生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)

摘　要：分析生物質(zhì)燃料特點(diǎn)及生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)原則。對(duì)某型號(hào)蒸發(fā)量為15t／h生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)燃料；  循環(huán)流化床鍋爐：

Design of Biomass-fired Circulating Fluidized Bed Boiler

Abstract：The characteristics of biomass fuel and the design principles of biomass-fired circulating fluidized bed boiler are analyzed．The strueture of a type of biomass-fired circulating fluidized bed boiler with evaporation of 15t／h is discussed．

Keywords：biomass fuel：circulating fluidized bed boiler；design

1　概述

為建設(shè)資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會(huì)，國(guó)家加大了保護(hù)環(huán)境和改善生態(tài)環(huán)境的工作力度。有些燃煤供熱鍋爐房的排放指標(biāo)不符合要求，而燃油燃?xì)忮仩t房的燃料成本相當(dāng)高，尋找新的可替代清潔燃料已迫在眉睫。我國(guó)的能源特點(diǎn)是富煤有氣少油，大力發(fā)展生物質(zhì)燃料及其燃燒技術(shù)對(duì)優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，減少溫室氣體排放，減輕環(huán)境污染，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展意義重大^[1-4]。

近20年來，盡管我國(guó)在生物質(zhì)燃料燃燒技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但仍與發(fā)達(dá)國(guó)家存在差距，因此大力發(fā)展具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)高效燃燒技術(shù)至關(guān)重要。據(jù)調(diào)查，目前蒸發(fā)量為4～15t／h的中小型燃最等蚴原燃敞糯徽燃數(shù)為采取層狀燃燒的DZL系列水火管鍋爐、SZL系列水管鏈條爐排鍋爐，但層狀燃燒鍋爐的熱效率比較低。加之生物質(zhì)燃料含水量較高，當(dāng)層狀燃燒鍋爐燃用生物質(zhì)燃料時(shí)，干燥及預(yù)熱過程時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致生物質(zhì)燃料在爐排上延遲著火。由于生物質(zhì)燃料灰分很少，燃盡后不能在爐排上形成灰渣層，容易造成爐排燒壞。

循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，簡(jiǎn)稱cFB)燃燒技術(shù)相當(dāng)成熟，是燃燒生物質(zhì)燃料的最佳方法之一。在CFB鍋爐中，床料具有很高的熱容量，給生物質(zhì)燃料提供了充分的干燥及預(yù)熱熱源，使得含水量較高的生物質(zhì)燃料可穩(wěn)定地著火燃燒。本文對(duì)生物質(zhì)CFB鍋爐的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2　生物質(zhì)燃料特點(diǎn)及CFB鍋爐設(shè)計(jì)原則

2.1 生物質(zhì)燃料特點(diǎn)

密度小、體積大；含水量高，隨季節(jié)變化大，熱值較低；灰分低，揮發(fā)分高；氯及堿金屬成分較高；灰熔點(diǎn)低，在高溫?zé)煔庵谐嗜廴趹B(tài)，易在金屬管壁粘結(jié)；燃燒過程中易結(jié)焦。

生物質(zhì)含硫量低，含氮量不高，煙氣中NOx、SO2的含量很低。灰分低，充分燃燒后煙塵含量極低?？紤]生物在生命時(shí)期轉(zhuǎn)化的二氧化碳，生物質(zhì)燃料燃燒具有二氧化碳零排放的特點(diǎn)。

2.2　CFB鍋爐設(shè)計(jì)原則

①爐膛設(shè)計(jì)

a．采用大容量的爐膛設(shè)計(jì)，下部衛(wèi)燃帶較高，保證生物質(zhì)燃料不易因含水量較高而影響燃燒。衛(wèi)燃帶可采取將水冷壁敷設(shè)耐火澆注料的方式建立。b．合理布置爐膛水冷壁受熱面積，保證整個(gè)爐膛溫度均勻，且爐膛出口煙氣溫度不超過800℃。

②配風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a．合適的給料高度配合播料風(fēng)，使生物質(zhì)燃料在進(jìn)料段燃燒時(shí)不會(huì)熔融聚團(tuán)。b．布風(fēng)板上風(fēng)帽的作用是使從床料底部進(jìn)入的一次風(fēng)風(fēng)量均勻，確保床料流化良好。由風(fēng)帽小孔噴出的一次風(fēng)風(fēng)速要高，提高床料流化速度，以吹出生物質(zhì)燃料燃燒過程中的灰渣并打碎半焦粗粒子。c．返料中的粗顆粒能補(bǔ)充床料，使床料處于一個(gè)動(dòng)態(tài)置換過程，有效避免結(jié)焦，因此返料風(fēng)應(yīng)使返料穩(wěn)定可靠。d．播料風(fēng)布置在給料下方，出風(fēng)速度高，吹散給料，避免局部燃燒導(dǎo)致的局部溫度過高。

③尾部對(duì)流受熱面的設(shè)計(jì)

尾部對(duì)流受熱面包括對(duì)流排管(由上下鍋筒、管束組成)、省煤器、空氣預(yù)熱器等。生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低，燃燒時(shí)飛灰顆粒處于軟化或熔融狀態(tài)，易發(fā)生積灰腐蝕，因此尾部對(duì)流受熱面的設(shè)計(jì)應(yīng)防止積灰腐蝕：a．采用成熟可靠高效的旋風(fēng)分離器，大大減少進(jìn)入尾部對(duì)流受熱面的灰濃度，降低尾部受熱面積灰的可能；b．對(duì)流排管采用順列布置，選用大橫向間距，防止積灰搭橋；c．合理設(shè)計(jì)防磨、防腐裝置，如管子設(shè)置防磨瓦，空氣預(yù)熱器進(jìn)口設(shè)置防磨套管，采用耐腐蝕的材料；d．在尾部對(duì)流受熱面布置吹灰器，加強(qiáng)積灰的吹掃。

