75t／h角管式生物质锅炉的设计.pdf

研究与开发 7 5 t ／ h角管式生物质锅炉的设计 1 3 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 3 0 1 - 0 0 1 3 - 0 4 7 5 t ／ h角管式生物质锅炉的设计 郭 英， 曹明磊， 宋忠玉， 能 立， 杨彩萍 郑州锅炉股份有限公司，河南 郑州 4 5 0 0 0 1 摘要 介绍了角管式生物质锅炉结构， 并以燃烧秸秆为例 ， 列举了热有效系数、 利用系数 等经验系数的选取， 通过运行测试与理论计算对比， 验证设计的可行性 ， 为类似生物质锅炉设计 开发提供参考。 关键词 生物质 ； 角管式锅炉 ； 设计 中图分类号 T K 2 2 9 ． 9 1 文献标识码 A De s i g n o f 7 5 t ／ h Co r n e r - t u b e Bi o m a s s Bo i l e r GUO Yi n g，CAO Mi ng l e i ，S ONG Z h o n g y u， NENG L i ， YANG Ca i pi n g Z h e n g z h o u B o i l e r C o ． L t d ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a 第一 作者 郭英 ， 毕 业于河南城建学院 热能与动力 专业 ， 从 事油气炉及链条炉 设计工作。 Ab s t r a c t De s c r i b e s t h e s t r u c t u r e o f c o r n e r t u b e b i o ma s s b o i l e r ，b y t h e c a s e o f b u rn i n g s t r a w，l i s t e d t h e s e l e c t i o n o f t h e t h e r ma l e ff e c t i v e c o e f f i c i e n t ，u t i l i z a t i o n c o e ffic i e n t a n d o t h e r e mp i ri c al c o e f f i c i e n t s ，a n d c o mp e d t h e e n e r g y e f f i c i e n c y t e s t r e s u l t s w i t h t h e t h e o r e t i c al c alc u l a t i o n s ，s p e c i fi c all y s h o we d t h e c o i n c i d e n c e d e g r e e o f t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s w i t h t h e a c t u al o p e r a t i o n，p r o v i d e s t h e n u me r i c a l r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d d e v e l o p me n t o f t h e b i o ma s s b o i l e r ． Ke y wo r d s b i o m a s s ；c o r n e r - t u b e b o i l e r ； d e s i g n 0 前言 能源是经济发展 的重要物质基础 ， 在社会发展 中起着举 足轻重 的作用。 由于世界 能源消 费的剧 增 ， 煤炭、 石油 、 天然气等化石能源迅速消耗使得可 再生能源的开发利用越来越受到重视 。