稻壳流化燃烧锅炉研制

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1、稻壳流化燃烧锅炉的研制王小奇长沙锅炉厂摘 要：本文介绍了SZF41.25D型稻壳流化床锅炉的开发过程、该锅炉的结构特点，以及锅炉调试过程中出现的主要问题及改进措施，加媒体燃烧与不加媒体燃烧时锅炉设计的不同之处。关键词：稻壳 流化燃烧 锅炉1 前言我国是世界上一个主要的大米生产国，稻壳是大米生产过程中的副产品，每年稻壳产量约5400万吨。由于合成饲料的发展，原来用作饲料的稻壳失去了市场。流化床燃烧对燃料的适应性好，可以燃烧稻壳，生产蒸汽发电或供热。稻壳的热值为12560kJ/kg左右，5400万吨稻壳相当于2300万吨标准煤或1600万吨燃料油。如将这些稻壳能利用起来，是农村一个很好的能源。1.

2、1 利用稻壳作燃料的好处(1) 提高农村能源的自给性，减少对煤和石油能源的依赖。(2) 水稻生长过程中光合作用吸收二氧化碳，稻壳燃烧过程中生成二氧化碳，这类生物燃料燃烧称为二氧化碳零排放。应用生物燃料，减少煤和石油的用量，对减少二氧化碳总排放量，减轻大气温室效应有好处。(3) 对边远山区和无电网农村，利用燃烧稻壳发电可解决缺电问题，对促进这些地区的经济发展和脱贫致富有积极意义。(4) 稻壳的S和N成分低，燃烧产物中SOx和NOx低，烟气不需经脱硫除氮措施即可直接排放，对大气的污染少。(5) 稻壳价格较低，与燃煤、燃油相比，可降低燃料成本。1.2 稻壳的流化特性稻壳表面多毛刺，外表不规则，属于难

3、流化物质，其灰分较少、密度太轻而不易形成床料，稻壳容易飞出炉膛，床层厚度难于保证。1.3 稻壳的燃烧特性（1）稻壳成分从表1看出，稻壳的挥发份极高，氮和硫成分的百分比都较低。表1 衡阳、武汉、常德及泰国稻壳成分元素成分(%)稻壳碳氢氧氮硫水灰热值(kJ/kg)可燃基挥发份（）衡阳稻壳38.464.6833.920.470.0810.1412.321412279.03武汉稻壳34.104.2430.400.240.1412.9417.941230080.9常德稻壳35.934.5230.720.150.2012.9415.541163580.6泰国稻壳33.384.0035.000.220.03

4、9.0018.3711393（2）稻壳的燃烧特性有关资料列出了稻壳灰在不同温度下燃烧后比表面积、孔容积，在850附近，稻壳灰的比表面积和孔容积均达到最大值。这就是说，在这个温度附近燃烧的化学反应表面积是最大的，这对燃烧反应是最有利的。燃烧试验还发现，当燃烧温度高于900时，稻壳灰容易形成碳硅络合物，阻碍了燃烧的进行。这一点与煤的燃烧特性是有显著区别的。稻壳挥发份高达80%，在温度为277就能着火，其着火极其容易。当燃烧温度高至900时，稻壳灰有形成碳硅络合物的特性，所以850左右是稻壳的最佳燃烧温度。稻壳燃料燃烧的显著特点是着火容易，燃烬难。2 燃烧稻壳的流化床锅炉1990年，我厂与哈尔滨工业

5、大学合作进行SZF4-1.25-D型锅炉的研制工作。由于当时产品主要是针对东南亚市场，我们遂以泰国稻壳为燃料进行设计。锅炉为双锅筒水管锅炉，采用D型布置，快装形式，燃烧方式为流化燃烧。2.1 锅炉参数 (1) 额定蒸发量 4000 kg/h (2) 工作压力 1.25 MPa (3) 给水温度 20 (4) 冷空气温度 30 (5) 锅炉效率 78 (6) 燃料消耗量 1224 kg/h2.2 总体设计 由于上述稻壳的流化特性，担心纯稻壳不易流化，一开始，我们采用了媒体流化床燃烧技术，在床内加入石英砂，维持床层高度，保持一定的蓄热量，使新加入的稻壳能马上引燃。在炉膛上方还设置了有孔盖板，减少飞

6、灰飞出量，尽量延长稻壳的燃烧时间。为保证稻壳的燃烬，在炉膛的后部增加了一个旋风燃烬室，布置少量的受热面而维持较高的温度。考虑到稻壳飞出量比较大，炉膛未设置溢流口，床层厚度主要靠冷渣管放冷渣来调节。旋风燃烬室相当于一个炉内分离器，从燃烬室出来的灰大约占总灰量的60左右。 锅炉布置了上、下锅筒，从下锅筒引出的管子与右集箱和中集箱相连，构成炉膛和燃烬室的受热面。在密相段，该管子向外弯出构成竖埋管；在悬浮段，该管子倾斜进入炉膛，上面放置有孔盖板。炉膛出口设计成一长方形烟窗，使烟气切向进入旋风燃烬室。燃烬室烟气出口设置在左侧隔墙的正中间，烟气从此出来进入上、下锅筒间的对流排管，之后进入省煤器、除尘器，经

