吳建飛
摘要: 就中國石化潤滑油有限公司武漢分公司生物質鍋爐系統設計改進, 注意事項等進行合理性分析, 結合數次鍋爐改造的試驗性數據, 提出鏈條爐排鍋爐燃用生物質顆粒燃料的合理化設計方案. 結果表明: 在鏈條爐排燃用生物質顆粒時須採取相應改進措施以提高熱效率, 杜絕安全事故, 減輕堿金屬的影響.
生物質燃料是世界上公認的清潔能源, 其作為煤, 油等化石燃料的替代品之一成為新的能源是必然趨勢. 目前很多國家的中小型工業鍋爐都在使用生物質顆粒燃料, 我國尚在起步階段, 以鏈條爐排鍋爐為主要型式. 由於生物質顆粒燃料與煤的燃燒特性差異, 傳統的鏈條爐排鍋爐在爐膛結構與操作工藝必須加以改進. 本文試從中國石化潤滑油有限公司武漢分公司用於調合加熱的生物質顆粒燃料鏈條爐排鍋爐在沒計和使用過程中的系統設汁, 實測數據和結構改造做以下幾個方面的分析探討.
1生物質鍋爐系統設計
1.1生物質顆粒燃料上料系統設計
生物質顆粒燃料是有農作物秸杆, 木質碎料加工而成, 具有一定的破碎率, 在運輸, 搬運過程中難免會產成一定量的碎屑, 此種碎屑由於密度較小, 極易飄散. 在上料系統設計中, 採用了自動上料系統, 並將上料系統完全封閉, 避免碎屑飄散以及與人員接觸. 將鍋爐料鬥加人, 降低上料系統工作頻率. 同時使用翻板紿料, 利用翻板和煤閘門將鍋爐爐膛與料鬥隔絕, 防止料鬥因溫度過高而著火. 翻板採取變頻控制, 對給料量進行精準控制.
1.2除塵系統設計
由於今年來國內環境惡化, 霧霾嚴重, 環境保護部將鍋爐排放標準一再提高. 目前的除技術中, 最為可靠的技術是採用布袋除塵, 可以將煙塵排放量控制在30mg/ m 3, 滿足國內排放標準. 但布袋對於火星, 溫度, 含氧量等要求較高, 在進行除塵系統設計中, 須採取以下措施: (1)在鍋爐和布袋除塵器之間採用多管旋風除塵, 杜絕火星進入布袋除塵器; (2)布袋的材質採用三防布料, 布袋腹膜提高溫度, 含氧量耐受度; (3)增加省煤器換熱面積, 降低鍋爐排煙溫度; (4)加大鍋爐引風機, 提高風機全壓, 採用變頻控制, 以抵消兩級除塵, 省煤器換熱面積增加, 布袋材質要求提高等導致的阻力增加.
1.3供水及其他系統設計
生物質顆粒燃料鍋爐在供水, 送風, 排煙, 取樣等系統設計中與燃煤鍋爐基本類似, 可以完全按照燃煤鍋爐的輔助系統進行設計. 但由於生物質顆粒燃料燃燼後的灰渣密度較煤渣偏小, 出渣系統只能採用上刮板除渣器.
2生物質顆粒燃料的燃燒特性
生物質成型燃料在燃燒過程中有以下特性: (1)揮發份在350攝氏度時就析出約80% , 析出及燃燒時間短, 只佔整個燃燒過程時間的10% 左右; (2)只有合適的空氣供給方式, 嚴格控制空氣供給量, 供給區域, 供給方式, 才能使燃料燃燒充分; (3)高密度顆粒燃料較低密度顆粒燃料相比, 在燃燒過程中的燃燒速度相對平穩. 粒度均勻的顆粒燃料, 相對而言燃燒工況也更平穩一些, 更易於控制; (4)顆粒燃料的燃燒主要是揮發份的燃燒, 通風量大使爐膛溫度降低, 揮發份析出速度相對平穩, 同時較低的爐膛溫度可使氮氧化物的排放降低; (5)生物質顆粒燃料本身的灰分中含有ca, Na, K等元素, 這些元素在燃燒過程巾容易形成渣層, 且灰的軟化溫度較低, 與煤相比生物質顆粒燃料的灰熔點較低, 易結渣.
3生物質鏈條爐排鍋爐爐膛結構的改進
3.1爐膛容積
鏈條爐排鍋爐是層燃鍋爐, 在用於燃燒生物質生物質顆粒燃料後, 由於生物質燃料中的揮發份佔比較大, 在某種程度上變成了室燃鍋爐. 根據我國工業鍋爐專家的推薦, 層燃鍋爐爐膛容積熱負荷一般為230~ 350KW/ m 3, 而小型室燃鍋爐爐膛容積熱負荷一般要求為140~ 260KW/ m 3. 鑒於此, 在設計時爐膛容積熱負荷應設定為180KW/ m 3. 因此爐膛容積需增加30% .
3.2爐膛結構
由於生物質易燃且易燃燼的特點, 須對爐膛內部結構作出以下改進: (1)壓低前拱, 減少輻射受熱預熱, 最理想的方式是基本不沒前拱, 用厚爐前牆代替前拱, 這樣不僅可以最大程度減少輻射受熱, 還可以將著火部位盡量遠離料鬥, 防止火焰反燒至料鬥引起事故; (2)後拱延伸至爐膛1/ 2處, 減少過量空氣的無燃燒溢出, 降低排放濃度; (3)提高爐膛高度, 增加30% 高度, 同時也增加了輻射受熱面積; (4)減少爐排長度, 以減少不必要的爐排機械故障; (5)增加對流受熱面積, 提高熱效率.
