不同掺烧比例生扬质与煤共燃系统热力学分析

鲁许鳌，孙磊，李永华，郭志城，王凯，王锂

（华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定071003）

　　摘要：为了对生物质与煤共燃系统进行节能分析，并提供理论依据，本文基于热力学定律对396t/h高温高压CFB锅炉生物质与煤共燃系统进行了研究，分析了掺烧生物质比例对锅炉排烟温度、热效率和㶲效率的影响。结果表明，随着掺烧生物质比例的增加，锅炉排烟温度逐渐升高，热效率由89.62%逐渐减低，㶲效率由46.11%逐渐下降，且炉膛内部受热面以及尾部烟道各受热面的换热效率都高达98%，而炉膛内部受热面的换热㶲效率仅约38%，故而在㶲分析下，该CFB锅炉炉膛内部受热面仍存在很大的节能潜力。

　　我国生物质资源丰富，掺烧部分生物质能够减少化石燃料的使用，减缓能源危机，并降低污染[1-5]。目前，大容量电站锅炉掺烧生物质有直接共燃、间接共燃和并行共燃3种方式，共燃技术与其他生物质发电利用方式相比，具有低风险、低投资、建设周期短的特点，受到了各国广泛关注[6]。

　　循环流化床（CFB）锅炉内生物质与煤共燃，是一种简单高效利用生物质的途径，许多国内外学者对此进行了研究。鲁许鳌等[7]进行了掺混比例对生物质与煤流化床共气化特性影响的试验研究。阎维平等[8]对300MW机组燃煤锅炉掺烧稻壳对锅炉效率影响进行了计算分析。沈国章等[9]对流化床燃烧麦秸床料团聚结渣进行了研究。LIJ等[10]采用计算流体动力学（CFD）对掺烧焙烧后的生物质与煤共燃系统进行了数值模拟，研究其燃烧产物的排放规律。VarolM等[11-12]研究了高硫褐煤与生物质在小型CFB锅炉共燃的燃烧特性。UnchaisriT等[13]对过量空气系数和稻草在混合燃料中的质量份额对混合燃料性能、燃烧效率和气体排放的影响进行了研究。OpydoM等[14]对CFB锅炉中烟煤与生物质共燃时固体颗粒堆积进行了研究。GayanP等[15]对CFBC燃烧煤和生物质混合物的性能进行了分析，并建立了预测CFB锅炉中煤和生物质废物共燃系统的数学模型，并进行了验证。

　　本文应用热力学第一定律对掺烧不同比例生物质锅炉各处烟气温度、工质温度以及锅炉热效率进行了计算分析，并在此基础上进行烟分析，进而探究锅炉的节能潜力。

　　1研究对象及方法

　　本文将以396t/h高压高温大容量pyroflow型自然循环CFB蒸汽锅炉为例进行研究。该锅炉燃用的固体燃料工业分析和元素分析见表1。

　　本文应用热力学定律进行锅炉节能分析，具体方法如下。

　　1）通过热力学第一定律计算得到锅炉的热效率，通过锅炉热效率的大小来分析锅炉节能潜力的大小，热效率越高则能量利用率越高，节能潜力越小。

　　2）将锅炉整体分为炉膛（包括水冷壁和二级过热器）、三级过热器、一级过热器等，应用热力学第二定律计算各换热器换热㶲效率，换热㶲效率越低则锅炉节能潜力越大。

　　3）利用㶲流图进行怫分析，了解输入㶲的利用情况和㶲损较大的薄弱环节。

　　2热力学分析

　　假定初始温度，通过热量平衡对烟气放热量与工质吸热量间进行校核，最终得到各处烟气温度、工质温度以及锅炉热效率，并对计算结果进行分析。

　　2.1热平衡分析

　　由于锅炉结构复杂，故将其分为燃烧系统和尾部烟道各受热面两大部分进行热平衡分析。系统热平衡示意如图1所示。该系统由炉膛、分离器和回料器组成。由于本文中CFB锅炉的分离器中无再燃烧，故而烟气经分离器后其温度会略有降低，在此假定其分离器出口烟温即炉膛进口循环灰温度比炉膛出口烟温低了5℃。而对三级过热器、一级过热器、省煤器和空气预热器的热平衡分析主要是针对烟气放热量与工质吸热量间的热量平衡。

　　锅炉机组热效率作为锅炉热力计算的关键值，对于锅炉节能分析意由卅炉热效率主要受锅炉热损失中最大的排烟损失所影响，因此本文在重点分俪炉排烟损失的MB上，采用反平衡法对无脱硫工况和脱硫工况下的锅炉热效率进行计算。

