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掺烧生物质燃料对燃煤锅炉效率的影响分析
发布时间：2013-06-02 07:56 来源：未知
0、引 言
生物质能与化石能源相比，具有可再生和低污染的优势，近几年，生物质能发电得到了快速发展。在燃煤锅炉掺烧生物质方面国外已有实例，1996年期间，在丹麦Studstrup电站一号机组进行了秸秆与煤混烧示范试验。国外相关文献在燃煤锅炉掺烧生物质氯腐蚀、燃烧方式、生物质预处理、火焰结构等方面进行了研究。国内研究大都集中在生物质电厂锅炉的直接燃烧、燃料特性、灰分分析等方面。但相关文献还没有燃煤锅炉掺烧稻壳对锅炉效率影响的计算分析方面的研究。
本文以某电厂300 MW燃煤锅炉掺烧稻壳为研究对象，现阶段该台锅炉采用冷风输送稻壳，掺混比例很小。因采取冷风输送稻壳会降低锅炉的热效率，并且掺混比例太小无法对稻壳形成高效、规模化利用。为了解决这些问题，本文研究了燃煤锅炉掺烧稻壳时在不同送风温度和不同掺烧比例下对锅炉效率、排烟温度、辐射换热和对流换热等方面的影响。此研究结果可对燃煤电厂掺烧稻壳提供参考。
1、输送稻壳风温的确定
该电厂掺烧稻壳采用冷风输送方式，若采用热风输送稻壳，现场直接实验存在一定的风险且费时费力。为此，在试验室搭建了稻壳的热风输送试验台，压缩空气由空气泵提供，经管式炉加热。热空气从底部进入上升管，加热物料10 min。当输送温度达到220℃时，稻壳产生轻度的挥发份析出现象，稻壳的颜色发生变化，但并没有发生稻壳附壁的现象。当输送风温降低至180℃，加热10 min后，稻壳没有发生任何变化。因此，从输送系统的安全性考虑，建议稻壳输送风温在150℃～180℃。
富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料。
2、研究对象与计算工况
该燃煤锅炉采用四角同心反切燃烧、摆动燃烧器调温、平衡通风、固态排渣；炉后尾部布置两台三分仓容克式空气预热器，炉膛采用气密式膜式水冷壁，炉底采用水封结构。设计煤种为贫煤，制粉系统为中间储仓式制粉系统。该电厂现阶段进行了掺烧稻壳发电，本文根据试验数据，采取低于200℃以下热风输送稻壳进行计算分析，计算了稻壳不同送风温度，不同掺烧比例下，对锅炉效率、排烟温度等方面的影响。
在具体计算工况中，输送稻壳风温分别设定为20℃、100℃、150℃、200℃：掺烧比例为1%、3%、5%、8%、10%、15%、20%。其系统原理如图1所示。
3、计算方法
3.1 混合燃料计算方法
煤质是锅炉设计及运行的重要依据。参考工业锅炉设计计算标准方法中关于燃用混合煤的计算方法。当混合燃烧两种不同煤时，1kg混合煤的发热量：
式中gL一混合煤中某种煤的质量份额，%。
混合煤的元素成分也可按同样的方法进行折算：
g一混合煤中某种煤的质量份额，%。
在煤质的元素分析中，其余组份也可按此方法进行折算。本文所研究稻壳和煤的掺烧计算时，把稻壳假定为组分相近的煤。因此，稻壳和煤掺烧时，可把稻壳和煤混合燃料当作锅炉燃烧两种不同的煤，在计算时所用的混合燃料元素分析和工业分析均按上述方法进行折算。
在该电厂所掺烧的稻壳为其周边地区所产，根据上述混合燃料计算方法，设计煤种、现烧煤种、稻壳、混合燃料的元素分析和工业分析如表l所示。
表1中混合燃料计算结果为稻壳掺烧比例为15%时的计算结果，该方法推算的混合燃料的元素分析和工业分析随掺烧比例的变化而变化。表l表明，稻壳与煤相比，具有较高的O/C比和H/C比：稻壳具有更高的氧含量，从燃烧的角度上理解，稻壳具有更好的燃烧性能。
3.2 空气预热器计算方法
