100 MWe生物质循环流化床锅炉的开发

第 4 4卷第 4期 2 01 3年 7月 锅 炉 技 术 BOI LER TECHN0L0GY Vo l _ 4 4，No 4 J u 1 ，2 0 1 3 1 0 0 MW e生物质循环流化床锅 炉的开发 向柏 祥 ，张 缦 ，吴玉新 ，杨海瑞 ，刘 青 ，张 海， 吕俊 复 ( 清华大学 热 能工程 系， 北京1 0 0 0 8 4 ) 摘要 ： 生物质的特点是燃烧活性好 ， 但灰分中碱金属盐含量高 、 灰熔 点低 ， 导致燃烧 室结焦 、 对 流受热面粘 污严重 ， 同时存 在腐蚀 。提出 了垢下腐蚀机理 ， 减少粘污是彻底抑制腐蚀 的根 本途径 ， 进 而提 出了生物质锅炉 中的应对措施 ， 据此设计 了 1 0 0 MWe 再 热生物质循环流化床锅炉 ， 并对其性 能进行 预测 。 关键词 ： 生物质 ；结焦 ；粘污 ；腐蚀 ；循环流化床锅炉 中图分类号 ： T K2 2 9 6 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 4 7 6 3 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 2 7 0 6 0 前 言 作为 可 大 规模 利 用 的可 再 生 能 源- 1 ， 生 物 质 能资源越来 越受 到重 视 。在生 物质 能 的 主要开 发 利用技 术 中 2 ， 生 物 质 直 接 燃 烧 技 术 由 于其 成 本 低、 利用量大， 无疑是 目前最简便可行 的高效利用 生物质资 源的方 式之 一 。而循 环 流化 床燃 烧 因其 低温燃烧 、 燃料炉 内停 留时 间长 、 较宽 范 围 的负荷 调节 以及 特有 的气 固两相流带来 的强烈传 热 、 传质 等特点l 3 ， 被 广泛用 于生 物质燃烧 发电 。 生物 质 由于其 挥 发 分含 量 较 高 ， 大部 分 生 物 质热 解形 成焦 炭 具有 丰富 的孔 结 构 ， 因此 燃 烧 活 性很高 ， 合 理组织通常其燃烧 效率 比较好 ， 其主 要 问题是 所 含 灰 分 的特 殊 性 引 起 的。生 物 质 的 灰 分 中 ， 通 常 碱 金 属 盐 含 量 很 高 ， 由此 导 致 灰 熔 点低 ， 在锅炉燃烧和传热过程 中普 遍存 在结焦 、 受 热 面粘污 等 问题 ， 同时在 某 些 条件 下 会 发 生腐 蚀 。因此如 何 合 理 设 计 锅 炉 使 之 适 应 生 物 质 的 性 质 ， 人 们 进行 了不 懈 的努 力 。本 文从 生 物 质 的 特点出发， 分析了生物质锅炉的设计要点。 1 生物质燃 烧特点分析 1 1生物质 燃烧 特性 生物 质 的 组 成 成 分 包 括 纤 维 素 、 半 纤 维 素 、 木质素、 脂 类、 蛋 白质 、 单糖 、 淀粉、 水 以及灰分 等 ， 与煤 、 石油等传统化石能源相 比， 生物质中含 有 更 多的挥 发分 、 水 和 较少 的碳 ， 较 多 的 氧 、 氯 和 钾等 ， 见表 1 l 4 。 表 1 部分 典型 生物 质 与烟煤 的成 分 比较 项目 三 兰 竺 坌 堑 坌 塑 M V FC A C H O N S C1 木 球 4 9 8 0 4 1 4 5 0 2 4 5 5 6 6 4 7 7 一 一 木 屑 9 1 6 9 6 1 9 7 1 7 4 5 7 6 3 3 6 2 0 9 一 废纸 6 5 6 0 5 1 9 5 1 3 5 3 3 8 4 0 3 9 1 2 5 0 5 草本植物 2 5 6 1 0 5 5 3 1 0 4 7 1 7 4 1 0 9 1 0 一 麦秆 1 3 9 7 7 9 2 1 5 6 8 5 6 7 6 7 4 8 8 1 0 0 2 向 日葵 1 1 2 6 5 2 t 9 5 4 1 4 4 1 5 1 7 3 4 6 0 5 0 1 橄榄 1 1 9 6 4 2 l 5 7 8 2 4 2 1 4 9 9 3 1 0 1 3 0 1 污 泥 6 9 4 4 6 7 0 4 1 5 5 2 0 6 3 3 2 1 6 3 3 1 烟煤4 9 3 2 3 4 8 1 l 4 7 6 5 7 5 6 7 7 1 2 0 5 0 1 O 1 O 