7、引风机、烟囱排入大气。 考虑到东南亚国家的安装水平，锅炉采用了快装结构，锅炉本体、钢架、燃烧设备、炉墙保温在工厂组装于一体，送料机构、风箱风管、平台扶梯、省煤器和各种辅机在现场组装。2.3 炉膛的设计 流化床为平布风板，布置有两种风帽，开有较大的小孔风帽放在床的四周，以避免出现死料区；为防止稻壳飞出过快，布风板面积设计得比较大，与炉膛截面积(1.82m2)相差不大，垂直段和扩散段很短。 选用堆集密度为1300kg/m3的石英砂作为中间媒体。流化床的设计按石英砂的特点进行，其临界流化速度为0.824mS，床温下的流化速度为2.65m/s，流化数为3.2。密相段的高度为600mm，布置了3.36m

8、2的受热面，床温为878，由于床料粒子的直径较小，其传热系数并不低，达351wm2*。稀相段布置了5.14m2的受热面，出口烟温为952。2.4 燃烬室设计 燃烬室的正剖面设计成近似圆形，让烟气在燃烬室内环绕烟气出门旋转，飞灰粒子甩向炉壁，跌到下部灰斗里。燃烬室的温度约为940，布置了5.54m2的受热面。稻壳灰比较轻，互相之间又容易搭桥，时间久了会结焦，因此，燃烬室下部应尽量设计大一些并保证密封性，将灰及时运走。2.5 对流受热面及省煤器 锅炉布置了93.24m2的对流管束受热面和78.48m2的省煤器受热面。为防止磨损，两处的烟速都取得较低。2.6 锅炉调试情况简介第一台稻壳锅炉于1993

9、年8月安装在湖南省衡阳市某国家粮食储备库。在实际运行过程中，由于石英砂较难找到，我们采用了河砂。将河砂洗干净后，晒干，用筛网筛成0.51mm粒径，用铲子均匀洒在床上，用鼓风机将其吹平，进行完冷态试验后将稻壳送入炉膛，用耙子耙平，砂子和稻壳厚度均为200mm。干稻壳很容易点燃，只需将几张旧报纸点燃置于炉膛内，开启小的鼓风量引燃稻壳，然后慢慢加大风量，直至正常流化运行。刚开始，河砂和稻壳在床内流化非常理想，但过了几个小时后，河砂便开始熔化，结块，不能维持正常运行。在当时，我们找不到石英砂，我们就决定用纯稻壳试烧一下。在试验过程中，我们发现，不加媒体，稻壳也能流化起来，不过需要的风量要比预料的要大一

10、些，调节起来比较困难，需要一定技巧，操作不好，稻壳也有可能结焦，要用耙子耙松。与有河砂时相比，这时从燃烬室出来的灰比较黑，没有将稻壳燃烧干净。由此可以发现，不用媒体稻壳也能流化，关键是如何选择流化风速，使稻壳在炉内有足够的停留时间，让它燃烧干净。根据有关资料，在冷态情况下，纯稻壳、稻壳和石英砂的混合物均能流化。纯稻壳作床料的流化区间较窄，约为0.50.8米/秒；稻壳和石英砂作床料的流化区间为0.81.5米/秒，比纯稻壳的宽。 考虑到媒体难以找到，我们决定将原锅炉改成烧纯稻壳的锅炉。2.7 重新设计 (1) 经过多次试验，在冷态下，把稻壳的临界流化速度测出来。料层厚度h=123mm时，测定结果如

11、下：序号鼓风机频率Hz差 压mmH2O流 量m3/h风箱静压mmH2O空截面速度ms110521702221510306950320184117874252750431200.845303859831881.006355169312551.15当鼓风机频率为25Hz时，床层开始流化。料层厚度h=231mm时，测定结果如下：序号鼓风机频率Hz差压mmH2O流量m3/h风箱静压mmH2O空截面速度ms110827455221510306962320163882854252750431300.845303557421900.966355068632551.14当鼓风机频率为25Hz时，床层开始流化。