采用不同温度的一次风输送稻壳时，对锅炉效率有所影响。当输送稻壳的风温低于空预器出口风温，掺入输送风中的冷风会排挤正常燃煤工况下空预器的风量，随着掺烧比例的增加，排挤的风量也就会增加，与不掺烧稻壳相比，排烟温度也就会相应的升高。空预器计算原理图如图2所示。在不掺烧稻壳的燃煤工况下，输送燃煤的一次风的温度为300℃。掺烧稻壳工况下，采用200℃的风输送稻壳时烟气侧对一次风的放热量的计算原理如图3所示。
4、计算结果
4.1对炉膛辐射换热及炉膛出口烟气温度的影响
掺烧稻壳时，由于其折算水分较高，热值低，因此，混合燃料的理论燃烧温度随掺烧比例的增加而降低；如图4中当掺烧稻壳比例达到20%时，理论燃烧温度降低21℃。
理论燃烧温度降低会使炉内平均温度水平下降，降低炉膛的辐射换热量，使炉膛出口烟气温度升高：当采用200℃输送稻壳，掺烧比例为20%的时候，炉膛出口烟气温度升高9℃，其原因在于掺烧稻壳时，炉内温度水平下降，炉膛辐射换热量减少，导致炉膛出口烟气温度升高。同时稻壳的灰分含有较高的碱金属化合物，碱金属化合物的存在使灰熔点降低，容易引起锅炉受热面结渣与污染，燃烧器区域的灰分沉积，同样会使炉内辐射换热量减少，也会对炉膛出口烟气温度升高有所贡献。但南计算可知，当掺烧比例达到20%时，烟气量仅仅增加2%～3%，因此，掺烧稻壳对辐射换热和对流换热影响不大，基本不会影响出力。
4.2对水蒸汽容积份额及飞灰浓度的影响
以不掺烧稻壳为基准，随着稻壳掺烧比例的增加，锅炉烟气中水分含量呈上升趋势，生物质掺烧比例达到20%时，烟气中水分容积份额增加了0.0102。由于折算水分较高，会降低燃料的理论燃烧温度，烟气中水分增加会影响到烟气的酸露点，会对锅炉尾部受热面的低温腐蚀产生影响。烟气中水分的增加也会增加锅炉的排烟损失。
由于稻壳中灰分含量低，飞灰浓度随掺烧比例的增大呈下降趋势，当掺烧比例达到20%时，飞灰浓度下降了约0.001 2 kg/kg;飞灰浓度的下降可以减少固体未完全燃烧热损失，并且可以减小锅炉受热面，特别是减小尾部受热面的磨损。
4.3对排烟温度和锅炉效率的影响
该燃煤锅炉不掺稻壳实际运行时，排烟温度为1℃。随着稻壳掺烧份额的增加，锅炉排烟温度及排烟损失呈上升趋势。以不掺烧稻壳为基准，当20C冷风输送稻壳，掺烧比例为20%时，排烟温度升高27.1℃。其原因在于以低于空预器出口风温的温度输送稻壳将导致通过空气预热器的空气量减少；另外，稻壳燃料中的氧含量高达30%，使燃烧稻壳时的理论空气量减小，也相应减少了通过空气预热器的空气量，这些因素都将导致排烟温度的升高。当200℃热风输送稻壳，掺烧比例20%时，排烟温度升高21.3℃：从排烟温度和锅炉效率方面考虑，采用热风输送稻壳较好，可降低排烟温度，提高锅炉效率。
在锅炉效率方面，20℃冷风输送稻壳，掺烧比例20%的时候，锅炉效率下降1.65%；若采用200C热风输送稻壳，掺烧比例为20%时，锅炉效率下降1.3 %。
5、结论
(1)从输送系统安全性的角度考虑，建议稻壳的输送风温在150—180℃：由于制备、储存、输送、结渣积灰、腐蚀等涉及锅炉安全和经济的问题尚未很好解决，因此，掺烧稻壳比例不宜超过15℃。
(2)随着掺烧稻壳比例的增加，排烟温度升高，锅炉效率下降；提高输送稻壳风温，可降低排烟温度，提高锅炉效率。当掺烧比例达到20℃，20℃冷风输送稻壳时，排烟温度升高最大，达到27.1℃，锅炉效率下降1.65%；当掺烧比例达到20℃，采用200℃热风输送生物质，排烟温度升高21.3℃，锅炉效率下降1.3%。
(3)随着掺烧稻壳比例的增加，烟气量增加，理论燃烧温度降低，炉膛出口烟温升高，烟气中飞灰浓度降低，水蒸汽容积份额增加；当掺烧比例20%时，烟气量增加2%—3%，飞灰浓度降低了0.0012kg/kg，水蒸汽容积份额增加了0.0102，理论燃烧温度降低21℃，炉膛出口烟温升高9℃，对炉膛辐射换热和受热面对流换热影响不大。
