（动力机械及工程专业论文）生物质电厂锅炉运行优化研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 锅炉运行优化是发电企业节能降耗、同时实现达标排放的重要途径。本 文以晋州秸秆电厂层燃锅炉为研究对象，首先对锅炉本体和燃烧设备作了简 单的介绍，针对调试过程中燃烧设备出现的问题进行了总结探讨。对锅炉调 试过程中影响燃料燃烧的多种因素和运行控制进行了分析探讨。通过具体试 验，详细介绍了如何分析影响锅炉热效率的主要因素，寻找导致锅炉热效率 偏低的主要原因；论述了如何寻找锅炉合理的操作运行方式，得出锅炉主辅 设备的最佳运行方式。本文的工作为秸秆电厂的安全经济运行提供了参考。 关键词：运行调整，燃烧设备，优化实验，秸秆电厂 a b s t r a c t t h eo p t i m i z 撕o no ft l l eb o i l e ro p e r a t i o ni sa i li m p o r t a n tw a yf o rap o w e r p l a n tt 0 s a v ee 芏l e r 影d e c r e 嬲ec o n s u m e 跹dp e n i l i s s i b l ed i s c h 鹕e t t l i sp a p e ri sf o r 伊a t cf i 血g b o i l e ri 1 1j i n z h o ub i o m a s sp l a n t 鹪g u b j e c ti n v e s t i g a t e d n 伧b o i l c rc o m b u s t i o n e q l l i p m e mi sm a d eab r i e fi n 仃o d l 垃6 0 n g t m e r a l 砌t l l ep r o b l e m so fc 0 i i l _ b u s 硒n e q _ l l i p m e n t s 船呤呷t e s ta i i s ei i lm ep r o c e 豁a n a l y s i s 觚dd i s c 邺s c dt h ee 侬，c to fa v a r i e 缈o ff i a c t o 瑙曲1 0 u tf l l dc ( m l b 啦斌o n 锄dc o n t r 0 1 h ld e t a i l e de x p e r i m e 舶晒，i t 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文以晋州秸秆电厂层燃锅炉为研究对象，首先对锅炉本体和燃烧设备作了简 单的介绍，针对调试过程中燃烧设备出现的问题进行了总结探讨。对锅炉调 试过程中影响燃料燃烧的多种因素和运行控制进行了分析探讨。通过具体试 验，详细介绍了如何分析影响锅炉热效率的主要因素，寻找导致锅炉热效率 偏低的主要原因；论述了如何寻找锅炉合理的操作运行方式，得出锅炉主辅 设备的最佳运行方式。本文的工作为秸秆电厂的安全经济运行提供了参考。 关键词：运行调整，燃烧设备，优化实验，秸秆电厂 a b s t r a c t t h eo p t i m i z 撕o no ft l l eb o i l e ro p e r a t i o ni sa i li m p o r t a n tw a yf o rap o w e r p l a n tt 0 s a v ee 芏l e r 影d e c r e 嬲ec o n s u m e 跹dp e n i l i s s i b l ed i s c h 鹕e t t l i sp a p e ri sf o r 伊a t cf i 血g b o i l e ri 1 1j i n z h o ub i o m a s sp l a n t 鹪g u b j e c ti n v e s t i g a t e d n 伧b o i l c rc o m b u s t i o n e q l l i p m e mi sm a d eab r i e fi n 仃o d l 垃6 0 n g t m e r a l 砌t l l ep r o b l e m so fc 0 i i l _ b u s 硒n e q _ l l i p m e n t s 船呤呷t e s ta i i s ei i lm ep r o c e 豁a n a l y s i s 觚dd i s c 邺s c dt h ee 侬，c to fa v a r i e 缈o ff i a c t o 瑙曲1 0 u tf l l dc ( m l b 啦斌o n 锄dc o n t r 0 1 h ld e t a i l e de x p e r i m e 舶晒，i t i 蛐r o d u c 伪吐l ew a y st 0 锄a l y z ek