摘  要
    基于節能減排的基本國策，國家發改委提出了電力工業結構調整的要求，對小火電機組實行關停或改造。某電廠原2#機組，容量為6MW，配備35t/h拋煤機倒轉鏈條爐排燃煤鍋爐，原設計燃料為淮南大通煙煤，改造后擬采用生物質燃料。本文的工作目標是：針對生物質燃料的特點，擬定鍋爐燃燒系統的改造方案，并在方案實施后完成鍋爐的冷態調試。
    在計算原設計煤種和生物質燃燒特性參數的基礎上，通過對比發現兩種燃料的燃燒特性相差很大，所以必須對機組的燃燒系統尤其是配風系統進行改造。本著不改動鍋爐受熱面、盡量保留原有鏈條爐排和爐膛結構的原則，改造方案確定為：拆除原三臺拋煤機，拋煤口改為一次風口；加大二次風量（增加二次風噴口數目，并更換二次風機）。
    借助FLUENT軟件模擬了拋煤口改為一次風口并加大二次風量后的爐內流場，模擬結果表明：氣流撞擊后墻，后墻下側流場不利于粒子沉降到爐排。
    為了防止爐膛水冷壁結渣，并提高生物質燃料顆粒在爐排上的沉降份額，對前后二次風射流角度進行了調整，借助FLUENT軟件模擬了二次風角度調整后的爐內冷態流場，對比分析后確認：前二次風水平、后二次風上仰45度時，爐內流場具有相對比較合理的結構。確定二次風射流角度后，又模擬了不同風量配比條件下的爐內流場，對比分析得到優選的風量配比條件。通過上述工作最終確定鍋爐配風系統的改造方案。
    配風系統改造方案實施后，對新系統的爐內冷態流場進行了實爐冷態測試的試驗研究，以數值模擬得到的各個風口速度為基準，在冷態試驗中把各個風口的速度調節到逼近于數值模擬的速度值。實際測量了爐內3個平面上的速度分布，并通過火花示蹤顯示爐內實際流場，將火花示蹤結果、實爐測試的結果和數值模擬的結果進行對比，發現吻合得比較好，說明數值模擬的結果是可靠的，鍋爐的改造方案是可行的。
    數值模擬和冷態試驗研究表明：改造后的二次風切入一次風主流位置比較合理，爐內氣流充滿度較好，粒子在爐排上沉降均勻，在一定程度上減輕了火焰刷墻的程度。爐內一次風正常無明顯偏斜，爐膛出口處速度分布均勻，有利于提高燃燒效率、防止水冷壁和過熱器結渣。
關鍵詞：生物質發電，鍋爐改造，數值模擬，試驗研究
1、緒論
1.1選題背景與意義
    人類目前使用的主要一次能源有原油、天然氣和煤炭三種。根據國際能源機構的統計，地球上這三種能源供人類開采的年限，分別只有40年、50年和240年。尤為嚴重的是，我國剩余可開采儲量僅為1390億噸標準煤，按照我國2006年的開采速度23億噸／年，僅能維持61年，為我國的能源保障敲響了警鐘。近年來國家提出了節能減排政策，鼓勵電力企業積極利用可再生能源，尤其是生物質發電，在政策上給予優惠，對生物質電廠給予一定的補貼等。我國是農業大國，生物質能源豐富，開發利用生物能替代上述三種傳統能源，逐年降低它們的消耗量有著非常重要的意義。
    生物質發電是將生物質能轉化為電能，利用生物質發電，不僅可以使得農林廢棄物得到充分利用，同時還能減少煤炭的消耗量和污染物的排放量，改善環境。如果結合能源林產業的發展，還有助于防止土壤沙漠化和水土流失等問題，因此許多國家都在大力發展生物質發電。
    目前生物質發電主要有生物質直燃發電和生物質氣化發電兩種形式。直接燃燒發電是指生物質與煤混合燃燒或純生物質直接在鍋爐中燃燒的蒸汽動力發電技術，可以大幅度地減少二氧化碳的排放量，在挪威、瑞典和北美地區得到廠泛應用。生物質氣化發電技術，其工作流程為首先將氣化爐產生的生物燃氣（木煤氣）冷卻過濾送入煤氣發動機，將煤氣的熱能轉化為機械能，再帶動發動機發電。目前，我國的生物質能資源量約為7億噸標準煤，到2020年生物質能資源量可達9-10億噸標準煤。國家“十一五”規劃綱要提出到2020年我國生物質發電裝機容量達到3000萬千瓦的目標。
    相對而言，生物質氣化發電初投資成本較高，單機容量較低，氣化過程損失了大約三分之一的化學能。就我國基本國情和生物質利用開發水平而言，生物質直接燃燒發電是最簡便可行的高效利用生物資源的方式。在我國現行的生物質直燃發電利用中，主要有層燃和流態化兩種燃燒方式。
    生物質直燃發電主要有對原有機組進行改造和新建機組兩種形式，各有優缺點：新建機組的成本昂貴，但在燃料系統、爐膛結構、燃燒設備等方面可以按照生物質的特性進行設計，比如引進丹麥BHW公司的水冷振動爐排技術和我國自行研發的生物質循環流化床技術等；對現有機組進行改造，可以充分利用現有的待關停機組的固定資產和員工，初投資低廉，但需要同時考慮原機組的特點和生物質燃料的特點，制約因素多，設計和實施組織過程復雜。
