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0、引  言
    生物質(zhì)能與化石能源相比，具有可再生和低污染的優(yōu)勢(shì)，近幾年，生物質(zhì)能發(fā)電得到了快速發(fā)展。在燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)方面國外已有實(shí)例，1996年期間，在丹麥Studstrup電站一號(hào)機(jī)組進(jìn)行了秸稈與煤混燒示范試驗(yàn)。國外相關(guān)文獻(xiàn)在燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)氯腐蝕、燃燒方式、生物質(zhì)預(yù)處理、火焰結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了研究。國內(nèi)研究大都集中在生物質(zhì)電廠鍋爐的直接燃燒、燃料特性、灰分分析等方面。但相關(guān)文獻(xiàn)還沒有燃煤鍋爐摻燒稻殼對(duì)鍋爐效率影響的計(jì)算分析方面的研究。
    本文以某電廠300 MW燃煤鍋爐摻燒稻殼為研究對(duì)象，現(xiàn)階段該臺(tái)鍋爐采用冷風(fēng)輸送稻殼，摻混比例很小。因采取冷風(fēng)輸送稻殼會(huì)降低鍋爐的熱效率，并且摻混比例太小無法對(duì)稻殼形成高效、規(guī)模化利用。為了解決這些問題，本文研究了燃煤鍋爐摻燒稻殼時(shí)在不同送風(fēng)溫度和不同摻燒比例下對(duì)鍋爐效率、排煙溫度、輻射換熱和對(duì)流換熱等方面的影響。此研究結(jié)果可對(duì)燃煤電廠摻燒稻殼提供參考。
1、輸送稻殼風(fēng)溫的確定
該電廠摻燒稻殼采用冷風(fēng)輸送方式，若采用熱風(fēng)輸送稻殼，現(xiàn)場(chǎng)直接實(shí)驗(yàn)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此，在試驗(yàn)室搭建了稻殼的熱風(fēng)輸送試驗(yàn)臺(tái)，壓縮空氣由空氣泵提供，經(jīng)管式爐加熱。熱空氣從底部進(jìn)入上升管，加熱物料10 min。當(dāng)輸送溫度達(dá)到220℃時(shí)，稻殼產(chǎn)生輕度的揮發(fā)份析出現(xiàn)象，稻殼的顏色發(fā)生變化，但并沒有發(fā)生稻殼附壁的現(xiàn)象。當(dāng)輸送風(fēng)溫降低至180℃，加熱10 min后，稻殼沒有發(fā)生任何變化。因此，從輸送系統(tǒng)的安全性考慮，建議稻殼輸送風(fēng)溫在150℃～180℃。
富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
2、研究對(duì)象與計(jì)算工況
    該燃煤鍋爐采用四角同心反切燃燒、擺動(dòng)燃燒器調(diào)溫、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣；爐后尾部布置兩臺(tái)三分倉容克式空氣預(yù)熱器，爐膛采用氣密式膜式水冷壁，爐底采用水封結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)煤種為貧煤，制粉系統(tǒng)為中間儲(chǔ)倉式制粉系統(tǒng)。該電廠現(xiàn)階段進(jìn)行了摻燒稻殼發(fā)電，本文根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采取低于200℃以下熱風(fēng)輸送稻殼進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算了稻殼不同送風(fēng)溫度，不同摻燒比例下，對(duì)鍋爐效率、排煙溫度等方面的影響。
