硫完全燃烧后产生等×:的鼢。 / 二 . ‰×等肌/ . ‰急 。..朋/ . / . ‰‰‰ 理论氮气体积嚏 理论氮气包括空气中的氮气.矿和燃料本身含有的氮 .×惫,,故理论氮气体积为: . ./ 暖.。%. 不含水蒸气的理论干烟气的体积皑,为: ‘ ? . 曙‰暖‖ 理论水蒸气体积。: 多: 理论水蒸气主要有以下三方面来源: ?燃料中氢的燃烧, 燃料完全燃烧产生的水蒸气 /;, . ×裔 ?燃料中水分的蒸发,燃料中因水分蒸发产生的水蒸气的体积为 百.××嵩./; ?随着理论空气量带入的水蒸气的体积,取空气了含湿量/,标 准状态下 干空气含有水蒸气的质量为气磊孚堙,标准状态下,水蒸气的密 肌干空气含有水蒸气的体积为 度为了../, ?.?:.。 . 理论水蒸气体积嚷为: 火床燃烧过程分析与计算 硕士论文 嚷 以.虬. ×..×.. . / 理论烟气量哆 秽‰‰嚏吃 . 曙% 如 对于过量空气系数口取.时,实际烟气中除了理论烟气量外,还包括过量 空气以及随过量空气带入的水蒸气。实际烟气量圪为: 巧‰‰%% 巧吻嘿一矿嘿.一 ‰嚏吃.一矿 ’ . / 此台锅炉要达到/的饱和蒸汽供应量,每小时需要供应稻壳量为.吨。 理论烟气量为 ,取过量空气系数为.时,实际烟气量为 。 .床层厚度计算 壳进行了热解收缩率测试试验。试验步骤如下:带盖挥发物坩锅内置入 对稻 一粒稻壳,按照挥发分测试标准,在的箱式电炉中加热分种后取出,测 粒样品的轴向线性收缩率的平均值为.%,如图 试热解前后的形态变化, 。 热解前热解后 图.稻壳热解前后形貌特征图中最小刻度为 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 假定稻壳热解收缩特征各向同性,稻壳按长、宽、高分别按、、的长方 体计算,则可得到稻壳热解的体积收缩率为: . .?????.??一.% 由式.可知:稻壳热解后,表观体积减少了.%。即其他条件相同 时稻壳热解收缩后在床层上堆积厚度与稻壳直接在床层堆积相比,初始床层 厚度 可以降低.%。采用悬浮热解后,可以有效降低生物质床层在燃烧过程中塌陷 的概率,而且可以根据需要在单位时间内生产更多的碳化稻壳。为了便于比 较, 表.列出稻壳在没有经过热解收缩和经过悬浮热解收缩两种情况下的初始床层 堆积厚度。根据现场标定结果,炉排调速器转速为/,/,/ 时,炉排速度分别为./,./,和./。炉排宽度为。 稻壳自然堆积密度约为 /,不同品种之间略有差别【,计算时自然 堆积密度取/。其他数据参照本章..节。 表.初始床层堆积厚度计算 为了可以直观的比较稻壳未经悬浮热解收缩与经过悬浮热解收缩两种情况 下火床初始堆积厚度。将炉排调速器转速为/炉排速度为./时, 如图.。由于不同炉排转 锅炉不同蒸发量情况下床层初始堆积厚度绘制成图, 速时除了初始床层堆积厚度有差别之外,其他规律相似,本文不一一绘图。由于 此台锅炉后拱壁面离炉排面最小距离处不足,燃料在床层上堆积高度过 高时,灰渣不能全部由炉排排出,锅炉稳态燃烧过程中必然会导致飞灰量增加。 火床燃烧过程分析与计簦 .一一?墼兰: ????二?????????????????????????????。’?????????????????????????一一 由此可见采用稻壳悬浮热解收缩后沉降的方式可以一定程度上降低锅炉的飞灰 份额。 看 、, 魁 毗 器 磐 彀 暴 噬 长 锅炉蒸发量/ .不同蒸发量床层初始堆积厚度 图 .本章小结 本章针对稻壳燃料与锅炉的原始设计燃料类烟煤进行对比得出,稻壳的热值与堆积密度均比锅炉原始设计燃料低,在原有的系统上直接燃烧稻壳将会导致 燃料供给量不足、初始床层厚度大以及飞灰份额高等问题。拟采用稻壳悬浮热解, 热解收缩后的焦炭沉降至床层继续燃烧的模式研制新的燃烧系统。