3　某CFB鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

3.1　設(shè)計(jì)參數(shù)

SHCF15-1.25-M型生物質(zhì)CFB鍋爐是湘潭鍋爐有限責(zé)任公司與某高校聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)品。額定蒸發(fā)量為15t／h，額定蒸汽壓力為1.25MPa，額定蒸汽溫度為194℃，給水溫度為105℃，排煙溫度為140℃，設(shè)計(jì)熱效率為88％。

鍋爐寬度(左右鋼架中心線距離)為6875mm，鍋爐深度(前后鋼架中心線距離，包括省煤器)為8160mm，上鍋筒標(biāo)高為14183mm。

3.2　燃料特性

以木屑為原料制備的生物質(zhì)燃料元素分析(收到基)見表l。生物質(zhì)燃料的低位發(fā)熱量為14.46MJ／kg。

SHCF15-1.25-M型生物質(zhì)CFB鍋爐外形見圖1。

3.3　CFB鍋爐結(jié)構(gòu)

SHCF15-1.25-M型生物質(zhì)CFB鍋爐結(jié)構(gòu)見圖2。該型號(hào)生物質(zhì)CFB鍋爐采用雙橫置式鍋筒自然循環(huán)，爐膛右側(cè)墻和前后墻布置水冷壁。爐膛上部為長(zhǎng)方形，下部為逐漸收縮的錐斗形。爐膛頂棚為管撐式，省煤器、空氣預(yù)熱器均采用輕型護(hù)板結(jié)構(gòu)，該部分重量均由其外部鋼架單獨(dú)承受。鍋爐的給料裝置采用上部螺旋輸送加下部氣力輸送相結(jié)合的聯(lián)合給料形式。爐體采用半露天布置，設(shè)置頂棚，外墻采用彩鋼板包覆，管道用鍍鋅鐵皮包覆。

①鍋爐給料系統(tǒng)

一定粒度的生物質(zhì)燃料經(jīng)給料機(jī)進(jìn)入布置在前墻的給料管，借助自身重力和播料風(fēng)作用，在布風(fēng)板上方進(jìn)入爐膛。由于給料管內(nèi)為正壓，給料機(jī)必須有很好的密封性。

②燃燒系統(tǒng)

爐膛內(nèi)的燃料在流態(tài)化狀態(tài)下燃燒，并與爐膛水冷壁進(jìn)行換熱，離開爐膛并夾帶大量物料顆粒的煙氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器后，絕大部分固體物料被旋風(fēng)分離器分離下來，經(jīng)返料器返回爐膛，進(jìn)一步燃盡，煙氣則進(jìn)入對(duì)流排管。對(duì)流排管由上下鍋筒、管束組成，管束采用順列布置，煙氣為橫向沖刷。每組對(duì)流排管的第一排管子采取防磨套管(或防磨弧板)措施進(jìn)行防磨。對(duì)流排管后布置鑄鐵省煤器、空氣預(yù)熱器?；以恳燥w灰形式飛出尾部對(duì)流受熱面，經(jīng)除塵裝置處理后排放。

③旋風(fēng)分離器與返料器

爐膛出口布置旋風(fēng)分離器，延長(zhǎng)煙氣中物料顆粒停留時(shí)間，有利于進(jìn)一步燃盡，分離器布置膜式水冷壁。在分離器下部布置U形返料器，將固體物料送回爐膛內(nèi)循環(huán)燃燒。旋風(fēng)分離器的內(nèi)壁面及入口煙道內(nèi)壁面均敷設(shè)高溫耐磨材料，壁面必須光滑，保證旋風(fēng)分離器既有較高的分離性能，又有較長(zhǎng)的使用壽命。

④配風(fēng)系統(tǒng)

鍋爐采用兩級(jí)配風(fēng)，空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器升溫后，一部分進(jìn)入一次風(fēng)風(fēng)室，經(jīng)過布風(fēng)板上的風(fēng)帽進(jìn)入爐膛。爐膛下部布置二次風(fēng)，在兩側(cè)墻布置一排下傾15°的二次風(fēng)噴管，左右對(duì)稱布置。二次風(fēng)由一次風(fēng)支管引出，進(jìn)入二次風(fēng)母管，經(jīng)過二次風(fēng)噴管進(jìn)入爐膛。運(yùn)行中可以通過調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)風(fēng)量的配比來控制爐膛溫度。從一次風(fēng)風(fēng)道引出支管，接到爐前進(jìn)料管的特定部位形成播料風(fēng)，在進(jìn)料口的下部使燃料能夠順利地進(jìn)入爐膛。返料風(fēng)由高壓流化風(fēng)機(jī)提供。

SHCF15-1.25-M型生物質(zhì)CFB鍋爐已在珠海運(yùn)行2臺(tái)。自2009年運(yùn)行至今，經(jīng)實(shí)踐證明該型生物質(zhì)CFB鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，熱效率高，為用戶節(jié)省了大量成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

4　結(jié)語

循環(huán)流化床燃燒具有傳熱性能好、燃燒效率高、有害氣體排放少、熱容量大等優(yōu)點(diǎn)，很適合燃用含水量高、熱值低的生物質(zhì)燃料。SHCF15-1.25-M型生物質(zhì)CFB鍋爐結(jié)構(gòu)合理，燃燒效率及熱效率高，深受用戶好評(píng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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本文作者：唐躍  王志平  劉啟  李劍忠　何軍  賀能  廖朝暉

作者單位：湘潭鍋爐有限責(zé)任公司

  湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院湘潭分院