生物质循环流化床锅炉的设计

摘　要：分析生物质燃料特点及生物质循环流化床锅炉设计原则。对某型号蒸发量为15t／h生物质循环流化床锅炉的结构进行了探讨。

关键词：生物质燃料；  循环流化床锅炉：

Design of Biomass-fired Circulating Fluidized Bed Boiler

Abstract：The characteristics of biomass fuel and the design principles of biomass-fired circulating fluidized bed boiler are analyzed．The strueture of a type of biomass-fired circulating fluidized bed boiler with evaporation of 15t／h is discussed．

Keywords：biomass fuel：circulating fluidized bed boiler；design

1　概述

为建设资源节约和环境友好型社会，国家加大了保护环境和改善生态环境的工作力度。有些燃煤供热锅炉房的排放指标不符合要求，而燃油燃气锅炉房的燃料成本相当高，寻找新的可替代清洁燃料已迫在眉睫。我国的能源特点是富煤有气少油，大力发展生物质燃料及其燃烧技术对优化我国能源结构，减少温室气体排放，减轻环境污染，促进经济可持续发展意义重大^[1-4]。

近20年来，尽管我国在生物质燃料燃烧技术方面取得了长足进步，但仍与发达国家存在差距，因此大力发展具有我国自主知识产权的生物质高效燃烧技术至关重要。据调查，目前蒸发量为4～15t／h的中小型燃最等蚴原燃敞糯徽燃数为采取层状燃烧的DZL系列水火管锅炉、SZL系列水管链条炉排锅炉，但层状燃烧锅炉的热效率比较低。加之生物质燃料含水量较高，当层状燃烧锅炉燃用生物质燃料时，干燥及预热过程时间较长，导致生物质燃料在炉排上延迟着火。由于生物质燃料灰分很少，燃尽后不能在炉排上形成灰渣层，容易造成炉排烧坏。

循环流化床(Circulating Fluidized Bed，简称cFB)燃烧技术相当成熟，是燃烧生物质燃料的最佳方法之一。在CFB锅炉中，床料具有很高的热容量，给生物质燃料提供了充分的干燥及预热热源，使得含水量较高的生物质燃料可稳定地着火燃烧。本文对生物质CFB锅炉的设计进行探讨。

2　生物质燃料特点及CFB锅炉设计原则

2.1 生物质燃料特点

密度小、体积大；含水量高，随季节变化大，热值较低；灰分低，挥发分高；氯及碱金属成分较高；灰熔点低，在高温烟气中呈熔融态，易在金属管壁粘结；燃烧过程中易结焦。

生物质含硫量低，含氮量不高，烟气中NOx、SO2的含量很低。灰分低，充分燃烧后烟尘含量极低。考虑生物在生命时期转化的二氧化碳，生物质燃料燃烧具有二氧化碳零排放的特点。

2.2　CFB锅炉设计原则

①炉膛设计

a．采用大容量的炉膛设计，下部卫燃带较高，保证生物质燃料不易因含水量较高而影响燃烧。卫燃带可采取将水冷壁敷设耐火浇注料的方式建立。b．合理布置炉膛水冷壁受热面积，保证整个炉膛温度均匀，且炉膛出口烟气温度不超过800℃。

②配风系统设计

a．合适的给料高度配合播料风，使生物质燃料在进料段燃烧时不会熔融聚团。b．布风板上风帽的作用是使从床料底部进入的一次风风量均匀，确保床料流化良好。由风帽小孔喷出的一次风风速要高，提高床料流化速度，以吹出生物质燃料燃烧过程中的灰渣并打碎半焦粗粒子。c．返料中的粗颗粒能补充床料，使床料处于一个动态置换过程，有效避免结焦，因此返料风应使返料稳定可靠。d．播料风布置在给料下方，出风速度高，吹散给料，避免局部燃烧导致的局部温度过高。

③尾部对流受热面的设计

尾部对流受热面包括对流排管(由上下锅筒、管束组成)、省煤器、空气预热器等。生物质灰熔点低，燃烧时飞灰颗粒处于软化或熔融状态，易发生积灰腐蚀，因此尾部对流受热面的设计应防止积灰腐蚀：a．采用成熟可靠高效的旋风分离器，大大减少进入尾部对流受热面的灰浓度，降低尾部受热面积灰的可能；b．对流排管采用顺列布置，选用大横向间距，防止积灰搭桥；c．合理设计防磨、防腐装置，如管子设置防磨瓦，空气预热器进口设置防磨套管，采用耐腐蚀的材料；d．在尾部对流受热面布置吹灰器，加强积灰的吹扫。

