稻壳流化燃烧锅炉的研制

391稻壳流化燃烧锅炉的研制王小奇长沙锅炉厂摘要：本文介绍了SZF4—1.25—D型稻壳流化床锅炉的开发过程、该锅炉的结构特点，以及锅炉调试过程中出现的主要问题及改进措施，加媒体燃烧与不加媒体燃烧时锅炉设计的不同之处。关键词：稻壳流化燃烧锅炉1前言我国是世界上一个主要的大米生产国，稻壳是大米生产过程中的副产品，每年稻壳产量约5400万吨。由于合成饲料的发展，原来用作饲料的稻壳失去了市场。流化床燃烧对燃料的适应性好，可以燃烧稻壳，生产蒸汽发电或供热。稻壳的热值为12560kJ/kg左右，5400万吨稻壳相当于2300万吨标准煤或1600万吨燃料油。如将这些稻壳能利用起来，是农村一个很好的能源。1.1利用稻壳作燃料的好处(1)提高农村能源的自给性，减少对煤和石油能源的依赖。(2)水稻生长过程中光合作用吸收二氧化碳，稻壳燃烧过程中生成二氧化碳，这类生物燃料燃烧称为二氧化碳零排放。应用生物燃料，减少煤和石油的用量，对减少二氧化碳总排放量，减轻大气温室效应有好处。(3)对边远山区和无电网农村，利用燃烧稻壳发电可解决缺电问题，对促进这些地区的经济发展和脱贫致富有积极意义。(4)稻壳的S和N成分低，燃烧产物中SOx和NOx低，烟气不需经脱硫除氮措施即可直接排放，对大气的污染少。(5)稻壳价格较低，与燃煤、燃油相比，可降低燃料成本。1.2稻壳的流化特性稻壳表面多毛刺，外表不规则，属于难流化物质，其灰分较少、密度太轻而不易形成床料，稻壳容易飞出炉膛，床层厚度难于保证。1.3稻壳的燃烧特性（1）稻壳成分从表1看出，稻壳的挥发份极高，氮和硫成分的百分比都较低。392表1衡阳、武汉、常德及泰国稻壳成分元素成分(%)稻壳碳氢氧氮硫水灰热值(kJ/kg)可燃基挥发份（％）衡阳稻壳38.464.6833.920.470.0810.1412.321412279.03武汉稻壳34.104.2430.400.240.1412.9417.941230080.9常德稻壳35.934.5230.720.150.2012.9415.541163580.6泰国稻壳33.384.0035.000.220.039.0018.3711393（2）稻壳的燃烧特性有关资料⑴列出了稻壳灰在不同温度下燃烧后比表面积、孔容积，在850℃附近，稻壳灰的比表面积和孔容积均达到最大值。这就是说，在这个温度附近燃烧的化学反应表面积是最大的，这对燃烧反应是最有利的。燃烧试验还发现，当燃烧温度高于900℃时，稻壳灰容易形成碳—硅络合物，阻碍了燃烧的进行。这一点与煤的燃烧特性是有显著区别的。稻壳挥发份高达80%，在温度为277℃就能着火，其着火极其容易。当燃烧温度高至900℃时，稻壳灰有形成碳—硅络合物的特性，所以850℃左右是稻壳的最佳燃烧温度。稻壳燃料燃烧的显著特点是着火容易，燃烬难。2燃烧稻壳的流化床锅炉1990年，我厂与哈尔滨工业大学合作进行SZF4-1.25-D型锅炉的研制工作。由于当时产品主要是针对东南亚市场，我们遂以泰国稻壳为燃料进行设计。锅炉为双锅筒水管锅炉，采用D型布置，快装形式，燃烧方式为流化燃烧。2.1锅炉参数(1)额定蒸发量4000kg/h(2)工作压力1.25MPa(3)给水温度20℃(4)冷空气温度30℃(5)锅炉效率78％(6)燃料消耗量1224kg/h2.2总体设计由于上述稻壳的流化特性，担心纯稻壳不易流化，一开始，我们采用了媒体流化床燃烧技术，在床内加入石英砂，维持床层高度，保持一定的蓄热量，使新加入的稻壳能马上引燃。在炉膛上方还设置了有孔盖板，减少飞灰飞出量，尽量延长稻壳的燃烧时间。为保证稻壳的393燃烬，在炉膛的后部增加了一个旋风燃烬室，布置少量的受热面而维持较高的温度。考虑到稻壳飞出量比较大，炉膛未设置溢流口，床层厚度主要靠冷渣管放冷渣来调节。旋风燃烬室相当于一个炉内分离器，从燃烬室出来的灰大约占总灰量的60％左右。锅炉布置了上、下锅筒，从下锅筒引出的管子与右集箱和中集箱相连，构成炉膛和燃烬室的受热面。