1 0 1 0 3 收稿 日期 ： 2 o 1 3 0 3 0 3 基金项 目： 自然科 学基金 资助项 目(5 1 0 7 6 0 8 1 ) 作者简 介： 向柏祥 ( 1 9 8 6一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 主要从事生物质燃烧技术的研 究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 锅 炉 技 术 第 4 4卷 生 物 质 因 为 含 有 较 少 的 碳 ， 更 多 的 氧 和 水 ， 其 热 值 较 煤 低 ， 而 且 较 高 的 水 分 在 燃 烧 过 程 中不 仅 使 得 单 位 热 量 的 烟 气 量 增 加 ， 点 火 困 难 ， 燃 烧 温 度 降 低 等 从 而 影 响 燃 烧 反 应 ， 还 对 生 物质 燃 烧 燃 烧 过 程 中热 解 反 应 的 气 体 的 属 性 和质 量 造 成 影 响 。此 外 ， 生 物 质 通 常 含 有 较 高的挥 发分 ， 包括轻质烃 气体 、 一氧化碳 、 二氧 化碳 、 氢 、 水分和焦油等 ， 其挥发分 的产率取 决 于燃 烧 温 度 和 热 解 加 热 速 率 。 在 生 物 质 燃 烧 热 解 反 应 阶 段 ， 7 5 的挥 发 分 释 放 出 来 ， 脱 挥 发分 的 量 随着 氢 碳 比增 加 而 增 加 ， 随 着 氧 碳 比 增 加 而 减 少l 5 。 生物 质燃 烧 是 由均 相 和 非 均 相 反 应 构 成 的 复杂 的 过 程 ， 一 般 包 括 干 燥 、 挥 发 分 的 析 出 、 气 化 、 焦 炭燃 烧 以及 气 相 反应 。 以木 材 为 例 ， 先 是 脱水并伴随水解 、 氧化 、 随着温度的逐步升高开 始集 中释放 可 燃 的 挥 发 分 、 焦 油 物 质 、 残 留形 成 焦炭 ， 由 于热解 形 成 的焦 炭 富 含 孔 结 构 ， 因 而燃 烧 活性 很 高 。在 燃 烧 过 程 中 ， 生 物 质 燃 料 快 速 释放 大 量 的挥 发 分 ， 因而 燃 烧 速 度 很 快 ， 使 得 炉 内有一 个 长 时 间 的高 温 区域 ， 从 而 燃 烧 效 率 很 高 ， 而 且 产 生 的 C O、 N O 、 S O 等 污 染 物 的 量 很 少 。 1 2 生物 质 的灰分特 点 生 物质 灰分 包 括 生物 质 本 身 固有 的 矿 物 成 分 和 在燃 料 预 处 理 过 程 中添 加 进 去 的 ， 而 后 者 往 往 占木 质 燃 料 灰 分 的大 部 分 ， 而 且 成 分 通 常 与 前 者相 差 较 大 ， 表 2是 部 分 典 型 生 物 质 灰 分 与烟 煤 的 比较 6 。生物 质灰 中 的超 微 颗 粒 主要 是 钙 、 镁 、 硅 、 磷 和铝 等 耐 火 矿 物 化 合 物 ， 而 亚 微 米 颗 粒 主要 是 KC l 、 K S O 等碱 金 属盐 。在燃 烧 过程 中 ， 挥 发性 物 质 如 钾 、 钠 等 碱 金 属 在 炉 内挥 发 ， 而非 挥发 性 如 钙 、 镁 等 则 在 热 解 反 应 的 快 速 对 流 过 程 中从 燃 料 中 释放 出来 。碱 金 属 通 常 存 在 于有 机 物 或 简 单 的盐 中 ， 因 而在 较 高 温 度 情 况下 易 挥发 。生物 质 中碱 金 属 ( 如 钾 ) 和 硅 等 含 量 越高 ， 则 灰 熔 点 越 低 ； 而钙 和 镁 等 含 量 越 高 ， 则灰 熔 点也 相 应 较 高 。通 过 对 草 本 植 物 和 木 材 的燃 烧 研 究 表 明 ， 生 物 质 的组 分 对 碱 金 属 的 排放 有 重要 影 响 ， 而 燃 烧 温 度 、 烟 气 中 的氧 浓 度 和 水分 对 碱 金 属 排 放 影 响 不 大 ， 碱 金 属 的 氯 化 物 、 硫 酸盐 和 氢 氧 化 物 等 的形 成 取 决 于燃 料 中 的 氯 、 水 分 、 氮 和 硫 的 浓 度 。此 外 ， 生 物 质 中 的 碱 金 属 ( 钾 ) 在 高 温 下 先 与 硫 反 应 生 成 K S O ， 余 下 的碱金 属 再 与氯 反 应形 成 K C ， 如果 还有 剩 余 的碱 金 属 ， 则 反 应 生 成 K( ) H。