魯許鰲，孫磊，李永華，郭志城，王凱，王鋰

（華北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，河北保定071003）

　　摘要：為了對生物質(zhì)與煤共燃系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能分析，并提供理論依據(jù)，本文基于熱力學(xué)定律對396t/h高溫高壓CFB鍋爐生物質(zhì)與煤共燃系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了摻燒生物質(zhì)比例對鍋爐排煙溫度、熱效率和?效率的影響。結(jié)果表明，隨著摻燒生物質(zhì)比例的增加，鍋爐排煙溫度逐漸升高，熱效率由89.62%逐漸減低，?效率由46.11%逐漸下降，且爐膛內(nèi)部受熱面以及尾部煙道各受熱面的換熱效率都高達(dá)98%，而爐膛內(nèi)部受熱面的換熱?效率僅約38%，故而在?分析下，該CFB鍋爐爐膛內(nèi)部受熱面仍存在很大的節(jié)能潛力。

　　我國生物質(zhì)資源豐富，摻燒部分生物質(zhì)能夠減少化石燃料的使用，減緩能源危機，并降低污染[1-5]。目前，大容量電站鍋爐摻燒生物質(zhì)有直接共燃、間接共燃和并行共燃3種方式，共燃技術(shù)與其他生物質(zhì)發(fā)電利用方式相比，具有低風(fēng)險、低投資、建設(shè)周期短的特點，受到了各國廣泛關(guān)注[6]。

　　循環(huán)流化床（CFB）鍋爐內(nèi)生物質(zhì)與煤共燃，是一種簡單高效利用生物質(zhì)的途徑，許多國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了研究。魯許鰲等[7]進(jìn)行了摻混比例對生物質(zhì)與煤流化床共氣化特性影響的試驗研究。閻維平等[8]對300MW機組燃煤鍋爐摻燒稻殼對鍋爐效率影響進(jìn)行了計算分析。沈國章等[9]對流化床燃燒麥秸床料團聚結(jié)渣進(jìn)行了研究。LIJ等[10]采用計算流體動力學(xué)（CFD）對摻燒焙燒后的生物質(zhì)與煤共燃系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究其燃燒產(chǎn)物的排放規(guī)律。VarolM等[11-12]研究了高硫褐煤與生物質(zhì)在小型CFB鍋爐共燃的燃燒特性。UnchaisriT等[13]對過量空氣系數(shù)和稻草在混合燃料中的質(zhì)量份額對混合燃料性能、燃燒效率和氣體排放的影響進(jìn)行了研究。OpydoM等[14]對CFB鍋爐中煙煤與生物質(zhì)共燃時固體顆粒堆積進(jìn)行了研究。GayanP等[15]對CFBC燃燒煤和生物質(zhì)混合物的性能進(jìn)行了分析，并建立了預(yù)測CFB鍋爐中煤和生物質(zhì)廢物共燃系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了驗證。

　　本文應(yīng)用熱力學(xué)第一定律對摻燒不同比例生物質(zhì)鍋爐各處煙氣溫度、工質(zhì)溫度以及鍋爐熱效率進(jìn)行了計算分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行煙分析，進(jìn)而探究鍋爐的節(jié)能潛力。

　　1研究對象及方法

　　本文將以396t/h高壓高溫大容量pyroflow型自然循環(huán)CFB蒸汽鍋爐為例進(jìn)行研究。該鍋爐燃用的固體燃料工業(yè)分析和元素分析見表1。

　　本文應(yīng)用熱力學(xué)定律進(jìn)行鍋爐節(jié)能分析，具體方法如下。

　　1）通過熱力學(xué)第一定律計算得到鍋爐的熱效率，通過鍋爐熱效率的大小來分析鍋爐節(jié)能潛力的大小，熱效率越高則能量利用率越高，節(jié)能潛力越小。