    在具體計(jì)算工況中，輸送稻殼風(fēng)溫分別設(shè)定為20℃、100℃、150℃、200℃：摻燒比例為1%、3%、5%、8%、10%、15%、20%。其系統(tǒng)原理如圖1所示。
3、計(jì)算方法
3.1  混合燃料計(jì)算方法
    煤質(zhì)是鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行的重要依據(jù)。參考工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中關(guān)于燃用混合煤的計(jì)算方法。當(dāng)混合燃燒兩種不同煤時(shí)，1kg混合煤的發(fā)熱量：
式中g(shù)L一混合煤中某種煤的質(zhì)量份額，%。
    混合煤的元素成分也可按同樣的方法進(jìn)行折算：
   g一混合煤中某種煤的質(zhì)量份額，%。
   在煤質(zhì)的元素分析中，其余組份也可按此方法進(jìn)行折算。本文所研究稻殼和煤的摻燒計(jì)算時(shí)，把稻殼假定為組分相近的煤。因此，稻殼和煤摻燒時(shí)，可把稻殼和煤混合燃料當(dāng)作鍋爐燃燒兩種不同的煤，在計(jì)算時(shí)所用的混合燃料元素分析和工業(yè)分析均按上述方法進(jìn)行折算。
    在該電廠所摻燒的稻殼為其周邊地區(qū)所產(chǎn)，根據(jù)上述混合燃料計(jì)算方法，設(shè)計(jì)煤種、現(xiàn)燒煤種、稻殼、混合燃料的元素分析和工業(yè)分析如表l所示。
    表1中混合燃料計(jì)算結(jié)果為稻殼摻燒比例為15%時(shí)的計(jì)算結(jié)果，該方法推算的混合燃料的元素分析和工業(yè)分析隨摻燒比例的變化而變化。表l表明，稻殼與煤相比，具有較高的O/C比和H/C比：稻殼具有更高的氧含量，從燃燒的角度上理解，稻殼具有更好的燃燒性能。
3.2  空氣預(yù)熱器計(jì)算方法
    采用不同溫度的一次風(fēng)輸送稻殼時(shí)，對(duì)鍋爐效率有所影響。當(dāng)輸送稻殼的風(fēng)溫低于空預(yù)器出口風(fēng)溫，摻入輸送風(fēng)中的冷風(fēng)會(huì)排擠正常燃煤工況下空預(yù)器的風(fēng)量，隨著摻燒比例的增加，排擠的風(fēng)量也就會(huì)增加，與不摻燒稻殼相比，排煙溫度也就會(huì)相應(yīng)的升高�？疹A(yù)器計(jì)算原理圖如圖2所示。在不摻燒稻殼的燃煤工況下，輸送燃煤的一次風(fēng)的溫度為300℃。摻燒稻殼工況下，采用200℃的風(fēng)輸送稻殼時(shí)煙氣側(cè)對(duì)一次風(fēng)的放熱量的計(jì)算原理如圖3所示。
4、計(jì)算結(jié)果
4.1對(duì)爐膛輻射換熱及爐膛出口煙氣溫度的影響
    摻燒稻殼時(shí)，由于其折算水分較高，熱值低，因此，混合燃料的理論燃燒溫度隨摻燒比例的增加而降低；如圖4中當(dāng)摻燒稻殼比例達(dá)到20%時(shí)，理論燃燒溫度降低21℃。
    理論燃燒溫度降低會(huì)使?fàn)t內(nèi)平均溫度水平下降，降低爐膛的輻射換熱量，使?fàn)t膛出口煙氣溫度升高：當(dāng)采用200℃輸送稻殼，摻燒比例為20%的時(shí)候，爐膛出口煙氣溫度升高9℃，其原因在于摻燒稻殼時(shí)，爐內(nèi)溫度水平下降，爐膛輻射換熱量減少，導(dǎo)致爐膛出口煙氣溫度升高。同時(shí)稻殼的灰分含有較高的堿金屬化合物，堿金屬化合物的存在使灰熔點(diǎn)降低，容易引起鍋爐受熱面結(jié)渣與污染，燃燒器區(qū)域的灰分沉積，同樣會(huì)使?fàn)t內(nèi)輻射換熱量減少，也會(huì)對(duì)爐膛出口煙氣溫度升高有所貢獻(xiàn)。但南計(jì)算可知，當(dāng)摻燒比例達(dá)到20%時(shí)，煙氣量?jī)H僅增加2%～3%，因此，摻燒稻殼對(duì)輻射換熱和對(duì)流換熱影響不大，基本不會(huì)影響出力。
