一种生物质循环流化床燃烧方法及生物质循环流化床锅炉

摘要

本发明公开了一种生物质循环流化床燃烧方法及燃用生物质的循环流化床锅炉，包括炉膛、分离器、返料器、尾部烟道，炉膛内设置过热器高温段，尾部烟道中设置过热器低温段。通过锅炉炉膛、尾部烟道中的受热面布置，及其它辅助措施，将炉膛上部温度控制在550～800℃之间，尾部受热面出口蒸汽温度控制在350～400℃之间，在保证生物质燃料稳定着火、完全燃烧的基础上，解决了生物质在循环流化床锅炉中燃烧时炉膛温度分布不合理、炉膛下部物料浓度偏低的问题，使炉膛内温度分布趋于均匀，可以避免炉膛内的结渣；防止受热面上发生积灰结渣，同时还能保证锅炉出力，并且能够达到高蒸汽参数，保证发电效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种循环流化床锅炉，特别涉及一种燃用生物质燃料的循环流化床锅炉。

背景技术

生物质能是一种理想的可再生能源，与化石燃料相比，生物质能具有可再生性、低污染性，并可有效减轻温室效应等优点。利用生物质能发电是生物质利用的一种重要方式之一。由于循环流化床锅炉具有燃料适应性广，环保特性优越等优点，其在生物质发电方面的应用正引起人们越来越多的关注。

常规燃煤循环流化床锅炉中，通常炉膛出口烟气设计温度为850～900℃，以适应煤完全燃烧的需要。烟气经旋风分离器分离出高温循环灰后，流向尾部烟道，顺序流经布置在尾部烟道中的过热器、省煤器和空气预热器，降温至排烟温度(一般设计在130～160℃左右)，进入除尘器除尘，排向大气。

常规循环流化床锅炉中，一般是炉膛内布置水冷壁，尾部烟道布置过热器、省煤器和空气预热器。对于中温中压、次高温次高压参数的锅炉，炉膛内上部通常不设屏式受热面，特别是不会设置屏式过热器，只是有时布置少量屏式水冷受热面；尾部烟道中布置两级过热器，末级过热器(即蒸汽温度最高的一级过热器)出口蒸汽参数即可达到设计值；对于高温高压的锅炉，仅在尾部烟道中吸收烟气热量已经不能满足需要，因此通常是在尾部烟道中布置第一级和第三级(即末级)过热器，炉膛上部布置屏式过热器作为第二级过热器。由于炉膛上部温度高达850～900℃，且工作环境恶劣，如果将末级过热器布置在炉膛内则必须采用等级相当高的金属材料，非常不经济。因此炉膛内只布置中间级过热器，末级过热器布置在尾部烟道中。

这样，常规循环流化床锅炉中，高温过热器出口将是尾部受热面的壁面温度最高点，对于常规循环流化床中温中压锅炉，该处蒸汽温度为450℃，壁面温度将达到500℃左右；对于高温高压锅炉，该处蒸汽温度一般为540℃，壁面温度将达到590℃左右。

然而，由于生物质中碱金属含量较高，导致灰熔点大大降低，严重者仅有600～700℃，因此在常规循环流化床锅炉中纯烧或高比例掺烧生物质时，在炉膛上部的850～900℃的高温中生物质灰将会软化，有的呈液态，会在炉膛内粘结和结渣；生物质灰随烟气流经尾部烟道时，在壁面温度较高的过热器壁面上也会发生粘结或结渣。粘结或结渣会影响受热面的吸热，并导致受热面腐蚀，严重影响锅炉的安全稳定运行。

此外，由于生物质燃料一般灰份较少，燃烧形成的灰又比较细，在常规循环流化床锅炉中燃烧时炉膛物料浓度会大大低于正常值。同时，又由于常规循环流化床锅炉的燃料加入口设在炉膛下部，若用于燃用生物质，生物质在炉膛下部燃烧放出大量热量，没有足够的灰将这些热量及时带走，会造成炉膛下部温度偏高，容易引起床面结焦。

