生物质发电锅炉设备原理教材.docx

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生物质发电锅炉设备原理教材

DP生物质直燃发电锅炉岛设备原理

第一章生物质的概述

一、生物质的定义

广义的生物质能包括一切由植物光合作用转化和固定下来的太阳能，生物质作为生物质能的载体有许多种定义，美国能源部（DOE）把生物质定义为：

生物质是来源于植物和动物的有机物质。

二、生物质的种类

通常用作能量转化的生物质可以分为四大类：

木材残余物（涵盖所有来源于木材和木材产品的物质，主要包括：

燃料木材、木炭、废弃木材和森林的残余物）、农业废弃物（所有与种植业和庄稼处理过程有关的废弃物。

例如：

稻谷壳、秸秆和动物的粪便）、能源庄稼（专门用于能量生产的庄稼。

如：

甘蔗杆和木薯）和城市固体垃圾（MSW）。

三、生物质的特点

生物质的组成成分包括：

纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、单糖、淀粉、水分、灰分和其它化合物。

每一种组分的含量比例是由生物质种类、生长时期和生长条件等因素决定的。

与化石燃料相比，生物质具有以下特点：

1.生物质是一种二氧化碳零排放的能源资源（利用转化过程中排放的二氧化碳量等于生长过程中吸收的量），可以在提供能源的同时而不增加二氧化碳排放量；

2.生物质的硫、氮和灰分含量少，在利用转化过程中可以减少硫化物、氮化物和粉尘的排放；

3.生物质的挥发份含量大（折算挥发份约为烟煤的六倍以上），氧含量高，有利于生物质的着火和燃烧；

4.生物质的水分含量大，影响着火和燃烧的稳定性，同时在燃烧时造成大量的能量损失，并且可能引起燃料储存问题；

5.单位质量生物质的热值低，要求能量转化设备有足够的空间投入原料；

6.生物质的分布分散，能量密度低，收集运输和预处理过程（例如粉碎、压缩成型和干燥）费用高；

7.生物质具有可再生性，原料具有多样性和广泛性，资源开发潜力大。

四、生物质的利用转化方式

生物质的利用转化方式主要有三种：

热化学法、生物化学法、提取法。

1.热化学法是指高温下将生物质转化为其它形式能量的转化技术，主要包括四种方式：

（1）直接燃烧（直接将生物质完全燃烧放出热量）；

（2）气化（在气体介质氧气、空气或蒸汽参与的情况下对生物质进行部分氧化而转化成气体燃料的过程）；

（3）热解（在没有气体介质氧气、空气或蒸汽参与的情况下，单纯利用热使生物质中的有机物质等发生热分解从而脱除挥发性物质，常温下为液态或气态，并形成固态的半焦或焦炭的过程）；

（4）直接液化（在高温高压和催化剂作用下从生物质中提取液化石油等）。

2.生物化学法是指生物质在微生物的发酵作用下产生沼气、酒精等能源产品。

3.提取法是利用物理方法从生物质中提取生物油。

五、生物质转化为电能的主要方式

上述气化和直接燃烧是目前利用生物质原料发电的主要方式。

直接燃烧发电的过程是：

生物质与过量空气在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，产生出的高温高压蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功发出电能。

