秸秆与煤混燃发电锅炉热效率计算及分析

李 娜

(华北水利水电学院 电力学院, 河南 郑州 450011)

0 引言

随着世界经济的高速发展和人们生活水平的日益提高，人们对能源的需求和依赖程度也急剧增长，然而煤炭、石油、天然气等化石燃料正在逐渐接近枯竭[1].在我国，虽然能源资源丰富多样，但由于人口众多，目前人均能源资源相对不足.我国人均煤炭探明储量只相当于世界平均水平的50%，人均石油可采储量仅为世界平均值的10%.中国能源消耗总量仅低于美国居世界第二位.同时，化石燃料的消耗也伴随着大量CO2等温室气体的排放，致使全球气候变暖[2].能源短缺和环境恶化是人类当前共同面对的两大问题.目前，生物质作为一种重要的可再生能源，正引起世界各国的重视.

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机载体，它是存储太阳能的可再生能源，资源丰富且含硫量和灰分低，而含氢量较高，被称为绿色煤炭[3].同时，在燃烧过程中产生的CO2和生物质再生需吸收的CO2是动态平衡，实现了CO2的零排放.我国是农业大国，生物质资源主要分布在广大农村地区，因此我国生物质储存量非常大，全国每年可利用的生物质资源总量估计可达7亿吨，大约相当于3.5亿吨标准煤.生物质是替代煤、石油和天然气等矿物燃料的重要能源.在农村，随着生活水平的提高人们绝大部分采用煤炭、天燃气能源，农作物的大量秸秆等其他生物质被遗弃或在田间焚烧[4]，既浪费了资源又污染了环境.因此通过各种能源转换技术，将生物质转化为电能，既可以缓解我国化石能源的压力，缓解煤电紧张的局面，又满足了经济发展的电力需求并保护了环境.在生物质来源中秸秆占绝大部分且集中易收集，如玉米秸秆、小麦秸秆、稻秆、棉花秸秆等等，所以探索农作物秸秆作为能源发电具有很大的现实意义.

1 秸秆发电技术

20世纪70年代的世界石油危机,促使一直依赖石油作为唯一能源的丹麦推行能源多样化政策.丹麦BWE公司率先研发秸秆生物燃烧发电技术，在这家欧洲著名能源研发企业的努力下，丹麦于1988年诞生了世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂.目前国土面积只有我国山东省面积1/4的丹麦已建立了130家秸秆发电厂，秸秆发电等可再生能源占到全国能源消费量的24%以上.秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为重点推广项目.瑞典、芬兰、西班牙等多个欧洲国家由BWE公司提供技术设备建成了秸秆发电厂.

我国秸秆发电起步晚，目前仍属起步阶段.2005年，河北省石家庄市建立了我国第一座秸杆燃烧发电厂，该项目将采用丹麦BWE公司秸杆燃烧发电技术建设一个2×1.2 万千瓦的秸秆发电厂，每年可燃烧秸秆20多万吨，发电1.2 亿千瓦时，年可节约煤炭 16 万吨，减少二氧化硫排放量60多吨，减少烟尘排放量 400 吨.按照每吨秸秆 100 元的收购价测算，通过收购秸秆，每年可使当地农民增收2 000 万元.河南省目前已经有多个秸秆发电项目，主要分为两种模式，一种是新建项目，目前主要在鹤壁、浚县、南阳、周口等地，大多采用进口技术，散装运储上料，适用于麦秸秆；另一种是小火电改造，已实施的有长葛和新密，大多采用常温固化技术，即压块和造粒，适用于玉米秸秆.

2 秸秆发电技术

秸秆生物质发电技术是利用秸秆转化为电能的技术.从燃烧技术上划分，秸秆发电可分为与煤直接混合燃烧技术、秸秆气化燃烧技术和并联燃烧技术3种.其中，直接混燃技术，是将秸秆燃料送入炉内燃烧发电，这种方式比较适合对运行电厂，增加设备少、燃烧效率高、改造简单、投资少.由于草本生物质灰分中K和Cl含量较高，当掺烧比例较大时，会引起锅炉积灰及其腐蚀[5]，因此秸秆的掺烧比例不易太大.秸秆气化燃烧是将秸秆原料在气化炉中缺氧条件下进行气化，产生可燃气体(主要成分CO、CH4、H2和CmHn等)热值较低[6].

