秸秆生物质燃料锅炉的设计实践_刘惠宁

秸秆生物质燃料锅炉的设计实践

刘惠宁

(黑龙江省能源研究所,黑龙江哈尔滨150001)

摘　要:通过对秸秆生物质燃料特性的简要阐述,结合一台生物质热分解燃料锅炉的设计实践,介绍秸秆生物质燃料锅炉的设计方法和特点,为此类产品的开发设计提供有益的借鉴经验。

关键词:生物质燃料;锅炉;秸秆

中图分类号:TK6 文献标识码:B 文章编号:1009-3230(2008)02-0023-03

The Design and Practice of Stra w&Stalk Biom ass Fuel Boiler

LI U Hui-ning

(energy research insttute of H eilongjiang province,H eilogjiang H arbin150001)

Abstract:The paper expatiate on the character of biomass fuel briefly,combining with one boiler’s de2 sign practice,introducing the design character of the biomass fuel boiler,offering a available experience for similarity boiler design.

K ey w ords:biomass fuel;boiler;straw&stalk

0　前言

秸秆生物质燃料是指将农业生产中产生的稻秆、油菜秆、玉米秆、麦秆、林业废弃物等生物质在特制的设备中,通过热化学反应方法,产生可燃物质,主要是可燃气体和油类物质。产生的燃料可供锅炉设备进行能量的转换。一台50T秸秆发电锅炉燃烧设备采用热分解反应系统,系国外专利技术,炉膛与燃烧设备连接形成整体,热分解产生的可燃气体在炉膛内完全氧化燃烧,将热量传递给工质,实现能量的转换。以下结合其他一些应用研究和锅炉设计特点,对秸秆生物质燃料锅炉的设计进行阐述。

1　秸秆生物质燃料的特点

秸秆生物质燃料的应用主要是通过特制设备将秸秆高温分解和气化,以及垃圾焚烧和热分解,

收稿日期:2007-01-10 修订稿日期:2007-01-10

作者简介:刘惠宁(1967～),男,1989年毕业于大连理工大学,

热能工程专业,高级工程师,现从事能源领域技术

开发,项目咨询,工程设计和能源监测等工作。是一种相对比较清洁的燃烧方式。通过生物质获得燃料过程比较复杂,对于制取燃料设备类型、工艺流程、反应条件、催化剂的种类、原料的性质和粉碎等条件的不同,其反应过程和可燃产物也不尽相同。综合有关方面的研究资料,我们知道秸秆生物质燃料主要有以下特点:

　表1　未经处理的杨木和玉米秸秆热解产品组成(%干基)种　类

成　分

杨木、枫木、松木

热解温度500-510℃

玉米热解温度

480-500℃热解气9-1323-24

半焦12-1518-19

水9-12>5

热解油63-6842-52

热解油组成

乙酸 5.4-6.313.0

总酸8.4-11.415.8

醇和酮 1.5-4.011.7

羟基乙醛 6.5-10-

热解木素16-25-

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2008年第2期(总第122期) 应用能源技术

(1)属高挥发份、低炭化度、高含氧物料。挥发份含量平均高达75%～85%,非常有利于燃料燃烧。而炭含量程度平均仅为37%,但以固定炭含量为标志的炭化程度平均为17%,发热量却平均高达36%。这表示可燃组份中,含量仅为1/6的固定炭其发热量却占1/3。含氧量平均值高达33.18%。

(2)可燃分解物含量丰富。秸秆75%的纤维素和半纤维素的热分解产物形成挥发份,其主要成份是焦油、木醋液、酸、醇等重分子,在热态下以气态形式存在。在高于600℃时,则发生再裂解反应,产生部分可燃气体。这样,可燃气体中木焦油、木醋、木酸液分子量下降,而较重分子的烷、烯、苯仍以气态成为燃料的可燃成份参与燃烧。

如表1未经处理的杨木和玉米秸秆热解产品的成分。

(3)燃料水分变化范围比较大,一般在5%～60%之间。表2为某秸秆发电项目燃料组份特性。　表2　某秸秆发电项目燃料特性

燃料工作基成分燃料1燃料2燃料3燃料4

C ar(%)39.9443.2534.8831.16

Har(%) 4.09 4.43 3.57 3.

19 Oar(%)35.5538.431.0427.73

Nar(%)0.760.840.660.59

Sar(%)0.130.140.110.1

W ar(%)14.172433

Aar(%) 5.43 5.88 4.74 4.23

Vdaf(%)80.4280.4280.4280.24

Q ar(K J/K g)1468016024.6712439.2510845.73

(3)生物质中纤维素潜热增值。纤维素的热分解产物焦油、木醋液及苯、酮、烷类重分子部分其凝聚的能量为15%～20%。在高温条件下,重分子裂解燃烧可释出能量。

(4)燃烧产生的秸秆灰分化合物类型较多。生物质的灰含量随生物质的种类、产地的不同而不同,并受种植条件的影响。一般地,生物质中灰分含有:Ca、A1、Mg、Na、K、Fe、O、Si、C1等化合物,还有少量的Zn、P等。

2　锅炉的结构布置

一方面由于秸秆生物质燃料与传统的燃煤和油气燃料在特性上有较大的不同,另一方面由于秸秆生物质燃料锅炉的设计上可供借鉴的资料和经验比较欠缺,因此我们对总体布置和方案的确定极为慎重。通过现有锅炉的类型并结合秸秆热分解设备的特点,确定了如图1的锅炉布置方案。

图1　锅炉布置图

根据秸秆生物质燃料的特性和业主工程师的要求,并结合有关煤及燃油燃气燃锅炉受热面布置,我们确定了本炉受热面布置的有关数据如表3

　表3受热面布置特性数据

名称水冷壁凝渣管束高温过热器低温过热器省煤器管径Φ=76×5Φ=76×5Φ45×4.5Φ45×4.5Φ38×3.5材料20G G B531020G G B531015CrM oG20G G B531020G G B5310节距S=100S1=300S2=300S1=160S2=120S1=160S2=120S1=110S2=800

从表中数据可以看出,与燃煤和燃油燃气锅炉相比,对流受热面的结构布置采用了较大的管节距。各流受热面选取大管节距,是为了有效地降低了烟气流速,保证了良好的烟气流通性,减少了管壁的积灰和结渣,降低了对流烟气对管壁的磨损和腐蚀,从而提高了对流受热面的使用寿命。另外,省煤器蛇行管均成顺列逆流结构,为有效地防止磨损和腐蚀以及工质沸腾,最上一组省煤器管经过镀锌处理。

3　锅炉热力计算

经过对锅炉设计任务书所提供的燃料数据的分析转化,锅炉规范和燃料特性数据如表4

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