不同摻燒比例生物質與煤共燃系統熱力學分析

魯許鰲，孫 磊，李永華，郭志城，王 凱，王 錕

不同摻燒比例生物質與煤共燃系統熱力學分析

魯許鰲，孫 磊，李永華，郭志城，王 凱，王 錕

（華北電力大學能源與動力工程學院，河北 保定 071003）

為了對生物質與煤共燃系統進行節能分析，并提供理論依據，本文基于熱力學定律對396 t/h高溫高壓CFB鍋爐生物質與煤共燃系統進行了研究，分析了摻燒生物質比例對鍋爐排煙溫度、熱效率和?效率的影響。結果表明，隨著摻燒生物質比例的增加，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，且爐膛內部受熱面以及尾部煙道各受熱面的換熱效率都高達98%，而爐膛內部受熱面的換熱?效率僅約38%，故而在?分析下，該CFB鍋爐爐膛內部受熱面仍存在很大的節能潛力。

生物質；共燃；熱效率；?效率；CFB鍋爐；受熱面；換熱效率；熱平衡分析

我國生物質資源豐富，摻燒部分生物質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有直接共燃、間接共燃和并行共燃3種方式，共燃技術與其他生物質發電利用方式相比，具有低風險、低投資、建設周期短的特點，受到了各國廣泛關注[6]。

循環流化床（CFB）鍋爐內生物質與煤共燃，是一種簡單高效利用生物質的途徑，許多國內外學者對此進行了研究。魯許鰲等[7]進行了摻混比例對生物質與煤流化床共氣化特性影響的試驗研究。閻維平等[8]對300 MW機組燃煤鍋爐摻燒稻殼對鍋爐效率影響進行了計算分析。沈國章等[9]對流化床燃燒麥秸床料團聚結渣進行了研究。LI J等[10]采用計算流體動力學（CFD）對摻燒焙燒后的生物質與煤共燃系統進行了數值模擬，研究其燃燒產物的排放規律。Varol M等[11-12]研究了高硫褐煤與生物質在小型CFB鍋爐共燃的燃燒特性。Unchaisri T等[13]對過量空氣系數和稻草在混合燃料中的質量份額對混合燃料性能、燃燒效率和氣體排放的影響進行了研究。Opydo M等[14]對CFB鍋爐中煙煤與生物質共燃時固體顆粒堆積進行了研究。Gayan P等[15]對CFBC燃燒煤和生物質混合物的性能進行了分析，并建立了預測CFB鍋爐中煤和生物質廢物共燃系統的數學模型，并 進行了驗證。

本文應用熱力學第一定律對摻燒不同比例生物質鍋爐各處煙氣溫度、工質溫度以及鍋爐熱效率進行了計算分析，并在此基礎上進行?分析，進而探究鍋爐的節能潛力。

1 研究對象及方法

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

表1 固體燃料工業分析和元素分析

Tab.1 The proximate and ultimate analysis result of solid fuels

本文應用熱力學定律進行鍋爐節能分析，具體方法如下。

1）通過熱力學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能潛力的大小，熱效率越高則能量利用率越高，節能 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，應用熱力學第二定律計算各換熱器換熱?效率，換熱?效率越低則鍋爐節能潛力越大。

3）利用?流圖進行?分析，了解輸入?的利用情況和?損較大的薄弱環節。

2 熱力學分析

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

2.1 熱平衡分析

由于鍋爐結構復雜，故將其分為燃燒系統和尾部煙道各受熱面兩大部分進行熱平衡分析。系統熱平衡示意如圖1所示。該系統由爐膛、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口循環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、省煤器和空氣預熱器的熱平衡分析主要是針對煙氣放熱量與工質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鍵值，對于鍋爐節能分析意義重大。由于鍋爐熱效率主要受鍋爐熱損失中最大的排煙損失所影響，因此本文在重點分析鍋爐排煙損失的基礎上，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行計算。

2.2 ?分析

對爐膛進行?分析主要包括爐膛入口?、爐膛出口煙氣?、爐膛內部吸熱?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?損。

換熱?效率是通過計算煙氣經過換熱器后換熱器?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 計算結果分析

3.1 煙氣及工質溫度

應用熱力學第一定律對100 MW機組CFB鍋爐摻燒不同比例玉米稈時各處煙氣溫度和工質溫度進行熱力學計算，結果見表2和表3。

表2 摻燒不同比例生物質各處煙氣溫度

Tab.2 The flue gas temperature at each position with different blending ratios of biomass ℃

