户用小型沼气采暖锅炉的设计计算

李文涛，刘建禹，李文哲，李晶宇

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

沼气工程的实施不仅有利于改善农村卫生环境和自然生态环境，还可为农民提供高效、清洁、方便的能源，在北方高寒地区，农户仅将沼气作为炊事用能，冬季采暖方式主要还是以直接燃烧秸秆、薪柴等生物质为主，如何在北方高寒地区实现冬季取暖、炊事利用沼气取代以往既烧沼气又直接燃烧生物质的“两把火”，是现阶段农村能源发展需解决的问题[1]。

研究开发适用于高寒地区高效小型户用沼气采暖锅炉，是解决“两把火”的关键。目前市面上有以燃烧天然气为主的小型户用采暖锅炉、以及壁挂式热水器等；但由于沼气中甲烷含量较天然气低，还不能直接将沼气作为燃料使用。为此，本文参照天然气锅炉的设计计算方法，提出一套适用于小型户用沼气锅炉热力计算的方法，并设计出沼气锅炉的整体结构。

1 沼气燃烧计算

沼气燃烧计算是锅炉热力计算的一部分，主要包括确定沼气热值、燃烧所需的空气量、沼气燃烧的温度及烟焓等等。为计算锅炉热平衡、燃料消耗量提供可靠数据，以使换热器与燃烧器相匹配，提高锅炉整体的热效率。

1.1 沼气燃烧所需空气量的计算

（1）理论空气量的计算

首先设定沼气的甲烷体积分量为60%，二氧化碳为40%，由此计算处沼气的低位热值为21 544 KJ·Nm-3[2]。根据气体燃料的组成，沼气完全燃烧所需的理论空气量为[3]：

（2）实际空气量的计算

为保证沼气完全燃烧，提高锅炉的热效率，合理选择过量空气系数至关重要。过量空气系数值取决于燃气燃烧方法及燃烧设备运行工况，一般控制在1.05～1.20[3]，本设计取，实际空气量为：

1.2 沼气燃烧产生烟气量的计算

（1）理论烟气量的计算

当沼气完全燃烧时，理论烟气的组分为CO2、H2O和空气中的N2等，其中三原子气体容积为：

理论氮气容积为：

理论水蒸气容积为：

理论烟气总量为

（2）实际烟气量的计算

实际沼气燃烧过程是在有过量空气条件下进行的，烟气中除含有三原子气体、氮气和水蒸气外，还有过量氧气，并且烟气中氮气和水蒸气含量也随之有所增加。其中实际氮气容积为:

实际水蒸气容积为：

过剩氧容积为：

实际烟气量为：

1.3 烟气的焓值计算

烟气焓值计算公式为：

其中理论烟气的焓：

式中CCO2、CN2、CH2O分别为CO2、N2、H2O由0～ty℃的平均定压容积比热容，单位为kJ·Nm3·K-1。

理论空气的焓

式中—空气由0～tk℃的平均定压容积比热容，单位为kJ·Nm3·K-1。

不同温度下烟气的焓值计算结果见表1。

表1 沼气燃烧产生的烟气焓温表Table 1 Enthalpy-temperature table of biogas burning smoke

2 热平衡及燃料消耗量的计算

考虑到气体燃料含灰量很小，同时一般没有固体不完全燃烧现象，所以燃料的物理热损失和固体不完全燃烧热损失可以忽略。燃气锅炉的热平衡方程式为[4]：

式中q1-锅炉有效利用热量的百分数，即锅炉的热效率(%)；q2-排烟热损失(%)；q3-气体不完全燃烧热损失(%)；q5-散热损失(%)。

根据燃气锅炉的结构特点，锅炉的气体不完全燃烧损失、散热损失分别取定为0.5%、1.7%[1]；排烟损失可根据下式计算：

式中H L-沼气的低位热值，取21 544 kJ·Nm-3；Ipy-在排烟温度下烟气的焓，取排烟温度为130℃（先假定，后校核），查表1可知焓值为1 336.48 kJ·Nm-3；-在送入锅炉的空气温度下理论空气的焓，取冷空气的温度为30℃，其焓值为226.12 kJ·Nm-3。由式（14）可得，锅炉效率为92.8%。

沼气锅炉设计供热面积为60 m2，根据民用建筑的单位面积供暖热指标单层住宅81.5～104.5 W·m-3[5]，本文选取95 W·m-3，每天供热时间为8小时，则锅炉的热负荷为17 kW。对于气体燃料而言，计算燃料消耗量与燃料消耗量相等，即Bj=B，燃料消耗量为：

式中Q-锅炉的设计热负荷，17 kW；ηb-锅炉效率，92.8%。

3 锅炉结构设计

锅炉的整体结构见图1，炉膛特性计算结果见表2，对流换热面结构及特性计算结果见图2、图3及表3。

图1 锅炉结构设计Fig.1 Boiler structure

图2 烟气横掠管束的流动Fig.2 Smoke flow condition cross tube bundle

表2 炉膛结构特性计算Table 2 Furnaceheat transfer calculation

表3 对流换热面的结构特性计算Table3 Calculation of structural characteristics for the convective heat

4 锅炉热力计算

4.1 炉膛热力计算

炉膛传热计算主要是为了确定炉膛受热面的吸热量和烟气炉膛出口温度，传热过程中主要以高温火焰与盘管之间的辐射换热，一般情况下，由于烟气流速较小，对流换热可略去不计[6]。