本章对燃烧所 需的稻壳量,空气量以及烟气量做了计算,为后续的研发设计工作提供必要的数 据支持。 硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 燃烧系统方案 .炉拱研制 炉拱作为链条炉的重要组成部分,主要作用是组织炉内的气体流动达到强化 炉内传热传质的目的,炉拱一般分为前拱和后拱,有些炉型还设置了中拱。前拱 的主要作用吸收来自炉膛空间的热量,并向燃料层辐射热量使新燃料点燃。后拱 位于炉排后部,其出口高度一般比前拱的低,主要作用是将后拱区的高温烟气以 一定的速度输送至前拱区,通过强制对流的形式将热量传给前拱。对于采用生物 质燃料的链条炉,炉拱的设计一般根据设计人员的经验;燃煤锅炉在我国应用时 间长,其拱型研究也比较深入,表.为链条炉炉拱尺寸推荐值【。 表.链条炉炉拱的基本尺寸表 注表中代表炉排的有效长度。 由于锅炉改造前后所用燃料性质差异较大,为了提高燃烧效率与锅炉的使用 寿命,必须对炉拱进行改造。炉拱改造的工作量较大,需要将原有炉拱拆除重新 浇筑。本次炉拱改造是在现有的锅炉上进行,改变锅炉现有的钢架结构可行性不 大,所以本次炉拱拱型的设计受到了一定的限制。对后拱暂不做改动,主要改造 前拱,使前拱与喷燃器匹配。 我国稻壳燃料可燃基的挥发分一般在%以上,着火容易。通常对于着火容 易的燃料,前拱覆盖率相对设置较小。如果在后拱不做改动的情况下,提高原有 前拱的覆盖率,会导致喉口部分变小,这种高炉拱覆盖率的炉型燃用高挥发 分燃 料容易导致炉膛产生微爆燃【】。这种微爆燃主要是因为炉排中前部挥发分过剩 且流场组织存在“死滞区’’时,未燃尽的挥发分在“死滞区聚集,遇到富氧气 流时就会产生微爆燃。本文所研究的炉型是采用气力给料,希望稻壳在炉膛 图.锅炉原有拱型 该炉原有前拱长度口为.,原有后拱长度玩为.,后拱出口处高度 靠近侧墙处的出口高度为。稻壳焦中 为此高度为中心高度, 的固定碳燃尽较为困难,后拱的高覆盖率有较好的保温作用,在方案设计中对后 拱不作改动。对原有拱型的改造研制了三套方案备选。 ..炉拱方案一 方案一中前拱的总长度为.,比原有拱型长,见图.。 段长,该段拱型高度设置较低,主要是由于该拱型是对现有锅炉进行改 造,改变锅炉原有的钢架结构成本较大,而且施工困难。同时考虑到稻壳容易着 火,段炉拱壁面距离炉排面较低,可以起到压火的作用,使着火点后移以免烧 坏煤闸门和料斗;该段同时起着支撑喷燃器的作用。方案一中的拱型采用倾斜段 和水平段相结合的形式,其中倾斜段主要用来更好地匹配喷燃器。硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 图.拱型方案一 ..炉拱方案二 方案二是在方案一的基础上改进得到,见图.。唯一的区别就是在前拱区 的出口端设置一凸台,凸台高度为,这主要考虑到喷燃器喷入的气流 会沿着拱壁形成一股贴壁射流,在引风作用下,这股射流可能很快就流向炉膛出 口。在出口处设置这一凸台可以改变前拱区贴壁射流的流动轨迹,增加这股气流 的扰动与炉内停留时间。凸台高度不宜过大,否则会使前拱出口面积过小,容易 造成前拱区冒正压,对于燃烧的组织以及锅炉的寿命会有一定的影响。 .拱型方案二 图 ? 炉拱方案三 .. 方案三中前拱采用倾斜与反倾斜式的组合,其中倾斜段的倾斜角。为, 反倾斜段倾斜角:为。,如图.。反倾斜段主要为了提高前拱区的贴壁气流 在炉内的停留时间,反倾斜角越大,贴壁气流在炉内的停留时间越长,但前拱区 “冒正压的概率也越高,总体考虑反倾斜角角度设置不易过大。 .?????????????????????生堕 签塑墨竺查塞 喷燃 炉 图.拱型方案三 .