燃糠醛渣卧式循环流化床锅炉运行及应用_李开乐.pdf

文章编号：（）：燃糠醛渣卧式循环流化床锅炉运行及应用基金项目：国家重点研发计划资助（）收稿日期：李开乐，李纹广，李 猛，林子伟，胡 峰，朱 瑞 （清华大学能源与动力工程系，北京；热华能源股份有限公司，北京）摘 要：针对糠醛渣水分高、热值低、燃烧过程易结焦积灰等特点，采用“三床两返”炉膛结构开发出纯燃糠醛渣的卧式循环流化床锅炉，并提出了基于灰循环、二次风、生物质混烧及床料调整的运行调控策略。锅炉运行时，燃烧室、分离器、各级受热面等处温度稳定，密相区、燃尽室等处压力平稳，炉膛出口氧含量维持在 以下，、和 等污染物实现了超低排放。运行数据表明：该锅炉易于调节、运行稳定，经济性和环保指标优异。关键词：糠醛渣；卧式循环流化床锅炉；三床两返；运行状况；超低排放中图分类号：文献标识码：第一作者：李开乐（），男，本科，清华大学能源与动力工程系博士在读。，（，；，）：，：；引言糠醛作为呋喃环系最重要的衍生物，是重要的化工原料，可直接或间接制得近 种化学品，具有很高的商业价值和市场需求。目前，糠醛主要用玉米芯、甘蔗渣、农林废弃物等植物纤维作原料水解生产。作为农业大国，我国拥有大量可再生的糠醛生产原料，糠醛产量占世界年总产量的 左右。在糠醛生产过程中，残留的纤维素、木质素、腐殖酸和其他材料会形成糠醛渣，每 糠醛将会产生 的糠醛渣，据统计，我国每年糠醛渣产量达到 万吨以上。作为具有生物质属性的可燃工业固体废弃物，糠醛渣可直接用作燃料，能源化利用正逐渐成为其高效规模化应用的主要形式。燃生物质及其衍生废渣的锅炉常采用层燃技术或者循环流化床燃烧技术。采用层燃技术，操作方便且运行费用低，但由于炉膛出口温度较高，增强了燃糠醛渣卧式循环流化床锅炉运行及应用碱金属盐对尾部受热面的腐蚀。对于热值特别低的糠醛渣，层燃锅炉有时还需要采用炉外干燥技术，将糠醛渣的水分降低到一定水平再喷入炉膛。循环流化床锅炉具有较高燃烧效率，且对燃料适应性强、污染排放量低，可不需要炉外干燥，非常适用于高水分的糠醛渣燃烧。国外燃用生物质燃料多采用层燃技术，尚未针对糠醛渣开发专用的燃烧设备。我国循环流化床锅炉研究发展较为迅速，针对燃糠醛渣锅炉已经开展了一系列研发工作。年，长沙锅炉厂和中科院工程热物理所合作提出了 、容量等级糠醛渣循环流化床锅炉的设计方案，但未进行产业化。年，鞍山锅炉厂开发出高温烟气干燥技术并用于燃糠醛渣的循环流化床锅炉。年，河南心连心化学工业集团股份有限公司研究开发出 高压中温燃糠醛渣循环流化床锅炉，调试期间出现问题较多，通过对回料器、给料机、冷渣机等的改造已经实现了连续运行，但尚未形成成套技术。尽管目前市场上已经存在一些纯燃糠醛渣的层燃锅炉以及掺烧糠醛渣的循环流化床锅炉，但在双碳战略和严格的环保政策限制下，采用烟气外循环干燥会导致烟气中携带的挥发性有机化合物（）难以治理，纯燃糠醛渣的层燃锅炉正逐渐退出市场，而掺烧煤炭的糠醛渣锅炉由于“限煤”已经没有市场需求。从现状看，糠醛企业正迫切寻求一种高能效、低排放、运行可靠的纯燃糠醛渣燃烧技术及装备，以解决当前面临的“卡脖子”问题。针对糠醛渣水分高、热值低、碱金属含量高、易结渣积灰等特点，可通过优化其燃烧过程，设计新型糠醛渣锅炉来解决纯燃糠醛渣面对的各种难题。清华大学与热华能源共同研制纯燃糠醛渣卧式循环流化床锅炉成套技术装备。该装备运行期间床温、床压和烟气含氧量等均满足设计要求，稳定性良好，污染物排放达到超低排放标准，在消纳糠醛渣的同时能够为糠醛企业供应优质连续稳定的蒸汽。卧式循环流化床锅炉设计针对纯燃生物质及糠醛渣锅炉运行难点，清华大学与热华能源共同研发出了卧式循环流化床燃烧成套技术，并应用于某生物质集中供热项目。采用该技术的锅炉主要技术参数及糠醛渣成分如表 和表 所示。糠醛渣灰分很低，不利于物料循环的组织；水分高、热值低，将影响燃烧的稳定性；硫分较高，须加强炉内脱硫和烟气脱硫的配合，以实现高效脱硫。