气化发电的过程是：

生物质通过热化学转化为气体燃料，净化后的气体燃料直接被送入锅炉、内燃发电机和燃气轮机的燃烧室中燃烧来发电。

从实际利用效果看，由于气化发电普遍规模小，效率低，因此，直接燃烧成为目前国内生物质转化为电能的主流方式。

六、生物质的燃烧过程

1.生物质燃烧的总体方程式

燃烧是包含有传热和传质过程，并且伴随有化学反应和流体流动的一种综合现象。

对于任何一种生物质燃料在空气中燃烧时的综合反应，可以用以下方程式表示：

（1）

其中第一个分子式表示任一种生物质燃料，这个经验分子式中只包含了15种元素，实际上这是近似处理，完整的生物质组分还应包含更多的元素。

第二个分子式表示的是燃料中的水分，但是其数值变化很大。

第三个分子式表示的是空气，它是按氧气和氮气分别占总体积的21%和79%的混合物来表示的。

方程式的另一边是反应生产物，主要生成物是那些在式中首先表示的物质，生成物中有些化合物是大气的污染物（如：

CO、N和S的氧化物），同时有些生成物（如：

碱金属的氯化物和硅酸盐等）会导致燃烧设备的积灰和结渣问题。

2.生物质燃烧的基本过程

由于不同种类的生物质在化学组成成分和物理特性上有差别，所有它们的燃烧过程是有些不同。

但是一般认为，生物质的燃烧通常可以分为三个阶段，即预热起燃阶段、挥发分燃烧阶段、炭燃烧阶段。

（1）预热起燃阶段

在该阶段，生物质（湿物料）被加热，水分逐渐蒸发后变为干物料。

当生物质被加热到160℃时，开始释放出挥发分。

挥发分的组成为：

二氧化碳、一氧化碳、低分子碳氢化合物（如：

甲烷、乙烯等）、还有氢气、氧气和氮气等气体。

挥发分中的氢气、低分子碳氢化合物和一氧化碳是可燃成分，二氧化碳和氮气是不可燃成分。

（2）挥发分燃烧阶段

生物质经加热所释放出的挥发分在高温下开始燃烧，同时释放出大量热量，由于挥发分的成分比较复杂，其燃烧反应也比较复杂。

几种主要挥发分气体的燃烧反应方程式如下：

（3）炭燃烧阶段

挥发分在燃烧初期将固定碳包裹着，氧气不能接触到炭的表面，因而炭在挥发分的燃烧初期是不燃烧的，经过一段时间以后，挥发分燃烧结束，剩下的炭与氧气接触并发生燃烧反应。

炭燃烧时的反应方程式如下：

对于生物质燃烧的基本过程的认识，其他研究人员有不同的观点。

如：

A.Williams等认为，生物质的水分对燃烧过程影响很大，甚至主宰整个燃烧过程，所以将水分的干燥作为一个独立的过程，并将生物质燃烧的基本过程分为三步：

生物质脱挥发分、挥发分燃烧和炭的燃烧。

3.影响生物质燃烧的因素

影响生物质燃烧的因素有很多，其中燃料的水分含量、空气供给量、燃料的颗粒尺寸和反应时间是主要因素。

下面具体分析它们对燃烧过程的影响：

（1）水分含量

燃烧反应是放热反应，而水分的蒸发却要强烈地吸收热量。

大多数生物质燃料自身维持燃烧（self-supportingcombustion）要求燃料中的水分含量不超过65％（湿基下的质量百分比值），如果超过这个值，则燃烧过程释放的热量不能满足水分蒸发所需的热量，会导致燃烧反应的结束。

实际上，当生物质的水分含量超过50～55％（湿基下的质量百分比值）时，就需要加入辅助燃料来助燃。

（2）空气供给量

所有的燃烧反应都是燃料与空气中的氧进行的，所以空气供给量决定着燃烧反应的过程。

如果空气供给量太小，燃烧反应进行得不完全。

而如果空气供给量太大，则加热空气需要热量，结果会导致燃烧温度的降低，使燃烧的稳定性变差。

因此要确定一个最佳的过量空气系数，保证燃烧稳定和完全彻底地进行。

一般情况下，过量空气系数值在1.2～1.5之间。

（3）燃料颗粒尺寸

燃烧反应一般是在燃料颗粒的表面进行，如果颗粒表面大的话，这样就会有利于燃烧反应的进行。

燃料颗粒尺寸决定着参与燃烧反应的颗粒总表面积，颗粒尺寸越小，则燃料颗粒的总面积就越大。

因而，燃料颗粒尺寸小一些，有利于燃烧反应的进行。

（4）反应时间

燃料的燃烧是一种化学反应，凡是化学反应，均需要一定的时间才能完成。

因此，足够的反应时间是燃料完成燃烧反应的重要条件之一。

第二章DP生物质直燃发电锅炉岛

生物质直燃发电装备中锅炉岛（以下简称锅炉）是最关键的设备，目前该设备在国内主要分成两大类：

流化床锅炉和层燃锅炉（层燃锅炉根据炉排的不同，又分为往复炉排、水冷振动炉排及链条炉排锅炉），根据现已投产生物质电厂的运营情况，以DP公司生产的水冷振动炉排锅炉运行最为成功，因此，本文将通过对DP生物质直燃发电锅炉进行阐述，更好的深入了解生物质锅炉设备原理。