目前在常规循环流化床锅炉中燃用生物质时的应对方法一般是以燃煤为主，掺烧少量(一般低于30％)生物质，以避免粘结和结渣，这严重限制了生物质燃料的利用。

发明内容

为了解决常规循环流化床燃烧技术中炉膛温度高于生物质灰熔点，炉内和尾部受热面上易发生粘结和结渣的问题，本发明的目的在于提供一种能纯烧或者高比例掺烧生物质燃料，特别是生物质燃料量占总燃料量的份额按发热量计算不低于80％的生物质循环流化床锅炉，能够将锅炉各处受热面温度控制在生物质灰熔点以下，有效防止积灰结渣，保证锅炉高效可靠运行。

本发明的第一方面，一种生物质循环流化床燃烧方法如下：以循环流化床燃烧方式燃用生物质燃料；

从炉膛中部加入生物质燃料，燃料燃烧产生的高温烟气在炉膛内放热至出口烟气温度为550～800℃，所述烟气经分离器分离出循环灰后流入尾部烟道，流经布置在尾部烟道中的对流受热面并放热，烟气降温至常规排烟温度后排出锅炉；其中，所述对流受热面的出口蒸汽温度为350～400℃。

还向炉膛中加入按发热量计算不超过总燃料量的20％的煤。

所述的高温烟气在炉膛内放热至炉膛出口烟气温度为550～650℃。

从炉膛中下部加入惰性床料。

所述的惰性床料为高岭土、长石、白云石、氧化铝或循环流化床燃煤锅炉炉渣中的一种或多种。

所述的惰性床料为两种粒径范围的床料，分别为粒径小于1mm的细颗粒床料和粒径在3mm～8mm之间的粗颗粒床料。

本发明的的第二方面，一种生物质循环流化床锅炉包括：炉膛、分离器、返料器和尾部烟道；

所述的炉膛中部设有生物质加料口；所述的炉膛内设置吸收烟气热量使炉膛出口烟气温度为550～800℃的辐射受热面，所述的辐射受热面包括设置在炉膛上部的屏式过热器高温段；所述的尾部烟道内设置过热器低温段、省煤器和空气预热器；所述的过热器低温段出口蒸汽温度为350～400℃。

根据本发明的实施例，所述的炉膛内设置吸收烟气热量使炉膛出口烟气温度为550～650℃的辐射受热面。

根据本发明的实施例，所述的省煤器为沸腾式省煤器，分为沸腾段和非沸腾段；所述的省煤器沸腾段布置在过热器低温段上方或过热器低温段下方。

根据本发明的实施例，所述的尾部烟道中还设置有蒸发受热面；所述的蒸发受热面布置在过热器低温段上方。

根据本发明的实施例，所述的过热器低温段为两级，两级间设置减温装置。

根据本发明的实施例，所述的炉膛下部前后墙向内收缩形成的收缩段下方设有一高度为500mm～2000mm的直段；所述的直段上设有返料口。

根据本发明的实施例，所述的直段上还设有加煤口。

根据本发明的实施例，所述的炉膛中下部设有床料加入口。

根据本发明的实施例，所述的尾部烟道设有用于清洁尾部受热面的粒子除灰装置。

本发明的原理是：

生物质在常规循环流化床锅炉中的燃烧，主要会遇到以下问题：

1)炉膛温度高于生物质灰熔点，在炉内受热面上发生结渣；

2)尾部受热面上发生粘结和结渣；

3)炉膛内沿高度温度分布不合理。

本发明针对以上问题采取了有效措施。

本发明通过特殊的炉膛下部结构、添加床料强化炉内循环等措施来合理组织炉膛燃烧，并在炉膛内除设置水冷壁外，还布置多于常规锅炉的屏式受热面，从而将炉膛出口烟气温度控制在550～800℃，燃用灰熔点低于700℃的生物质燃料时，进一步降低炉膛出口烟气温度至550～650℃，改善炉膛上部屏式受热面的工作环境，使得将蒸汽温度最高的末级过热器布置在炉膛上部成为可能。

