[科普中国]-生物质水冷振动炉排锅炉

简介

生物质水冷振动炉排锅炉结构：炉膛底部布置水冷振动炉排, 炉排下部设置3 个独立风室。炉膛是下大上小的结构, 下部由炉膛上部扩口而来, 断面积较大, 为燃烧区域;炉膛上部断面积较小, 为燃尽区域。在炉膛燃烧区域出口处侧水冷壁处沿炉膛高度方向设置三排交叉二次风和燃尽风。炉膛顶部设置后屏过热器, 出口布置拉稀管。炉膛上部出口前设置后屏低温过热器, 其顶部布置喷水减温器1。

秸秆燃烧锅炉的技术难点秸秆是一种清洁的可再生资源, 是生物质燃料的一种, 具有CO2 “零排放”的特性。但是, 秸秆氯元素含量高, 灰渣中钾、钠成分高, 熔点低, 锅炉运行中容易造成结渣、腐蚀和堵灰。因此, 燃用秸秆的锅炉需要解决炉前燃料输送、破碎、储存、防火以及锅炉本体的结渣、堵灰、腐蚀等问题。

1 输送、破碎

目前秸秆的输送和破碎主要有4 种方式:

(1)在收购站将秸秆破碎之后再运至电厂, 此方式可保持电厂环境清洁, 但是运输成本较高;

(2)在收购站打包, 运送至电厂料场堆放, 在入炉前破碎, 此方式运输成本相对较低, 但需要注意料场防火;

(3)不破碎, 在收购站打包后运送至电厂直接入炉, 此方式对锅炉燃烧技术要求极高, 燃料入炉后不易烧透, 会增加机械不完全燃烧损失;

(4)将秸秆压块, 将松散的秸秆压成颗粒状, 其能量密度可增10 倍左右, 大幅度降低运输和存储成本。目前, 国内外常用第2 种方法。

2 低灰熔点结焦

同传统燃料相比, 秸秆燃烧的低灰熔点问题尤其突出(某些秸秆灰熔点变形温度约为650 ～ 700 ℃)。对此, 可从以下几方面解决:

(1)水冷振动炉排与纯风冷的炉排相比, 冷却效果更佳, 更适合生物质燃料的燃烧。水冷振动炉排具有自拨火功能, 落在炉排上燃烧的秸秆能够随着振动频率和振动周期进行翻滚, 防止外部生成的焦炭互相搭桥、结渣、粘结在炉排面上。炉排面积热负荷可达3200 W/(m2 /h)。

(2)对于强结焦性秸秆, 应该选取较低炉膛容积热负荷。由于采用分段送风技术, 炉膛断面热负荷可以达到1 700 kW/m² , 炉膛容积热负荷可达140 kW/m³ 。

(3)生物质燃料的燃烧属于扩散燃烧, 燃烧温度较低, 其燃烧速度主要取决于氧气到达碳粒表面的速度。因此, 送风应具有一定的刚度, 同时考虑在炉膛下部尽可能形成风帘, 加大风与碳粒的接触面积, 增加秸秆在炉膛的停留时间。为防止结焦, 送风地点不宜过分集中, 风口的布置和送风方向应保证与之发生燃烧反应的燃料所释放的热量不足以产生结焦现象。

3 堵灰

生物质燃料的灰量按质量计不高, 但是由于比重轻, 所以体积大。在锅炉尾部, 烟气温度较低, 灰中含有Cl 、S 、K 、N a 等元素组成的复杂混合物, 具有较强的粘结性和腐蚀性, 一旦粘在金属表面就容易产生腐蚀。因此, 尾部受热面的设计可考虑采用屏式布置形式, 此时烟气尽管速度较低, 但是由于节距过大, 所以灰无法搭桥, 不易产生堵灰。

4 高温、低温腐蚀

秸秆的高温腐蚀主要与Cl2 和HCl 有关。金属表面在氧化环境中会形成一层Fe3O4 氧化膜, 可以对金属起到防止氧化反应向金属纵深发展的保护作用。但是, 由于Cl2 和HCl 的存在, Cl 元素在整个反应链中起到催化剂的作用, 具体化学反应式如下:

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 。

金属剥落层表面的金属氯化物与氧气发生如下反应:

3MC l2(g)+2O2(g) M3O4(s)+3Cl2(g)

2MC l2(g)+(3/2)2O2(g) M2O3(s)+3Cl2(g)

由此可见, 气态氯在几乎没有消耗的情况下不断将金属由金属表面传递到氧气分压力高的剥落层表面。同时, 还伴有碱金属氯化物的硫酸化与金属氧化膜直接反应等一系列的化学反应。其腐蚀反应式如下:

4M(s)+3Cl2(g) 2M3O2(s)