炉膛出口烟温取1 450℃（先假定，后校核），其绝对温度为1 723 K，查表1可得炉膛出口烟气焓为17 404.52 kJ·Nm-3。根据前面计算的结果可得，烟气中水蒸气的容积份额rH2O为0.1733，烟气中三原子气体的总容积份额r p为0.3092，常压下三原子气体的总分压力Pq为0.03092 MPa。

（1）理论燃烧温度tu的计算

空气带入炉膛的热量为：

炉膛有效放热量为：

根据炉膛有效放热量Q1，查表1可得理论燃烧温度tu=1 764.21℃，理论燃烧绝对温度T''u为2 037.21 K。

（2）炉膛黑度a1的计算

三原子气体辐射减弱系数和火焰中炭黑粒子的辐射减弱系数可按下式计算[4]

火焰黑度由ahy火焰不发光部分的黑度和火焰发光部分黑度afg组成，对于气体燃料发光部分在火焰中的份额m为0.1[4]，火焰黑度计算公式如下：

在实际计算炉膛传热时要综合考虑沾污系数和有效系数对传热的影响，需要引用热有效系数ψ。对于气体燃料沾污系数为0.65，有效角系数为1，故ψ=ζx=0.65×1.0=0.65。炉膛黑度为：

（3）炉膛出口烟气温度的计算

根据前苏联热力计算标准方法中推荐的经验公式可知[4]：

（4）烟气放热量Qrp的计算

烟气在炉膛内放出热量应该等于燃料在炉膛内有效放热量与炉膛出口烟气带走热量之差，即：

设锅炉供回水为95/70℃，锅炉供热负荷为17 kW，则锅炉循环水量为584.8 kg·h-1。根据热平衡，锅炉循环水通过炉膛后水温升高至t0为74.79℃。

4.2 对流换热面的设计计算

（1）烟气侧放热量的计算

由上述计算已知，炉膛出口烟气温为1 477.18℃，焓值为17769.92 kJ·Nm-3，锅炉排烟温度为130℃（先假定，后校核），焓值为1 336.48 kJ·Nm-3，则烟气侧放热量为：

（2）水侧的放热系数的确定

水的定性温度为（95+74.79）/2=84.9℃，其物性参数可查表得：导热系数λ为67.7×10-2W·m-1·K-1，运动粘度v为0.3455×10-6m2·s-1，普朗特常数Pr为2.08。

锅炉循环水量为584.8 kg·h-1，对流翅片管内径为9 mm，则管内水流速为2.55 m·s-1。管内水流的雷诺数为：

根据迪图斯-贝尔特公式，水侧的准则方程为[7]：

故水侧的放热系数

（2）烟气侧放热系数的α1确定

烟气的定性温度t'w为（1 477.18+130）/2=803.59℃，烟气平均绝对温度Ty为1 076.59 K，其物性参数可查表得：λ'为9.18×10-5kW·m-2·℃，v'为1.325×10-4m2·s），Pr'为0.599。根据锅炉结构及烟气量，可计算得出烟气的流速u'=0.8875 m·s-1。

烟气的雷诺数为：

烟气侧的准则方程为[7]：

烟气侧的放热系数：

因为烟气在翅片管束间隙内进行辐射，其有效辐射厚度s为:

对流过程三原子气体辐射衰减系数按下式计算：

根据烟气有效辐射厚度和三原子气体辐射衰减系数来确定烟气黑度为：

壁面温度与烟气的温度之比:

烟气辐射放热系数：

烟气侧的总放热系数为:

（3）烟气侧放热量Qcr锅炉总的传热系数:

本设计采用混合流动方式，故需要对平均温差进行修正，修正系数为0.9[7-8]，则修正后平均温差为

根据传热方程对流换热量为：

设计计算误差：

为检验受热面的烟气出口温度原假设是否合理，当烟气的放热量与传热量的误差百分数在2%以内时，视为烟气出口温度合理，否则需重新假定烟气的出口温度再次进行计算，本设计计算误差为0.29%，符合要求。

5 锅炉试验

本试验参照家用炊事、水暖煤炉热性能实验方法国家标准，采用加热定流量水的方法进行试验。定高度稳压水箱的水位差为800～1000 mm，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。经过测试，沼气实际甲烷含量为53.36%，热值为19159.8 KJ·Nm-3，试验数据如表4所示。试验结果见表5。

表4 锅炉热性能试验原始数据Table4 Data of thermal performance

表5 锅炉热效率Table5 Thermal efficiency of boiler （%）

6 结 论

通过设计计算确定辐射部分水冷壁盘管长度为2.0 m，总有效辐射受热面积为0.1385 m2，烟气的放热量为3.27 kW；对流部分翅片管长为2.5 m，外表面积为0.54734 m2，肋化比为4.392，烟气的放热量为13.72 kW，设计计算误差为0.29%，符合对流设计要求。经试验实测锅炉的平均热效率达到92.76%，达到设计要求，消耗沼气量为3.061 Nm3·h-1。

[1]刘科.小型户用沼气供暖锅炉的设计及试验研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2008.

[2]姚向君,田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3]同济大学.燃气燃烧与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[4]赵钦新,惠世恩.燃油燃气锅炉[M].西安:西安交通大学出版社,2000.

[5]秦裕琨.炉内传热[M].北京:机械工业出版社,1981.

[6]余建祖.换热器原理与设计[M].北京:北京航空航天大学,2006.

[7]史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].4版.南京:东南大学出版社,2009.

[8]李慧君,罗忠录,程刚强,等.天然气锅炉烟气换热特性的分析[J].动力工程,2006,26(4):467-471.

[9]李文涛,刘建禹,陈泽兴,等.沼气燃烧器燃烧性能参数优化的试验研究[J].农机化研究,2011(9):237-240.