对 于 大 多数 生 物 质 而言 由 于 硫 含 量 较 低 ， 氯 起 着 将 燃 料 中 的 碱 金 属 运输 到表 面上 以碱 金 属 的氯 化 物 形式 存 在 ， 这 些 碱金 属 氯 化 物 的熔 融 点 通 常 较 低 ， 在受 热 面 表面 形成 粘 结层 。 表 2部分典 型生物 质与 烟煤 的灰分 比较 项 目 S i O2 AI 2 O3 F e 2 O3 Mn Mg O Ca O Na 2 O K2 O Ti O2 P z ( ) 5 S O。 木球 4 3 1 3 1 5 5 9 8 5 5 5 9 0 6 1 6 8 0 1 3 9 1 3 木 屑 2 O 4 3 5 2 2 0 3 7 5 2 7 5 4 8 1 0 5 2 5 1 1 1 废 纸 1 2 6 4 9 2 0 0 2 7 4 3 2 2 0 9 2 4 6 0 5 5 2 一 草本植 物 2 8 4 3 9 1 8 4 0 3 5 7 2 5 8 0 8 9 7 0 8 3 8 麦 秆 2 9 0 6 0 8 0 1 2 1 6 2 1 6 0 2 4 2 2 8 0 1 1 5 2 1 4 0 向 日葵 1 2 8 2 9 3 0 0 1 4 9 1 7 5 3 9 4 7 9 0 2 6 0 1 1 橄 榄 5 3 1 3 6 1 2 3 0 1 7 7 4 5 3 0 0 4 1 污 泥 3 8 3 0 8 1 2 5 2 8 9 1 2 2 2 2 0 8 l 5 4 1 1 烟 煤 5 9 7 2 0 3 7 0 = ， L 二 L _ T jr 广 一 图 3 1 0 0 MWe 再热生物质循环流化床锅炉整体 布置 燃 烧 设 备 采 用 床 上 加 床 下 启 动 燃 油 燃 烧 器 ， 床下 2支 ， 床上 6支 ， 不仅使锅炉燃烧稳定 ， 低 负 荷 助 燃 稳 燃 能 力 强 ， 而 且 锅 炉 冷 态 起 动 点 火升温快 ， 启动 时间短 。锅炉炉膛 密相 区 中部 前后 设 置 8个 生 物 质 燃 料 给 入 口 ， 每 个 给 料 口 给入 的 燃料 量 在 2 0 以 上 。为 防止 尾 部 对 流受 热 面 的积 灰 、 堵 塞 以 及 磨 损 等 ， 过 热 器 、 再 热 器 采用横向顺列布置 ， 管子之间留有适 当的间距 ， 并设置防磨片和挡板 。省煤器管束采用光管型 式 ， 管 子 采用 顺 列 布 置 方式 ， 省 煤 器 管 束 与 四 周 墙 壁 间装 设 防 止 烟 气 偏 流 的 阻 流 板 ， 管 束 及 管 束弯头也均布置有 防磨 片。锅炉 一共布置有 2 台绝 热式 旋 风 气 固分 离 器 ， 分 离 器 内衬 采 用 耐 磨 、 隔热 材料 ， 上 部 烟 气 出 口管 采 用 耐磨 耐 高 温 材 料 制造 。 3 2 1 O 0 MWe再 热 生物 质 循环 流 化 床锅 炉 汽 水 循环 系统 锅炉汽 水循环 系统包括 两级省煤 器 、 汽包 、 膜 式水 冷壁 、 水 冷屏 、 包墙 管 、 三级 过热 器 、 一 次 中间 再热 器 以及 喷水减温 系统等组 成 。品质合 格 的给 水经 给水 泵 到省 煤器进 水混合集 箱 ， 经一 、 二 级 省 煤器 加热后 到二 级省 煤 器 出 口集 箱 ， 变成 饱 和 水 汇集 到汽包 。汽包 中的饱 和 水分 成 两 路 ， 其 中一 路经水 冷屏下 降管 、 水冷 屏下集箱 、 水 冷屏 以及水 冷屏上 集箱后 ， 变成饱 和蒸汽汇集 到 汽包 ； 另一 路 经集 中下 降管 、 膜 式水冷 壁下集箱 、 膜 式水冷 壁 和 膜式水 冷 壁 上 集 箱 ， 变 成 饱 和 蒸 汽 汇 集 到 汽 包 。 汽包 中饱 和 蒸 汽 由引 出 管 到 达左 右 侧 包 墙 上 集 箱， 经左右侧包墙、 左右侧包墙下集箱、 前包墙下 集箱 、 前 包墙 、 前包 墙上集 箱 、 顶包 墙 、 后 包墙 以及 后 包墙下 集箱 ， 到 达 中墙 下 集箱 。中墙 下 集箱 里 的过热蒸 汽分别 经 中墙包 墙管 和再 热器 吊挂 管后 汇集到 中墙上集 箱 ， 再经一 级过热 器 、 一 级 喷水减 温 、 二级过 热器 、 二 级喷水减 温 、 三 级过 热器后 ， 引 到汽轮 机高压缸 做功 。 