高温腐蚀在金属壁温470 ～ 600 ℃之间速度较快,而目前国内燃烧秸秆锅炉主蒸汽温度多在此温度范围, 高温腐蚀不可避免, 因此应尽可能地延缓高温腐蚀。

延缓高温腐蚀的措施主要为合理布置受热面, 严格控制受热面金属壁温和选取抗高温腐蚀能力较强的材料。

当金属壁面温度低于150 ℃时, 低温腐蚀的速度非常快。这种腐蚀属于电化学腐蚀, 是由于烟气中的HCl 和SO3 在露点以下形成盐酸和硫酸, 这些酸对受热面金属产生腐蚀。防止低温腐蚀的方法是将排烟温度控制在露点所确定的烟气出口温度之上。在按照常规布置方式无法满足要求的情况下, 空气预热器采用蒸汽或水作为换热介质是较好的解决方法。在经济性无法满足的情况下, 可以考虑采用耐低温腐蚀性能较好的材料。

秸秆燃烧锅炉的选择(1)CFB 锅炉可以燃用不同燃料, 包括高水分、低热值燃料。利用CFB 锅炉技术燃烧生物质(包括秸秆)已经在国外得到广泛应用, 并有很好的商业业绩。由于CFB 锅炉结构的原因, 需要解决受热面的磨损、循环物料平衡和物料结焦等问题。对中压参数锅炉, 其尾部受热面布置需要认真考虑受热面腐蚀问题。另外, 厂用电率高也是机组运行需要考虑的问题。

(2)水冷振动炉排锅炉技术在国外也有很好的商业业绩, 其关键部件是水冷振动炉排。

水冷振动炉排在国际上首次采用软链接技术, 相对于常规硬链接对炉排进出口集箱的振动影响较小;炉排内介质为给水, 相同结构下水冷度大于水冷壁系统自然循环用水;炉排介质流动的动力来自给水泵, 同时设置有炉排专用锅炉起动再循环管路, 确保锅炉起动初期的水循环安全2。

应用实例中电洪泽热电厂DGJ75/3 .82-4 型75 t/h 秸秆直燃锅炉首次采用水冷振动炉排。

1 锅炉结构

炉膛底部布置水冷振动炉排, 炉排下部设置3 个独立风室。炉膛是下大上小的结构, 下部由炉膛上部扩口而来, 断面积较大, 为燃烧区域;炉膛上部断面积较小, 为燃尽区域。在炉膛燃烧区域出口处侧水冷壁处沿炉膛高度方向设置三排交叉二次风和燃尽风。炉膛顶部设置后屏过热器, 出口布置拉稀管。炉膛上部出口前设置后屏低温过热器, 其顶部布置喷水减温器。

第一烟道是烟气下行烟道。烟道内布置屏式过热器, 能够有效防止飞灰搭桥。

第二烟道是烟气上升通道。侧墙和后包墙均为包墙管过热器结构。烟道内布置蛇形管低温过热器。尾部竖井内由上至下依次布置蛇形管省煤器和卧式布置的管式空气预热器。

2 汽水系统

锅炉给水引至省煤器进口集箱, 在省煤器中吸热后, 去炉膛底部的水冷炉排进口集箱。经水冷炉排汇集到出口集箱, 再通过引出管进入锅筒。在起动阶段没有建立起连续给水流入锅筒时, 省煤器再循环系统可以将锅水从锅筒引至水冷炉排进口集箱和省煤器进口集箱, 防止省煤器系统管子内的水停滞汽化。

饱和蒸汽从锅筒引出后, 由饱和蒸汽连接管引入蛇形管低温过热器进口集箱, 中间经过第一级喷水减温后, 由低温过热器出口集箱引入炉膛上部的后屏过热器, 通过换热进入后屏过热器出口集箱, 经过第二次喷水减温后进入第一烟道的高温过热器, 最后合格的过热蒸汽由集汽集箱单侧引出。

3 送风系统

从送风机送入的冷风经过空气预热器加热, 分为3 路进入锅炉参与燃烧:第1路又分为2路, 1 路作为送料风, 由给料口与燃料一同进入炉膛, 另1 路作为播料风, 位于给料口的下部, 将燃料播撒进炉膛;第2 路由炉排底部经炉排进入炉膛, 炉排下部配风采用分风设计, 每个风室的风量可以独立控制;第3 路通过分层布置在侧墙的二次风口进入炉膛。

总结中电洪泽热电厂75 t/h 生物质发电机组于2007年12 月30 日成功通过72 +24 h 试运行, 锅炉燃料适应能力广, 变负荷能力强, 最大负荷可以达到80 t/h ,汽温平稳, 调节性能好, 各项参数均达到和超过设计值。运行期间, 锅炉排烟温度约135 ℃, 未发现低温腐蚀和堵灰现象。锅炉燃烧稻壳时, 飞灰含碳量为9 .6 %, 大渣含碳量为12 .2 %, 机械不完全燃烧损失控制在较低水平。经折算后得出, 锅炉效率为89 .36 %,高于设计值3。