生物质能是 地球上丰富的可再生能源 ， 我国是一个农业大国 ， 有 着丰富的生物质能 ， 因此 开发利用生物质能源对于 缓解我 国能源、 环境及生态问题 具有重要意义。怎 样合理高效地 回收利用这部分能源 ， 已成为当前科 研机构和锅炉企业研究的课题。 1 生物质燃料 的燃烧特点 由于生物质燃料特性与化石燃料不 同， 从而导 致了生物质燃料在燃烧过程 中的燃烧机理、 反应速 度以及燃烧产物的成分与化石燃料也都存在较大差 别。主要如下 1 生物质水分含量较多， 燃烧需要较高的干 燥温度和较长的干燥时间， 产生的烟气体积较大， 排 烟热损失较高； 2 生物质燃料的密度小 ， 结构 比较松散 ， 迎风 面积大 ， 容易被吹起 ， 悬浮燃烧的比例较大 ； 收稿 日期 2 0 1 2 -09 - 2 1 3 生物质发热量低 ， 炉 内温度场偏低 ， 组织稳 定的燃烧 比较困难 。由于生物质挥发分含量高 ， 燃 料着火温度较低 ， 一般在 2 5 0 3 5 0℃温度下挥发分 就大量析 出并开始剧烈燃烧 ， 此 时若空气供应量不 足 ， 将会增大燃料的化学不完全燃烧损失 ， 排烟为黑 色 ， 严重时为浓黄色烟 。 4 一般情况下， 焦炭被挥发分包围着 ， 燃烧室 中氧气不易渗透到焦炭表面，只有 当挥发分的燃烧 快要终了， 焦炭及其周围温度已很高 ， 空气 中的氧气 也有可能接触 到焦炭表 面，焦炭开始燃烧， 并不断 产生灰烬 。 5 挥发分析出燃尽后 ， 受到灰烬包 裹和空气 渗透困难 的影响 ， 焦炭颗粒燃烧 速度缓慢 、 燃 尽 困 难 ， 如不采取适 当的必要措施 ， 将会导致灰烬 中残 留 较多的余碳 ， 增大机械不完全燃烧损失 J 。 2 角管式生物质锅炉介绍 针对生物质燃料的燃烧特点我公司开发了角管 式生物质锅炉 ， 如图 1 所示 。该锅炉是在吸取角管 式锅炉经验基础上 ， 通过优化设计而成 ， 其继承了角 管 式锅炉水循环可靠、 启动快 、 结构紧凑 、 节约钢材 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 工业锅炉 2 0 1 3年第 l 期 总第 1 3 7期 一 一 r _ 一_ 一 r _ 1 I - t l f r一； 3 ／ ， I [一 一 ＼ 7 ／ ＼ 蚕 一 _7 1 l ＼ 、 ＼ ／ _＼ F E 镒 z 彳 _／ 霎 日＼ ／ 。 L _ ／ ／ ’ I 一 f E 戬 毋 一 I 、 一 I } 母 L 茧 l } ． 、 O ． I[ ■● ●⋯，1 I 士 ＼ - 。 阮 A I I ． q l ＼ ． 口 g_-_ rn ． ●●_ _ L． 1- j 9 3 0 0 2 8 75 _ ．3 4 8 0 等特点 ， 另外能适用多种类型秸杆燃料 ， 具有燃烧效 率高的优点， 并能减轻秸杆燃 料含氯量较高时对锅 炉受热面的影响， 同时排出的灰 、 渣可直接作 为农家 肥使用。 1 锅炉参数 额定蒸发量 额定蒸汽压力 额定蒸汽温度 给水温度 排污率 设计燃料 2 燃料成分 75 t ／h 3． 8 2 MPa 45 0 1 0 5 5％ 秸 秆 秸秆燃料元素和工业分析结果见表 1 。 4 锅炉整体结构 锅筒中心标高 1 7 3 2 0 m m， 锅炉宽度 左右下降 管距离 9 0 2 0 m m， 炉膛截面为8 4 0 0 m m X 5 3 6 0 m m， 较大的炉膛截面不但适应了角管式锅炉高度的限制， 能在有限的高度下布置所需的炉膛面积 ， 而且降低 了 炉膛烟气流速以及炉膛出口温度 ， 从而降低飞灰含碳 量和对流受热面的腐蚀速率。锅炉本体四周及中间 隔墙均采用膜式水冷壁全密封结构， 膜式水冷壁 由 6 6 o mm 4 mm管子和 2 0 m m X 4 mm的扁钢焊接而 成。为干燥燃料和更好地组织燃烧， 炉膛设有低而长 的后拱 ， 投射面积约 占炉排面积的 4 0 ％ ， 并在后拱 、 炉膛前壁及两侧壁下段筑有耐火混凝 土， 构成卫燃 带。