3　某CFB锅炉的设计参数及结构

3.1　设计参数

SHCF15-1.25-M型生物质CFB锅炉是湘潭锅炉有限责任公司与某高校联合设计开发的产品。额定蒸发量为15t／h，额定蒸汽压力为1.25MPa，额定蒸汽温度为194℃，给水温度为105℃，排烟温度为140℃，设计热效率为88％。

锅炉宽度(左右钢架中心线距离)为6875mm，锅炉深度(前后钢架中心线距离，包括省煤器)为8160mm，上锅筒标高为14183mm。

3.2　燃料特性

以木屑为原料制备的生物质燃料元素分析(收到基)见表l。生物质燃料的低位发热量为14.46MJ／kg。

SHCF15-1.25-M型生物质CFB锅炉外形见图1。

3.3　CFB锅炉结构

SHCF15-1.25-M型生物质CFB锅炉结构见图2。该型号生物质CFB锅炉采用双横置式锅筒自然循环，炉膛右侧墙和前后墙布置水冷壁。炉膛上部为长方形，下部为逐渐收缩的锥斗形。炉膛顶棚为管撑式，省煤器、空气预热器均采用轻型护板结构，该部分重量均由其外部钢架单独承受。锅炉的给料装置采用上部螺旋输送加下部气力输送相结合的联合给料形式。炉体采用半露天布置，设置顶棚，外墙采用彩钢板包覆，管道用镀锌铁皮包覆。

①锅炉给料系统

一定粒度的生物质燃料经给料机进入布置在前墙的给料管，借助自身重力和播料风作用，在布风板上方进入炉膛。由于给料管内为正压，给料机必须有很好的密封性。

②燃烧系统

炉膛内的燃料在流态化状态下燃烧，并与炉膛水冷壁进行换热，离开炉膛并夹带大量物料颗粒的烟气经过旋风分离器后，绝大部分固体物料被旋风分离器分离下来，经返料器返回炉膛，进一步燃尽，烟气则进入对流排管。对流排管由上下锅筒、管束组成，管束采用顺列布置，烟气为横向冲刷。每组对流排管的第一排管子采取防磨套管(或防磨弧板)措施进行防磨。对流排管后布置铸铁省煤器、空气预热器。灰渣全部以飞灰形式飞出尾部对流受热面，经除尘装置处理后排放。

③旋风分离器与返料器

炉膛出口布置旋风分离器，延长烟气中物料颗粒停留时间，有利于进一步燃尽，分离器布置膜式水冷壁。在分离器下部布置U形返料器，将固体物料送回炉膛内循环燃烧。旋风分离器的内壁面及入口烟道内壁面均敷设高温耐磨材料，壁面必须光滑，保证旋风分离器既有较高的分离性能，又有较长的使用寿命。

④配风系统

锅炉采用两级配风，空气经空气预热器升温后，一部分进入一次风风室，经过布风板上的风帽进入炉膛。炉膛下部布置二次风，在两侧墙布置一排下倾15°的二次风喷管，左右对称布置。二次风由一次风支管引出，进入二次风母管，经过二次风喷管进入炉膛。运行中可以通过调节一、二次风风量的配比来控制炉膛温度。从一次风风道引出支管，接到炉前进料管的特定部位形成播料风，在进料口的下部使燃料能够顺利地进入炉膛。返料风由高压流化风机提供。

SHCF15-1.25-M型生物质CFB锅炉已在珠海运行2台。自2009年运行至今，经实践证明该型生物质CFB锅炉结构设计合理，运行可靠，热效率高，为用户节省了大量成本，取得了良好的经济效益和环境效益。

4　结语

循环流化床燃烧具有传热性能好、燃烧效率高、有害气体排放少、热容量大等优点，很适合燃用含水量高、热值低的生物质燃料。SHCF15-1.25-M型生物质CFB锅炉结构合理，燃烧效率及热效率高，深受用户好评，具有广阔的市场前景。

参考文献：

[1]苏海鹏．锅炉利用生物质能源的技术应用[J]．煤气与热力，2012，32(1)：A01-A03．

[2]刘洪龙，商桂新，牛国蕾．工业锅炉生物质与燃煤混燃技术[J]．煤气与热力，2008，28(6)：A01-A03．

[3]马文超，胡艳军，刘方金，等．生物质循环流化床气化的实验[J]．煤气与热力，2007，27(7)：31-34．

[4]米铁，唐汝江，陈汉平，等．生物质能利用技术及研究进展[J]．煤气与热力，2004，24(12)：701-705．

本文作者：唐跃  王志平  刘启  李剑忠　何军  贺能  廖朝晖

作者单位：湘潭锅炉有限责任公司

  湖南省特种设备检验检测研究院湘潭分院