生物质直燃锅炉

1生物质直燃锅炉讲义浙江旺能环保股份有限公司周玉彩2011-8-52生物质直燃发电厂主要有以下系统组成：1、燃料收集储运系统2、轻油点火系统3、燃烧系统4、热力系统5、除灰渣系统6、化学水处理系统7、电气及输出系统8、给排水系统9、废水处理系统10、烟风及净化系统11、接入系统等。第一章生物质的概述一、生物质的定义和资源状况广义的生物质能包括一切由植物光合作用转化和固定下来的太阳能，生物质作为生物质能的载体有许多种定义，美国能源部（DOE）把生物质定义为：生物质是来源于植物和动物的有机物质。生物质资源十分丰富，目前全球每年水、陆生物质产量约为全球总能耗量的6～10倍左右。据统计，生物质资源潜力可达100亿吨，仅森林、草原和耕地这三项的产量就达50亿吨干生物质，相对于20亿吨标准煤。我国可以开发利用的生物质能源有：各种农业废弃物（秸秆和谷壳等）、薪柴、林业废弃物（树叶和枝桠等）、有机垃圾和人畜粪便等。统计表明，我国秸秆、薪柴、粪便和垃圾四项资源分别为3.08、1.3、0.77和1.43亿吨标准煤，总计约6.58亿吨标准煤。根据“九五”规划，我国薪材林面积应达到650万公顷，到2010年将达到860万公顷。二、生物质的种类和特点一般而言，生物质主要有三类：木质、非木质和动物粪便。从这三大类可以细分为七种：森林、农业的种植物（木质）、森林之外的树木（木质）、农作物（非木质）、庄稼的废弃物（非木质）、加工过程的废弃物（非木质）和动物粪便（粪便）。通常用作能量转化的生物质可以分为四大类：木材残余物（涵盖所有来源于木材和木材产品的物质，主要包括：燃料木材、木炭、废弃木材和森林的残余物）、农业废弃物（所有与种植业和庄稼处理过程有关的废弃物。例如：稻谷壳、秸秆和动物的粪便）、能源庄稼（专门用于能量生产的庄稼。如：甘蔗杆和木薯）和城市固体垃圾（MSW）。生物质的组成成分包括：纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、单糖、淀粉、水分、灰分和其它化合物。每一种组分的含量比例是由生物质种类、生长时期和生长条件等因素决定的。与化石燃料相比，生物质具有以下特点：3（1）生物质是一种二氧化碳零排放的能源资源（利用转化过程中排放的二氧化碳量等于生长过程中吸收的量），可以在提供能源的同时而不增加二氧化碳排放量；（2）生物质的硫（0.05﹪～0.5﹪）、氮（0.2﹪～1.5﹪）灰分（2﹪～8﹪）含量少，在利用转化过程中可以减少硫化物、氮化物和粉尘的排放；（3）生物质的挥发份（75﹪～85﹪）含量大（折算挥发份约为烟煤的六倍以上），氧含量高，有利于生物质的着火和燃烧；（4）生物质的水分(进厂要求＜20﹪）含量大，影响着火和燃烧的稳定性，同时在燃烧时造成大量的能量损失，并且可能引起燃料储存问题；（5）单位质量生物质的热值低（3000～3500kcl/kg），要求能量转化设备有足够的空间投入原料；（6）生物质的分布分散，能量密度低(按＜20﹪H2O，棉花堆放密度200～350kg/m3、玉米秸120～200kg/m3)收集运输和预处理过程（例如粉碎、压缩成型和干燥）费用高(购置费200,运输破碎150元/t)。（7）生物质具有可再生性，原料具有多样性和广泛性，资源开发潜力大。三、生物质的直接燃烧发电转化方式生物质的直接燃烧发电的过程是：生物质与过量空气在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，生物质的化学能转变产生出高温高压蒸汽热能在汽轮机中膨胀做功将热能转换成旋转机械能带动发电机旋转发出电能。四、生物质的燃烧过程1.生物质燃烧的总体方程式燃烧是包含有传热和传质过程，并且伴随有化学反应和流体流动的一种综合现象。