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摘  要
    基于節(jié)能減排的基本國策，國家發(fā)改委提出了電力工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，對小火電機(jī)組實(shí)行關(guān)停或改造。某電廠原2#機(jī)組，容量為6MW，配備35t/h拋煤機(jī)倒轉(zhuǎn)鏈條爐排燃煤鍋爐，原設(shè)計(jì)燃料為淮南大通煙煤，改造后擬采用生物質(zhì)燃料。本文的工作目標(biāo)是：針對生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)，擬定鍋爐燃燒系統(tǒng)的改造方案，并在方案實(shí)施后完成鍋爐的冷態(tài)調(diào)試。
    在計(jì)算原設(shè)計(jì)煤種和生物質(zhì)燃燒特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過對比發(fā)現(xiàn)兩種燃料的燃燒特性相差很大，所以必須對機(jī)組的燃燒系統(tǒng)尤其是配風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。本著不改動(dòng)鍋爐受熱面、盡量保留原有鏈條爐排和爐膛結(jié)構(gòu)的原則，改造方案確定為：拆除原三臺(tái)拋煤機(jī)，拋煤口改為一次風(fēng)口；加大二次風(fēng)量（增加二次風(fēng)噴口數(shù)目，并更換二次風(fēng)機(jī)）。
    借助FLUENT軟件模擬了拋煤口改為一次風(fēng)口并加大二次風(fēng)量后的爐內(nèi)流場，模擬結(jié)果表明：氣流撞擊后墻，后墻下側(cè)流場不利于粒子沉降到爐排。
    為了防止?fàn)t膛水冷壁結(jié)渣，并提高生物質(zhì)燃料顆粒在爐排上的沉降份額，對前后二次風(fēng)射流角度進(jìn)行了調(diào)整，借助FLUENT軟件模擬了二次風(fēng)角度調(diào)整后的爐內(nèi)冷態(tài)流場，對比分析后確認(rèn)：前二次風(fēng)水平、后二次風(fēng)上仰45度時(shí)，爐內(nèi)流場具有相對比較合理的結(jié)構(gòu)。確定二次風(fēng)射流角度后，又模擬了不同風(fēng)量配比條件下的爐內(nèi)流場，對比分析得到優(yōu)選的風(fēng)量配比條件。通過上述工作最終確定鍋爐配風(fēng)系統(tǒng)的改造方案。
    配風(fēng)系統(tǒng)改造方案實(shí)施后，對新系統(tǒng)的爐內(nèi)冷態(tài)流場進(jìn)行了實(shí)爐冷態(tài)測試的試驗(yàn)研究，以數(shù)值模擬得到的各個(gè)風(fēng)口速度為基準(zhǔn)，在冷態(tài)試驗(yàn)中把各個(gè)風(fēng)口的速度調(diào)節(jié)到逼近于數(shù)值模擬的速度值。實(shí)際測量了爐內(nèi)3個(gè)平面上的速度分布，并通過火花示蹤顯示爐內(nèi)實(shí)際流場，將火花示蹤結(jié)果、實(shí)爐測試的結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)吻合得比較好，說明數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的，鍋爐的改造方案是可行的。
    數(shù)值模擬和冷態(tài)試驗(yàn)研究表明：改造后的二次風(fēng)切入一次風(fēng)主流位置比較合理，爐內(nèi)氣流充滿度較好，粒子在爐排上沉降均勻，在一定程度上減輕了火焰刷墻的程度。爐內(nèi)一次風(fēng)正常無明顯偏斜，爐膛出口處速度分布均勻，有利于提高燃燒效率、防止水冷壁和過熱器結(jié)渣。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)發(fā)電，鍋爐改造，數(shù)值模擬，試驗(yàn)研究
1、緒論
1.1選題背景與意義
    人類目前使用的主要一次能源有原油、天然氣和煤炭三種。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，地球上這三種能源供人類開采的年限，分別只有40年、50年和240年。尤為嚴(yán)重的是，我國剩余可開采儲(chǔ)量僅為1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照我國2006年的開采速度23億噸／年，僅能維持61年，為我國的能源保障敲響了警鐘。近年來國家提出了節(jié)能減排政策，鼓勵(lì)電力企業(yè)積極利用可再生能源，尤其是生物質(zhì)發(fā)電，在政策上給予優(yōu)惠，對生物質(zhì)電廠給予一定的補(bǔ)貼等。我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)能源豐富，開發(fā)利用生物能替代上述三種傳統(tǒng)能源，逐年降低它們的消耗量有著非常重要的意義。