12、 (锅炉鼓、引风机上装有变频调节器，锅炉调节靠调节电源频率来调节风压、风量) 可以看出，料层开始流化时的频率均在25Hz左右，由此可以计算出稻壳的临界流化速度约为0.84m/s。 为了让稻壳能正常流化，并尽量燃烬，我们将布风板面积减小，将其高度尽量下移，留出200mm的垂直段高度，保证流化床的流化速度在3.6m/s左右，同时在风帽设计上增加床内的横向扰动。 (2) 由于本锅炉采用快装形式，炉膛结构受到限制，为了延长稻壳的停留时间，我们在悬浮段上面设置了小孔盖板，这次修改时，我们将盖板上的小孔直径减小，数量并不增加；将给料机上部的二次风口加大，从4个32mm的管子改成4个45mm的管子，加强炉内

13、的烟气扰动；尽量将进料口下移，弥补炉膛高度的不足；将燃烬室加长600mm。 (3) 加大燃烬室的出灰口截面，并设置灰渣冷却器。灰出来后可以用水力输送或者经飞灰锁气器后用绞龙输送。2.8锅炉改进后的运行 由于第一台稻壳炉的用户将燃料改成了烧煤，无法再进行试验，锅炉改进后的调试在国外进行。1994年7月，我厂的第二台稻壳炉出口到泰国，并进行了为期一个月的安装指导和调试工作。按我们的要求，锅炉配备了自动进料，自动出渣，鼓、引风机变频调节等装置，锅炉操作相当简单、方便。该国大米厂的用水一般取自河水，泥砂多，含氧高，硬度也很大，要经过至少三级处理才能达到锅炉使用要求；其蒸汽主要用来推动蒸汽机碾米，另外少

14、量用于蒸制谷子，使湿谷子的温度达到规定要求，湿谷子可以用蒸汽烘干，也可以专门的烘干炉烘干。锅炉安装完后，首先进行了冷态试验，发现布风不均匀，即在风箱中加了可调的空气导向板，再进行冷态试验，直到布风均匀为止；给料机给料量试验和鼓风机风量试验也同时进行。然后，锅炉开始点火，试运行。锅炉运行的结果表明，稻壳在流化床内不加媒体完全能正常流化，燃烧也比较理想，负荷调节范围较宽，蒸汽压力可以精确控制。所产蒸汽能满足外方的要求，外商对此非常满意。3 锅炉特点(1) 采用快装结构，将锅炉本体、燃尽室、布风板、本体钢架和炉墙保温等做成一个整体，大大缩短了安装周期；(2) 采用床内循环流化燃烧技术，使稻壳这种表面

15、多毛刺，极不光滑，粒子之间容易卡涩，流动性很差，不易流化的粒子，能够稳定燃烧； (3) 采用较低的热态流化风速, 降低密相区受热面的磨损；(4) 炉膛上部设置多孔盖板，使烟气上升速度均匀并有效减少烟气携带粒子量；(5) 炉膛出口设置旋风燃尽室，进一步提高燃烧效率及减少飞灰量；(6) 对流管束采用较低的烟气流速和采用铸铁省煤器，以适应稻壳灰含硅量高的特点，减小飞灰对受热面的磨损，提高锅炉的使用寿命；(7) 锅炉外形美观，占地面积少；体积小，水容积少热惯性小，大大减少了锅炉启动、停炉时间，节省了燃料和电力的消耗；(8) 采用螺旋给料机在正压区给料，燃烧效率高，漏风系数小，环境卫生好；(9) 配备锅

16、炉水位自动控制，高、低限水位报警，极低水位自动停炉保护；超压自动停炉保护；启、停鼓、引风机自动顺序保护等实用控制功能，操作简单，锅炉安全有保障；(10) 采用流化燃烧技术，锅炉负荷调整范围宽（25110额定负荷），调节灵活，运行稳定；(11) 炉额定负荷测试热效率达79.3，达到了同类产品的先进水平，高于现有的链条炉排燃烧稻壳锅炉，每年（按7200小时运行计算）可为用户节约燃料3000吨；(12) 锅炉房噪声测试值低于85分贝；烟囱排放烟气含尘量为146mgNm3；烟气黑度（林格曼）小于1级，环保指标均符合国家标准规定的二类地区的要求；(13) 流化低温燃烧，保持了灰的活性，提高稻壳灰提炼硅的质量。4 稻壳锅炉市场的预测东南亚一些国家稻谷产量高，且工业不太发达，其大米厂一般还是用蒸汽驱动原始的蒸汽机进行大米加工，一个日产100吨大米的公司需要一台4吨时锅炉，这样的厂家大约有数千家之多，可以想象其巨大的市场前景。而且，在我国，稻壳还未曾真正作为燃料利用起来，一旦农村经济迅速发展，稻壳锅炉在我国必将得到极大的推广。参考文献：1流化床燃烧技术的工程应用华中理工大学 刘德昌 中国电力出版社 1999年1月,第一版2 JB/DQ1060-82层状燃烧及沸腾燃烧工业锅炉热力计算方法【作者简介】王小奇（1950），长沙锅炉厂高级工程师，主要从事锅炉设计和热工测试工作。396