4.2對(duì)水蒸汽容積份額及飛灰濃度的影響
    以不摻燒稻殼為基準(zhǔn)，隨著稻殼摻燒比例的增加，鍋爐煙氣中水分含量呈上升趨勢(shì)，生物質(zhì)摻燒比例達(dá)到20%時(shí)，煙氣中水分容積份額增加了0.0102。由于折算水分較高，會(huì)降低燃料的理論燃燒溫度，煙氣中水分增加會(huì)影響到煙氣的酸露點(diǎn)，會(huì)對(duì)鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕產(chǎn)生影響。煙氣中水分的增加也會(huì)增加鍋爐的排煙損失。
    由于稻殼中灰分含量低，飛灰濃度隨摻燒比例的增大呈下降趨勢(shì)，當(dāng)摻燒比例達(dá)到20%時(shí)，飛灰濃度下降了約0.001 2 kg/kg;飛灰濃度的下降可以減少固體未完全燃燒熱損失，并且可以減小鍋爐受熱面，特別是減小尾部受熱面的磨損。
4.3對(duì)排煙溫度和鍋爐效率的影響
    該燃煤鍋爐不摻稻殼實(shí)際運(yùn)行時(shí)，排煙溫度為1℃。隨著稻殼摻燒份額的增加，鍋爐排煙溫度及排煙損失呈上升趨勢(shì)。以不摻燒稻殼為基準(zhǔn)，當(dāng)20C冷風(fēng)輸送稻殼，摻燒比例為20%時(shí)，排煙溫度升高27.1℃。其原因在于以低于空預(yù)器出口風(fēng)溫的溫度輸送稻殼將導(dǎo)致通過空氣預(yù)熱器的空氣量減少；另外，稻殼燃料中的氧含量高達(dá)30%，使燃燒稻殼時(shí)的理論空氣量減小，也相應(yīng)減少了通過空氣預(yù)熱器的空氣量，這些因素都將導(dǎo)致排煙溫度的升高。當(dāng)200℃熱風(fēng)輸送稻殼，摻燒比例20%時(shí)，排煙溫度升高21.3℃：從排煙溫度和鍋爐效率方面考慮，采用熱風(fēng)輸送稻殼較好，可降低排煙溫度，提高鍋爐效率。
    在鍋爐效率方面，20℃冷風(fēng)輸送稻殼，摻燒比例20%的時(shí)候，鍋爐效率下降1.65%；若采用200C熱風(fēng)輸送稻殼，摻燒比例為20%時(shí)，鍋爐效率下降1.3 %。
5、結(jié)論
    (1)從輸送系統(tǒng)安全性的角度考慮，建議稻殼的輸送風(fēng)溫在150—180℃：由于制備、儲(chǔ)存、輸送、結(jié)渣積灰、腐蝕等涉及鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)的問題尚未很好解決，因此，摻燒稻殼比例不宜超過15℃。
    (2)隨著摻燒稻殼比例的增加，排煙溫度升高，鍋爐效率下降；提高輸送稻殼風(fēng)溫，可降低排煙溫度，提高鍋爐效率。當(dāng)摻燒比例達(dá)到20℃，20℃冷風(fēng)輸送稻殼時(shí)，排煙溫度升高最大，達(dá)到27.1℃，鍋爐效率下降1.65%；當(dāng)摻燒比例達(dá)到20℃，采用200℃熱風(fēng)輸送生物質(zhì)，排煙溫度升高21.3℃，鍋爐效率下降1.3%。
    (3)隨著摻燒稻殼比例的增加，煙氣量增加，理論燃燒溫度降低，爐膛出口煙溫升高，煙氣中飛灰濃度降低，水蒸汽容積份額增加；當(dāng)摻燒比例20%時(shí)，煙氣量增加2%—3%，飛灰濃度降低了0.0012kg/kg，水蒸汽容積份額增加了0.0102，理論燃燒溫度降低21℃，爐膛出口煙溫升高9℃，對(duì)爐膛輻射換熱和受熱面對(duì)流換熱影響不大。

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