    本文對某電廠2#燃煤機組燃燒系統進行改造，將原燃煤鏈條爐排鍋爐改造為純生物質燃料鍋爐。生物質直燃發電過程中避免鍋爐結渣是一個很重要的問題。本文的解決思路是：對于火床結渣問題，通過控制燃料在火床內的放熱份額（這意味著提高爐膛空間懸浮燃燒的放熱份額）、降低爐排面可見熱負荷的方式加以解決；受熱面結渣問題，通過組織合理的爐內空氣動力場，避免火焰刷墻，同時將火焰中心的位置控制在爐膛下方，以增加爐膛吸熱量，從而降低生物質燃燒過程中受熱面結渣的可能性。無論是火床結渣還是受熱面結渣，都與燃燒系統的風量分配以及爐內流場關系密切，因此研究爐內的空氣流場有著非常重要的意義。
1.2課題來源
    近年來電力工業結構矛盾日益突出，其中，電網內高煤耗、低效率、重污染的小火電機組比例較大，是電力工業結構不合理的主要問題之一。為此，國家提出了節能減排政策，對電力工業結構進行調整，對小火電機組實行關停或改造。某電廠35t/h拋煤機倒轉鏈條爐排鍋爐，是無錫鍋爐廠生產中溫中壓鍋爐機組，原設計燃用淮南大通煙煤，配6MW發電機組。鍋爐爐膛尺寸約為4x4x8米，爐膛四周布置光管水冷壁。將燃料更換為生物質后，由于鍋爐原設計煤種和生物質的燃燒特性相差很大，所以鍋爐的燃燒系統尤其是配風系統必須進行改造，配風系統的改變使得爐內流場發生很大的變化，本課題借助FLUENT軟件對冷態條件下的爐內空氣流場進行數值模擬提出鍋爐改造方案，找出合理的爐內流場，并進行實爐調試與測試試驗研究。
1.3直燃發電生物質鍋爐面臨的主要問題
    生物質直接燃燒發電過程中，防止結渣是核心問題。受熱面結渣主要是由煙氣中夾帶的熔化或半熔化的灰粒接觸到受熱面凝結下來，并在受熱面上不斷生長、積聚而成，它的表面往往堆積較堅硬的灰渣燒結層，且多發生在鍋爐的輻射受熱面上。結渣主要是生物質中的灰分在燃燒過程中形態變化和輸送作用的結果，影響因素主要有熱遷移、慣性撞擊、凝結和化學反應四個方面。目前，我國生物質燃燒的典型方式是火床燃燒和循環流化床燃燒。由于生物質燃料的特性，這兩種燃燒方式都存在不同程度的結渣。
1.3.1生物質燃燒結渣的形成機理
    1)層燃方式結渣
    層燃方式是我國目前應用最廣的生物質直接組織燃燒方式，其中鏈條爐為典型代表爐型，生物質在鏈條爐內的燃燒過程與煤的燃燒相同，也分為4個區域：預熱區、揮發份析出和燃燒區、焦炭燃燒區、燃盡區。
層燃爐中結渣包括火床結渣、水冷壁結渣和過熱器對流管束結渣，其根本原因是生物質燃料中，灰分組成與煤炭有很大的不同，堿性氧化物尤其是堿金屬氧化物含量高，灰熔點低，從而有嚴重的結渣傾向。在火床內，熔融的灰渣會在爐排上與其他的灰分或沒有完全燃燒的燃料粘結在一起，形成結塊，從而影響燃燒過程，使鍋爐經濟
性、可靠性下降。
    生物質燃料的一個重要特點是揮發分高，大量的揮發分在爐膛空間完成均相燃燒過程，火焰中心部位溫度最高，產生的各種結渣的可能性也最高。如果火焰刷墻，這個區域里會有連續的灰渣在水冷壁、爐墻上出現，從而使爐膛吸熱量下降，爐內溫度升高，使得結渣加劇從而陷入一個惡性循環。
    爐膛出口以后，融化狀態的飛灰，以及堿金屬升華灰，將可能給該區域密集的管束帶來結渣，最可能結渣的部位包括捕渣管束和過熱器管束的入口段，尤其是錯列管束的過熱器受熱面入口段，特別容易形成管子之間的架橋。
    爐膛內的溫度水平及其分布直接影響鍋爐均勻燃燒程度及燃燒經濟性。合理的配風能改善鏈條爐的燃燒工況，減少結渣。
2)循環流化床燃燒方式結渣
    由于生物質燃料飛灰含量少，燃燒后難以形成床料，流化特性較差，或著火困難等，所以在生物質流化床中需要選用與燃燒生物質特性相匹配的惰性床料，如砂、爐渣作為流化媒體，該媒體可保證形成流化燃燒穩定的密相床層。密相床層蓄熱量很大，床層內傳熱傳質劇烈，能夠為高水分低熱值的生物質提供優越的燃燒條件。然而在密相區燃燒溫度在900℃左右，大部分生物質的堿金屬與床料的硅元素將會發生反應，形成低熔點的共晶化合物，嚴重時可能造成床料的燒結團聚，使流化失敗。在稀相區，大量的揮發分燃燒，有可能造成爐溫偏高，使飛灰很容易融化吸附在水冷壁上，逐漸形成結渣。
    三門峽富通新能源生產銷售生物質鍋爐，同時也銷售生產生物質顆粒燃料的顆粒機、秸稈壓塊機、木屑顆粒機等生物質成型機械設備。