生物质链条蒸汽锅炉炉膛的设计与研究

生物质链条蒸汽锅炉炉膛的设计与研究 摘要设计了一种适合生物质燃烧的新型炉膛，将该炉膛结构应用于额定蒸发量1th-1、额定蒸汽压力0.7MPa的链条蒸汽锅炉上，进行炉膛热性能试验以及炉膛温度场、气体浓度场的分布规律试验。实际性能测试结果表明.燃用生物质成型燃料的蒸汽锅炉采用该新型炉膛结构后燃烧效率为96.67％～97.91％，炉膛出口烟气温度在799～835℃之间；沿炉膛高度方向与横向截面方向上温度分布合理；炉内CO2、CO与O2混合良好，气体浓度场分布合理；SO2、NOx、烟尘等污染物排放远低于国家标准。证实该炉膛结构的设计能实现生物质燃料稳定、持续、高效清洁地燃烧。 生物质能源具有总量丰富、来源广泛、污染性低的特点，是一种理想的可再生能源。中国发展生物质能源具有维护国家能源安全、减少环境污染、促进农村建设等重要战略意义。生物质能源既能满足缓解能源危机的需求，又符合保护环境、实现可持续发展的要求，是中国进行可再生能源开发利用的必然选择。因此，减少煤炭的使用，研发高效清洁的生物质锅炉备受关注。目前国外生物质锅炉主要研究应用在循环流化床锅炉上。 如美国CE公司研制的大型燃废木循环流化床发电锅炉，丹麦奥斯龙公司研制的高倍率循环流化床锅炉等，设备技术成熟，配套设施完善。 中国目前生物质锅炉的应用主要集中在层燃锅炉上，6th-1以下的中小型工业锅炉占领的市场份额最大，应用也最为广泛。其中生物质链条蒸汽锅炉是目前运用的较为理想的动力设备，具有成本低、操作简单、运行可靠、高效低排放等优点，可在食品、化工、纺织、金属加工、发电、供暖等各类行业与工艺中应用。炉膛是生物质锅炉重要的组成部分，其结构应与生物质燃料的燃烧特性相适应，使燃料尽可能的充分燃烧，提高燃烧效率。目前生产应用的大部分生物质锅炉，其炉膛结构盲目模仿燃煤锅炉设计，没有合理的形状和尺寸，导致积灰结渣问题严重，燃烧效率低。近年来对生物质蒸汽锅炉炉膛结构的研究甚少，现以额定蒸发量1th-1、额定蒸汽压力0.7MPa的链条蒸汽锅炉为例，介绍炉膛新型结构的设计与试验研究，为生物质锅炉的设计提供参考依据。 1生物质燃料的选取与燃烧特点分析 在中国目前发行的环保标准中，直接燃用秸秆等生物质属于高污染燃料，只能在农村大灶中使用，不允许在城市锅炉领域内使用，生物质燃料的利用实际主要是以生物质成型燃料的形式。生物质成型燃料具有体积小、密度大、储运方便、燃烧稳定、燃烧效率高、灰渣及烟气中污染物含量小等优点，是锅炉燃料的良好替代品。试验选取玉米杆块状、甘蔗渣棒状、杂木末颗粒3种具有代表性的成型原料作为锅炉燃料。 块状玉米杆成型截面尺寸为32mm32mm，长50mm，收到基含水率为6.95％，低位发热量为15658kJkg-1；棒状甘蔗渣成型直径为32mm，长度为40mm，收到基含水率为10.3％，低位发热量为13740kJkg-1；杂木末是由桦木、杨木锯末加工成型的小圆柱颗粒状成型燃料，粒径为8mm，长度为15mm收到基含水率为4.5％，低位发热量为15933kJkg-1。生物质成型燃料的燃烧特性与化石燃料有较大差别，其燃烧过程的特点主要体现在以下方面1水分含量大，产生的烟气体积大、流速快，若炉膛结构不合理，则排烟损失将会很高。2燃料密度小，燃烧时结构松散，迎风面积增大，易吹起，炉膛结构不合理将导致炉膛内严重的积灰堵灰问题。3生物质发热量低，灰熔点低，没有合理的炉膛结构，组织稳定的燃烧比较困难。