不同掺烧比例生扬质与煤共燃系统热力学分析

不同掺烧比例生扬质与煤共燃系统热力学分析

摘要：为了对生物质与煤共燃系统进行节能分析，并提供理论依据，本

文基于热力学定律对396t/h高温高压CFB锅炉生物质与煤共燃系统进行了

研究，分析了掺烧生物质比例对锅炉排烟温度、热效率和娴效率的影响。结

果表明，随着掺烧生物质比例的增加，锅炉排烟温度逐渐升高，热效率由

89.62%逐渐减低,烟效率由46.11%逐渐下降，且炉膛内部受热面以及尾部

烟道各受热面的换热效率都高达98%，而炉膛内部受热面的换热炮效率仅约

38%,故而在烟分析下，该CFB锅炉炉膛内部受热面仍存在很大的节能潜

力。

我国生物质资源丰富，掺烧部分生物质能够减少化石燃料的使用，减缓

能源危机，并降低污染口・5］。目前，大容量电站锅炉掺烧生物质有直接共燃、

间接共燃和并行共燃3种方式，共燃技术与其他生物质发电利用方式相比，

具有低风险、低投资、建设周期短的特点，受到了各国广泛关注［6］。

循环流化床（CFB）锅炉内生物质与煤共燃，是一种简单高效利用生物

质的途径，许多国内外学者对此进行了研究。鲁许鳌等［力进行了掺混比例对

生物质与煤流化床共气化特性影响的试验研究。阎维平等［8］对300MW机

组燃煤锅炉掺烧稻壳对锅炉效率影响进行了计算分析。沈国章等［9］对流化床

燃烧麦秸床料团聚结渣进行了研究。LU等［10］采用计算流体动力学（CFD）

对掺烧焙烧后的生物质与煤共燃系统进行了数值模拟，研究其燃烧产物的排

放规律。VarolM等口1-12］研究了高硫褐煤与生物质在小型CFB锅炉共燃

的燃烧特性。UnchaisriT等［13］对过量空气系数和稻草在混合燃料中的质量

份额对混合燃料性能、燃烧效率和气体排放的影响进行了研究。OpydoM等

［14］对CFB锅炉中烟煤与生物质共燃时固体颗粒堆积进行了研究。GayanP

等［15］对CFBC燃烧煤和生物质混合物的性能进行了分析，并建立了预测

CFB锅炉中煤和生物质废物共燃系统的数学模型，并进行了验证。

本文应用热力学第一定律对掺烧不同比例生物质锅炉各处烟气温度、工

质温度以及锅炉热效率进行了计算分析，并在此基础上进行烟分析，进而探

究锅炉的节能潜力。

1研究对象及方法

本文将以396t/h高压高温大容量pyroflow型自然循环CFB蒸汽锅炉

为例进行研究。该锅炉燃用的固体燃料工业分析和元素分析见表1。

>।皮体媪口工业分析和元，分析

T*b.lTheproilouteandultimatetnalysbrwuhofioHdfaeli

低位发给I■业分析（附）元*分析

样丛11/

4.C.H.O.N.s.

QMT47H14sit3111041(M1M

awMM01.317126102“55SW4312OM•13

本文应用热力学定律进行锅炉节能分析，具体方法如下。

1）通过热力学第一定律计算得到锅炉的热效率，通过锅炉热效率的大

小来分析锅炉节能潜力的大小，热效率越高则能量利用率越高，节能潜力越

小。

2）将锅炉整体分为炉膛（包括水冷壁和二级过热器）、三级过热器、

一级过热器等，应用热力学第二定律计算各换热器换热烟效率，换热斓效率

越低则锅炉节能潜力越大。

3）利用烟流图进行怫分析，了解输入烟的利用情况和烟损较大的薄弱

环节。

2热力学分析

假定初始温度，通过热量平衡对烟气放热量与工质吸热量间进行校核,

最终得到各处烟气温度、工质温度以及锅炉热效率，并对计算结果进行分析。

2.1热平衡分析

由于锅炉结构复杂,故将其分为燃烧系统和尾部烟道各受热面两大部分

进行热平衡分析。系统再平衡示意如图1所示。该系统由炉膛、分离器和回

料器组成。由于本文中CFB锅炉的分离器中无再燃烧，故而烟气经分离器后

其温度会略有降低，在此假定其分离器出口烟温即炉膛进口循环灰温度比炉

膛出口烟温低了5℃o而对三级过热器、一级过热器、省煤器和空气预热器

的热平衡分析主要是针对烟气放热量与工质吸热量间的热量平衡。

BQ.