　　2.2㶲分析

　　对炉膛进行㶲分析主要包括炉膛入口㶲、炉膛出口烟气㶲、炉膛内部吸热㶲以及各项㶲损。其中，炉膛入口㶲由入口燃料㶲以及热空气带入㶲组成；炉膛内部吸热㶲由水冷壁吸热㶲和二级过热器吸热㶲组成；各项㶲损包括燃烧不可逆㶲损、气体未完全燃烧㶲损、固体未完全燃烧㶲损、散热㶲损、灰渣㶲损和传热不可逆烟损。

　　换热㶲效率是通过计算烟气经过换热器后换热器㶲增量与烟气㶲降间的比值求得。其他各换热器㶲损主要为传热㶲损。

　　3计算结果分析

　　3.1烟气及工质温度

　　应用热力学第一定律对100MW机组CFB锅炉掺烧不同比例玉米秆时各处烟气温度和工质温度进行热力学计算，结果见表2和表3。

　　由表2可以看出，随着掺烧玉米秆比例的增加，炉膛出口烟温逐渐降低，而排烟温度却略有升高。这是因为掺烧玉米秆比例增加，燃料低位放热量减小使炉膛有效放热量降低，导致炉膛燃烧温度降低，最终使炉膛出口烟温下降；排烟温度的升高主要是因为随着掺烧玉米秆比例的增加，燃料低位放热量减小，燃料量增加，烟气体积增大，烟气流速加快所致。

　　由表3可以看出，随着掺烧玉米秆比例的增加，三级过热器、一级过热器、省煤器和空气预热器出口工质温度都变化很小。虽掺烧生物质比例的增加导致炉膛出口烟气温度降低，但烟气流速的加快却会增大换热系数，最终使出口工质的温度变化并不大。

　　3.2锅炉热效率

　　对掺烧不同比例玉米秆无脱硫和有脱硫工况下锅炉热效率进行计算，结果如图2所示。由图2可以看出：随着掺烧玉米秆比例的增加，不脱硫工况下，锅炉热效率由89.77%降低到89.58%；脱硫工况下，锅炉热效率由89.62%降低到89.3%。因为随着玉米秆掺烧比例的增加，锅炉排烟温度和排烟容积都在增大，导致锅炉热损失中排烟热损失进一步增大，故而使锅炉热效率逐渐降低。

　　3.3换热㶲效率

　　掺烧不同比例玉米秆时锅炉各换热器换热㶲效率以及㶲损失计算结果见表4和表5。由表4、表5可以看出：CFB锅炉各部位中炉膛内部受热面换热㶲效率最小，三级过热器换热㶲效率最大；炉膛内部换热㶲效率随着掺烧玉米秆比例的增加而减小；在各项㶲损失中其燃烧不可逆㶲损失最大，其值随掺烧生物质比例的增加而增大，而其他㶲损都较小且变化不大。这是因为：1）炉膛内部存在各种损失，但各换热器主要是传热损失故而炉膛内部㶲效率偏小；2）掺烧生物质比例越大，燃料低位发热量越小，炉膛温度越低，导致换热效果变差，换热㶲效率变小；3）掺烧生物质的比例越大所生成烟气体积越大，炉膛内部烟气流速越快，导致烟气在炉膛内部停留时间越短，换热效果越差，致使换热㶲效率减小；4）随着掺烧生物质比例的增加，导致炉膛理论燃烧温度降低，使其燃烧产物㶲随之减少。

　　另外，在几种生物质掺烧比例下，计算所得锅炉㶲效率分别为46.11%、45.90%、45.62%、45.35%。可见燃煤工况下锅炉整体烟效率最大，随着掺烧生物质比例的增加烟效率逐渐减小。这是由于随着掺烧生物质比例的增加，烟气体积增加，烟气流速加快，炉膛理论燃烧温度降低，导致换热效果变差，燃烧损失增加，最终导致㶲效率逐渐减小。

　　3.4㶲流图分析

　　由于掺烧不同比例玉米秆其㶲流图差别不大，故本文选取纯煤工况和掺烧20%玉米秆工况下的㶲流图进行分析，这2种工况下的㶲流图如图3和图4所示。由图3和图4可以看出：这2种工况下炉膛内部㶲损最大，而且随着掺烧玉米秆比例的增大，㶲膛㶲损从46.68%增大到了47.14%，与上述炉膛内部受热面换热㶲分析结果一致；锅炉三级过热器、一级过热器、省煤器和空气预热器等㶲损相比于炉膛内部烟损失都很小，其中各项热损失中最大的排烟损失在㶲流图分析中也只占约1%，且随着掺烧玉米秆比例的增加逐渐增大；㶲流图中真正流入各换热器的有效㶲值较小，水冷壁、一级过热器、省煤器、三级过热器、二级过热器、空气预热器有效㶲增逐渐减小。