簡介
生物質水冷振動爐排鍋爐結構：爐膛底部布置水冷振動爐排, 爐排下部設定3 個獨立風室。爐膛是下大上小的結構, 下部由爐膛上部擴口而來, 斷面積較大, 為燃燒區域;爐膛上部斷面積較小, 為燃盡區域。在爐膛燃燒區域出口處側水冷壁處沿爐膛高度方向設定三排交叉二次風和燃盡風。爐膛頂部設定後屏過熱器, 出口布置拉稀管。爐膛上部出口前設定後屏低溫過熱器, 其頂部布置噴水減溫器 。
秸稈燃燒鍋爐的技術難點
秸稈是一種清潔的可再生資源, 是生物質燃料的一種, 具有CO2 “零排放”的特性。但是, 秸稈氯元素含量高, 灰渣中鉀、鈉成分高, 熔點低, 鍋爐運行中容易造成結渣、腐蝕和堵灰。因此, 燃用秸稈的鍋爐需要解決爐前燃料輸送、破碎、儲存、防火以及鍋爐本體的結渣、堵灰、腐蝕等問題。
1 輸送、破碎
目前秸稈的輸送和破碎主要有4 種方式:
(1)在收購站將秸稈破碎之後再運至電廠, 此方式可保持電廠環境清潔, 但是運輸成本較高;
(2)在收購站打包, 運送至電廠料場堆放, 在入爐前破碎, 此方式運輸成本相對較低, 但需要注意料場防火;
(3)不破碎, 在收購站打包後運送至電廠直接入爐, 此方式對鍋爐燃燒技術要求極高, 燃料入爐後不易燒透, 會增加機械不完全燃燒損失;
(4)將秸稈壓塊, 將鬆散的秸稈壓成顆粒狀, 其能量密度可增10 倍左右, 大幅度降低運輸和存儲成本。目前, 國內外常用第2 種方法。
2 低灰熔點結焦
同傳統燃料相比, 秸稈燃燒的低灰熔點問題尤其突出(某些秸稈灰熔點變形溫度約為650 ～ 700 ℃)。對此, 可從以下幾方面解決:
(1)水冷振動爐排與純風冷的爐排相比, 冷卻效果更佳, 更適合生物質燃料的燃燒。水冷振動爐排具有自撥火功能, 落在爐排上燃燒的秸稈能夠隨著振動頻率和振動周期進行翻滾, 防止外部生成的焦炭互相搭橋、結渣、粘結在爐排面上。爐排面積熱負荷可達3200 W/(m2 /h)。
(2)對於強結焦性秸稈, 應該選取較低爐膛容積熱負荷。由於採用分段送風技術, 爐膛斷面熱負荷可以達到1 700 kW/m² , 爐膛容積熱負荷可達140 kW/m³ 。
(3)生物質燃料的燃燒屬於擴散燃燒, 燃燒溫度較低, 其燃燒速度主要取決於氧氣到達碳粒表面的速度。因此, 送風應具有一定的剛度, 同時考慮在爐膛下部儘可能形成風簾, 加大風與碳粒的接觸面積, 增加秸稈在爐膛的停留時間。為防止結焦, 送風地點不宜過分集中, 風口的布置和送風方向應保證與之發生燃燒反應的燃料所釋放的熱量不足以產生結焦現象。
3 堵灰
生物質燃料的灰量按質量計不高, 但是由於比重輕, 所以體積大。在鍋爐尾部, 煙氣溫度較低, 灰中含有Cl 、S 、K 、N a 等元素組成的複雜混合物, 具有較強的粘結性和腐蝕性, 一旦粘在金屬表面就容易產生腐蝕。因此, 尾部受熱面的設計可考慮採用屏式布置形式, 此時煙氣儘管速度較低, 但是由於節距過大, 所以灰無法搭橋, 不易產生堵灰。
4 高溫、低溫腐蝕
秸稈的高溫腐蝕主要與Cl2 和HCl 有關。金屬表面在氧化環境中會形成一層Fe3O4 氧化膜, 可以對金屬起到防止氧化反應向金屬縱深發展的保護作用。但是, 由於Cl2 和HCl 的存在, Cl 元素在整個反應鏈中起到催化劑的作用, 具體化學反應式如下:
M(s)+Cl2(g) MCl2(s)
M(s)+2HCl(g) MCl2(g)+H2(g)
MCl2(s) MCl2(g)
式中,M 代表Fe ,Cr ,Ni 。
金屬剝落層表面的金屬氯化物與氧氣發生如下反應:
3MC l2(g)+2O2(g) M3O4(s)+3Cl2(g)
2MC l2(g)+(3/2)2O2(g) M2O3(s)+3Cl2(g)
由此可見, 氣態氯在幾乎沒有消耗的情況下不斷將金屬由金屬表面傳遞到氧氣分壓力高的剝落層表面。同時, 還伴有鹼金屬氯化物的硫酸化與金屬氧化膜直接反應等一系列的化學反應。其腐蝕反應式如下:
4M(s)+3Cl2(g) 2M3O2(s)