　　2）將鍋爐整體分為爐膛（包括水冷壁和二級過熱器）、三級過熱器、一級過熱器等，應(yīng)用熱力學(xué)第二定律計算各換熱器換熱?效率，換熱?效率越低則鍋爐節(jié)能潛力越大。

　　3）利用?流圖進(jìn)行怫分析，了解輸入?的利用情況和?損較大的薄弱環(huán)節(jié)。

　　2熱力學(xué)分析

　　假定初始溫度，通過熱量平衡對煙氣放熱量與工質(zhì)吸熱量間進(jìn)行校核，最終得到各處煙氣溫度、工質(zhì)溫度以及鍋爐熱效率，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

　　2.1熱平衡分析

　　由于鍋爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故將其分為燃燒系統(tǒng)和尾部煙道各受熱面兩大部分進(jìn)行熱平衡分析。系統(tǒng)熱平衡示意如圖1所示。該系統(tǒng)由爐膛、分離器和回料器組成。由于本文中CFB鍋爐的分離器中無再燃燒，故而煙氣經(jīng)分離器后其溫度會略有降低，在此假定其分離器出口煙溫即爐膛進(jìn)口循環(huán)灰溫度比爐膛出口煙溫低了5℃。而對三級過熱器、一級過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器的熱平衡分析主要是針對煙氣放熱量與工質(zhì)吸熱量間的熱量平衡。

　　鍋爐機組熱效率作為鍋爐熱力計算的關(guān)鍵值，對于鍋爐節(jié)能分析意由卅爐熱效率主要受鍋爐熱損失中最大的排煙損失所影響，因此本文在重點分儷爐排煙損失的MB上，采用反平衡法對無脫硫工況和脫硫工況下的鍋爐熱效率進(jìn)行計算。

　　2.2?分析

　　對爐膛進(jìn)行?分析主要包括爐膛入口?、爐膛出口煙氣?、爐膛內(nèi)部吸熱?以及各項?損。其中，爐膛入口?由入口燃料?以及熱空氣帶入?組成；爐膛內(nèi)部吸熱?由水冷壁吸熱?和二級過熱器吸熱?組成；各項?損包括燃燒不可逆?損、氣體未完全燃燒?損、固體未完全燃燒?損、散熱?損、灰渣?損和傳熱不可逆煙損。

　　換熱?效率是通過計算煙氣經(jīng)過換熱器后換熱器?增量與煙氣?降間的比值求得。其他各換熱器?損主要為傳熱?損。

　　3計算結(jié)果分析

　　3.1煙氣及工質(zhì)溫度

　　應(yīng)用熱力學(xué)第一定律對100MW機組CFB鍋爐摻燒不同比例玉米稈時各處煙氣溫度和工質(zhì)溫度進(jìn)行熱力學(xué)計算，結(jié)果見表2和表3。

　　由表2可以看出，隨著摻燒玉米稈比例的增加，爐膛出口煙溫逐漸降低，而排煙溫度卻略有升高。這是因為摻燒玉米稈比例增加，燃料低位放熱量減小使?fàn)t膛有效放熱量降低，導(dǎo)致爐膛燃燒溫度降低，最終使?fàn)t膛出口煙溫下降；排煙溫度的升高主要是因為隨著摻燒玉米稈比例的增加，燃料低位放熱量減小，燃料量增加，煙氣體積增大，煙氣流速加快所致。

　　由表3可以看出，隨著摻燒玉米稈比例的增加，三級過熱器、一級過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器出口工質(zhì)溫度都變化很小。雖摻燒生物質(zhì)比例的增加導(dǎo)致爐膛出口煙氣溫度降低，但煙氣流速的加快卻會增大換熱系數(shù)，最終使出口工質(zhì)的溫度變化并不大。