4挥发份高，着火温度低，焦炭颗粒燃尽困难，炉膛内需要合理的温度场与气体浓度场才能减小热损失。 2生物质链条蒸汽锅炉炉膛的设计 针对上述生物质燃料燃烧特点，设计的新型炉膛结构如图1所示。炉膛采用全炉拱设计，链条炉排的上方从前到后依次设有前拱、中拱和后拱，中拱由竖向的折焰墙构成，后拱由竖向的花墙和一道横向墙构成，前拱和中拱以及后拱的花墙由拱顶连接；前拱和中拱围设成第1燃烧室，中拱和后拱的花墙围设成第2燃烧室，后拱与炉膛后墙围设成燃尽室；前拱与中拱上均设有2次风口，炉膛后墙上设有清灰门。生物质燃料随着链条炉排的运动进入炉膛第1燃烧室。第1燃烧室为主要燃烧区，在1次风和2次风系统作用下，燃料大量燃烧，产生的高温烟气绕过折焰墙进入第2燃烧室。第2燃烧室为2次燃烧区，高温烟气含有的甲烷、一氧化碳等可燃气体以及固体可燃颗粒继续燃烧传热，2次燃烧后的烟气由花墙进入燃尽室。烟气在燃尽室内进一步降尘和燃烧，再通过出烟气口在引风系统作用下进人烟道。炉膛内积累的烟尘颗粒和灰渣可由清灰门清除。 设计的生物质锅炉炉膛结构具有如下技术特点1设计了新型2次风系统。2排2次风管相向设置，位于前拱的2次风口向下倾斜约10，位于中拱的2次风口向下倾斜约25，可在链条炉排的燃料层上方区域形成近似圆形气流扰动。该设计延长了高温烟气在第1燃烧室的停留时间，强化烟气传热，降低排烟温度，减少排烟热损失，同时优化了炉内热力场，提高锅炉稳定燃烧能力和入炉燃料的燃尽程度。2设计了新型炉拱结构。炉膛使用全炉拱设计，中间增加了1道折焰墙作为中拱，后拱由1道横向墙和1道花墙组成。炉拱将炉膛分为3个区域第1燃烧室、第2燃烧室和燃烬室，延长了高温烟气在炉膛内的行程。烟气在第2燃烧室内进行1次降尘和2次燃烧，在燃尽室内进行2次降尘，提高燃尽率，减少烟尘排放。3在炉膛尾部的后炉墙上设置清灰门。生物质燃料燃烧时，少量灰分由于质量轻会随着高温烟气一起运动，最终沉积在后拱的横向墙上，沉积的灰渣和烟尘可由清灰门定期清除。 3炉膛燃烧性能试验 3.1试验锅炉结构及工作原理 为判断设计的实际运行水平，将该炉膛结构应用在单锅筒纵置式水火管窝壳式蒸汽锅炉上进行试验，燃烧设备为链条炉排，额定蒸发量为1th-1，额定蒸汽压力为0.7MPa，结构如图2所示。 T作过程为燃料南进料斗落入链条炉排上，随着炉排的运动进入炉膛燃烧，燃料层厚度可由闸门调节，燃烧所需要的风量由1次和2次风送入；水冷壁受热后形成汽水化合物，蒸汽向上进入锅筒，下降管中的水由于密度大压迫下集箱填充水冷壁管束，形成水循环；燃烧产生的烟气在炉膛内呈扰动状流动，沿锅筒底部经出口烟窗进人两翼对流管束，通过前烟箱进入螺纹烟管，经过省煤器、除尘器，由引风机抽引通过烟囱排人大气。 以上述锅炉为基础，进行了炉膛热性能、温度场、气体浓度场3种试验研究。试验仪器主要包括1MRUDELTA65烟气分析仪北京两林子科技发展有限公司，其各指标的测量精度分别为O2体积浓度精度为0.1％、CO体积浓度精度为1010-6、CO2体积浓度精度为0.1％、效率精度为1％、排烟温度精度为0.5％；2TN435高温型红外测温仪北京宝安康电子有限公司，测量精度为读数值1％1℃；3DHWRNⅡ级数字热电偶温度计江苏兆龙电气有限公司，精度为0.3％2.5℃；4testo350型自动烟尘气测试仪河北润联集团公司，精度为0.2％；5C型压力表，精度为1.0级。 3.2炉膛燃烧效率与污染物排放试验 根据GB／T