对于任何一种生物质燃料在空气中燃烧时的综合反应，可以用以下方程式表示：OHnTiAlFePNaMgCaKSiClSNOHCxxxxxxxxxxxxxxx2115141312111098765432148726252423222)76.3)(1(CHnCOnNnOnOHnCOnNOen......15421413122112109CnSOKnKClnHClnSOnNOnNOn（1）其中第一个分子式表示任一种生物质燃料，这个经验分子式中只包含了154种元素，实际上这是近似处理，完整的生物质组分还应包含更多的元素。第二个分子式表示的是燃料中的水分，但是其数值变化很大。第三个分子式表示的是空气，它是按氧气和氮气分别占总体积的21%和79%的混合物来表示的。方程式的另一边是反应生产物，主要生成物是那些在式中首先表示的物质，生成物中有些化合物是大气的污染物（如：CO、N和S的氧化物），同时有些生成物（如：碱金属的氯化物和硅酸盐等）会导致燃烧设备的积灰和结渣问题。2.生物质燃烧的基本过程由于不同种类的生物质在化学组成成分和物理特性上有差别，所有它们的燃烧过程是有些不同。但是一般认为，生物质的燃烧通常可以分为三个阶段，即预热起燃阶段、挥发分燃烧阶段、炭燃烧阶段。（1）预热起燃阶段在该阶段，生物质（湿物料）被加热，水分逐渐蒸发后变为干物料。当生物质被加热到160℃时（要求：一次风温190℃），开始释放出挥发分。挥发分的组成为：二氧化碳、一氧化碳、低分子碳氢化合物（如：甲烷、乙烯等）、还有氢气、氧气和氮气等气体。挥发分中的氢气、低分子碳氢化合物和一氧化碳是可燃成分，二氧化碳和氮气是不可燃成分。（2）挥发分燃烧阶段生物质经加热所释放出的挥发分在高温下开始燃烧，同时释放出大量热量，由于挥发分的成分比较复杂，其燃烧反应也比较复杂。几种主要挥发分气体的燃烧反应方程式如下：（氢气）OHOH22221（引燃点570℃）（一氧化碳）2221COOCO（引燃点610℃）（甲烷）OHCOOCH222422（引燃点538℃）（乙烯气）OHCOOHC22242323（引燃点425℃）（乙烷气）OHCOOHC2226232213（引燃点472℃）（3）炭燃烧阶段5挥发分在燃烧初期将固定碳包裹着，氧气不能接触到炭的表面，因而炭在挥发分的燃烧初期是不燃烧的，经过一段时间以后，挥发分燃烧结束，剩下的炭与氧气接触并发生燃烧反应。炭燃烧时的反应方程式如下：COCOOC223422OHOH22222COCCO2222HCOOHC对于生物质燃烧的基本过程的认识：生物质的水分对燃烧过程影响很大，甚至主宰整个燃烧过程，所以将水分的干燥作为一个独立的过程，并将生物质燃烧的基本过程分为三步：生物质脱挥发分、挥发分燃烧和炭的燃烧。3.影响生物质燃烧的因素影响生物质燃烧的因素有很多，其中燃料的水分含量、空气供给量、燃料的颗粒尺寸和反应时间是主要因素。下面具体分析它们对燃烧过程的影响：（1）水分含量燃烧反应是放热反应，而水分的蒸发却要强烈地吸收热量。大多数生物质燃料自维持燃烧要求燃料中的水分含量不超过65％（湿基下的质量百分比值），如果超过这个值，则燃烧过程释放的热量不能满足水分蒸发所需的热量，会导致燃烧反应的结束。实际上，当生物质的水分含量超过50～55％（湿基下的质量百分比值）时，就需要加入辅助燃料来助燃。（2）空气供给量所有的燃烧反应都是燃料与空气中的氧进行的，所以空气供给量决定着燃烧反应的过程。如果空气供给量太小，燃烧反应进行得不完全。而如果空气供给量太大，则加热空气需要热量，结果会导致燃烧温度的降低，使燃烧的稳定性变差。因此要确定一个最佳的过量空气系数，保证燃烧稳定和完全彻底地进行。一般情况下，过量空气系数值在1.2～1.7之间。（3）燃料颗粒尺寸燃烧反应一般是在燃料颗粒的表面进行，如果颗粒表面大的话，这样就会有利于燃烧反应的进行。燃料颗粒尺寸决定着参与燃烧反应的颗粒总表面积，颗粒尺寸越小，则燃料颗粒的总面积就越大。因而，燃料颗粒尺寸小一些（要求≤100㎜），有利于燃烧反应的进行。（4）反应时间6燃料的燃烧是一种化学反应，凡是化学反应，均需要一定的时间才能完成。因此，足够的反应时间是燃料完成燃烧反应的重要条件之一。