高寒地区户用秸秆燃气采暖锅炉的设计及试验
鄂佐星 周曙光 冯江
黑龙江省人民政府农村能源办公室
摘
要：本文以哈尔滨地区建筑面积为70米2农户住宅为例，概算出其采暖热负荷，并依此为依据设计出秸秆燃气采暖锅炉。对秸秆燃气采暖锅炉进行了试验，试验结果达到设计要求，满足实际需要
关键词：秸杆燃气 采暖 锅炉
1．前言
生物质能是地球上最普遍的一种可再生能源，是人类赖以生存的主要能源之一。我国生物质资源相当丰富，其中农作物秸杆是我国生物质能源资源主要来源。我国9亿农民居住在农村，约2.3亿户，传统的耗能方式仍然是以炊事以及北方农村取暖为主，以作物秸杆、薪柴和草为主要资源，基本上是采取直接燃烧方式。直接燃烧转换效率低，浪费严重。我国农村传统炉灶的热效率很低，仅为10%左右。近20多年来推广的省柴炉灶实际热效率也只有25%左右，能量损失仍然较大。
秸杆、薪柴是低品位能源，直接燃用，劳动强度大，不卫生，影响生活质量的提高。随着粮食生产的发展和农民生活质量的改善，富裕起来的农民厌弃了“家家有炊烟”的炊事方式，迫切希望能用上清洁、方便的优质燃料，以摆脱烟熏火燎的生活环境。另外，在一些燃料缺乏地区，农民靠砍伐林木、割搂野草来生火做饭或取暖致使森林及草地被破坏，土壤退化，水土流失，旱涝成灾，给生态环境造成了严重的破坏。而在燃料不缺乏的某些地区，每当收获的季节，大量过剩的秸杆在田间地头被直接焚烧，既浪费了能源，又严重污染了环境。因此，秸杆资源的有效利用已成为我国农业可持续发展所面临的重要问题。
生物质气化是生物质能高层利用的良好途径之一。利用生物质气化燃气进行民用炊事和采暖，一是可使农民象城市居民一样用上管道燃气，降低了劳动强度，改善了农民千百年来形成的生活习惯，提高了生活质量，为农民提供高效、方便的能源。二是可以提高生物质能有效利用，使秸杆有效利用率比直接燃烧提高一倍，既节约了能源，减少环境污染，又节约大量的秸杆用于改善土壤的生态环境，提高秸杆的综合利用。目前秸杆气化集中供气技术的应用仅限于农户炊事用能上，缺乏秸杆燃气供暖锅炉。我省地处北方地区，冬季采暖用能占全省农村总能耗的80％。秸杆燃气采暖锅炉的研制成功将拓宽秸杆气化集中供气技术的应用领域，解决寒冷地区冬季农户的采暖问题，同时可进一步应用于温室、畜舍采暖、烤烟和粮食烘干等生产领域，取得良好的使用效果和经济效益。
2．房屋采暖热负荷的概算
在确定户用采暖锅炉的设计热负荷时，往往缺少采暖房屋建筑物的具体资料，而不能掌握较准确的建筑物热负荷的资料。因此，通常是采用概算指标法来确定各类用户的热负荷。这里我们采用体积热指标法来概算房屋采暖热负荷。
建筑物的采暖设计热负荷，可按下式进行概算[2]：
（1）
式中 
——房屋采暖热负荷，瓦；
——体积热指标，瓦/米3·℃，见表1；
——采暖部分建筑物外轮廓体积，米3。房屋的高度是从地面计算到房檐；
——采暖室内设计温度，℃；
——采暖室外设计温度，℃。
表1 村镇居民住宅的体积热指标
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要 求 温 度 |
体 积 热 指 标 |
|
瓦/米3·℃ |
|
|
16——18 8——10 |
0.87——0.93 0.40——0.46 |
在本设计中取农户住宅建筑面积为70米2，要求取暖的面积为50米2，屋高2.7米。住宅地处哈尔滨，室外设计温度为-26℃。室内设计温度取15℃。房屋保温条件较好。
根据已知条件得：
根据室内温度，查表1，体积热指标
℃
根据公式（1）计算房屋采暖热负荷为：
每天向房屋供热量为：
因为锅炉燃烧供热不可能整天进行，一般为6～8小时，这里我们取8小时，则锅炉供热量的有效热负荷
为：
3．锅炉结构的设计
3．1 锅炉的主要设计部分。
3．1．1 炉膛形状
根据经验，为了保证燃烧的工况最佳，由于火焰的燃烧形状是向上聚集的，所以炉膛可以设计为上口小、下口大的圆锥台形状。
3．1．2吊火高度
吊火高度为地面到喉口的距离。由于火焰的内焰、中焰和外焰三层火焰中外焰的温度最高，所以要保证吊火高度，根据实验取吊火高度为400毫米。
3．1．3喉口的设计
锅炉的炉膛上口平面以上燃烧烟气进入烟道的位置称为喉口。由于我们采用了保证锅炉对流换热面积的设计，即增加了锅炉内部的复杂性，使锅炉的烟气流动阻力较大，故喉口的尺寸不宜过小，一般各种形状的喉口面积相当于直径在80～120毫米范围内的面积。在这里我们可取喉口的直径为100毫米。
3．1．4 进水管和出水管的设计
