生物質循環(huán)流化床鍋爐的設計

摘　要：分析生物質燃料特點及生物質循環(huán)流化床鍋爐設計原則。對某型號蒸發(fā)量為15t／h生物質循環(huán)流化床鍋爐的結構進行了探討。

關鍵詞：生物質燃料；  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

為建設資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會，國家加大了保護環(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不符合要求，而燃油燃氣鍋爐房的燃料成本相當高，尋找新的可替代清潔燃料已迫在眉睫。我國的能源特點是富煤有氣少油，大力發(fā)展生物質燃料及其燃燒技術對優(yōu)化我國能源結構，減少溫室氣體排放，減輕環(huán)境污染，促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展意義重大^[1-4]。

近20年來，盡管我國在生物質燃料燃燒技術方面取得了長足進步，但仍與發(fā)達國家存在差距，因此大力發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權的生物質高效燃燒技術至關重要。據(jù)調查，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。加之生物質燃料含水量較高，當層狀燃燒鍋爐燃用生物質燃料時，干燥及預熱過程時間較長，導致生物質燃料在爐排上延遲著火。由于生物質燃料灰分很少，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，簡稱cFB)燃燒技術相當成熟，是燃燒生物質燃料的最佳方法之一。在CFB鍋爐中，床料具有很高的熱容量，給生物質燃料提供了充分的干燥及預熱熱源，使得含水量較高的生物質燃料可穩(wěn)定地著火燃燒。本文對生物質CFB鍋爐的設計進行探討。

2　生物質燃料特點及CFB鍋爐設計原則

2.1 生物質燃料特點

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；灰熔點低，在高溫煙氣中呈熔融態(tài)，易在金屬管壁粘結；燃燒過程中易結焦。

生物質含硫量低，含氮量不高，煙氣中NOx、SO2的含量很低?；曳值?，充分燃燒后煙塵含量極低?？紤]生物在生命時期轉化的二氧化碳，生物質燃料燃燒具有二氧化碳零排放的特點。

2.2　CFB鍋爐設計原則

①爐膛設計

a．采用大容量的爐膛設計，下部衛(wèi)燃帶較高，保證生物質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，保證整個爐膛溫度均勻，且爐膛出口煙氣溫度不超過800℃。

②配風系統(tǒng)設計

a．合適的給料高度配合播料風，使生物質燃料在進料段燃燒時不會熔融聚團。b．布風板上風帽的作用是使從床料底部進入的一次風風量均勻，確保床料流化良好。由風帽小孔噴出的一次風風速要高，提高床料流化速度，以吹出生物質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充床料，使床料處于一個動態(tài)置換過程，有效避免結焦，因此返料風應使返料穩(wěn)定可靠。d．播料風布置在給料下方，出風速度高，吹散給料，避免局部燃燒導致的局部溫度過高。

③尾部對流受熱面的設計

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

3　某CFB鍋爐的設計參數(shù)及結構

3.1　設計參數(shù)

SHCF15-1.25-M型生物質CFB鍋爐是湘潭鍋爐有限責任公司與某高校聯(lián)合設計開發(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℃，設計熱效率為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，上鍋筒標高為14183mm。

3.2　燃料特性

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

SHCF15-1.25-M型生物質CFB鍋爐外形見圖1。

3.3　CFB鍋爐結構

SHCF15-1.25-M型生物質CFB鍋爐結構見圖2。該型號生物質CFB鍋爐采用雙橫置式鍋筒自然循環(huán)，爐膛右側墻和前后墻布置水冷壁。爐膛上部為長方形，下部為逐漸收縮的錐斗形。爐膛頂棚為管撐式，省煤器、空氣預熱器均采用輕型護板結構，該部分重量均由其外部鋼架單獨承受。鍋爐的給料裝置采用上部螺旋輸送加下部氣力輸送相結合的聯(lián)合給料形式。爐體采用半露天布置，設置頂棚，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)

一定粒度的生物質燃料經(jīng)給料機進入布置在前墻的給料管，借助自身重力和播料風作用，在布風板上方進入爐膛。由于給料管內(nèi)為正壓，給料機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，并與爐膛水冷壁進行換熱，離開爐膛并夾帶大量物料顆粒的煙氣經(jīng)過旋風分離器后，絕大部分固體物料被旋風分離器分離下來，經(jīng)返料器返回爐膛，進一步燃盡，煙氣則進入對流排管。對流排管由上下鍋筒、管束組成，管束采用順列布置，煙氣為橫向沖刷。每組對流排管的第一排管子采取防磨套管(或防磨弧板)措施進行防磨。對流排管后布置鑄鐵省煤器、空氣預熱器?；以恳燥w灰形式飛出尾部對流受熱面，經(jīng)除塵裝置處理后排放。

③旋風分離器與返料器

爐膛出口布置旋風分離器，延長煙氣中物料顆粒停留時間，有利于進一步燃盡，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。旋風分離器的內(nèi)壁面及入口煙道內(nèi)壁面均敷設高溫耐磨材料，壁面必須光滑，保證旋風分離器既有較高的分離性能，又有較長的使用壽命。

④配風系統(tǒng)

鍋爐采用兩級配風，空氣經(jīng)空氣預熱器升溫后，一部分進入一次風風室，經(jīng)過布風板上的風帽進入爐膛。爐膛下部布置二次風，在兩側墻布置一排下傾15°的二次風噴管，左右對稱布置。二次風由一次風支管引出，進入二次風母管，經(jīng)過二次風噴管進入爐膛。運行中可以通過調節(jié)一、二次風風量的配比來控制爐膛溫度。從一次風風道引出支管，接到爐前進料管的特定部位形成播料風，在進料口的下部使燃料能夠順利地進入爐膛。返料風由高壓流化風機提供。

SHCF15-1.25-M型生物質CFB鍋爐已在珠海運行2臺。自2009年運行至今，經(jīng)實踐證明該型生物質CFB鍋爐結構設計合理，運行可靠，熱效率高，為用戶節(jié)省了大量成本，取得了良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

4　結語

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，很適合燃用含水量高、熱值低的生物質燃料。SHCF15-1.25-M型生物質CFB鍋爐結構合理，燃燒效率及熱效率高，深受用戶好評，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

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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：湘潭鍋爐有限責任公司

  湖南省特種設備檢驗檢測研究院湘潭分院