3 3 1 0 0 MWe再 热 生 物质 循 环 流化 床 锅 炉 烟风 系统 锅炉 采用 平衡 通 风 ， 两 级 送 风 ， 一 次 风 由一 次风机 提供 ， 经 布 风 板 下 的 一 次 风 箱 进 入 炉 膛 ， 二次 风 由二 次风机 提供 ， 经 炉膛下 部 的二次 风 喷 口进入 炉膛 ， 其他 用风 像 回料 阀的 流化 风 和 石灰 石输送 风 均 采 用 由高 压 风 机 提 供 的高 压 风 。燃 料在 炉膛 内燃 烧 后 产 生 的 高 温 烟气 和没 有 被 分 离器分 离 的飞灰 流经 尾 部竖 井 内 的对 流 受热 面 ， 然后 经 过 除 尘 系 统 、 引 风 机 ，进 人 烟 囱 ，排 向 大气 。 3 4 1 0 O MW e再 热 生物 质 循环 流 化 床锅 炉 整 体 性 能 锅炉 的热力性 能预测 结果见 表 3 ， 从计算 结果 分析可 知 ， 锅炉具有较高 的热效率 ， 可达 9 1 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 向柏祥 ， 等 ： 1 0 0 MWe 生物质循环流化床锅炉 的开 发 4 结 语 随着传 统化 石 能 源危 机 以及 社 会 、 环保 等 问 题越来越突出， 人们必将 寻求 新能源 ， 而生物质 作 为新 能 源 中 最 可 大 规 模 开 发 利 用 的 一 种 可 再 生 能源 ， 研究 开 发利 用 生 物质 资 源 不 仅 能促 进 能 源的可持续发展与利用技术进一步应用 ，有效地 防 止环 境 污 染 ； 而 且 能 有 效 推 动 经 济 和 社 会 发 展 ， 具 有 良好 的社会 综合 经 济效益 。循 环 流化 床 锅炉直接燃烧 技术作为 目前最 简便 可行 的高效 利用生物质资源的方式之一 ， 研究开发燃 生物质 循 环 流 化 床 锅 炉 具 有 重 要 意 义 。生 物 质 的 特 点 是燃烧活性好 ， 但灰分 中碱金 属盐含量 高、 灰熔 点低 ， 导 致燃 烧室 结 焦 、 对 流受 热 面粘 污 严 重 ， 同 时存在腐蚀。本文提 出了垢下腐蚀机理 ， 减少粘 污是 彻底 抑 制腐 蚀 的根 本 途 径 ， 进 而 提 出 了生 物 质锅 炉 中 的应 对 措 施 ， 据 此设 计 了 1 0 0 MWe再 热生物质循环流化床锅炉 ， 性能预测也表 明其具 有较高的热效率 。 参考 文献 ： E 1 别如山 ， 鲍亦令 ， 杨励丹 ， 等燃生物质流化床锅炉 E J 节能 技术 ，1 9 9 7 ( 2 ) ：5 7 2 马文超 ， 陈冠益 。 颜蓓 蓓 ， 等生物质燃烧技术综述 J 生物 质化学工程 ，2 0 0 7 ( 1 ) ：4 3 4 8 3 冯 俊凯 ， 岳光溪 ， 吕俊复循环流化 床燃烧锅炉 M 北京 ： 中国电力出版社 ， 2 0 0 3 4 De mi r b a s ，A Y i e l d s o f h y d r o g e n r i c h g a s e o u s p r o d u c t s v i a p y r o l y s i s f r o m s e l e c t e d b i o ma s s s a mp l e s J F u e l ，2 0 0 1 ， 8 0 ( I 3 )：i 88 5 1 8 91 E 5 Kh a n ，A A ， d e J o n g W ， J a n s e n s P J ， e t a 1 B i o ma s s c o rn b u s t i o n i n f l u i d i z e d b e d bo i l e r s：Po t e n t i a l p r o b l e ms a n d r e in e d i e s J F u e l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ， 9 0 ( 1 ) ： 2 1 5 0 6 J e n k i n s ， B M ，L L B a x t e r a n d T RMi l e s Co mb u