2.1 秸秆与煤直接混燃发电的预处理

无论哪种燃烧方式，秸秆原料的预处理都是重要的环节，将秸秆原料处理成符合对应的燃烧要求.尽管生物质资源量非常大，但由于体积和能量密度小，如一般农作物秸秆的自然堆积密度一般小于120 kg/m3，而褐煤为 560～600 kg/m3、烟煤为 800～900 kg/m3、无烟煤达 1 400～1 900 kg/m3，因此如何提高生物质的体积能量密度也很重要.目前采用的主要技术有打包制作成高压成型块生物质，高压成型块体密度高达450～650 kg/m3，热值达 800～2 800 kWh/m3，这样有利用农作物秸秆的收集、运输和存储.秸秆在进料前，为了燃烧的充分和送料的均匀性，需要经过干燥，含水量应低于18%，再经过粉碎机粉碎至小于2 cm的小段，然后和煤按照一定比例均匀混合.

2.2 秸秆燃烧发电工艺流程

秸秆燃烧发电系统是一个以秸秆和煤为混合燃料的火力发电，其生产过程概括起来是先将秸秆加工成适合锅炉燃烧形式的粉状或块状和煤一起送入锅炉进行充分燃烧，使秸秆和煤中的化学能转化为热能，锅炉的水吸热后产生饱和蒸汽，饱和蒸汽在过热器内继续加热进入汽轮机，驱动汽轮机发电机组旋转，经蒸汽的内能转化为机械能，最后由发电机将机械能变成电能，其生产过程如图1所示.

图1 秸秆和煤直接混合燃烧发电生产过程框图

3 秸秆与煤混合燃烧锅炉热效率计算及分析

秸秆与煤直接混燃是一种简单易行潜力巨大的发电方式，是将秸秆粉碎后和煤按照一定比例拌匀在锅炉内混合燃烧发电.通过建立秸秆和煤混合燃烧的模型，对秸秆和煤混合燃烧过程中锅炉燃烧热效率进行计算和分析.

3.1 秸秆与煤混燃基于的模型

混燃锅炉的模型是基于济南锅炉厂生产的130 t/h CFB锅炉其参数见表1，冷空气温度为20 ℃.设计混燃煤的元素分析和工业分析如表2.由于水稻在我国种植广泛，本文选取稻秆作为混燃燃料的研究对象.稻秆的元素分析和工业分析如表3所示.

表1 济南130 t/hCFB锅炉主要设计参数

燃料中C、H、S等为有效组分，N为惰性组分，水分、灰分等为杂质.C、H、O、N、S 和ASH的收到基为碳、氢、氧、氮、硫和灰分的质量百分比，M的收到基为水分含量.热值是指单位体积气体燃料所包含的化学能，是衡量燃料品质的重要指标.煤的工业分析和元素分析如表2[7].

表2 煤的工业分析和元素分析(质量百分比)

表3 常见秸秆的工业分析和元素分析

3.2 秸秆与煤混燃热量计算分析

根据热力学第一定律，指热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能的总量保持不变，可以简单的表述为：输入总热量=有效热量+损失热量.锅炉的热平衡方程式为：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

式中：Q为锅炉输入总热量，kJ/kg；Q1为锅炉有效利用热量，kJ/kg；Q2为排烟热损失，kJ/kg；Q3为化学不完全燃烧热损失，kJ/kg；Q4为物理不完全燃烧热损失，kJ/kg；Q5为锅炉散热热损失，kJ/kg；Q6为灰渣热损失，kJ/kg.