表 某 燃糠醛渣锅炉主要技术参数序号项目单位数值或者结果额定蒸发量 额定工作压力额定过热蒸汽温度设计燃料糠醛渣、生物质等燃料低位热值 设计热效率炉膛密相区温度排烟温度炉膛宽度炉膛深度汽包中心线标高锅炉宽度含尾部受热面锅炉总深度脱硫方式炉内石灰石脱硫塔治理低温分级燃烧烟尘治理粗除尘高效布袋除尘表 糠醛渣元素分析及工业分析碳 氢 氧 氮 硫 水分 灰分 收到基低位发热量（）燃糠醛渣卧式循环流化床锅炉运行及应用 燃糠醛渣的卧式循环流化床锅炉结构如图 所示。锅炉前部为三级炉膛、两级分离的“三床两返”结构，炉膛采用全悬吊结构，尾部受热面采用支撑结构，全钢架 形布置。炉膛采用全膜式水冷壁，密封性能好。二级、三级炉膛下部设有惯性分离器，可分离烟气中较粗颗粒，炉膛后部是中温旋风分离器，较常规高温旋风分离器具有体积小、分离效率高、耐火保温、材料轻薄、性能与经济性高等优点。惯性分离器与旋风分离器分离下来的灰尘通过高效非机械式返料器送回一级炉膛内继续参与燃烧，增加糠醛渣炉内停留时间。经过分离处理后较洁净的烟气进入尾部烟道，尾部烟道内布置有对流受热面，其全部为横置顺列大间距设计，具有积灰少、烟气通流性能好等优点。为预防积灰，每级对流受热面上部均布有高效吹灰器，强化清灰。图 卧式循环流化床锅炉为保证糠醛渣连续、稳定进入炉膛，炉前采用双给料系统，包括地坑受料斗、小倾角皮带输送机、过渡料仓、螺旋无轴绞龙、燃料喷吹管等，根据负荷变化通过无轴绞龙调整给料量。燃烧所需空气由一二次风机提供，根据糠醛渣热值、水分和负荷变动调整一次风与二次风配比。其中，一次风量必须保证最低流化所需风量，二次风多级给入以保证糠醛渣能够充分燃尽。为减小残留硫酸影响并保证锅炉使用寿命，锅炉尾部低温段省煤器采用 钢材质，空气预热器采用搪瓷管。运行策略针对已设计好的卧式循环流化床锅炉，在实际糠醛渣燃烧过程中，糠醛渣热值变化及碱金属气化往往会影响到锅炉的运行状况，而通过优化运行策略能够更好地保障锅炉运行的燃烧高效、稳定性和可靠性，基于灰循环、二次风、生物质混烧及床料调整等措施提出了相应运行策略。（）灰循环调控传统生物质锅炉密相区温度较高，通常会加剧燃料中碱金属的气化，并导致锅炉尾部区域大量结渣，严重影响锅炉的经济性能和稳定性能。卧式循环流化床采取三级炉膛、两级灰循环的设计，通过实时监测密相区和返料器的温度变化，根据负荷情况向主燃室中适时返送二级回灰（左右），借以调整密相区床温并降低尾部结渣的倾向。（）调整二次风在燃烧过程中，若缺乏有效的烟气混合，容易导致糠醛渣燃烧不充分进而使得飞灰中碳含量增大。对此，提出通过布置在燃烧室中部的喷嘴调整二次风的燃烧策略，实现焦油等挥发性可燃组分充分有效燃烧，为糠醛渣燃烧提供更好的 供应氛围。（）生物质混烧及床料筛选糠醛渣随着季节变化，其水分、热值会略有不同。冬季，水分比其他季节高，热值低，而工业用汽量却较其他季节高，因而会掺烧高热值的木片、树枝等同属碳中性的生物质燃料，此时混合燃料综合灰分较高，通过两级高效分离返料系统形成的循环灰即可满足锅炉运行所需，无须外加床料。其它季节纯燃糠醛渣时，由于灰分只有 左右，其燃烧形成的灰分无法满足循环流化床锅炉运行所需的循环灰量，可通过额外补给惰性物料以将糠醛渣的灰分调质到，并根据负荷调整填料量。惰性物料常选用其他燃煤流化床锅炉炉渣，由于糠醛渣的流化速度较燃煤低，粗颗粒易沉在床底不流化、难以排除，需要过筛炉渣以将床料粒度降低至 以下。细河沙也可用作床料，河沙粒度在 以下。锅炉运行状况热华能源的 生物质卧式循环流化床锅炉，可用于纯燃糠醛渣并对外供应工业用汽，至今稳定运行。在燃用糠醛渣期间，蒸汽温度保持在 ，蒸汽流量保持在 ，满足了用汽企业的需求。卧式循环流化床锅炉物料循环回路内的主要温度分布监测如图 所示。总体来看，密相区温度保持在 ，能够实现低氮燃烧，降低 的原始排放。由于 的燃烧温度在 ，的密相区温度操作区间，也能够抑制 的生成，从而提高糠醛渣的燃烧效率。