e ye c o n 0 i n i c s a 毹c d n ge l e m e n t s ，m a ：k i n gar c s 韶r c h i i l t 0t 1 1 em a i l lf a 咖瑙l a tc a 鸺et l l el o wb o i l e re f j f i c i e i l c y s o l a ti i r l p r o 啊n go b j e c t so f m eb o i l e r sc o u l db ei d e i l t m e d ；i ta l s oi l n r o d u c e st l l ew a y st o 缸dm er e 粥o n a b l e o p e r a t i o nm e m o d s 觚dm 吼t of i n dm eb e s t0 p e 嘶o nm e m o d sf o rt l l em a i n 锄d 弱s i s t a n te q u i p m e n t s t i l i sp a p e ri st h ew o r ko ft 1 1 es 仃a wp o w e rp l a n tt op r 0 访d es a f e a n de c o n o m i c 叩馓t i o no f l er e f 醯c e f ux i a o q i a n ( p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f t i a ns o n g f e n g k e yw o r d s ： o p e r a t i o na d j u s t m e n t ， c o m b u s t i o ne q u i p m e n t ， o p t i m a l e x p e r i m e n t ，b i o m a s sp i a n t 华北电力大学硕十学位论文主要符号表 主要符号表 0 卯排烟温度，； r l 锅炉热效率，； 勺收到基灰份，； q 咖，收到基低位发热量； n 一级给料机投运数量，台： 4 - 送风机电流； 4 引风机电流； c 磊飞灰可燃物含量，； e 炉渣含碳量，； m ，收到基水份，； 石一级给料机频率，h z ； 工三级给料机频率，h z ； 9 2 崩 烟热损失，； g ，可燃气体未燃尽热损失，； g 。固体未燃尽热损失，； 吼散热损失，； 吼护渣物理热损失，； 声，明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文生物质电厂锅炉运行优化研究，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：t 互雌日期：互丝幽 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 作者签名：t 乏_ 二臼 日期：铷 、，r鲁 陟一 声一 一 鲨盟 墅挚 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及其意义 第一章绪论 随着世界经济的发展，世界各国对能源的需求越来越强烈。以煤、石油及天然 气为代表的传统能源被世界各国竞相追逐，人类正面临着发展与环境的双重压力。 经济社会的发展以能源为重要动力，经济越发展，能源消耗越多，尤其是化石燃料 消费的增加。这就出现两个突出问题摆在我们面前：一是环境污染日益严重；二是 化石燃料的紧缺。我国作为一个迅速崛起的发展中大国，随着能源消耗以每年 6 7 的速度增长，我国已经成为世界消耗大国，能源形势更加严峻。 目前，中国消耗的主要能源是煤( 占7 5 ) 和石油( 占1 7 ) 。按目前技术水平和 开采量计算，全球的石油可开采4 0 年，煤炭可开采2 0 0 年，天然气约为6 0 年【1 1 ， 同时随着化石能源的过度消耗，释放了大量的多余能量和碳素，打破了自然界的能 量和碳平衡，是造成臭氧层破坏、全球气候变暖和酸雨等灾难性后果的直接因素。 1 9 9 7 年我国排放的j 中8 5 是燃煤排放的，排放的观中的9 0 是由燃煤排放。 现在许多城市已经开始禁用小型燃煤锅炉，所以研究开发可替代煤的清洁燃料势在 必行。生物质能是惟一可再生的碳源。生物质生长过程中吸收大量的c 魏气体，燃 烧过程中排放的c q 气体与吸收的相当，几乎没有跑气体排放，因此被称为c 0 2 中 性燃料。利用生物质能可改善和保护生态环境，所以生物质能是使人类可持续发展 道路上的理想能源。 在我国，为了应对越来越严重的电力紧缺情况，全国各地开始大量兴建电厂，煤 炭、石油等能源价格也因此大幅度上涨。自2 0 世纪7 0 年代石油危机以来，以丹麦 为代表的许多西方国家开始对各种生物质能源发电进行研究，生活垃圾、动物粪便、 植物枯枝等都曾经被用来尝试发电。