喷燃器研制 喷燃器的主要作用是将稻壳从料斗中吹入炉膛,并且能够使稻壳在炉膛中分硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 图.喷燃器方案一 图. 喷燃器方案二 考虑到稻壳表面粗糙,流动性差,长距离的输送和管道的变向均会增加稻壳 在管道中堵塞的可能性,为了保证锅炉长期连续稳定运行,选用施工工作量相对 较大的方案二实施。 方案二中稻壳在喷燃器中的输送距离约为。由于稻壳表面粗糙,流 动性差,为了保证稻壳在喷燃器中输送的稳定性,设置了多级喷嘴确保了稻壳在 喷燃器中的顺利输送。喷燃器出口处宽度方向一半向上起跳,气流将沿着前拱拱 壁形成一股贴壁射流,另一半可根据需要选择不同的阻挡件来组织稻壳在炉膛内 的飞行轨迹。该锅炉预设三个喷燃器,喷燃器宽度分别为,和 。 图.为喷燃器主体部分设计图。喷燃器中气流除了作为输送稻壳的介质外, 还可以为稻壳的燃烧提供部分氧气。配合适当的拱型结构和二次风的情况下,喷 射气流在炉膛空间形成较大的扰动,在炉膛喉口位置形成封锁气流,强化了炉膛 内传热与传质过程的进行,同时延长了气流在炉内的停留时间,不仅对稻壳在炉 而且可以有效地降低飞灰份额。 膛内干燥、热解、燃烧有积极作用, 喷燃器出口结构对稻壳飞行轨迹有决定性影响。设计了种不同结构的阻挡 件,以供分析、优化、实炉考核。图.为喷燃器和不同阻挡件的效果图。图. 喷燃器主体结构图 图.喷燃器主体和各阻挡件效果图 .送料系统 送料系统主要作用是将稻壳从料仓输送至炉前。此次共设计两套稻壳输送方 案。硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 ..风力输送 风送系统如图.,吸料风机将稻壳输送至沉降室,这时的沉降室为正压, 容易造成锅炉房灰尘飘散。为了防止灰尘从沉降室溢出,把二次风机的进风 口设 置在沉降室内,控制二次风机的风量大于吸料风机的风量,维持沉降室的负 压。 风送系统的优点:稻壳在封闭空间输送,可以有效降低灰尘量;除了风机外 无机械运动部件,降低了设备的故障率。 风送系统的缺点:稻壳在管道及风机中高速流动,对设备的磨损严重;连续 稳定运行状况缺乏相应的工程数据。 喷燃器 后二次风 图.风送系统图 ..机械输送 稻壳通过提升机提升后落入螺旋输送机内送至煤斗上方。如图.。 机械输送优点:技术成熟,有工程应用实例;送料量调节方便。 机械输送缺点:较之风送系统,成本较高;稻壳容易造成卡塞;机械运动部 件多,设备故障率高。 图.机械输料系统图 ..方案选型 本次改造首先选用了投资成本相对较低的风力输送系统进行了测试,输送管图.吸料系统 图.补气效果图 调试过程中发现,在料仓内稻壳堆积量较小时,此系统的输料量可以满足锅 炉燃烧需要。当料仓中稻壳堆积高度过高时,由于自身的压力作用稻壳容易自锁, 过小的补气风量将不能吹动稻壳;风量太大时,补气风量会超过吸料风机的风量。 ,稻壳中的石子、铁块等杂物容易堵塞吸料口,必须停炉清理。 在长期运行时 为了保证燃料供应系统连续稳定运行,料仓至炉前部分最终采用机械输送系 负荷经常波动,统。系统主要包括提升机和螺旋输送机。锅炉在实际运行中,锅 炉经常启停运行对锅炉的寿命以及锅炉整体效率都有影响。为了实现锅炉进料量 图.机械输送系统 可调,在提升机电机上安装一个调速器以实现提升机的无极调速,通过调节提升硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 机的转速达到锅炉进料量的调节。机械输送系统实物图如图.。 .烟风系统 原有锅炉只有一台鼓风机,风量为/,改用稻壳燃料后,锅炉总配 风量不小于 /为宜。喷燃器出口空气流速设计为/,三个喷燃器喷 入总风量在/左右,后二次风安装在锅炉尾部风量约为/, 炉排风总风量在/为宜。