高溫腐蝕在金屬壁溫470 ～ 600 ℃之間速度較快,而目前國內燃燒秸稈鍋爐主蒸汽溫度多在此溫度範圍, 高溫腐蝕不可避免, 因此應儘可能地延緩高溫腐蝕。
延緩高溫腐蝕的措施主要為合理布置受熱面, 嚴格控制受熱面金屬壁溫和選取抗高溫腐蝕能力較強的材料。
當金屬壁面溫度低於150 ℃時, 低溫腐蝕的速度非常快。這種腐蝕屬於電化學腐蝕, 是由於煙氣中的HCl 和SO3 在露點以下形成鹽酸和硫酸, 這些酸對受熱面金屬產生腐蝕。防止低溫腐蝕的方法是將排煙溫度控制在露點所確定的煙氣出口溫度之上。在按照常規布置方式無法滿足要求的情況下, 空氣預熱器採用蒸汽或水作為換熱介質是較好的解決方法。在經濟性無法滿足的情況下, 可以考慮採用耐低溫腐蝕性能較好的材料。
秸稈燃燒鍋爐的選擇
(1)CFB 鍋爐可以燃用不同燃料, 包括高水分、低熱值燃料。利用CFB 鍋爐技術燃燒生物質(包括秸稈)已經在國外得到廣泛套用, 並有很好的商業業績。由於CFB 鍋爐結構的原因, 需要解決受熱面的磨損、循環物料平衡和物料結焦等問題。對中壓參數鍋爐, 其尾部受熱面布置需要認真考慮受熱面腐蝕問題。另外, 廠用電率高也是機組運行需要考慮的問題。
(2)水冷振動爐排鍋爐技術在國外也有很好的商業業績, 其關鍵部件是水冷振動爐排。
水冷振動爐排在國際上首次採用軟連結技術, 相對於常規硬連結對爐排進出口集箱的振動影響較小;爐排內介質為給水, 相同結構下水冷度大於水冷壁系統自然循環用水;爐排介質流動的動力來自給水泵, 同時設定有爐排專用鍋爐起動再循環管路, 確保鍋爐起動初期的水循環安全 。
套用實例
中電洪澤熱電廠DGJ75/3 .82-4 型75 t/h 秸稈直燃鍋爐首次採用水冷振動爐排。
1 鍋爐結構
爐膛底部布置水冷振動爐排, 爐排下部設定3 個獨立風室。爐膛是下大上小的結構, 下部由爐膛上部擴口而來, 斷面積較大, 為燃燒區域;爐膛上部斷面積較小, 為燃盡區域。在爐膛燃燒區域出口處側水冷壁處沿爐膛高度方向設定三排交叉二次風和燃盡風。爐膛頂部設定後屏過熱器, 出口布置拉稀管。爐膛上部出口前設定後屏低溫過熱器, 其頂部布置噴水減溫器。
第一煙道是煙氣下行煙道。煙道內布置屏式過熱器, 能夠有效防止飛灰搭橋。
第二煙道是煙氣上升通道。側牆和後包牆均為包牆管過熱器結構。煙道內布置蛇形管低溫過熱器。尾部豎井內由上至下依次布置蛇形管省煤器和臥式布置的管式空氣預熱器。
2 汽水系統
鍋爐給水引至省煤器進口集箱, 在省煤器中吸熱後, 去爐膛底部的水冷爐排進口集箱。經水冷爐排匯集到出口集箱, 再通過引出管進入鍋筒。在起動階段沒有建立起連續給水流入鍋筒時, 省煤器再循環系統可以將鍋水從鍋筒引至水冷爐排進口集箱和省煤器進口集箱, 防止省煤器系統管子內的水停滯汽化。
飽和蒸汽從鍋筒引出後, 由飽和蒸汽連線管引入蛇形管低溫過熱器進口集箱, 中間經過第一級噴水減溫後, 由低溫過熱器出口集箱引入爐膛上部的後屏過熱器, 通過換熱進入後屏過熱器出口集箱, 經過第二次噴水減溫後進入第一煙道的高溫過熱器, 最後合格的過熱蒸汽由集汽集箱單側引出。
3 送風系統
從送風機送入的冷風經過空氣預熱器加熱, 分為3 路進入鍋爐參與燃燒:第1路又分為2路, 1 路作為送料風, 由給料口與燃料一同進入爐膛, 另1 路作為播料風, 位於給料口的下部, 將燃料播撒進爐膛;第2 路由爐排底部經爐排進入爐膛, 爐排下部配風采用分風設計, 每個風室的風量可以獨立控制;第3 路通過分層布置在側牆的二次風口進入爐膛。
總結
中電洪澤熱電廠75 t/h 生物質發電機組於2007年12 月30 日成功通過72 +24 h 試運行, 鍋爐燃料適應能力廣, 變負荷能力強, 最大負荷可以達到80 t/h ,汽溫平穩, 調節性能好, 各項參數均達到和超過設計值。運行期間, 鍋爐排煙溫度約135 ℃, 未發現低溫腐蝕和堵灰現象。鍋爐燃燒稻殼時, 飛灰含碳量為9 .6 %, 大渣含碳量為12 .2 %, 機械不完全燃燒損失控制在較低水平。經折算後得出, 鍋爐效率為89 .36 %,高於設計值 。