s t i o n p r o p e r t ie s o f b i o ma s s J F u e l P r o c e s s i n g Te c h n o l o g y ， 1 9 9 8， 5 4 ( 1 3 )： 1 7 4 6 7 D e mi r b a s ，AC o mb u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t b i o ma s s f u e l s J P r o g r e s s i n e n e r g y a n d c o mb u s t i o n s c i e n c e ， 2 0 0 4， 3 0 ( 2 )： 2 1 9 2 3 0 8 曹建峰生物质发 电锅炉 的研 究进展 J 上海 电气 技术 ， 2 0 0 8 ( 1 )： 5 6 5 8 9 N i e l s e n ，H P F r a n d e n F J ， D a m J o h a n s e n K e t a t Th e i m p l i e a t i o n s o f c h l o r i n e - a s s o c i a t e d c o r r o s i o n o n t h e o p e r a t i o n o f b i o ma s s f i r e d b o i l e r s J P r o g r e s s i n E n e r g y a n d C o mb u s t i o n Sc i e n c e，2 0 0 0， 2 6 ( 3 )： 2 8 3 2 9 8 1 O C o d a ， B Ah o MB e r g e r R ，e t a 1 B e h a v io r o f c h l o r i n e a n d e n r i c h me n t o f r i s ky e l e me n t s i n bu b b l i n g f t u i d i z e d be d c o mb u s t i o n o f b i o ma s s a n d wa s t e a s s i s t e d b y a d d i t i v e s J En e r g y& f u e l s ，2 0 0 1， 1 5 ( 3 )：6 8 06 9 0 1 1 3 D a y t o n ，D C ，B e l l e - Ou d r y Da n d No r d i n AE f f e c t o f c o a l mi n e r a l s o n c hl o r i n e a n d a l k a l i me t a l s r e l e a s e d du r i n g b i o ma s s c o a l c o f i r i n g J E n e r g y F u e l s ，1 9 9 9 ， 1 3 ( 6 ) ： 1 2 03 1 2 1 1 1 2 Ah o ，MRe d u c t i o n o f c h lo r i n e d e p o s i t i o n i n F B b o i l e r s wi t h a l u mi n u m c o n t a i n i n g a d d i t i v e s J F u e l ，2 0 0 1 ， 8 0 ( 1 3) ：1 9 4 3 1 9 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 锅 炉 技术 第 4 4卷 De v el o p me nt o f 1 0 0 MW e Bi o ma s s Ci r c u l at i n g F l ui di z e d Be d Boi l e r XI ANG Ba i x i a n g， ZHANG M a n， W U Yu x i n。 