有专家分析计算，地球上的生物质能源资源量 可相当于全世界能源消耗总量的l o 2 0 倍，而目前只有l 3 被利用。据初步统 计我国生物质资源总量每年可超过7 亿吨标准煤量【2 】。 生物质所含有的能量，是直接或间接地通过绿色植物的光合作用把太阳能转化 为化学能的形式，固定或贮藏在生物体内的能量。我国生物质能资源品种多，数量 大，分布广。按照我国过去2 0 多年来生物质能资源的使用和统计口径，具体包括 农作物秸秆和农业加工剩余物；森林、树木的合理采伐和林业加工剩余物；人类粪 便、工业有机废水和废物；城市生活垃圾；能源植物等【3 1 。在生物质能源中，我国 农作物秸秆资源十分丰富，约有7 亿吨，多于其他生物质资源以及秸秆存在的普遍 性和广泛性，使秸秆资源占据了重要的地位。农作物秸秆作为传统的能源已有几千 华北电力大学硕士学位论文 年的历史，随着经济的发展，人民生活水平有了很大的提高，秸秆作为生活燃料逐 渐被人们所放弃，于是大量的农作物秸秆便被剩余下来。 生物质能与化石能相比，具有可再生和低污染的优势，因而受到全世界普遍的 重视，并已成为新能源的发展方向之一。我国在其中长期发展规划中已明确提出可 再生能源的发展目标：到2 0 2 0 年可再生能源新增装机容量要达到l 亿千瓦，除太 阳能、水电和其他能源外，风力发电装机3 0 0 0 万千瓦，生物质能发电装机2 0 0 0 万 千瓦。0 4 年，我国农作物的产量如表1 1 所示。 表卜l2 0 0 4 年我国主要农作物秸秆产量 注：数据来源中国统计年鉴，2 0 0 4 秸秆重量以自然风干值计算 秸秆燃烧的污染较少，含硫量只有3 8 ，大大小于煤的含硫量l 。其次，秸秆 的碳灰质较高，产生的热能较大，每2 t 秸秆的热值相当于l t 煤的热值，也是适合 发电的生物质。我国是一个传统的农业大国。长期以来，农业收获的目的物是农作物 的种子和果实，而农作物秸秆被看作是农业副产品。农作物秸秆是一种有机物，其 中碳、氧、氢三种化学成分总和占9 5 以上。其余为钾、氮、磷、硅、钙、镁、硫 等矿物质元素，有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次为木质素、蛋白质、脂肪、 灰分等。另外，秸秆焚烧已成为一大公害。秸秆焚烧影响高速公路、航空、污染空 气、引发火灾。秸秆发电的意义重大，对减少秸秆焚烧对环境造成的危害、减少温室 气体和有害气体排放、带动新农村建设，无疑将起到重要的促进作用。据估计，近 年来我国年生产农作物秸秆约7 亿吨，其中综合利用的约占2 3 ，其余则成为弃置 于环境中的废物【4 1 开发切实可行的生物质燃烧技术，提高燃烧效率，对合理利用 农业、林业废弃物有重大的经济和环境意义。 生物发电可以作为一种产业和能源结构调整的补充，具有良好的社会效益： ( 1 ) 秸秆等生物能源可以成为能源的来源之一，替代不可再生资源，符合可持 续发展政策； ( 2 ) 生物发电等可再生能源符合环保的要求，变废为宝。燃烧时有害气体排放 量少、利用灰渣还田利于涵养土壤等； 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 变相对农业补贴，农民出售秸秆可获得一定收益，同时还可以减轻农民的 处理废物的负担，有一定的社会经济效益。 因此，研究生物质发电技术，具有重要意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 我国秸秆发电的现状 随着能源在世界范围内紧张局面的呈现，从可持续发展战略出发，节能降耗和 可再生能源的开发成为了新一轮的能源政策的主题。伴着太阳能、风能、潮汐能以 及垃圾资源的开发利用，一个更为广泛、更具开发潜力的能源被人们重视起来 这就是生物资源。作为可再生能源的生物质能，是世界第四大能源，它们对全世界 一次能源的贡献占1 4 。我国是农业大国，作为农业生产的副产品，农作物秸秆是 生物质能的重要组成部分。从可持续发展的角度看，秸秆是可再生而且洁净的能源， 将在未来的能源结构中起到重要作用。2 0 0 4 年以来，我国便把生物资源的开发利用 纳入到我国能源政策中，并在国家引导性政策的带动下，生物资源的开发得到长足 的发展，并且于2 0 0 6 年1 月1 日中华人民共和国可再生能源法正式颁布实施， 提供了国家扶持可再生能源产业发展的法律依据，其中把支持可再生能源发电作为 核心内容之一。可再生能源法中第十四和第十六条的规定：“国家鼓励清洁、高 效地开发利用生物质能燃料，鼓励发展能源作物一、“全额收购电网覆盖范围内可再 生能源并网发电项目的上网电量 。同时2 0 0 6 年1 月1 日可再生能源发电价格和 费用分摊管理试行办法也正式配套实施。 目前，国内、国际利用农作物秸秆发电的技术总体可以分为两类。一类是首先 在气化炉内把秸秆气化，然后利用燃气发电机和余热锅炉发电或由燃气锅炉产生的 水蒸气利用蒸汽机组发电，也可利用燃气蒸汽联合机组发电。