为了避免尾部受热面上发生灰粘结和结渣，除了将金属壁面温度最高点移到炉膛中去，还对尾部受热面的最高壁面温度进行了限制：尾部烟道中布置的过热器低温段出口蒸汽温度设计为350～400℃(在常规循环流化床锅炉中，低温过热器出口蒸汽温度也可能落入350～400℃，但这是由蒸汽吸热量在低温过热器与高温过热器之间的分配原则所间接决定的)；本发明的过热器低温段设计完全抛弃这种热量分配的设计原则，在设计中采用直接以其出口蒸汽温度为设计点的全新的设计准则，以达到控制受热面壁面温度的目的；同时，本发明中的350～400℃是尾部烟道受热面的最高蒸汽温度，而在常规循环流化床锅炉中，尾部烟道受热面的最高蒸汽温度是高温过热器出口蒸汽温度，通常为450℃、485℃或540℃；此外，还可以将过热器低温段分为两级，中间设置减温装置，以便在运行中严格控制出口蒸汽温度，保证过热器低温段壁面温度不超温。

本发明改变了常规的过热器布置方法和设计原则，将过热器分为布置在尾部烟道中的低温段和布置在炉膛中的高温段，过热器高温段采用屏式，竖直布置在炉膛上部，利用炉膛内流化物料的冲刷带来的清洁作用，避免过热器高温段管壁上发生粘结和结渣，根据需要，可以分两级布置；尾部烟道中仅布置过热器低温段，以降低尾部烟道中受热面的最高壁面温度。

过热器布置在炉膛中的换热面积与布置在尾部烟道中换热面积之比与常规循环流化床燃煤锅炉有很大不同：

对于中温中压锅炉，本发明的锅炉该比例为3∶7左右，而常规锅炉一般是过热器全部布置在尾部烟道中；

对于次高温次高压锅炉，本发明的锅炉该比例为5∶5左右，常规锅炉一般为1∶9或是过热器全部布置在尾部烟道中；

对于高温高压锅炉，本发明的锅炉该比例为7∶3左右，常规锅炉一般为3∶7左右。

通过以上对比，可以发现本发明的过热器设计方法与常规锅炉有很大差别，炉膛中的过热器换热面积远大于常规锅炉，这是本发明的锅炉炉膛出口烟气温度低于常规锅炉的主要原因。

为了降低流化床床温，避免床面结焦，生物质燃料加料口设在炉膛中部，同时炉膛下部前后墙收缩段的底部设有一段高度为500mm～2000mm的直段。这段直段在炉膛底部形成了一段流化风速较高的区域，使得从炉膛中部加入的轻质的生物质燃料不易落到床面上，降低了床温，防止床面结焦。此外，返料口设在该直段上，而不是像常规锅炉那样设在收缩段上，是为了使高温返料灰从该直段进入炉膛，可以防止加料口上移后炉膛底部温度过低。掺烧煤时，该直段上还设有加煤口，以保证煤粒在炉膛内有充足的停留时间，燃烧更完全；同时煤灰可以降低密相区中的生物质灰浓度，提高灰熔点，进一步避免床面的结焦。

为了增加炉膛下部的物料浓度，并增加循环物料浓度，在炉膛中下部设置床料加入口，加入两种粒径范围的惰性床料；粒径小于1mm的细颗粒床料可以被流化风吹起、从炉膛出口随烟气进入分离器，并会被分离器分离下来送回炉膛，从而可以提高循环物料浓度，并且可以冲刷、清洁炉膛上部的屏式受热面；粒径为3～8mm的粗颗粒床料在炉膛内以内循环为主，基本只在炉膛中下部运动，因而可以增加密相区颗粒浓度、使炉膛中下部温度分布趋于均匀。此外，细颗粒在循环中，会黏附生物质灰，逐渐长大，运行中可通过炉膛布风板上的放渣管排放掉部分粒径大于8mm的底渣，补充新的床料，以实现灰的置换，避免Na、K含量高的生物质灰在炉膛内富集。

由于常规的循环流化床床料石英砂可与生物质灰中的Na₂CO₃或K₂CO₃发生反应，形成低温共熔物，引起床料粘结，因此本发明提供的生物质循环流化床锅炉中添加的床料不采用常规循环流化床锅炉常用的石英砂，推荐采用高岭土、长石、白云石、氧化铝或循环流化床燃煤锅炉炉渣等。