锅炉效率的确定有两种方法.一种称为正平衡法，即有效利用热量与输入总热量之比.如下式：

(2)

另一种是在锅炉设计或热效率试验时常用的反平衡法，通过测定锅炉的各项热损失，从而计算出锅炉热效率的方法，通常在锅炉热力计算中，由于q3、q5和q6这三个数值非常小，因此在实际计算中大多根据设计情况取用或为实测值.同时，玉米秸秆的掺烧对这些参数影响也非常小，故在此可忽略.由下式可求得锅炉的热效率：

η=1-q2-q3-q4-q5-q6≈1-q2-q4

(3)

锅炉的正平衡试验法虽然简单易行，但用于热效率较低的工业锅炉，一般在η<80%时比较准确.反平衡法比较复杂，但通过各项热损失的测定和分析，可以找出提高锅炉效率的途径.反平衡法适用于大容量、高效率的现代化电站锅炉.故本文采用反平衡法计算锅炉效率.

(1)对于锅炉的输入热量包括有燃料应用基低位发热量、燃料的物理显热、外来热源加热空气时带入的热量.锅炉的输入总热量Q为各类燃烧物质完全燃烧时释放的热能总和，计算公式如下：

Q=Qar,net+ir+Qwr

(4)

式中，Qar,net为燃料的收到基低位发热量，kJ/kg；ir为燃料物理显热，kJ/kg；Qwr为外来热源加热空气时带入的热量，kJ/kg.

(2)锅炉有效利用的热量Q1由下式计算：

(5)

(3)锅炉排烟热损失Q2是指由于排烟所拥有的热量随烟气排入大气中而没有被利用的热量，Q2可由排烟焓和冷空气焓来计算，其值由下式计算：

(6)

(7)

式中：hpy和hlk分别为排烟焓和冷空气的焓，排烟温度为150 ℃，冷空气温度取20 ℃，kJ/kg；αpy为过量空气系数；q2和q4分别为排烟热损失百分数和物理不完全燃烧损失百分数，%.

燃料经过燃烧氧化反应C+O2=CO2、S+O2=SO2、2H2+O2=2H2O后，如过量空气系数αpy=1，又达到完全燃烧，则烟气中只含有CO2、SO2、水蒸气、N2四种气体，这时烟气的体积称为理论烟气量.

每1 kg设计用煤燃烧所需理论空气量如下：

(8)

同理，每1 kg稻秆燃烧所需理论空气量计算方法相同.

稻秆掺烧时理论空气的焓计算得：

(9)

式中：(ct)k为1 m3干空气连同其携带的水蒸气在温度t=20 ℃时的焓，kJ/kg.

每1 kg煤燃烧产生的理论烟气量如下式：

(10)

其中理论水蒸气的产生由3部分组成：

a.燃料中氢完全燃烧产生的水蒸气

b.燃料中水分形成的水蒸气

c.燃料中氢完全燃烧产生的水蒸气

同理，可得每1 kg稻秆燃烧产生的理论烟气量.

生物质和煤混合燃烧的排烟的主要成分包括：RO2、N2、水蒸气及飞灰.

例如，当稻秆能量掺烧比占5%时，按照锅炉的设计参数.每千克混合燃料中含煤为0.919 kg，含0.081 kg的稻秆.

理论烟气的焓为：

(11)

式中：(ct)RO2、(ct)N2、(ct)H2O分别为三原子气体、氮气、水蒸气在t℃时的焓值，kJ/kg.其中由于VCO2≫VSO2且两者的比容比较接近，所以取(ct)RO2=(ct)CO2.

燃烧时飞灰的焓为：

(12)

式中：(ct)h为1 kg灰在t℃时的焓值，kJ/kg；Aar为灰分基；αfh为飞灰中灰分的份额.其中，实际烟气的焓为：

(13)

式中，α为空气过量系数，这里取α=1.20.

当稻秆能量掺烧时的q2：

(4)物理不完全燃烧热损失，有一部分没有参与燃烧或未燃尽而被排出炉外所造成的损失.主要由灰渣损失、飞灰损失组成.