另一类是把秸秆直接 作为燃料，在锅炉内部燃烧加热水变成水蒸气后再利用汽轮发电机组发电。燃烧秸 秆的锅炉种类主要有炉排炉、链条炉、流化床炉、喷粉炉( 秸秆加工成粉状喷入炉 内燃烧) 等，其中又有完全燃烧秸秆的，也有掺烧秸秆的( 与煤混烧) 。 对于第一类，其原理是利用裂解炉等气化设备将秸秆密闭裂解，产生c o 、c m h n 等可燃气体，进入燃气轮机进行联合循环发电( 亦有进入燃气锅炉产生蒸汽拖动汽 轮发电机组发电) 的方式。该种方式，目前有中科院和引进加拿大设备两种技术方 案，分别处于投运和在建阶段。这种方法通过改变生物质原料的形态来提高能量转 化效率，获得高品位能源，生物质气化具有就地取材、废物利用、减少污染、使用 方便、卫生等优点。当前，生物质气化还需解决的问题主要有气体净化、废水处理 和气体热值偏低等问题，还需寻找经济可行的解决方法j 生物质气化产生的可燃气 3 华北电力大学硕十学位论文 体较少，热值一般在2 1 0 0 5 3 0 0 灯胁，是天然气的l 1 7 1 7 ，为满足热负荷要求， 需消耗大量的气体，这会导致储气柜体积增大，投资费用增加1 5 l 。此外，由于气化 气中主要成分是c 织、识、c d 、日，和c h 。及其他烷烃，因而必须配套专用灶具进 行燃用，这势必影响集中供气的发展1 6 j 。 对于第二类，则是以生物质( 如秸秆、果木枝等) 取代传统一次燃料煤，直接 进入锅炉燃烧，产生过热蒸汽推动汽轮发电机组做功发电。直接燃烧是生物质被应 用的最简单方式，也是最早被使用的传统方式，但大部分生物质是作为一种低品味 的燃料加以利用，燃烧效率极低。锅炉燃烧则是一种先进的燃烧技术，把生物质秸 秆压缩成型后作为锅炉的燃料燃烧，可以提高生物质能的利用效率，适应于生物质 资源相对集中，可大规模利用的地区。生物质( 秸秆) 成型技术( b i o m a s sb r i q u e t t i n g t c c h n o l o g y ) 是指在一定温度和压力下，将各类分散的、没有规则形状的生物质废弃 物压制成具有规则形状的、密度较大的各种成型燃料的高新技术生产生物质成型 燃料的工艺流程如下：秸秆收集一干燥_ 粉碎_ 成型一成品_ 燃烧一发电( 供热) 。 农作物秸秆经压缩后的成型燃料密度可达o 8 1 4g 册，便于储存和运输。而且其 热值大于木材，热值为1 4 1 7 m j l 【g ，相当于中质烟煤，适于直接燃烧，具有黑烟 少、火力旺、燃烧充分、不飞灰、干净卫生以及d y ，虹极微量排放等优点。二者 不同之处在于秸秆的处理、给料以及对锅炉本体的适应性要求。本文旨在对第二种 方式进行叙述说明。 目前，我国生物质燃烧的典型燃烧方式有以下两种：一是层燃炉燃烧方式；一 是流化床燃烧方式。由于生物质具有含碱金属量高的特点，在燃烧过程中两种燃烧 方式都存在不同程度的结渣沉积和腐蚀 层燃技术的种类较多，其中包括固定床、移动炉排、旋转炉排、振动炉排和下 饲式等，可适于含水率较高、颗粒尺寸变化较大及灰分含量较高的生物质，具有较 低投资和操作成本，一般额定功率小于2 0 m w l 7 1 。层燃炉适用于含水率高、燃料尺 寸变化大和灰分含量高的生物质。层燃炉可以利用木柴等混合燃料。此外，燃料在 炉排上的传输应尽可能地保持平稳和均匀，保证灰层的稳定和均匀，避免出现火口 和飞灰与未燃尽碳粒逃逸等现象。 循环流化床锅炉与其他燃烧设备相比，具有燃料适应广、燃烧效率高、环境污 染小、负荷调节范围大等许多突出的优点，而且流化床炉内燃烧温度较层燃方式低， 似乎更加有利于减少结渣和沉积现象的发生。由于生物质燃料灰分含量少，燃烧后 难以形成床料、流化特性较差或着火困难等，所以在生物质流化床运用中，需要选 用与燃烧生物质流化特性相匹配的惰性床料，如砂、炉渣作为流化媒体。该媒体可 保证形成流化燃烧稳定的密相床层。密相区床层蓄热量很大，床层内传热传质剧烈， 能够为高水分低热值的生物质提供优越的着火条件 4 华北电力大学硕士学位论文 在国家宏观政策的引导下，有条件的省市均以文件的形式对生物质发电项目的 建设进行了规划并制订了相应办法，这其中尤以河北和山东两个省最为积极，在这 一领域走在了前列。 2 0 0 3 年，山东省十里泉热电厂部分引进丹麦生物质发电技术，投资约8 0 0 0 多 万对该厂4 l o t t l 煤粉锅炉进行改造，掺烧约2 0 的小麦秸秆并于次年年初成功投入 运行。2 0 0 4 年8 月，国家发改委分别批准了山东单县和河北晋州秸秆发电项目，该 两个项目分别于2 0 0 6 年底和2 0 0 7 年初投入试运。2 0 0 5 年河北省发改委核准邯郸成 安县、邢台威县秸秆发电项目，该两个项目也于2 0 0 7 年先后分别投入试运。据不 完全统计，2 0 0 4 年至今，国家发改委和各省市发改委在东北、华北、华中、华南约 近1 0 个省市核准了2 0 余个直燃式秸秆发电项目。 从项目的分布看，目前主要集中在黑龙江、辽宁、内蒙、河北、山东、河南、 江苏、陕西等农业大省。