4燃用生物質顆粒燃料鍋爐熱損失的分析與改進方案
4.1固體不完全燃燒熱損失
一般情況下, 固體不完全燃燒熱損失, 隨著爐膛過量空氣係數的增大而逐漸減少, 當達到一定值後, 隨著過量空氣係數的增大, 固體不完全燃燒熱損失又會隨之增大. 過量空氣係數應控制在1.5左右為宜. 此時固體不完全燃燒熱損失在3% 左右.
4.2氣體不完全燃燒熱損失
氣體不完全燃燒熱損失與固體不完全燃燒熱損失類似, 在過量空氣係數為1.5左右時, 只有1% 左右.
4.3散熱損失
散熱損失主要取決於鍋爐散熱表面積大小及表面溫度, 生物質鍋爐在正常使用過程中爐膛溫度應控制在900~ 1000攝氏度, 同時做好鍋爐保溫, 外表面溫度不超過45攝氏度.
4.4排煙熱損失
排煙熱損失主要取決於排煙量以及排煙溫度, 減少排煙量以及降低排煙溫度有助於減少排煙熱損失.
4.5改進方案
(1)鼓風機, 引風機採用變頻控制, 將鍋爐過量空氣係數控制在1.5左右; (2)增加對流受熱面積以及省煤器換熱面積, 降低排煙溫度; (3)做好鍋爐保溫, 減少散熱損失;
5生物質顆粒燃料鍋爐潛在安全隱患分析與改進措施
5.1爐膛客積熱負荷變化引起的安全隱患
工業鍋爐使用中, 爐膛容積熱負荷時燃燒設備的主要特性參數值之一. 對於層燃爐而言, 爐膛容積熱負荷只是一個控制性的指標. 但是對於室燃爐而言, 爐膛容積熱負荷影響著燃料在爐內的停留時間和爐膛出口溫度. 爐膛容積熱負荷取得過高即爐膛容積設計得過小, 燃料就來不及燃燼就排出爐膛, 過小的爐膛容積還會使受熱面的布置產生困難, 減小爐內的輻射換熱量, 導致爐膛出口溫度過高. 爐膛出口溫度過高, 煙氣量增加, 流速過快, 熱交換加強是鏈條爐排鍋爐燃用生物質顆粒燃料時導致安全隱患的主要因素. 由於生物質燃料實際燃料消耗苗和產生的煙氣量較礦石燃料多, 對鍋爐受熱面的沖刷, 擾動, 強化r局部受熱面熱交換. 鏈條爐排鍋爐運行時, 後管板經曆著高溫煙氣的輻射, 對流和熱傳導的複雜過程, 後管板的熱交換加強, 溫度過高, 若後管板加工_[藝不滿足要求, 即會引起鍋爐後管板高溫側超溫而產生滲漏事故.
5.2預防改進措施
(1)增加鍋爐容積, 降低鍋爐容積熱負荷, 建議設計取180KW/ m 3; (2)增加爐膛內輻射受熱面積和對流受熱面積, 建議較燃煤鍋爐增加30% ; (3)增加二次風, 減小一次鼓風量.
6生物質燃燒過程中的堿金屬問題研究
6.1生物質燃料組分特點
生物質燃料的一般特點: 乾燥無灰基揮發份高(60% ~ 80% ), 灰分低. 生物質幹物質中的元素組成有碳, 氫, 氧, 氮, 硫, 磷, 鉀, 鈣, 鎂, 鈉, 矽, 氯等. 其中金屬元素鉀, 鈣, 鎂, 鈉含量較高, 性質活躍. 這些元素在高溫下極易生成KCl, NaCI, NO x, HCI等物質, 都是不利於燃燒的有害因素, 是在生物質熱化學轉化利用過程中導致結渣, 積灰和腐蝕的主要物質.
6.2相關元素轉化過程及影響因素
在生物質燃燒或氣化過程中, 生物質中堿金屬物質最終只有少量留在灰中, 它們以矽鋁酸鹽形式存在於堿金屬化合物中, 都有很高的熔點; 水溶性或以離子形式存在的堿金屬一般都要從生物質中揮發出.
在不同溫度下, 鉀, 鈉, 氯和硫可能相互反應生成不同的物質. 反應溫度, 壓力和過量空氣係數會對堿金屬析出有一定的影響.
6.3生物質中堿金屬所引起的問題
生物質堿金屬析出會有鍋爐產生以下影響: (1)增加腐蝕; (2)增加結渣量, 導致灰量增加, 降低熱效率.
6.4減輕堿金屬不良影響的措施
由於國家環保政策, 對於生物質成型燃料摻燒等方式是不符合國家政策要求的, 減輕堿金屬不良影響的措施只能降低燃燒溫度, 控制過量空氣係數在1.5左右.
7結束語
(1)生物質鏈條爐排鍋爐上料系統應採用全封閉自動上料, 杜絕粉塵對工作人員的傷害; (2)採用旋風奪管除塵+布袋除塵系統, 滿足新的鍋爐排放標準的同時, 降低布袋破損的機率; (3)生物質鍋爐除渣器應採用上刮板除渣器; (4)生物質鏈條爐排鍋爐推薦設計採用爐膛容積熱負荷180KW/ m 3. 增加爐膛高度30% , 增加輻射受熱面積30% , 對流受熱面積相應增加; (5)鼓風, 引風機使用變頻控制, 在運行中保證過量空氣係數在1.5左右; (6)控制爐膛溫度在900攝氏度左右, 杜絕後管板出現滲漏事故以及減少堿金屬對鍋爐運行的影響.
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