在密相段，该管子向外弯出构成竖埋管；在悬浮段，该管子倾斜进入炉膛，上面放置有孔盖板。炉膛出口设计成一长方形烟窗，使烟气切向进入旋风燃烬室。燃烬室烟气出口设置在左侧隔墙的正中间，烟气从此出来进入上、下锅筒间的对流排管，之后进入省煤器、除尘器，经引风机、烟囱排入大气。考虑到东南亚国家的安装水平，锅炉采用了快装结构，锅炉本体、钢架、燃烧设备、炉墙保温在工厂组装于一体，送料机构、风箱风管、平台扶梯、省煤器和各种辅机在现场组装。2.3炉膛的设计流化床为平布风板，布置有两种风帽，开有较大的小孔风帽放在床的四周，以避免出现死料区；为防止稻壳飞出过快，布风板面积设计得比较大，与炉膛截面积(1.82m2)相差不大，垂直段和扩散段很短。选用堆集密度为1300kg/m3的石英砂作为中间媒体。流化床的设计按石英砂的特点进行，其临界流化速度为0.824m／S，床温下的流化速度为2.65m/s，流化数为3.2。密相段的高度为600mm，布置了3.36m2的受热面，床温为878℃，由于床料粒子的直径较小，其传热系数并不低，达351w／m2*℃。稀相段布置了5.14m2的受热面，出口烟温为952℃。2.4燃烬室设计燃烬室的正剖面设计成近似圆形，让烟气在燃烬室内环绕烟气出门旋转，飞灰粒子甩向炉壁，跌到下部灰斗里。燃烬室的温度约为940℃，布置了5.54m2的受热面。稻壳灰比较轻，互相之间又容易搭桥，时间久了会结焦，因此，燃烬室下部应尽量设计大一些并保证密封性，将灰及时运走。2.5对流受热面及省煤器锅炉布置了93.24m2的对流管束受热面和78.48m2的省煤器受热面。为防止磨损，两处的烟速都取得较低。2.6锅炉调试情况简介第一台稻壳锅炉于1993年8月安装在湖南省衡阳市某国家粮食储备库。在实际运行过程中，由于石英砂较难找到，我们采用了河砂。将河砂洗干净后，晒干，用筛网筛成0.5～1mm粒径，用铲子均匀洒在床上，用鼓风机将其吹平，进行完冷态试验后将稻壳送入炉膛，用耙子耙平，砂子和稻壳厚度均为200mm。干稻壳很容易点燃，只需将几张旧报纸点燃置于炉膛内，开启小的鼓风量引燃稻壳，然后慢慢加大风量，直至正常流化运行。刚开始，河砂和稻壳在床内流化非常理想，但过了394几个小时后，河砂便开始熔化，结块，不能维持正常运行。在当时，我们找不到石英砂，我们就决定用纯稻壳试烧一下。在试验过程中，我们发现，不加媒体，稻壳也能流化起来，不过需要的风量要比预料的要大一些，调节起来比较困难，需要一定技巧，操作不好，稻壳也有可能结焦，要用耙子耙松。与有河砂时相比，这时从燃烬室出来的灰比较黑，没有将稻壳燃烧干净。由此可以发现，不用媒体稻壳也能流化，关键是如何选择流化风速，使稻壳在炉内有足够的停留时间，让它燃烧干净。根据有关资料⑴，在冷态情况下，纯稻壳、稻壳和石英砂的混合物均能流化。纯稻壳作床料的流化区间较窄，约为0.5～0.8米/秒；稻壳和石英砂作床料的流化区间为0.8～1.5米/秒，比纯稻壳的宽。考虑到媒体难以找到，我们决定将原锅炉改成烧纯稻壳的锅炉。2.7重新设计(1)经过多次试验，在冷态下，把稻壳的临界流化速度测出来。料层厚度h=123mm时，测定结果如下：当鼓风机频率为25Hz时，床层开始流化。料层厚度h=231mm时，测定结果如下：序号鼓风机频率Hz差压mmH2O流量m3/h风箱静压mmH2O空截面速度m／s110827455221510306962320163882854252750431300.845303557421900.966355068632551.14当鼓风机频率为25Hz时，床层开始流化。(锅炉鼓、引风机上装有变频调节器，锅炉调节靠调节电源频率来调节风压、风量)可以看出，料层开始流化时的频率均在25Hz左右，由此可以计算出稻壳的临界流化速序号鼓风机频率Hz差压mmH2O流量m3/h风箱静压mmH2O空截面速度m／s110521702221510306950320184117874252750431200.845303859831881.006355169312551.15395度约为0.84m/s。