一级返料物料温度在 左右、二级返料温度在 左右，通燃糠醛渣卧式循环流化床锅炉运行及应用过分别调控一级和二级返回密相区的物料量，可以改变进入到密相区的物料所携带的热量，这些热量可以用于高水分、低热值糠醛渣的加热、干燥和点燃。卧式循环流化床锅炉炉膛辐射受热面大，进入旋风分离器的烟气温度在 左右，远低于常规高温分离的循环流化床锅炉，有效避开 温度区间烟气对尾部对流受热面的沾污腐蚀。图 物料循环回路内主要温度分布图 是燃尽室下游烟气的温度分布，可见省煤器、空气预热器等对流受热面内的烟气温度基本都在 以下。末级烟道布置的空气预热器内烟气温度较低，存在低温腐蚀风险，但空气预热器采用搪瓷保护金属有效避免了腐蚀的发生。此外，空气预热器上的积灰温度较低、粘性小，积灰基本呈现松散桩体，也可通过加大吹灰频率进一步降低腐蚀风险。图 燃尽室下游部分受热面内烟气温度分布炉膛风室压力保持在 ，风室下游密相区压力和燃尽室出口压力如图 所示。密相区压力平均为 ，运行时整体较为平缓。糠醛渣颗粒聚团情况及投入量的差别导致部分时间密相区压力出现较大波动，总体来看床内物料的流化性能较为优异，未发生堵料和失流态化情况。燃尽室出口压力波动趋势与密相区压力一致，基本保持负压，平均为，排放烟气中飞灰含量得到有效控制。图 密相区压力和燃尽室出口压力锅炉运行期间，一次风主要作用为保证物料正常流化、减少结焦以及向密相区提供充足氧量。由于糠醛渣热值较低，较高一次风率会冷却炉膛从而导致炉温失稳。由图 可知，在特定负荷下，锅炉实际运行时一次风流量基本稳定在 左右，能够保证密相区燃烧的稳定进行。根据 锅炉节能环保技术规程，在额定负荷时流化床锅炉的过量空气系数宜小于，锅炉燃烧烟气中的 含量维持在 以下，对应的过量空气系数，较低的过量空气系数可保证锅炉的排烟损失维持在较低水平，从而保证其具有经济性。图 锅炉实际运行期间的一次风量和氧含量特性在运行过程中，污染物排放会随着燃料情况、负荷率等略有变化，可通过调整配风及炉膛温度等对部分污染物进行控制。“三床两返”的炉膛结构使得炉膛水冷壁辐射受热面积远大于常规循环流化床燃糠醛渣卧式循环流化床锅炉运行及应用锅炉，炉膛主燃室内温度水平低、自平衡的灰循环保证了炉膛内的温度分布均匀，原始生成低。运行期间烟气中的、和颗粒物含量如图 所示，大部分运行时间内排放较稳定。尽管糠醛渣本身硫含量较高，由于采用炉内脱硫以及烟气脱硫综合治理后，排放保持在 左右。投入选择性非催化还原（）系统后，平均排放量约为 。总体而言，、的排放浓度实现了超低排放（个别工况除外），且经布袋除尘后的颗粒物达到了近零排放水平。图 锅炉实际运行期间、和颗粒物的排放 结语卧式循环流化床锅炉克服了现存燃糠醛渣锅炉的技术难题，实现了纯燃糠醛渣。运行情况表明，床内流化和灰循环自平衡性能好，锅炉床温及床压稳定，污染物原始排放浓度低。该锅炉可用于糠醛企业自行消纳糠醛渣并获得连续稳定的高品质蒸汽。参考文献，：，（）：，（）：，（）：，（）：李梦雨，杨鹏，常春，等 糠醛渣高值化利用的研究进展 林产化学与工业，（）：，：张建春，顾君苹，张缦，等 纯燃生物质循环流化床锅炉设计与运行 锅炉技术，（）：初雷哲，张衍国，康建斌 多流程循环流化床技术及其在生物质锅炉中的应用 生物产业技术，（）：，：，（）：，；，周国章，洪波 糠醛渣直燃循环流化床锅炉研发 工业锅炉，（）：王杰 燃糠醛渣循环流化床锅炉的设计 锅炉制造，（）：朱性贵，张本峰，朱迎红，等 生物质（糠醛渣）循环流化床锅炉的开发应用及优化 中氮肥，（）：李皓宇，刘敬樟 糠醛渣流化床燃烧过程中床料粘结机理研究 西安交通大学学报，（）：袁瑞龙，华玉龙，戚圣琦，等 联合脱硝工艺在特殊案例中的应用 电站系统工程，（）：，：柯希玮，吕俊复，郭学茂，等 高参数生物质循环流化床锅炉技术研发与应用 热力发电，（）：杨磊，解雪涛，李战国 循环流化床锅炉燃烧初调整试验参数分析 电站系统工程，（）：燃糠醛渣卧式循环流化床锅炉运行及应用