前膜式壁 4 m标高处有 6个 4 0 0 mm X 5 0 0 mm 进料 口， 燃料通过皮带送入料斗 ， 料斗口配有可调角 度的送料风将燃料送人炉膛， 从而能防止火焰反窜 烧坏皮带， 还可调整炉排火线。在一次风的配合下， 轻而小的秸杆在炉膛 内悬浮燃烧和半悬浮燃烧 ； 较 重的小块状秸杆落到炉排上燃烧。针对秸秆挥发分 高、 焦炭颗粒不易燃尽 的特点 ， 在锅炉后拱 3 m及 7 m、 9 m标高处设 三层二次风管， 喷嘴向下倾斜 2 0 。 ， 喷嘴设计流速 6 0～8 0 m ／ s ， 二次风 量 占总风量 的 4 0 ％ ， 从而加强炉膛气流 的扰动 ， 大幅度地降低 化学不完全损失及飞灰含碳量。燃烧后产生的高温 烟气从炉膛后上方经凝渣管 1 8 0 。 转弯 ， 进入下行烟 道， 在下行烟道内 自上而下水平布置有 高温对流受 热面 、 高温过热器 、 低温过热器、 低温对流受热面。 在下行烟道 内， 高温对流受热面和低温对流受 热面采用典型的旗形结构。为了在较低的烟温和炯 速下达到所需过热蒸汽温度 ， 该锅炉过热器采用逆 流横 向冲刷方式 ， 装配有 喷水减温器。低温过热器 管径为 3 8 m m X 3 ． 5 mm， 材质 为 2 0 G B 3 0 8 7 2 0 0 8 。高温过热器管径为 6 3 8 mm X 3 ． 5 m m， 材质 为 1 2 C r l M o V G 。 生物质锅炉因燃料中含有大量的 K和 c l 等元 素导致积灰、 受热面腐蚀严重 ， 一般认为金属温度超 过 4 0 0 ， 腐蚀会显著进行 ， 因此在下行通道 中 各组对流管束的前几排加有防腐、 防磨装置， 并在各 级受热面留有吹灰 口 因碱金属氯化物易溶于蒸 汽， 故推荐用户用蒸汽吹灰器， 郑 州某公司采用 “ j 班两吹” 的蒸汽吹灰方式 ， 即每 l 2小时吹灰一 次， 经运行效果显著 。 尾部上升烟道中依次布置有钢管省煤器及管式 空预器。省煤器管径 为 6 3 2 mm 4 mm， 材质 为 2 0 G B 3 0 8 7 --2 0 0 8 ， 采用错列逆流的结构形式 ； 空预 器管径为 6 4 0 mm 2 m m， 材质为 Q 2 3 5 A， 采用卧式 双回程的结构形式。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 7 5 t ／ h角管式生物质锅炉的设计 1 5 3 热力计算 锅炉受热面污染系数 、 利用系数 、 热有效系数 、 传热总修正系数等经验系数的选取对锅炉热力计算 的准确性有很大 的影响 ， 下面列举 出本锅炉的相关 系数、 热力计算汇总及锅炉运行记录供大家参考， 具 体热力计算过程不再列出。 炉膛平均热有效系数 ， 却 i F i ／ 1 、 p j一 b 一 川 式中F 炉膛壁面总面积， 对于层燃锅炉其等 于炉膛包覆总面积减去炉排面积 F i 区域炉壁面积 i 区域热有效系数 ， i i 炉膛部分污染系数 的选取见表 2 。 表2 炉膛部分污染系数 g - 引 该锅炉炉膛为全膜式壁结构其角系数 i 为 l ， 污 染系数 取0 ． 6 ， 求得该炉膛平均热有效系数为0 ． 5 5 。 1 对流换热部件的相关系数选取 凝渣管到高温对流管束部分按燃尽室计算 ， 下 行烟道处的膜式壁均分 到相对应的对 流受热面 ， 按 附加受热 面计算 ， 传热 系数 取值与 主受热 面相 同。 对流换热管束部分的热有效系数可参照褐煤的热有 效 系数选取 苏 7 3标准 中规定顺列管束按热有效 系数计算 ， 错列管束按污染系数计算 ， 国内工业锅炉 计算方法进行了简化， 统一选用热有效系数， 其选用 标准见表 3， 根据多台锅炉的实际运行 ， 笔者认为在 利用系数为 1时， 才可以按表 3简化 ， 否则计算偏差 较大 ， 不宜简化 。该锅炉的热力计算除空预器部分 ， 其余对流换热部分采用热有效系数计算。利用系数 的选取详见文献 [ 3 ] 、 文献 [ 4 ] 。