从项目规模看，目前所核准的项目由于受可收集范围内秸 秆供应量的限制，单机容量以1 2 m w 和2 5 m w 为主，单个生物质发电厂的总装机 容量约在2 4 m w 至5 0 m w 之间居多。其中最小的单机容量仅为3 m w ，最大的单机 容量为5 0 m w 【8 】。从燃料消耗情况看，单台1 5 m w 凝汽式汽轮发电机组配7 5 讹锅 炉，秸秆消耗量为1 6 讹，按年运行小时数6 0 0 0 h 计算，年燃料消耗量为9 万吨；2 5 m w 所配1 3 0 t i l 秸秆焚烧锅炉，其秸秆消耗量为2 6 t i l ，折合为年1 5 6 万吨。 已投运生物质发电项目现状已经投运的生物质发电项目，除山东十里泉热电厂 为小比例( 2 0 ) 掺烧外，其余几个目前均为纯烧生物质 在我国，秸秆有市场价格，秸秆的收集、运输、储存都要计入成本。此外秸秆 项目由于受各种因素的影响，一般规模不大，所以发电成本相对较高。秸秆直接燃烧 锅炉，目前在国内还处于起步阶段，其关键核心设备很不成熟，在设计、安装以及 生产运行过程中，不可避免地出现一些缺陷和不足，尤其燃料破碎系统，燃料输送 系统，水冷振动炉排系统，除渣系统等；这些设备如果使用进口设备，则进一步加 大了秸秆电站的初期投资。国产化秸秆直燃锅炉既无运行经验，更没有现成的经验 可以借鉴，在运行调试时也只是借鉴了厂家提供的锅炉使用说明作为学习资料 和调整依据。国家对秸秆的处理政策也未成熟。 1 2 2 国外秸秆发电的现状 丹麦b w e 公司率先研发秸秆生物燃烧发电技术，在这家欧洲著名能源研发企 业的努力下，丹麦于1 9 8 8 年诞生了世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂。 在丹麦，用秸秆作原料的不仅是小热电厂，大发电厂也能用秸秆发电。如位于 丹麦首都哥本哈根南郊海滨的阿文多发电厂，装机容量8 5 万千瓦，是一座可在同 5 华北电力大学硕士学位论文 一炉体燃烧煤、油、天然气和秸秆、木屑压缩颗粒的多燃料方式发电厂。目前丹麦 已建立了1 3 0 家秸秆发电厂。秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为重点推广 项目。瑞典、芬兰、西班牙等多个欧洲国家由b w e 公司提供技术设备建成了秸秆 发电厂，其中位于英国坎贝斯的生物质能发电厂是目前世界上最大的秸秆发电厂， 装机容量3 8 万千瓦，总投资约5 亿丹麦克朗。 2 0 0 0 年生物质能在美国总能耗中所占比例已近4 。目前美国有3 5 0 多座生物 质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其它林产品加工厂，这些工厂大都位 于郊区。装机容量达7 0 0 0 m w ，提供了大约6 6 0 0 0 个工作岗位，根据有关科学家预 测，根据美国政府制定的生物质能发展规划，到2 0 1 0 年该比例将提高3 倍，达到 1 2 ，生物质发电将达到1 3 0 0 0 m w 装机容量，届时有4 0 0 0 0 0 0 英亩的能源农作物 和生物质剩余物用作气化发电的原料，同时，可安排1 7 0 0 0 0 个以上的就业人员， 对繁荣乡村经济起到积极的推动作用。生物质直接燃烧发电是生物质发电的主要方 式，能源效率更高的b i g c c 技术正处于工业示范阶段，2 0 0 4 年生物质发电已装机 9 0 0 0 m w ，预计2 0 2 0 年将达3 0 0 0 0 m w 【引。 1 3 本课题的主要研究内容 河北晋州秸秆热电厂项目，为河北省秸秆发电供热项目的示范工程。炉燃料按 1 0 0 玉米秸秆进行设计，以1 0 0 燃烧果木枝条进行校核，兼顾其它生物质燃料( 小 麦秸秆，棉花秸秆，糠醛渣等) 。由于是0 6 年新建的生物质电厂，实际操作运行尚 无成套的经验可借鉴，锅炉的热效率还有待提高。本论文针对由无锡华光锅炉股份 公司设计制造的7 5 t l l 秸秆直燃锅炉的燃烧调整与运行优化进行了深入研究。 为了解决燃用秸秆存在的深层一次问题和隐患，确保机组运行的安全性和经济 性，论文将进行燃烧调整试验研究主要研究内容如下： ( 1 ) 对锅炉结构特点和除渣系统进行分析，对影响燃料燃烧的因素进行探讨； ( 2 ) 进行了锅炉冷态空气动力场的试验，摸清锅炉冷态时炉膛气流分布状况， 为锅炉热态运行提供参考； ( 3 ) 进行了锅炉热态燃烧调整试验，寻找晟优运行工况，为锅炉经济运行提供 依据。 在锅炉效率反平衡计算中，是从运行结果值出发，测定一系列运行状态参数而 计算得出各项损失，最终得出锅炉热效率，分析各项热损失的影响因素，并提出解 决措施。而通过传统方法计算得出的最终结果不能定量反映造成各项损失的原因。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章锅炉本体及除渣系统 2 1 锅炉的主要燃料 河北晋州秸秆热电厂项目，为河北省秸秆发电供热项目的示范工程。