为了让稻壳能正常流化，并尽量燃烬，我们将布风板面积减小，将其高度尽量下移，留出200mm的垂直段高度，保证流化床的流化速度在3.6m/s左右，同时在风帽设计上增加床内的横向扰动。(2)由于本锅炉采用快装形式，炉膛结构受到限制，为了延长稻壳的停留时间，我们在悬浮段上面设置了小孔盖板，这次修改时，我们将盖板上的小孔直径减小，数量并不增加；将给料机上部的二次风口加大，从4个32mm的管子改成4个φ45mm的管子，加强炉内的烟气扰动；尽量将进料口下移，弥补炉膛高度的不足；将燃烬室加长600mm。(3)加大燃烬室的出灰口截面，并设置灰渣冷却器。灰出来后可以用水力输送或者经飞灰锁气器后用绞龙输送。2.8锅炉改进后的运行由于第一台稻壳炉的用户将燃料改成了烧煤，无法再进行试验，锅炉改进后的调试在国外进行。1994年7月，我厂的第二台稻壳炉出口到泰国，并进行了为期一个月的安装指导和调试工作。按我们的要求，锅炉配备了自动进料，自动出渣，鼓、引风机变频调节等装置，锅炉操作相当简单、方便。该国大米厂的用水一般取自河水，泥砂多，含氧高，硬度也很大，要经过至少三级处理才能达到锅炉使用要求；其蒸汽主要用来推动蒸汽机碾米，另外少量用于蒸制谷子，使湿谷子的温度达到规定要求，湿谷子可以用蒸汽烘干，也可以专门的烘干炉烘干。锅炉安装完后，首先进行了冷态试验，发现布风不均匀，即在风箱中加了可调的空气导向板，再进行冷态试验，直到布风均匀为止；给料机给料量试验和鼓风机风量试验也同时进行。然后，锅炉开始点火，试运行。锅炉运行的结果表明，稻壳在流化床内不加媒体完全能正常流化，燃烧也比较理想，负荷调节范围较宽，蒸汽压力可以精确控制。所产蒸汽能满足外方的要求，外商对此非常满意。3锅炉特点(1)采用快装结构，将锅炉本体、燃尽室、布风板、本体钢架和炉墙保温等做成一个整体，大大缩短了安装周期；(2)采用床内循环流化燃烧技术，使稻壳这种表面多毛刺，极不光滑，粒子之间容易卡涩，流动性很差，不易流化的粒子，能够稳定燃烧；(3)采用较低的热态流化风速,降低密相区受热面的磨损；(4)炉膛上部设置多孔盖板，使烟气上升速度均匀并有效减少烟气携带粒子量；(5)炉膛出口设置旋风燃尽室，进一步提高燃烧效率及减少飞灰量；(6)对流管束采用较低的烟气流速和采用铸铁省煤器，以适应稻壳灰含硅量高的特点，396减小飞灰对受热面的磨损，提高锅炉的使用寿命；(7)锅炉外形美观，占地面积少；体积小，水容积少热惯性小，大大减少了锅炉启动、停炉时间，节省了燃料和电力的消耗；(8)采用螺旋给料机在正压区给料，燃烧效率高，漏风系数小，环境卫生好；(9)配备锅炉水位自动控制，高、低限水位报警，极低水位自动停炉保护；超压自动停炉保护；启、停鼓、引风机自动顺序保护等实用控制功能，操作简单，锅炉安全有保障；(10)采用流化燃烧技术，锅炉负荷调整范围宽（25％～110％额定负荷），调节灵活，运行稳定；(11)炉额定负荷测试热效率达79.3％，达到了同类产品的先进水平，高于现有的链条炉排燃烧稻壳锅炉，每年（按7200小时运行计算）可为用户节约燃料3000吨；(12)锅炉房噪声测试值低于85分贝；烟囱排放烟气含尘量为146mg／Nm3；烟气黑度（林格曼）小于1级，环保指标均符合国家标准规定的二类地区的要求；(13)流化低温燃烧，保持了灰的活性，提高稻壳灰提炼硅的质量。4稻壳锅炉市场的预测东南亚一些国家稻谷产量高，且工业不太发达，其大米厂一般还是用蒸汽驱动原始的蒸汽机进行大米加工，一个日产100吨大米的公司需要一台4吨／时锅炉，这样的厂家大约有数千家之多，可以想象其巨大的市场前景。而且，在我国，稻壳还未曾真正作为燃料利用起来，一旦农村经济迅速发展，稻壳锅炉在我国必将得到极大的推广。参考文献：[1]《流化床燃烧技术的工程应用》华中理工大学刘德昌中国电力出版社1999年1月,第一版[2]JB/DQ1060-82《