第二章燃生物质振动炉排锅炉的结构生物质直燃发电技术与常规火力发电技术的区别主要有两点，同时也是两大技术难点，一是：燃烧设备，二是：上料系统。生物质的燃烧设备主要有：堆状燃烧锅炉、炉排式燃烧锅炉、悬浮燃烧锅炉和流化床燃烧锅炉。目前，生物发电有限公司基本采用从丹麦BWE公司引进的燃生物质振动炉排锅炉的，该技术在国外被广泛应用，有成功的运行经验。在国内已经建成和投运的130t/h的燃灰色秸秆锅炉机组，且目前运行良好。下面将重点对130t/h高温高压、燃灰色秸秆、水冷式振动炉排锅炉进行详细的介绍和说明。第一节概述1.1锅炉概述以：130t/h燃生物质振动炉排锅炉为例。锅炉采用生物燃料燃烧技术的130T/H振动炉排高温高压蒸汽锅炉。锅炉为高温、高压、自然循环、单锅筒、平衡通风、室内布置、固态排渣、全钢焊接构架、底部支撑结构的锅炉。包括振动炉排及4个烟气回程。锅炉安装在锅炉基座上。前3个回程的水冷壁及炉排水冷壁共同组成了锅炉的蒸发系统。这些水冷壁包围并形成了布置过热器的封闭空间。求：该生物质直烧锅炉发电厂装机容量？设计点电功率（Ps）公式Ps=(Qs×Gr×1000×0.22×1)/24×3600式中：Qs—垃圾低位热值设计值，kj/㎏,；Gr—垃圾焚烧发电厂日处理垃圾量，t/d；0.22—该垃圾焚烧发电厂的热效率；24—24小时；1—小时；3600—秒7Ps=(19750×24.948×1000×0.22×1)/3600=30111.85KW=30MW。与单级凝汽式汽轮机组相匹配（30MW）。设计燃料为用玉米和小麦秸秆，采用前墙给料。锅筒内设置档板，档板位于水－蒸汽连接管的上方，下降管位于底部，用于水循环的供水，汽水分离器位于顶部，用以保证干燥的饱和蒸汽被输送至过热器。锅筒通过左右两根下降管向左右两侧水冷壁下集箱和烟井2后墙水冷壁下集箱供水，并分配到炉排水冷壁下集箱和烟井3后墙水冷壁下集箱内，通过两侧水冷壁以及炉排水冷壁、前水冷壁和烟井2、3后墙水冷壁的吸热上升到上集箱最后进入锅筒。在锅炉第3回程中，过热器是管束卧式布置；在第1回程及第2回程中，是屏式垂直布置。第一级过热器及第二级过热器在第3回程中，第三级过热器在第1回程即炉膛的上部，第四级过热器位于第2回程中。减温器安装在每级过热器之间。减温器带有喷嘴，用于喷水。喷水来自于给水管路。减温器的功能在于根据负荷的变化调节过热蒸汽的温度以满足汽机的要求。过热蒸汽流经四级过热器和三级减温器后由主蒸汽管道引向汽轮机。在主蒸汽管道内设有安全阀和启动放汽阀，并有一条通往吹灰器减温减压站的管路以提供吹灰汽源。省煤器、烟气冷却器安装在省煤器－烟气冷却器塔内，在锅炉中形成第4个回程。锅炉这个部分没有水冷壁。省煤器和烟气冷却器是由方形鳍片蛇形管组成。省煤器位于第四回程的上部，分为两级。烟气冷却器位于省煤器的下方，分为五级。空气预热器单独立式布置在炉外，空气预热器是由一组圆形鳍片蛇形管组成。空气预热器是通过给水与冷空气的热交换，来加热空气的。1.2给料系统黄色秸秆锅炉的给料系统由储料仓链式输送机、分配链式输送机、分配小车以及炉前给料装置组成。由于黄色秸秆的特殊性，送到给料系统的黄色秸秆应该是打包的，每包秸秆8的规格为1.5m×1.3m×1.2m和2.0m×1.2m×0.9m两种，每包重量为300－500Kg。储料仓链式输送机位于储料仓内，分别由5条长输送链单元组成，每个单元由一台电机驱动并包含一套张紧装置。输送链上的料包由分布在输送链内的料包驱动齿拨动料包往前输送。在储料仓链式输送机的末端（储料仓外），连接着2套水平布置的分配链式输送机，其传输形式及驱动方式同储料仓链式输送机，2套分配链式输送机成Y形分开，夹角约2.7°。分配链式输送机将料包分别配送到位于分配链式输送机末端的分配系统中。料包传输的速度约为10m/min。分配系统共有2台分配小车，每台小车负责将每个单独的料包传输给下级的2条炉前给料装置上，如果一台分配小车发生故障，另一台分配小车能满足锅炉额定负荷下的全部给料量需求。炉前给料装置设