为了保证锅炉内水流的畅通，锅炉的进水口和出水口平面最好相差180°，最小也应相差90°。如果夹角太小，容易出现水流短路，影响锅炉的发热能力。
锅炉的进水口应从锅炉体最下方或底部接入，以便放水。锅炉的出水口应尽量从水套的顶部垂直接出。出水管焊接时，不应插入水套，否则就容易出现积存空气现象。当出水管从侧向接出时，应尽量使出水口的上沿与水套的上沿相平，否则也容易出现积存空气现象。如图1所示。
图1 水箱的存气现象
3．2锅炉的换热面积的计算
户用采暖锅炉中，存在的传热方式有导热、对流和辐射三种方式。从理论上讲，换热面积可以根据要求传热量和锅炉运行的工况来确定，但是实践表明，由于炉子小、工况不稳定，理论计算往往和实际有较大的差距。比较切实可行的方法是在计算的基础上以实际测定数据修正而取得的经验数据来估算换热面积。
设计时，根据下列经验数值来确定换热面积[2]：
|
辐射换热面积：0.009～0.011米2/1000千卡有效供热量 对流换热面积；0.07～0.09米2/1000千卡有效供热量 |
根据前面的计算，锅炉的有效供热量
。计算得出锅炉的换热面积为：
辐射换热面积： 0.096～0.118米2；
对流换热面积： 0.75～0.964米2。
锅炉的结构见图2
图2 板翼式锅炉的结构示意图
4 锅炉热性能测试试验
4.1 试验方法概述
采用加热定流量水的方法进行试验。通过燃气的燃烧对锅炉内定流量的水加热，使之升温，获得锅炉部分热性能参数。热效率以正平衡原理计算。
4.2 试验仪器和用具
试验仪器和用具见表2所示。
表2 试验仪器和用具
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铜-考铜热电偶（0℃～350℃） |
1支 |
|
酒精温度计（0℃～100℃ 刻度0.5℃） |
4支 |
|
秒表 |
2块 |
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量杯（1000毫升） |
1个 |
4.3 试验条件
环境温度：10℃— 30℃
风 速＜1.0米/秒
试验时要远离其他热源。在同一地点测试炉具时其间隔应大于1米。
4.4 试验前的准备和注意事项
试验前的准备和注意事项如下：
1 试验前所有仪表应校正合格。
2 检查燃气是否稳定流动。
3 试验前锅炉内应冷却到室温。
4 试验前将温度计插入锅炉顶端放置温度计处。
4.5 具体试验方法
本设计采用加热定流量水的方法，并计算进、出水口的水温的量值获得。其测试装置如图3所示。为了整个测试周期中水流量的稳定，采用定高度的浮子稳压水箱，其容量为0.25米3。装好进、出口水温计。
4.6 试验结果及计算
4.6.1 采暖锅炉热性能试验原始数据
表5-4 采暖锅炉热性能试验原始数据（1）
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锅炉水容量 |
锅炉水初温 |
锅炉水终温 |
燃气耗量
|
升温时间 |
|
28.53 |
8 |
80 |
16.2 |
0.253 |
表5-5采暖锅炉热性能试验原始数据（2）
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锅炉平均水流量 |
锅炉进水平均温度 |
锅炉出水平均温度 |
燃气耗量 |
|
207 |
6 |
69 |
16.2 |
图3 采暖热性能测试装置示意图
4.6.2 采暖锅炉热性能参数的计算
采暖锅炉升温速度
℃/h
℃/分
采暖锅炉升温吸热量
Kcal
采暖锅炉平均火力强度
Kcal/h
KW
采暖锅炉运行热效率
5．结束语
（1）本论文对北方农村典型房屋（建筑面积为70米2，采暖面积为50米2）的热负荷进行概算，得出房屋采暖所需要的供热量，并计算出房屋每天需要的供热量为85680千卡/天，为后面锅炉的设计提供了重要的依据。
（2）通过试验，锅炉各项热性能：采暖锅炉升温速度
℃/h
℃/分，采暖锅炉升温吸热量
Kcal，采暖锅炉平均火力强度
Kcal/h
KW，采暖锅炉运行热效率
。达到了设计要求，满足实际需要。
参 考 文 献
1．
农业部生物质气化技术研究测试培训中心．生物质气化技术及其应用．1996年7月，1-5
2．
陈荣耀，陈立，刘建禹．家用热水采暖装置（土暖气）技术讲义．黑龙江省农业工程学会．1998年12月．3-8，35-42，51-75
3．
工业锅炉热工试验，即JB 2829—80．1983年2月．1-6
4．
家用炊事水暖煤炉热性能试验方法，即GB/T 16155—1996．1996年6月．1-6