该示范工 程建设规模2 1 2 m w 中温中压单抽汽凝汽式供热机组配2 7 5 t l l 秸秆燃烧锅炉，年 处理各类秸秆1 5 2 0 万吨，采用焚烧减量方式，其余热用于发电及向居民区热用户 供热，其灰渣含钾量较高，可直接供农民作为农家肥还田使用【1 们。 表2 1 锅炉设计参数 表2 2 燃料特性( 上海赛孚燃料检测有限公司试验结果) 本锅炉燃料按1 0 0 玉米秸秆进行设计，以1 0 0 燃烧果木枝条进行校核，兼顾 其它生物质燃料( 小麦秸秆，棉花秸秆，糠醛渣等) ，并满足以煤为备用燃料。锅 7 华北电力大学硕士学位论文 炉采用水冷振动炉排前墙燃烧方式，两侧墙各有一个糠醛渣斗，经两台螺旋给料机 送至位于后墙的四台风力抛煤机，将糠醛渣抛至前墙燃烧( 作为备用燃料) 晋州撑l 、 2 锅炉为无锡华光锅炉股份公司设计制造的完全国产化秸秆直燃锅炉。锅炉型式为 u g 一7 5 3 8 2 一j m 。锅炉主要参数及燃料特性见表2 1 ，表2 2 。 2 2 锅炉结构特点 本锅炉为单锅筒、集中下降管、自然循环、四回程布置的秸秆炉排炉。炉膛采 用膜式水冷壁，炉底布置水冷振动炉排。在冷却室和过热器室分别布置了高温过热 器、中温和低温过热器。尾部采用光管式省煤器及管式空气预热器。炉膛、冷却室 和过热器室四周全为膜式水冷壁，为悬吊结构；尾部竖井烟道四周为护板，采用钢 架支撑结构。 锅炉基本尺寸： 炉膛宽度( 两侧水冷壁中心线距离) 6 1 3 0m m 炉膛深度( 前后水冷壁中心线距离)5 8 0 0h l i i l 锅筒中心线标高3 2 0 0 0m m 锅炉宽度( 两侧柱z l 、z 2 间中心距离)7 6 0 0i l 吼 锅炉深度( 柱z l 与柱z 4 之间中心距离) 1 7 7 6 0m m 秸秆入炉尺寸要求： 秸秆破碎前打包至尺寸2 1 2 1 2 ( m ) ，每包秸秆重量5 0 0k g 。 图2 一l 锅炉本体示意图 8 华北电力大学硕士学位论文 玉米秆、棉花秆、果木枝条等入炉自订以炉前破碎机破碎；破碎后的尺寸为：长 5 0m m ，厚5m m ，宽度为秸秆的自然宽度。破碎后的秸秆由皮带输送到料仓、再由 给料机输送进炉膛燃烧；麦秆包撕碎后由铰笼送进炉膛燃烧；糠醛渣须粉碎后由炉 膛后墙下方的抛煤机抛入炉膛燃烧；燃煤由炉膛后墙下方的抛煤机抛入炉膛。入炉 煤和糠醛渣的粒度和一般燃煤链条炉相同。锅炉本体示意图如图2 。1 所示。 2 2 1 燃烧室和水冷壁 炉膛四周为膜式壁结构，前墙、侧墙、炉膛后墙、冷却室由f 6 0 4 的管子 及d = 6m m 的扁钢焊接而成，节距1 0 0m m ：过热器室后墙由f5 1 4 的管子及d = 6m m 的扁钢焊接而成，节距1 0 0m m 。在炉膛下部布置了前、后拱；有利于加强烟气的 扰动。炉膛、冷却室和过热器室各水冷壁规格、数量如表2 3 ： 表2 3 炉膛水冷壁规格和数量 炉膛分为三个炉室，第一炉室为燃烧室；第二炉室为冷却室，在冷却室内布 置了高温过热器；第三室为中、低温过热器室，布置了中温过热器和低温过热器。 为增加燃料在炉膛内的停留时间、加强其燃尽，改善烟气在炉内的充满度， 在炉膛前墙给料机上部和对应的后墙设置了前拱和后拱，并在前、后拱部位布置了 二层二次风，可以充分扰动炉内烟气，加强物料和空气的充分混合，并延长烟气在 炉内的停留时间。 炉膛水冷壁布置示意图如图2 2 所示： 一二：_ - 【? 二_ 二二二 1 n o 。 n 0 6 l no 。 no 4 no 2no 5 r ：_ _ 一：i 。 n0 9 n0 7n0 1o 图2 2 炉膛水冷壁布置示意图 9 n二=二二 华北电力大学硕士学位论文 上述编号中，n o 1 n o 4 为燃烧室，n o 4 n o 7 为冷却室，n o 7 一n o 1 0 为过热 器室。 2 2 2 过热器和调温装置 整个过热器由低温过热器、中温过热器和高温过热器组成，二级喷水减温器设 在高、中和中、低温过热器之间。 饱和蒸汽自锅筒顶部由6 根0 1 3 3 6 连接管引入低温过热器入口集箱，受热后 进入喷水减温器，蒸汽减温后进入中温过热器，受热后再进入减温器，减温后再进 入高温过热器，最后再用6 根西1 3 3 6 连接管连接至集汽集箱，通过蒸汽管道进入 汽轮机【1 n 。 因秸秆燃烧产生的h c l ，c l 和灰渣中的碱金属对高温过热器有一定的腐蚀性， 为减轻高温腐蚀，提高过热器的使用寿命，高温过热器管采用高铬高镍的耐高温， 耐腐蚀合金材料制造。 高温过热器管子规格为3 8 4 ；中温过热器采用m 4 2 4 、l c r l m o v g 管子制造； 低温过热器用m 4 2 4 、2 0 g b 3 0 8 7 管子制造。 汽水调节采用喷水减温方式调节，减温水来自锅炉给水。 高温过热器采用顺列布置、纵向冲刷，且采用“u ”结构布置，冲刷利于减轻受 热面和结渣和积灰，且容易将灰清除。 