其中q4的计算公式如下所示：

q4=(327.29Aar/Qar、net){[αfhrfh/(100-rfh)]

+[αhzrhz/(100-rhz)]}×100%

(14)

式中：Aar为燃料收到基灰的含量，%；αfh和αhz分别表示飞灰和炉渣占灰渣总量的份额，且αfh+αhz=1；rfh和rhz分别表示飞灰和炉渣中可燃物质量分数，%.

3.3 秸秆与煤不同混燃比例时热效率的分析

选取稻秆的能量混燃比例分别为0%、5%、10%、15%和20%，这里采用的稻秆燃烧占单位质量燃料的能量比例，经计算可以得到混燃所需稻秆质量，以及代替煤的质量.选用煤燃烧工况下，煤的低位发热量为22 902 kJ/kg.

用部分稻秆来代替煤，定义输入锅炉的热量占完全燃煤燃烧输入锅炉的热量的百分比为混燃比例.完全燃煤燃烧额定工况下锅炉燃煤量为16.82 t/h，煤的低位发热量为22 902 kJ/kg，额定工况下输入锅炉的总热量约为3.851 6×108kJ/h.混燃比例5%意味着稻秆提供给锅炉的热量为3.851 6×108kJ/h的5%，如表4所示.

表4 燃料质量随混燃比例的变化

在稻秆与煤混合燃烧的问题上，从稻秆与煤混合燃烧比例着手，计算不同混燃比时排烟热损失、化学不完全燃烧热损失、物理不完全燃烧热损失、灰渣热损失的大小及对锅炉热效率的影响.本文对稻杆占混合燃料能量比例为0%、5%、10%、15%到20%的情况进行数值计算，得出混燃比例的变化对锅炉热效率的影响趋势如图2所示.

图2 稻秆掺烧比例对锅炉热效率的影响

经计算分析可知，随着稻秆在混合燃料中能量比例的增加，q2先增大后减小，这是因为随着稻秆的增加每千克混合燃料的低位发热量减少，同时由于稻秆燃烧产生的烟气量减少，故排烟焓损失也在减少.在不掺烧稻秆时q2=4.9%，稻秆能量比占5%时，q2为5.1%，随着稻秆的掺烧比例增加q2又逐渐减小.在稻秆的掺烧比例不同时，其中灰分及烟气含量的变化和物理不完全燃烧损失对燃烧热效率的影响较大.物理不完全燃烧热损失率q4，随着稻秆掺烧比例的增加，飞灰和炉渣内物理未燃烧部分也增加，q4逐渐变大，但在此过程中稻秆掺烧比例q4变化对锅炉热效率的整体影响较小.其中，锅炉热力计算中，由于q3、q5和q6这3个数值非常小，因此稻秆的掺烧对3个数值的影响也很小，这里可忽略稻秆混燃对3个数值的计算.

通过稻秆混燃比例的变化对锅炉热效率综合影响的数值计算，得出了随着稻秆比例的增加，混燃热效率呈现先下降后增加的趋势，在稻秆能量比占10%左右时，混燃热效率较低，后又逐渐增加，在稻秆掺烧能量比为15%左右时其锅炉燃料效率较高，其后又逐渐降低.但同时，稻秆灰的化学成分与煤灰的化学成分有很大差异，受稻秆的灰熔融特性和对锅炉腐蚀的影响，稻秆与煤混燃的热量分数不易超过20%[8].

4 结束语

本文通过对稻秆和煤混合燃烧的数学模型的建立，对稻秆的不同掺烧比例的锅炉热效率进行数值计算，找出稻秆掺烧比例对燃烧效率的影响，得到了稻秆与煤混燃的较合理的比例，这对稻秆直接混燃发电方面具有参考意义.同时，在稻秆掺烧对热效率的影响忽略一些方面会给热效率计算带来一些误差，本文仅计算分析了稻秆掺烧比例对热效率影响，不同的生物质对热效率的影响会存在差异，这些方面仍需进一步探索.

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