〃为燃料消耗量，kg/h:用为计算燃料消耗量,皿；凡为循环灰量，

kg/h：/为炉腌进口过量空气系数；A为热空气妹,kJ/kg：为燃

料收到基低位发热量，kJ/kg；Q：为可支配热量，kJ/kg；X为炉腹放熬

份额,尤为炉膛出口过量空气系数；匕为炉膛出口烟温，C；〈为炉

腹出口烟拾，kJ/kgi为炉腹出口循环灰姑/；为分离器出口

期培，kJ/kg；/为分离器出口期温，七；七为分离器出口循环灰培，

kJ/kg:唯为分离器出口循环灰温度，C：心为回料器出口循环灰始，

kJ/kgi&为回料器出口循环灰温度，P；a：一回料器进口过量空气系

数；心为炉膛进口循环灰殆，kJ/kg；/一炉腔进口循环灰温度，r;

或为冷空气培,kJ/kg；ft为机组可燃气体未完全燃烧熬损失量,kJ/kg；

4为固体未完全燃烧热损失，kj/kgi6为散热损失量，kJ/kg；4为灰

渣物理热损失，kJ/kg.

图1系统热平衡示意

Fig.lSchematicdiagramofthesystemheatbalance

锅炉机组热效率作为锅炉热力计算的关键值，对于锅炉节能分析意由卅

炉热效率主要受锅炉热损失中最大的排烟损失所影响，因此本文在重点分俪

炉排烟损失的MB上，采用反平衡法对无脱硫工况和脱硫工况下的锅炉热效

率进行计算。

2.2烟分析

对炉膛进行烟分析主要包括炉膛入口烟、炉膛出口烟气爆、炉膛内部吸

热烟以及各项烟损。其中，炉膛入口烟由入口燃料烟以及热空气带入炯组成；

炉膛内部吸热烟由水冷壁吸热烟和二级过热器吸热俎组成；各项烟损包括燃

烧不可逆爆损、气体未完全燃烧爆损、固体未完全燃烧娴损、散热烟损、灰

渣烟损和传热不可逆烟损。

换热炮效率是通过计算烟气经过换热器后换热器烟增量与烟气爆降间

的比值求得。其他各换热器烟损主要为传热烟损。

3计算结果分析

3.1烟气及工质温度

应用热力学第一定律对100MW机组CFB锅炉掺烧不同比例玉米秆时

各处烟气温度和工质温度进行热力学计算，结果见表2和表3。

表2掺烧不同比例生物质各处烟气温度

Tab.2Thefluegastemperatureateachpositionwith

differentblendingratiosofbiomassC

生物质掺烧比例

位置

010%20%30%

炉膛出口898896892889

分离器出口893891887884

三级过热器出口771768765763

一级过热器出口476475477475

省煤器出口275276276276

空气预热器出口135136137138

表3掺烧不同比例生物质各换热器出口工质温度

Tab.3Thetemperatureofworkingfluidsatoutletofeach

heatexchangerwithdifferentblendingratiosofbiomass*C

生物质掺烧比例

位置

010%20%30%

三级过热器出口540540540540

二级过热㈱出口463463463463

一级过热器出口418418417418

省煤器出口279279280280

空气预热整出口202203203203

由表2可以看出，随着掺烧玉米秆比例的增加，炉膛出口烟温逐渐降低,

而排烟温度却略有升高，这是因为掺烧玉米秆比例增加，燃料低位放热量减

小使炉膛有效放热量降低，导致炉膛燃烧温度降低，最终使炉膛出口烟温下

降；排烟温度的升高主要是因为随着掺烧玉米秆比例的增加，燃料低位放热

量减小，燃料量增加，烟气体积增大，烟气流速加快所致。

由表3可以看出，随着掺烧玉米秆比例的增加，三级过热器、一级过热

器、省煤器和空气预热器出口工质温度都变化很小。虽掺烧生物质比例的增

加导致炉膛出口烟气温度降低，但烟气流速的加快却会增大换热系数，最终

使出口工质的温度变化并不大。

3.2锅炉热效率

对掺烧不同比例玉米秆无脱福口有脱硫工况下锅炉热效率进行计算，结

果如图2所示。由图2可以看出：随着掺烧玉米秆比例的增加，不脱硫工况

下，锅炉热效率由89.77%降低至I」89.58%;脱硫工况下，锅炉热效率由

89.62%降低至I」89.3%。因为随着玉米秆掺烧比例的增加，锅炉排烟温度和

排烟容积都在增大，导致锅炉热损失中排烟热损失进一步增大，故而使锅炉

热效率逐渐降低。

90。）「

・脱硫工况