第一节概述

一、生物质电厂图示

工艺流程图

全厂示意图

二、DP生物质锅炉设计

1.总体设计

DP锅炉采用振动炉排的燃烧方式；单汽包，汽水系统为自然循环；单炉膛，炉膛外集中下降管结构；平衡通风，整体为“M”型布置，炉膛和过热器通道采用全密封的膜式壁结构，确保锅炉的密封性能；过热蒸汽采用四级加热，三级喷水减温方式，使过热蒸汽温度有很大的调节裕度，以保证锅炉蒸汽参数；尾部竖井内布置有两级省煤器、一级高压烟气冷却器和两级低压烟气冷却器；空气预热布置在烟道以外，采用水冷加热的方式，以避免尾部烟道的低温腐蚀；固态排渣，减少排渣热损失；室内布置，构架全部为金属结构，按7度地震烈度设计；锅炉为底部支撑结构，避免热膨胀对锅炉稳定性的负面影响；锅炉采用轻柴油点火启动，在炉膛右侧墙装有启动燃烧器。

锅炉总体布置图

2.主要技术经济指标和有关数据

（1）DP锅炉的主要参数

额定蒸发量：

130t/h

额定蒸汽压力：

9.2Mpa

额定蒸汽温度：

540℃

额定给水温度：

210℃

（2）设计燃料

DP锅炉设计燃料为棉花秸秆（可掺烧木片、树枝）等灰秆或玉米、小麦秸秆等黄色秸秆。

a）燃料成分分析

燃料种类

含碳量（％）

含氢量（％）

含氧量

（％）

含氮量

（％）

含硫量

（％）

含灰量

（％）

水分

（％）

挥发分

（％）

应用基低位发热量（kJ/kg）

棉花秸秆

46.11

5.9

35.01

0.32

0.18

2.57

9.92

71.1

16460

玉米秸秆

49.9

6

42.98

1.09

0.12

8.36

5.5

79.33

19750

小麦秸秆

49.4

6.05

43.98

0.42

0.43

5.4

4.09

80.72

19.71

b）燃料灰分分析

名称

符号

单位

玉米秸秆（设计值）

小麦秸秆（设计值）

棉花秸秆（设计值）

二氧化硅

Si02

％

63.48

61.62

33.67

氧化铝

AL2O3

％

6.75

3.19

6.45

氧化铁

Fe2O3

％

2.79

1.36

2.82

氧化钙

CO

％

6.9

6.9

21.9

氧化镁

Mg2O3

％

3.32

2.22

7.5

氧化钛

TiO2

％

0.39

0.14

0.31

氧化硫

SO3

％

1.15

3.15

5.76

氧化磷

P2O5

％

1.76

1.48

4.96

氧化钾

K2O

％

9.22

15.84

5.27

氧化钠

Na2O

％

0.99

9.91

4.06

（3）技术经济指标

冷风温度35℃

一次风温度193℃

二次风温度193℃

一、二次风占总风量之比1:

1

排烟温度124℃

锅炉热效率92％

燃料消耗量24.948t/h（水分15%，低位热值14.29MJ/Kg）

34.52t/h（水分25%，低位热值11.74MJ/Kg）

燃料粒度要求<100mm100%

<50mm90%

>5mm>50%

<3mm≤5%

排污率2％

（4）锅炉外形尺寸

宽度（锅炉钢架中心线）24687mm

深度（锅炉钢架中心线）32388mm

汽包中心线标高23450mm

锅炉本体最高点标高26074mm

炉膛横截面9120×5760mm2

炉膛标高21500mm

（5）水质要求

锅炉的给水、炉水、蒸汽品质均应符合GB12145-1989《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量标准》且符合用户的特殊要求。

a）给水：

PH值：

＞9.3

硬度：

≤2微摩尔/升

含铁量:

＜0.02毫克/升

含铜量:

＜0.003毫克/升

含二氧化硅量:

＜0.02毫克/升

含纳量:

＜0.02毫克/升

含盐量:

＜100毫克/升

溶解氧:

≤0.02毫克/升

电导率:

＜0.2un/cm

有机物：

无

外观：

清晰无色

b）炉给水：

PH值：

9.0-10.5

电导率：

＜100un/cm

磷酸根：

2-10毫克/升

二氧化硅量:

＜20微克