    生物質(zhì)發(fā)電是將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能，利用生物質(zhì)發(fā)電，不僅可以使得農(nóng)林廢棄物得到充分利用，同時(shí)還能減少煤炭的消耗量和污染物的排放量，改善環(huán)境。如果結(jié)合能源林產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還有助于防止土壤沙漠化和水土流失等問題，因此許多國家都在大力發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電。
    目前生物質(zhì)發(fā)電主要有生物質(zhì)直燃發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電兩種形式。直接燃燒發(fā)電是指生物質(zhì)與煤混合燃燒或純生物質(zhì)直接在鍋爐中燃燒的蒸汽動(dòng)力發(fā)電技術(shù)，可以大幅度地減少二氧化碳的排放量，在挪威、瑞典和北美地區(qū)得到廠泛應(yīng)用。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)，其工作流程為首先將氣化爐產(chǎn)生的生物燃?xì)猓�木煤氣）冷卻過濾送入煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)，將煤氣的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電。目前，我國的生物質(zhì)能資源量約為7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，到2020年生物質(zhì)能資源量可達(dá)9-10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。國家“十一五”規(guī)劃綱要提出到2020年我國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3000萬千瓦的目標(biāo)。
    相對而言，生物質(zhì)氣化發(fā)電初投資成本較高，單機(jī)容量較低，氣化過程損失了大約三分之一的化學(xué)能。就我國基本國情和生物質(zhì)利用開發(fā)水平而言，生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電是最簡便可行的高效利用生物資源的方式。在我國現(xiàn)行的生物質(zhì)直燃發(fā)電利用中，主要有層燃和流態(tài)化兩種燃燒方式。
    生物質(zhì)直燃發(fā)電主要有對原有機(jī)組進(jìn)行改造和新建機(jī)組兩種形式，各有優(yōu)缺點(diǎn)：新建機(jī)組的成本昂貴，但在燃料系統(tǒng)、爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒設(shè)備等方面可以按照生物質(zhì)的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如引進(jìn)丹麥BHW公司的水冷振動(dòng)爐排技術(shù)和我國自行研發(fā)的生物質(zhì)循環(huán)流化床技術(shù)等；對現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行改造，可以充分利用現(xiàn)有的待關(guān)停機(jī)組的固定資產(chǎn)和員工，初投資低廉，但需要同時(shí)考慮原機(jī)組的特點(diǎn)和生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)，制約因素多，設(shè)計(jì)和實(shí)施組織過程復(fù)雜。
    本文對某電廠2#燃煤機(jī)組燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，將原燃煤鏈條爐排鍋爐改造為純生物質(zhì)燃料鍋爐。生物質(zhì)直燃發(fā)電過程中避免鍋爐結(jié)渣是一個(gè)很重要的問題。本文的解決思路是：對于火床結(jié)渣問題，通過控制燃料在火床內(nèi)的放熱份額（這意味著提高爐膛空間懸浮燃燒的放熱份額）、降低爐排面可見熱負(fù)荷的方式加以解決；受熱面結(jié)渣問題，通過組織合理的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場，避免火焰刷墻，同時(shí)將火焰中心的位置控制在爐膛下方，以增加爐膛吸熱量，從而降低生物質(zhì)燃燒過程中受熱面結(jié)渣的可能性。無論是火床結(jié)渣還是受熱面結(jié)渣，都與燃燒系統(tǒng)的風(fēng)量分配以及爐內(nèi)流場關(guān)系密切，因此研究爐內(nèi)的空氣流場有著非常重要的意義。
1.2課題來源