不脱硫工况

89.80•

。

。

藤

家89.60■

感

令

翌89.40■

89.20■

梭烧比例/%

图2掺烧不同比例玉米秆锅炉热效率

Fig.2Theboilerthermalefficiencieswithdifferentblending

ratiosofcornstalk

3.3换热爆效率

掺烧不同比例玉米秆时锅炉各换热器换热烟效率以及爆损失计算结果

见表4和表5。由表4、表5可以看出：CFB锅炉各部位中炉膛内部受热面

换热烟效率最小，三级过热器换热端效率最大；炉膛内部换热娟效率随着掺

烧玉米秆比例的增加而减小；在各项烟损失中其燃烧不可逆媚损失最大，其

值随掺烧生物质比例的增加而增大，而其他烟损都较小且变化不大。这是因

为：1）炉膛内部存在各种损失，但各换热器主要是传热损失故而炉膛内部

烟效率偏小；2）掺烧生物质比例越大，燃料低位发热量越小，炉膛温度越

低，导致换热效果变差，换热燥效率变小；3）掺烧生物质的比例越大所生

成烟气体积越大，炉膛内部烟气流速越快，导致烟气在炉膛内部停留时间越

短，换热效果越差，致使换热爆效率减小；4）随着掺烧生物质比例的增加，

导致炉膛理论燃烧温度降低，使其燃烧产物斓随之减少。

表4不同工况换热器烟效率

Tab.4Theexergyefficiencyofbeatexchangersunder

differentoperatingconditions%

生物质掺烧比例

工况

10%如％30%40%

炉膜内部换热38.1537.8837.593728

二级过热器换熟85.6486.6486.6786.60

一级过热器换热76.0975.8375.7975.69

省煤器换热78.3978.2978.1578.25

空气预热器换热62.9662.8262.6662.50

表5炉膛内部娴损失

Tab.5Theexergylossinsidethefurnace%

~生物质掺烧比例

010%20%30%

燃烧不可逆63.9064.7365.5566.39

气体未完全燃烧0.600.600.590.58

固体未完全燃烧4.824.764.704.65

散热1.031.021.011.00

灰渣1.461.451.431.41

传热不可逆28.1927.4426.7225.98

另外，在几种生物质掺烧比例下，计算所得锅炉娟效率分别为46.11%、

45.90%、45.62%、45.35%。可见燃煤工况下锅炉整体烟效率最大，随着

掺烧生物质比例的增加烟效率逐渐减小。这是由于随着掺烧生物质比例的增

加，烟气体积增加，烟气流速加快，炉膛理论燃烧温度降低，导致换热效果

变差，燃烧损失增加，最终导致燥效率逐渐减小。

3.4烟流图分析

由于掺烧不同比例玉米秆其烟流图差别不大，故本文选取纯煤工况和掺

烧20%玉米秆工况下的烟流图进行分析，这2种工况下的烟流图如图3和

图4所示。由图3和图4可以看出：这2种工况下炉膛内部烟损最大，而且

随着掺烧玉米秆比例的增大，烟膛炯损从46.68%增大到了47.14%,与上

述炉膛内部受热面换热斓分析结果一致；锅炉三级过热器、一级过热器、省

煤器和空气预热器等娟损相比于炉膛内部烟损失都很小，其中各项热损失中

最大的排烟损失在物流图分析中也只占约1%,且随着掺烧玉米秆比例的增

加逐渐增大；烟流图中真正流入各换热器的有效烟值较小，水冷壁、一级过

热器、省煤器、三级过热器、二级过热器、空气预热器有效爆增逐渐减小。

分离罂娟损二级期损一级椭损

0.69。为2.50%

三级一级

3过热巷£过热器

工级过应•级过

器灿拐热器炸损

4.14%7.97%

火冷壁爆增

炉腔烟糊25.60%省母器省煤罂

6.6X°o二级过热

器炽增省煤蹈虬蛆损

3.19%4.28%1.18%

回气预热器I空'I预

-----------\依器烟拐

0.65%

空气预热器桶增

2.00%

排烟烟损

0.95%

燃科炸98.00。。

图3纯煤工况烧流图

Fig3Theexergyflowdiagramofpurecoalworking

condition

分离器烟损三级端损一级端损

0.17%A0.65,2.49%

1

4.21%7.80%

火冷壁爆增

25.18%I省煤器

7.14°o勒省煤器