原有鼓风机能耗过高,风量太大,改用风量与 风压适中的风机。引风机采用原有风机,不做变动。由于生产过程中锅炉负荷需 经常波动,各风机均安装变频器,以便于在负荷波动时,风量能够随着燃料量的 变化方便、快速的调节。 .除尘系统 改造后锅炉采用喷燃器喷料燃烧,锅炉飞灰量的增加不可避免。为了达到粉 尘等污染物的排放指标,需对除尘系统进行改造。 ..原有水膜除尘改造 原有水膜除尘器只设置了一层喷头。本着不改动原除尘器结构的原则,在最 将喷头数量增加至层以达到除尘的效果。 小的工作量下产生较好效果, ..加装多管除尘器 一台水膜除尘器不足以满足除尘效果, 考虑到稻壳的喷料燃烧飞灰量较大, 加装一台多管除尘器,如图.。多管除尘属旋风类除尘器,除尘器机芯、导向 器、旋风子、排气管采用陶瓷材料制成,当含尘气体进入除尘器入口,通过陶瓷 导向器,于旋风子内部旋转,在离心力的作用下,粉尘和气体分离,粉尘降落在 集尘箱内,经锁气器排出。 图.多管除尘器 硕士论文 燃烧系统方案 .监测系统 ..负压测量系统 炉膛负压是重要的燃烧状态参数,它间接反映了烟风系统的漏风状态,以及 送风量与引风量之间的平衡关系。炉膛正压会造成炉内高温烟气外泄,炉膛负压 过高会造成锅炉漏风量增加。合适的炉膛负压是锅炉运行的基本指标,对锅炉的 运行经济性影响很大。这台锅炉原有的负压采集口已经被积灰堵死,负压信号管 已经损坏。故重新安装了一套改装后的炉膛负压测量装置,如图.所示。锅 炉运行时关闭吹扫阀,打开测量阀进行负压信号的采集;考虑到长期运行可能导 致飞灰堵塞负压信号管道,一定时间间隔内在关闭测量阀的情况下打开吹扫阀用 压缩空气作为吹扫气反向吹扫负压管以清灰。 进负压 传感器 压缩空气 图.炉膛负压测量装置 ..二氧化碳浓度测量系统 为了保证锅炉高效运行,需及时了解炉内燃烧工况,做出正确的燃烧方案调 整。一般可以通过监测出于烟气中的或,来分析烟气中的过量空气系数。 当炉内燃料完全燃烧时,可以通过式...来求出过量空气系数。 , .. 、。 口两丽舞./“ 口一‘一十 ?星 : 一一一丽 口: . 一 以一詈.。 . ’ 口.???立????一 巳.卯 对于燃煤锅炉来说,.~.。若采用式.来确定过量空气系数口,硕士论文 稻壳火床燃烧过程研究 燃料特性系数影响较大;而式.中,燃料特性系数卢影响相对较小。故 现在燃煤锅炉中一般通过监测烟气中的氧气含量来整定燃烧工况。但对于稻壳而 言,燃料特性系数卢值稳定,通过式.计算可得武汉稻壳卢值为.。该 锅炉改造后燃料为纯稻壳,燃料性质稳定,通过监测干烟气中的含量来整定 燃烧工况是切实可行的。 烟气采集的气路连接方式如图.所示,由于锅炉的烟气中含有大量的水 蒸气和飞灰,为了保证二氧化碳传感器测量准确性,在烟气进入传感器之前需要 除去烟气中的水蒸气和灰尘。本系统将冷凝器至于干燥过滤器之前,冷凝后的烟 气再进入干燥过滤器。 进二氧化碳 传感器 ????? 图.烟气二氧化碳在线采样气体连接线路 上述设备中气体采样管、冷凝器、干燥过滤器和采样泵构成了一个高温气体 在线采样系统。其中冷凝系统由低温恒温水箱含循环泵和冷凝器间壁式换 热器组成,其中低温恒温水箱提供一般为蛳?冷源,在冷凝器内与高温 烟气换热,高温烟气被冷却,其中携带的水分被冷凝,烟气出换热器后通过采样 管不锈钢管与外界环境换热,采样管根据现场的施工条件布置,长度达 多米。再经过干燥过滤器过滤后得到干燥而洁净的烟气进入二氧化碳传感器。此 以标准电流输出,由标 处选用的二氧化碳传感器量程为~%, 准数据采集模块采集。 ..在线视频 本系统配备了路工业视频系统。其中临时性高温场合视频装置路,永久 性高温场合视频装置路,分别布置在炉膛内的着火区、火床燃尽区。高温场合 用视频装置均配备了冷却风,由一台冷却风机统一提供冷却风。在常温区域,设