表3 摻燒不同比例生物質各換熱器出口工質溫度

Tab.3 The temperature of working fluids at outlet of each heat exchanger with different blending ratios of biomass ℃

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爐膛有效放熱量降低，導致爐膛燃燒溫度降低，最終使爐膛出口煙溫下降；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、省煤器和空氣預熱器 出口工質溫度都變化很小。雖摻燒生物質比例的增加導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，最終使出口工質的溫度變化并不大。

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行計算，結果如圖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，導致鍋爐熱損失中排煙熱損失進一步增大，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部受熱面換熱?效率最小，三級過熱器換熱?效率最大；爐膛內部換熱?效率隨著摻燒玉米稈比例的增加而減??；在各項?損失中其燃燒不可逆?損失最大，其值隨摻燒生物質比例的增加而增大，而其他?損都較小且變化不大。這是因為：1）爐膛內部存在各種損失，但各換熱器主要是傳熱損失故而爐膛內部?效率偏??；2）摻燒生物質比例越大，燃料低位發熱量越小，爐膛溫度越低，導致換熱效果變差，換熱?效率變??；3）摻燒生物質的比例越大所生成煙氣體積越大，爐膛內部煙氣流速越快，導致煙氣在爐膛內部停 留時間越短，換熱效果越差，致使換熱?效率減?。?）隨著摻燒生物質比例的增加，導致爐膛理論燃燒溫度降低，使其燃燒產物?隨之減少。

表4 不同工況換熱器?效率

Tab.4 The exergy efficiency of heat exchangers under different operating conditions %

表5 爐膛內部?損失

Tab.5 The exergy loss inside the furnace %

另外，在幾種生物質摻燒比例下，計算所得鍋爐?效率分別為46.11%、45.90%、45.62%、45.35%?？梢娙济汗r下鍋爐整體?效率最大，隨著摻燒生物質比例的增加?效率逐漸減小。這是由于隨著摻燒生物質比例的增加，煙氣體積增加，煙氣流速加快，爐膛理論燃燒溫度降低，導致換熱效果變差，燃燒損失增加，最終導致?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%，與上述爐膛內部受熱面換熱?分析結果一致；鍋爐三級過熱器、一級過熱器、省煤器和空氣預熱器等?損相比于爐膛內部?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、空氣預熱器有效?增逐漸減小。

4 結 論

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

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

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

4）由熱力學第一定律分析可知，不管哪種工況，鍋爐熱效率都已很高，節能潛力很小。但?分析發現鍋爐?效率很低，尤其是爐膛內部受熱面換熱?效率，故而尚存在較大的節能潛力。

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Thermodynamic analysis of co-combustion system of biomass and coal with different blending ratios

LU Xuao, SUN Lei, LI Yonghua, GUO Zhicheng, WANG Kai, WANG Kun

(School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

In order to carry out energy-saving analysis for biomass-coal co-combustion system and provide the theoretical basis, based on thermodynamic law, this paper analyzes the co-combustion system of biomass and coal in a 396 t/h high temperature and high pressure circulating fluidized bed boiler, and studies the influence of biomass blending ratio on exhaust temperature, thermal efficiency and exergy efficiency of the boiler. The results show that, with the increase of biomass blending ratio, the exhaust temperature of the boiler increases gradually, the thermal efficiency decreases gradually from 89.62%, the exergy efficiency decreases gradually from 46.11%, and the heat transfer efficiency of the heating surface inside the furnace and in the tail flue is as high as 98%, while the heat transfer exergy efficiency of the heating surface inside the furnace is only about 38%. Therefore, in the case of exergy analysis, there is still a great potential for energy saving in the furnace.

biomass, co-combustion, thermal efficiency, exergy efficiency, CFB boiler, heating surface, heat transfer efficiency, thermal balance analysis

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201901015

2019-01-17

魯許鰲(1976)，男，博士，講師，主要研究方向為生物質與煤共燃技術，lxn745206@yeah.net。

孫磊(1991)，男，碩士，主要研究方向為生物質與煤共燃發電技術，sunlei9183@139.com。

魯許鰲, 孫磊, 李永華, 等. 不同摻燒比例生物質與煤共燃系統熱力學分析[J]. 熱力發電, 2019, 48(10): 92-96. LU Xuao, SUN Lei, LI Yonghua, et al. Thermodynamic analysis of co-combustion system of biomass and coal with different blending ratios[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 92-96.

（責任編輯 馬昕紅）