为保证烟气从尾部烟道排出时，能降至合理的排烟温度，可在尾部烟道中增设蒸发受热面或将省煤器设计为沸腾式省煤器，弥补末级过热器移至炉膛后，烟气在尾部烟道中放热量的减少。当炉膛出口烟气温度高于700℃时，推荐省煤器沸腾段或蒸发受热面布置在过热器低温段之前(即过热器低温段上方)，在增加尾部吸热量的同时还可以降低过热器低温段的烟气进口温度，进一步避免粘结和积灰；当炉膛出口烟气温度低于700℃时，推荐中温中压和次高温次高压锅炉在过热器低温段后布置省煤器沸腾段，也即与省煤器非沸腾段布置在一起，高温高压锅炉则可以不设置省煤器沸腾段或蒸发受热面。

为确保尾部烟道受热面的清洁，还可以在尾部烟道中设置粒子除灰装置清除尾部受热面上的积灰，所述的粒子除灰装置在中国发明专利申请“一种清除锅炉粘性积灰的方法及其装置”(申请号为200410098920.8)中已经披露。

此外，分离器和分离器料腿可以采取冷却措施，降低循环灰的温度，防止生物质灰的粘结，并降低炉膛下部的温度，防止床面结焦。

通过上述分析可知，本发明的方法和结构可以产生如下的优点：

本发明在保证生物质燃料稳定燃烧的基础上，解决了生物质在循环流化床锅炉中的燃烧时，炉膛密相区温度过高结渣、受热面灰粘结、炉膛物料浓度偏低等问题，将炉膛出口温度控制在800℃甚至650℃以下，尾部受热面壁面温度控制在450℃以下，有效防止受热面上发生粘结、结渣，同时还能保证锅炉出力，并且能够达到高蒸汽参数，保证较高发电效率。

附图说明

图1为本发明的生物质循环流化床锅炉的实施例1的示意图

图2为本发明的生物质循环流化床锅炉的实施例2的示意图

图3为本发明的生物质循环流化床锅炉的实施例3的示意图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

根据本发明的方法，所述在炉膛中加入按发热量计算不超过总燃料量的20％的煤。所述的高温烟气在炉膛内放热至炉膛出口烟气温度为550～650℃。从炉膛中下部加入惰性床料。所述的惰性床料为高岭土、长石、白云石、氧化铝或循环流化床燃煤锅炉炉渣中的一种或多种。所述的惰性床料为两种粒径范围的床料，分别为粒径小于1mm的细颗粒床料和粒径在3mm～8mm之间的粗颗粒床料。

根据本发明，如图1、图2和图3所示：

炉膛1下部收缩段下方设一直段11，高度为500～2000mm，返料器3将循环灰送回炉膛的返料口101设于直段11上；对于掺烧煤的锅炉，直段11上还设有加煤口102；炉膛1中部设有生物质加料口104，炉膛1中下部设有床料加入口103；炉膛1内设有辐射受热面，辐射受热面包括水冷壁和炉膛1上部的过热器高温段12的汽冷屏式受热面，根据锅炉设计参数的不同，炉膛1上部还可设有水冷屏式受热面13。

炉膛1出口与分离器2的烟气入口相连通，分离器料腿21与返料器3相连，分离器2推荐采用表面冷却式，如汽冷式或水冷式的，分离器料腿21推荐采用水冷式的。

尾部烟道4上部与分离器2的烟气出口相连通，尾部烟道4内设有对流受热面，包括过热器低温段41、省煤器43和空气预热器44；其中，过热器低温段4 1的出口蒸汽温度设计值为350℃～400℃，可以分为过热器低温段第一级41 1和过热器低温段第二级412两级布置，两级间设置减温装置413，减温装置413可以是喷水减温器，也可以是面式减温器；省煤器43根据锅炉设计参数，可以设计为沸腾式的，沸腾段431和非沸腾段432根据需要可分开布置，也可以不分开，沸腾段431可以根据需要布置在过热器低温段41上方或过热器低温段41下方；炉膛出口烟气温度高于700℃时，尾部烟道4内还可以在过热器低温段41上方设置蒸发受热面42；尾部烟道4中还可以设置粒子除灰装置45。