该锅炉的对 流换 热面相关系数的选取见表 4 。 表 3热有 效系数 2 锅炉热力计算汇总 锅炉热力计算汇总见表 5 。 表 4 对 流换热面相关 系数 注 因空预器有中间管板故利用系数降低为 0 ． 7 5 ， 空预器的利用系数是考虑了积灰及冲刷不完全的修正系数。对传热修 正系数 ， 过热器取 1 1 ． 3 ， 其余受热面取 1 ， 具体数值根据设计经验定 。 表 5 锅 炉热力计算汇总 注 喷水减温器设计喷水量为 1 t ／ h 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 工业锅炉 2 0 1 3年第 1期 总第 1 3 7期 4 结论 经测试该锅炉 已达到设计参数 ， 通过表 5与表 6比较 ， 烟气侧温度也与计算相差不大 ， 另测得飞灰 可燃物含量为 4 ． 3 3 ％ ， 炉渣可燃物含量为 5 ． 2 4 ％ ， 锅炉热效率为 8 7 ． 2 9 ％ ， 体现该锅炉具有较高的燃 烧率及热效率。该生物质锅炉是针对生物质燃料的 燃烧特点而设计 ， 并继承了角管锅炉结构紧凑、 钢耗 量较低等优点， 故有很大的市场竞争力。醢 参考文献 [ 1 ] 张建安， 刘德华． 生物质能源利用技术[ M] ． 北京 化学 工 、 l 出版社 ， 2 0 0 9 ． 封面 湘潭锅炉有限责任公 司 封二 北京西山圣通风机有 限公司 封三 长沙市中工锅炉配件有限公司 封底 斯派莎克工程 中国 有限公司 前插 1 欧科中国 C E B上海代表处 前插 2 意大利百得有限公司上海代表处 前插 3 湖南万英科技有限公司 前插4 杭州伯勒计算机技术有限公司 前插 5 德国麦克斯威索有限公司 前插 6 宜宾市信通 电子器材厂 前插 7 卡尔冬斯贸易 上海 有限公 司 前插 8 、 9 西门子 中国 有 限公司 前插 1 0 奥林 中国 有限公司 前插 1 1 浙江澳太机械制造有限公司 前插 1 2 博世热力科技 北京 有限公司 前插 1 3 南通中南鼓风机有限公司 前插 1 4 、 1 5西安交大思源科技股份有限公司 [ 2 ] 王启民， 张小辉， 杨海瑞 ， 吕俊复． 生物质灰在低温受热 面上的沉积点腐蚀机理分析[ J ] ． 工业锅炉， 2 0 1 1 2 1 4． [ 3 ] 车德福， 庄正宁， 李军， 王栋． 锅炉[ M] ． 西安 西安交通 大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]北京锅炉厂设计科译． 锅炉机组热力计算标准方 法 [ M]． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 7 6 ． [ 5 ] 林宗虎， 徐同模． 实用锅炉手册 [ M] ． 北京 化学工业出 版社 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 工业锅炉设计计算方法编委会．工业锅炉设计计算方法 [ M] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 5 ． 广告索引 前插 l 6 上海华之邦能源科技有限公司 前插 1 7 大连三洋制冷有限公司 前插 l 8 工业锅炉公益广告 前插 1 9 江苏双良锅炉有限公司 前插 2 0 2 0 1 3国际供热暨锅炉展 前插 2 1 柘科燃烧工程有限公司 前插 2 2 上海大田阀门管道工程有限公司 中插 1 上海昱真水处理工程有限责任公司 中插 2 、 3 扎克能源技术设备 上海 有限公司 中插 4 天津市中平燃器设备有限公司 黑 白插 页 中国锅炉网 上海嘉禹贸易有限公司 江阴三鑫精密钢管有限公司 上海久星化工有限公司 P 2 1 金牛锅炉服务公司 P 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m