中、低温过热器采用顺列布置、烟气横向冲刷。 2 2 3 省煤器 省煤器采用光管式，分三组布置在尾部烟道内，单级、顺列布置，有利于吹灰。 采用0 3 2 3 的管子制造，材料为2 0 g b 3 0 8 7 。为保护省煤器，省煤器入口集箱与锅 筒之间设有再循环管。 2 2 4 空气预热器 采用卧式管式空气预热器，单级布置在尾部烟道内，分二组管箱、顺列布置， 易于吹灰。 2 2 5 吹灰器 在冷却室高温过热器处，布置了6 只长伸缩式蒸汽吹灰器，布置在二侧墙上； 、 1 0 华北电力大学硕士学位论文 在中、低温过热器处布置了6 只固定旋转式蒸汽吹灰器，布置在二侧墙上；在省煤 器部位后墙上布置了6 只固定旋转式蒸汽吹灰器：空气预热器部位布置了2 只固定 旋转式蒸汽吹灰器；本锅炉共布置了吹灰器2 0 只。 2 2 6 燃烧设备 燃烧设备由秸秆给料机、水冷振动炉排、一、二次风管，拨料风、抛煤机等设 备组成。 秸秆给料采用机械给料方式，即在炉前布置两只双螺旋秸秆给料机。每台 锅炉配备一套炉前给料系统，给料系统包括储料仓；一级双螺旋给料机8 台，布置 在储料仓下部；二级为皮带输送机2 台，布置在一级下部；三级给料机为螺旋给料 机，出口连通锅炉，共4 台，布置在二级出口下方；为了保证安全生产，防止发生 火灾，在三级出口处，安装了防火快速门，防止炉膛正压时出现回火现象。给料系 统组成见图2 3 。 图2 3 炉前给料系统 三叙墙寿 机1 三敦培辩机2 三敦绔= 耕机3 三敦妗丰 机4 炉排设计成一定形状，与炉膛下水冷壁紧密接触，并用螺栓固定在水冷壁 上。炉排片可得到水冷壁的良好冷却，不易被烧坏。炉排面上开有小孔，燃烧所需 的一次风从炉排小孔喷出，可以对炉排进行必要的冷却，并提供燃烧所需要的一次 风。炉排用耐高温和耐腐蚀的材料制造。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 水冷振动炉排与水平夹角呈1 2 0 ，炉排下为一次风室和出灰斗。可以通过调 节炉排振动的频率，分别满足烧秸秆和煤的燃烧和出灰渣要求。炉排的振动由水平 推杆提供动力。 锅炉布风由二部分组成：一次风从二侧墙炉排下各分四个风管送入风室， 再经炉排上的小孔进入炉膛。风室中有隔板分隔成四个独立的风室，进风管上设有 调节挡板，可根据燃料和燃烧情况进行调节。二次风布置在前、后墙炉拱处，在炉 排的上方，前墙布置了二层二次风，后墙布置了二层二次风。当燃烧秸秆时，前后 墙的二次风都要开；当燃烧煤时，前后墙二次风各只开一层。二次风管上装有调风 门。锅炉布风示意图如下图2 4 所示： 2 3 除渣系统 图2 4 锅炉布风示意图 除渣系统包括破碎机、水冷螺旋输送出渣机、板链斗式输送机，链斗式提升机 及渣仓等。除灰渣系统设计为灰渣分除系统，除渣方式按每台锅炉配l 套除渣系统 进行设计。即在每台锅炉两渣斗下各设置1 台破碎机、水冷螺旋输送出渣机，经粉 碎冷却后的炉渣经板链斗式输送机、链斗式提升机，经手动闸板门、电动闸板门后进 入渣仓。渣仓上配有两台z f 型仓壁振动器。渣仓中的渣可以通过汽车散装机送入 渣车运走。另外渣仓下还配有电动锁气给料机及加湿搅拌机渣仓上方配有一台 1 2 华北电力大学硕士学位论文 布袋除尘器。 破碎水冷螺旋输送出渣机冷却水来自闭冷水母管，经过破碎后的炉渣经外壳水 冷套管、螺旋水冷螺旋片冷却至8 0 左右后即可送入储存仓进行处理，设备渣流量 可以根据炉渣实际情况通过设置变频器进行调节。见下图2 5 ： 砗在 崦毫：i l 图2 5 除渣系统 燃烧设备由秸秆给料机、水冷振动炉排、一、二次风管，抛煤机等设备组成。 在锅炉调试主要包括给料系统，水冷振动炉排以及一、二次风管的调试，炉内玉米 秸秆的燃烧控制和锅炉启停、运行控制调试。本文对给料系统，振动炉排的调试以 及关于一、二次风的空气动力场试验做一定的介绍，并探讨可能对秸秆燃烧和运行 过程中所产生的影响。 2 4 给料系统 炉前给料系统的停运：锅炉正常停运时视炉前储料仓内燃料高度控制机组停止 时间，确保停炉时将炉前料仓内燃料全部烧光，防止发生火灾等不安全现象。联系 燃料车间停止上料，待中间料仓内燃料烧尽后，逐渐降低锅炉燃烧强度。随着燃料 量的减少，相应减少风量，机组负荷降至5 0 以下时停止增压风机运行。汽温降至 汽机规程规定打闸温度后汽机打闸，锅炉通过调节燃烧控制汽包压力，对中间料仓 层、三级给料机附近的散落燃料全部送入炉内烧尽，并清理三级给料机内及出口处 的燃料。切除一、二、三级给料系统之间的联锁保护，依次停止一、二、三级给料 1 3 华北电力大学硕士学位论文 机的运行。放下三级给料机出口防火门。 通过安装调试实验、煮炉、吹管、整套启动等实际运行情况，造成几次机组停 机打闸故障，大多是给料系统引起的，燃料调整时没有参考依据，只能根据炉膛温 度的变化调整，而炉膛温度的变化滞后于燃料输送的变化，这就使燃料调整更加滞 后；给料系统发生故障时，也不能及时发现和处理，严重制约了机组的安全运行。 