实施例1

根据本发明，如图1所示的生物质循环流化床锅炉，包括炉膛1、分离器2、返料器3、尾部烟道4，带有直段11、返料口101、加煤口102、生物质加料口104、过热器高温段12、分离器料腿21、过热器低温段41、蒸发受热面42、省煤器43和空气预热器44；

采用的燃料为玉米秸秆和稻秆，并掺烧少量煤，蒸汽参数为高温高压。

炉膛1上部设置两级汽冷屏式受热面作为过热器高温段12，吸收炉膛1上部的烟气热量，使炉膛1出口烟气温度降至700～800℃；尾部烟道4中依次设置蒸发受热面42、过热器低温段41、省煤器43和空气预热器44，其中过热器低温段41出口蒸汽设计温度为400℃(通过热力计算确定过热器低温段41的受热面积，以出口蒸汽温度为400℃为设计点)，省煤器43为非沸腾式。

炉膛1下部收缩段底部带有一高度为1000～2000mm的直段11，该直段11上设有返料口101和加煤口102；炉膛1中部设有用于加入玉米秸秆和稻秆的生物质加料口104。分离器2为绝热式，分离器料腿21为水冷式。

实施例2

根据本发明，如图2所示的生物质循环流化床锅炉，包括炉膛1、分离器2、返料器3、尾部烟道4，带有直段11、返料口101、床料加入口103、生物质加料口104、过热器高温段12、屏式水冷受热面13、分离器料腿21、空气预热器44、粒子除灰装置45、过热器低温段第一级411、过热器低温段第二级412、级间设置减温装置413、省煤器沸腾段431和非沸腾段432；

采用的燃料为麦秆，蒸汽参数为中温中压。

由于麦秆的灰熔点低于700℃，因此在炉膛1上部设置的水冷屏式受热面13和作为过热器高温段12的汽冷屏式受热面，吸收炉膛1上部更多的烟气热量，使炉膛1出口烟气温度降至550～650℃；尾部烟道4中依次设置过热器低温段41、省煤器43和空气预热器44，其中过热器低温段41出口蒸汽设计温度为350℃(通过热力计算确定过热器低温段41的受热面积，以出口蒸汽温度为350℃为设计点)，且分为过热器低温段第一级411和过热器低温段第二级412两级，级间设有减温装置413；省煤器43为沸腾式的，包括沸腾段431与非沸腾段432。

炉膛1下部收缩段底部带有一高度为500～1000mm的直段11，该直段11上设有返料口101；炉膛1中部设有用于加入麦秆的生物质加料口104；炉膛1中下部设有床料加入口103，用于加入作为床料的粒径小于1mm和粒径在3～8mm之间的氧化铝小球。分离器2为汽冷式，分离器料腿21为水冷式。

尾部烟道中还设置有粒子除灰装置45，用于清洁尾部受热面。

实施例3

根据本发明，如图3所示的生物质循环流化床锅炉，包括炉膛1、分离器2、返料器3、尾部烟道4，带有直段11、返料口101、床料加入口103、生物质加料口104、过热器高温段12、屏式水冷受热面13、分离器料腿21、空气预热器44、过热器低温段41、省煤器沸腾段431和非沸腾段432；

采用的燃料为玉米秸秆，蒸汽参数为次高温次高压。

炉膛1上部设置水冷屏式受热面13和作为过热器高温段12的汽冷屏式受热面，吸收炉膛1上部的烟气热量，使炉膛1出口烟气温度降至600～700℃；尾部烟道4中依次设置过热器低温段41、省煤器43和空气预热器44，其中过热器低温段41出口蒸汽设计温度为380℃(通过热力计算确定过热器低温段41的受热面积，以出口蒸汽温度为380℃为设计点)，省煤器43为沸腾式，包括沸腾段431和非沸腾段432。

炉膛1下部收缩段底部带有一高度为800～1500mm的直段11，该直段11上设有返料口101；炉膛1中部设有用于加入玉米秸秆的生物质加料口104；炉膛1中下部设有床料加入口103，用于加入作为床料的粒径小于0.8mm和粒径在3mm～6mm之间的高岭土颗粒。分离器2和分离器料腿21都为绝热式。

上面的描述是用于实现本发明及其实施例，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。