　　3.2鍋爐熱效率

　　對摻燒不同比例玉米稈無脫硫和有脫硫工況下鍋爐熱效率進(jìn)行計算，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：隨著摻燒玉米稈比例的增加，不脫硫工況下，鍋爐熱效率由89.77%降低到89.58%；脫硫工況下，鍋爐熱效率由89.62%降低到89.3%。因為隨著玉米稈摻燒比例的增加，鍋爐排煙溫度和排煙容積都在增大，導(dǎo)致鍋爐熱損失中排煙熱損失進(jìn)一步增大，故而使鍋爐熱效率逐漸降低。

　　3.3換熱?效率

　　摻燒不同比例玉米稈時鍋爐各換熱器換熱?效率以及?損失計算結(jié)果見表4和表5。由表4、表5可以看出：CFB鍋爐各部位中爐膛內(nèi)部受熱面換熱?效率最小，三級過熱器換熱?效率最大；爐膛內(nèi)部換熱?效率隨著摻燒玉米稈比例的增加而減小；在各項?損失中其燃燒不可逆?損失最大，其值隨摻燒生物質(zhì)比例的增加而增大，而其他?損都較小且變化不大。這是因為：1）爐膛內(nèi)部存在各種損失，但各換熱器主要是傳熱損失故而爐膛內(nèi)部?效率偏小；2）摻燒生物質(zhì)比例越大，燃料低位發(fā)熱量越小，爐膛溫度越低，導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差，換熱?效率變小；3）摻燒生物質(zhì)的比例越大所生成煙氣體積越大，爐膛內(nèi)部煙氣流速越快，導(dǎo)致煙氣在爐膛內(nèi)部停留時間越短，換熱效果越差，致使換熱?效率減小；4）隨著摻燒生物質(zhì)比例的增加，導(dǎo)致爐膛理論燃燒溫度降低，使其燃燒產(chǎn)物?隨之減少。

　　另外，在幾種生物質(zhì)摻燒比例下，計算所得鍋爐?效率分別為46.11%、45.90%、45.62%、45.35%。可見燃煤工況下鍋爐整體煙效率最大，隨著摻燒生物質(zhì)比例的增加煙效率逐漸減小。這是由于隨著摻燒生物質(zhì)比例的增加，煙氣體積增加，煙氣流速加快，爐膛理論燃燒溫度降低，導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差，燃燒損失增加，最終導(dǎo)致?效率逐漸減小。

　　3.4?流圖分析

　　由于摻燒不同比例玉米稈其?流圖差別不大，故本文選取純煤工況和摻燒20%玉米稈工況下的?流圖進(jìn)行分析，這2種工況下的?流圖如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出：這2種工況下爐膛內(nèi)部?損最大，而且隨著摻燒玉米稈比例的增大，?膛?損從46.68%增大到了47.14%，與上述爐膛內(nèi)部受熱面換熱?分析結(jié)果一致；鍋爐三級過熱器、一級過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等?損相比于爐膛內(nèi)部煙損失都很小，其中各項熱損失中最大的排煙損失在?流圖分析中也只占約1%，且隨著摻燒玉米稈比例的增加逐漸增大；?流圖中真正流入各換熱器的有效?值較小，水冷壁、一級過熱器、省煤器、三級過熱器、二級過熱器、空氣預(yù)熱器有效?增逐漸減小。

　　4結(jié)論

　　1）鍋爐受熱面各換熱?效率中爐膛內(nèi)部受熱面換熱?效率最小，且其值隨摻燒生物質(zhì)比例的增加而減小。

　　2）在爐膛內(nèi)部各項?損失中其燃燒不可逆煙損失最大，其值隨摻燒生物質(zhì)比例增加而增大。

　　3）燃煤工況下鍋爐?效率最大，隨著摻燒生物質(zhì)比例的增加，鍋爐?效率逐漸減小。

　　4）由熱力學(xué)第一定律分析可知，不管哪種工況，鍋爐熱效率都已很高，節(jié)能潛力很小。但煙分析發(fā)現(xiàn)鍋爐?效率很低，尤其是爐膛內(nèi)部受熱面換熱?效率，故而尚存在較大的節(jié)能潛力。