给料系统经常发生故障，已经引起制造厂家和运行单位的高度重视。通过对给料系 统的分析和一段时间的实际操作，对本锅炉给料系统的运行特性有了一定程度的认 识和掌握。 2 4 1 储料仓及一级给料机 燃料破碎后，并不能完全满足锅炉设计尺寸( 玉米秸、棉花秸、果木枝条 的长度为5 0m m ，宽度为秸秆的自然宽度，厚度为5 i 砌。麦秆的长度为5 0 m m 。少 量的破碎后的秸秆长度可以超过5 0 姗，但最长不能超过1 5 0 m m ) ，有些还更长， 经常是藕断丝连，而且燃料越潮湿，越不易绞碎，很容易造成料仓棚料或堵塞。燃 料中含有大量沙土和杂物，严重影响了燃料的输送、燃烧和除渣。 燃料进入料仓后，分布不均匀，造成料仓后部堆料，前部料少，导致群1 、2 、 3 、4 给料机( 后部) 不转动或只转动不下料，撑5 、6 、7 、8 给料机( 前部) 只转动 而不下料见( 图2 2 ) ；而且左右侧下料不均匀，使二级给料机左侧供料少，右侧供 料多，燃料进入炉膛后右侧燃烧强烈，左侧供料不足燃烧效果差，同时由于左右侧 偏斜导致右侧炉排面燃料堆积燃烧而左侧炉排面几乎没有燃料，造成火焰偏斜，使 锅炉水冷壁左右侧热偏差加大，致使锅炉配风、调整燃烧均较为困难。 一级给料机电机功率小，稍微有些卡，或是燃料在料仓内给料机上储料高 度超过1 米时，就有可能发生卡料或棚料，造成给料机开不起来或是跳闸。 一级给料机卡死或跳闸后，不容易处理，给料机必须切换到就地进行多次 正、反转操作，才能处理好，而且处理时间长，严重时不得不全部停下进入料仓内 部处理，造成锅炉停运，还容易造成不安全现象。 一级给料机左右侧同轴驱动，导致在燃料偏斜状态下无法通过调节左右侧 给料机投运台数及各台转速来调整左右侧供料情况，而是左右侧始终同时给料，导 致除非采用锅炉降负荷调整燃料偏斜状况，否则继续给料只能造成右侧燃料堆积现 象更加严重。而原料堆积会造成炉排工作不正常、燃烧不正常、炉排结焦等后果。 2 4 2 二级给料机 1 4 华北电力大学硕士学位论文 二级给料机为光滑皮带输送，为全封闭式，容易打滑，输送能力比较差。且皮 带到一级给料机之间的高度不足( 约5 0 0 m m ) ；当一级给料下料较多时，在料槽内 容易发生堵料现象，而且很不易处理，造成皮带空转而不下料；或将皮带压死不动。 尤其是一级给料机撑8 下部出口处，最容易挂料或压实堵塞；而且左右侧供料差异太 大。 2 4 3 三级给料机 由于一级给料机给料不均，使三级给料机给料不均，右侧桴3 、4 给料机给料 量大，至使撑3 、4 给料机常常卡死或出口堵死，尤其是撑3 号，在调试期间发生了多 次。右侧群1 、2 给料机给料量小，出力不足。 给料机电机功率小，转速慢， 度均在9 5 以上，并且在给料量大时， 在内部卡死或是出口堵死。 而且没有调整裕量，在煮炉期间，变频器开 还是容易造成燃料在入口处堆积，或是燃料 三级给料机出口与燃烧器连结而进入炉膛，出口处有一段水平距离，长度 约有4 0 5 0 c m ，有一定的阻力，其上面安装水冷却装置，防止出口温度过高而烧坏。 但是在此处必须在源源不断的外力推动下燃料才能进入炉膛，一旦发生断料或停止 给料，秸秆燃料便不能进入到炉膛内部，而且在停止供料时，很容易产生回火在此 处燃烧，使烟气及火星顺着给料系统进入储料仓，存在火灾隐患。 在三级给料机中，四台给料机只要有一台发生故障，就需要停止所有一级 和二级给料机进行处理，造成送料终断，使锅炉不能连续供料，至使锅炉负荷、参 数较大的波动，甚至机组停止运行。不能满足机组带负荷的需要，也不符合锅炉安 全经济运行的要求，在压力和温度经常反复的较大波动下，使机组寿命缩短。 2 5 水冷振动炉排 水冷振动炉排是锅炉最主要的燃烧设备，它关系到燃料燃烧问题，设备安全问 题，锅炉结焦、排渣，燃料在炉排上的分布情况等。 振动炉排是间断振动的，其设计思路是：燃料由双螺旋给料机送入炉膛以后， 燃料在落进炉膛后被炽热的烟气加热，迅速将水分蒸发并汽化、着火燃烧，一部分 秸秆在空中燃烧，一部分落在炉排上继续燃烧，在倾斜炉排振动作用下，燃料在炉 排上跳跃、翻滚、并向下移动。在燃料向下移动的过程中，不断燃烧，体积不断减 少，至炉排后部已形成灰渣，由出渣口排出【1 2 1 。在燃烧过程中，正常情况时炉排振 动的间隔时间为2 3 分钟，每次振动时间为3 1 0 秒，具体参数通过调试后再确 定；炉排振动的频率须经过调试后确定；炉排振动时间、间隔和振动频率确定后， 1 5 华北电力大学硕士学位论文 一般不需要改变。 由于炉排电机基础没有打好，通过冷、热态不同振动频率测试，水平方向振动 都超过规定值( 振动一般不超过o 1 m m ) ，垂直方向和轴向方向基本满足要求，但 是调整振动时振动频率最大不能超过4 0 h z ，否则就会超标。虽经加固、更换，仍不 能达到设计的工作频率。振动频率的降低，使振动效果明显降低，造成燃料在炉排 前部堆积，不能均匀连续地排走；既影响燃料的燃烧又影响炉渣的顺利排出；炉排 振动时，会使