YANG Ha i r u i ， LI Qi n g， ZHANG Ha i ， L YU J u n f u ( De p a r t me n t o f Th e r ma l En g i n e e r i n g，Ts i n g h u a Un i v e r s i t y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 4，Ch i n a ) Ab s t r a ct：The r e a c t i v i t y o f b i o ma s s i s v e r y e x c e l l e nc e Ho we v e r 。wh e n i t i s f i r e d i n t h e bo i l e r t he s l a gg i ng i n t he c o mbus t or a n d f ou l i n g i n t he c o n ve c t i ve he a t i n g s ur f a c e i s s e r i o us du e t o t he l owe r a s h me l t i ng t e m p e r a t ur e po i n t b e c a us e t he a l ka l i m e t a l s a l t s c o nt e nt i n a s h i s v e r y h i ghAt t he s a me t i m e，t h e r e i s c o r r os i o n i n t he h e a t i n g s u r f a c e a s we l 1 I t i s s u g ge s t e d t ha t t h e c o r r o s i o n o c c ur s i n t he i n t e r f a c e be t we e n t h e d e p os i t a s h a n d t he m e t a l wi t h h i g h t e mpe r a t u r e，t h us i t c a n be a v o i d e d i f t he he a t i n g s u r f a c e i s c l e a n or t he t e mpe r a t ur e i s l o we r W i t h t hi s un d e r s t a nd i n g，a 1 0 0 M W e o f b i o m a s s r e he a t c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d b e d bo i l e r i s d e s i gn e d An d i t s p e r f o r ma n c e i s pr e d i c t e d K e y wor ds：bi o ma s s； s l a g g i ng； f ou l i ng； c o r r os i o n； Ci r c u l a t i n g Fl u i d i z e d Be d bo i l e r ( 上接 第 2 1页) 5 结 语 混 合 球 是 一种 具 有 较 高 工 艺 要求 的重 要 锅 炉组 件 ， 结 构有 一定 的复 杂性 。在 设 计 时 不仅 要 考虑 到静 态时 尺寸 等 的配 合 ， 还要 考 虑 运 行 时其 所处 的环 境 ， 介 质 流 动 等情 况 ， 比如 易 产 生 应 力 集 中的地 方 ， 易受 介 质 冲击 造 成 磨 损 的 地 方 等 ， 需要 选择 合适 的材 料 ， 加 特殊 措施 以保 证 组件 的 正 常运行 和功 能等 。 对 于螺 栓 螺 母 的 连 接 方 式 ， 其 受 力 面 积 增 大 ， 但是 相较 于焊接 连 接方 式 ， 容 易 产 生脱 离 ， 在 必 要 的地方应 以焊 接 加 以 固定 ， 以 弥补 其稳 定 方 面的不 足 。 参考 文献 ： 1 阮黎祥 ， 丁伯 民 开孔补强的等面积法和压力 E 2 3 3 和区别E J 化工设 备与管道 ， 2 0 0 8 ， 4 5 ( 1 ) ： 1 5 AS ME B3 1 1 2 0 0 7， Po we r Pi p i n g F S - 面积法 的联 系 一 1 8