    近年來電力工業(yè)結(jié)構(gòu)矛盾日益突出，其中，電網(wǎng)內(nèi)高煤耗、低效率、重污染的小火電機(jī)組比例較大，是電力工業(yè)結(jié)構(gòu)不合理的主要問題之一。為此，國家提出了節(jié)能減排政策，對電力工業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對小火電機(jī)組實(shí)行關(guān)停或改造。某電廠35t/h拋煤機(jī)倒轉(zhuǎn)鏈條爐排鍋爐，是無錫鍋爐廠生產(chǎn)中溫中壓鍋爐機(jī)組，原設(shè)計(jì)燃用淮南大通煙煤，配6MW發(fā)電機(jī)組。鍋爐爐膛尺寸約為4x4x8米，爐膛四周布置光管水冷壁。將燃料更換為生物質(zhì)后，由于鍋爐原設(shè)計(jì)煤種和生物質(zhì)的燃燒特性相差很大，所以鍋爐的燃燒系統(tǒng)尤其是配風(fēng)系統(tǒng)必須進(jìn)行改造，配風(fēng)系統(tǒng)的改變使得爐內(nèi)流場發(fā)生很大的變化，本課題借助FLUENT軟件對冷態(tài)條件下的爐內(nèi)空氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬提出鍋爐改造方案，找出合理的爐內(nèi)流場，并進(jìn)行實(shí)爐調(diào)試與測試試驗(yàn)研究。
1.3直燃發(fā)電生物質(zhì)鍋爐面臨的主要問題
    生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電過程中，防止結(jié)渣是核心問題。受熱面結(jié)渣主要是由煙氣中夾帶的熔化或半熔化的灰粒接觸到受熱面凝結(jié)下來，并在受熱面上不斷生長、積聚而成，它的表面往往堆積較堅(jiān)硬的灰渣燒結(jié)層，且多發(fā)生在鍋爐的輻射受熱面上。結(jié)渣主要是生物質(zhì)中的灰分在燃燒過程中形態(tài)變化和輸送作用的結(jié)果，影響因素主要有熱遷移、慣性撞擊、凝結(jié)和化學(xué)反應(yīng)四個(gè)方面。目前，我國生物質(zhì)燃燒的典型方式是火床燃燒和循環(huán)流化床燃燒。由于生物質(zhì)燃料的特性，這兩種燃燒方式都存在不同程度的結(jié)渣。
1.3.1生物質(zhì)燃燒結(jié)渣的形成機(jī)理
    1)層燃方式結(jié)渣
    層燃方式是我國目前應(yīng)用最廣的生物質(zhì)直接組織燃燒方式，其中鏈條爐為典型代表爐型，生物質(zhì)在鏈條爐內(nèi)的燃燒過程與煤的燃燒相同，也分為4個(gè)區(qū)域：預(yù)熱區(qū)、揮發(fā)份析出和燃燒區(qū)、焦炭燃燒區(qū)、燃盡區(qū)。
層燃爐中結(jié)渣包括火床結(jié)渣、水冷壁結(jié)渣和過熱器對流管束結(jié)渣，其根本原因是生物質(zhì)燃料中，灰分組成與煤炭有很大的不同，堿性氧化物尤其是堿金屬氧化物含量高，灰熔點(diǎn)低，從而有嚴(yán)重的結(jié)渣傾向。在火床內(nèi)，熔融的灰渣會(huì)在爐排上與其他的灰分或沒有完全燃燒的燃料粘結(jié)在一起，形成結(jié)塊，從而影響燃燒過程，使鍋爐經(jīng)濟(jì)
性、可靠性下降。
    生物質(zhì)燃料的一個(gè)重要特點(diǎn)是揮發(fā)分高，大量的揮發(fā)分在爐膛空間完成均相燃燒過程，火焰中心部位溫度最高，產(chǎn)生的各種結(jié)渣的可能性也最高。如果火焰刷墻，這個(gè)區(qū)域里會(huì)有連續(xù)的灰渣在水冷壁、爐墻上出現(xiàn)，從而使?fàn)t膛吸熱量下降，爐內(nèi)溫度升高，使得結(jié)渣加劇從而陷入一個(gè)惡性循環(huán)。
    爐膛出口以后，融化狀態(tài)的飛灰，以及堿金屬升華灰，將可能給該區(qū)域密集的管束帶來結(jié)渣，最可能結(jié)渣的部位包括捕渣管束和過熱器管束的入口段，尤其是錯(cuò)列管束的過熱器受熱面入口段，特別容易形成管子之間的架橋。
    爐膛內(nèi)的溫度水平及其分布直接影響鍋爐均勻燃燒程度及燃燒經(jīng)濟(jì)性。合理的配風(fēng)能改善鏈條爐的燃燒工況，減少結(jié)渣。
2)循環(huán)流化床燃燒方式結(jié)渣
    由于生物質(zhì)燃料飛灰含量少，燃燒后難以形成床料，流化特性較差，或著火困難等，所以在生物質(zhì)流化床中需要選用與燃燒生物質(zhì)特性相匹配的惰性床料，如砂、爐渣作為流化媒體，該媒體可保證形成流化燃燒穩(wěn)定的密相床層。密相床層蓄熱量很大，床層內(nèi)傳熱傳質(zhì)劇烈，能夠?yàn)楦咚�分低熱值的生物質(zhì)提供優(yōu)越的燃燒條件。然而在密相區(qū)燃燒溫度在900℃左右，大部分生物質(zhì)的堿金屬與床料的硅元素將會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的共晶化合物，嚴(yán)重時(shí)可能造成床料的燒結(jié)團(tuán)聚，使流化失敗。在稀相區(qū)，大量的揮發(fā)分燃燒，有可能造成爐溫偏高，使飛灰很容易融化吸附在水冷壁上，逐漸形成結(jié)渣。
    三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，同時(shí)也銷售生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)成型機(jī)械設(shè)備。