一种固体成型燃料生物质热水锅炉的开发设计

朱建军

摘 要：文章介绍了一种新型的燃料为固体成型的生物质热水锅炉，结构简单，紧凑，水循环可靠。针对燃料的特性采取特定的措施，合理的布置受热面，层状燃烧方式，燃料适应性广。并对锅炉的经济运行提出了一些建议。

关键词：固体成型的生物质燃料；链条炉排层状燃烧；自然循环；受热面为全水管式锅炉

1 概述

随着社会对能源需求的日益增长，作为主要能源来源的化石燃料在迅速地减少。因此，寻找一种可再生的替代能源，成为社会普遍关注的焦点。生物质能是一种理想的可再生能源，它来源广泛，每年都有大量的工业、农业及森林废弃物产出。在目前世界的能源消耗中，生物质能消耗占世界总能耗的14%，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第四位。而在我们国家特别是北方地区玉米杆、稻壳等可再生资源资源非常丰富，用其代替或部分代替燃煤，能为用户带来丰厚的经济回报。

SZL4.2-1.0/95/70-T型组装水管热水锅炉，采用双锅筒纵置式布置，燃烧方式用链条炉排。额定功率4.2MW，额定出水压力1.0MPa，额定出水温度95℃，锅炉设计燃料为固体生物质燃料。炉膛两侧墙水冷壁采用膜式水冷壁结构；炉膛前、后墙水冷壁管向下延伸到炉排上部形成前后拱，这样既增加锅炉的密封性能，可有效降低炉墙外壁温度，减少散热损失，又增加了炉膛容积及受热面，同时加固了后拱的强度。炉膛后为燃烬室、对流管束，尾部有省煤器。烟气经炉膛、燃烬室、对流管束、省煤器进入尾部烟道，通过除尘器、引风机、烟囱排入大气。

本锅炉分上下两大件出厂，上部大件包括锅炉本体、上部钢架及上部炉墙，下部大件包括煤斗、链条炉排、下部炉墙及内部通风道，除前后拱管及其连接管现场装配，部分砖墙及前后炉拱在现场砌筑外，其余部件均组装出厂，尾部省煤器及烟风道随炉配套出厂。尾部除尘器及其接管按照合同发货。

该锅炉的安全稳定运行工况范围：热负荷： 70%-100%。

2 锅炉规范

额定功率：4.2MW

额定出水压力：1.0MPa

额定出水温度：95℃

回水温度：70℃

冷空气温度：20℃

试验压力：1.4MPa

辐射受热面：26.08m2

对流受热面：111.7m2

省煤器受热面：139.52m2

炉排有效面积：7.7m2

排烟温度：154℃

排烟处过量空气系数：1.65

设计效率：82.4%

锅炉水容量：7.5m3

金属耗量：锅炉本体9718 kg；钢结构8203kg；炉排15593kg

总耗电量：53.35KW

3 对燃料的要求

该型锅炉按生物质固体成型固体燃料（BBDF）进行设计。

进入本锅炉的秸杆经烘干，并制成块状或棒状，因此本设计采用链条炉排的层状燃烧方式，燃料适应性广。

生物质固体成型固体燃料的特性如下：灰分：5～20%；水分：≤12%，低位发热值：14650～16747KJ/Kg（3500～4000kcal/kg；密度：800～1100kg/m3；块状尺寸为32×32×（30～80），或棒状尺寸为φ30×（30～80）。

4 锅炉给水品质应符合GB/T1576-2008《工业锅炉水质》的有关规定（见表1）

5 结构设计简介

锅炉整体型式为双锅筒纵置式自然循环锅炉，为缩短安装工期及基建投资，本锅炉设计成组装锅炉，分上下两大件出厂

针对生物质燃料的燃烧特性采取以下几项改进措施。

5.1 链条炉排的层式燃烧：由于燃料经烘干，并制成块状或棒状，本锅炉采用前轴驱动链条炉排的层式燃烧方式，着火条件好，燃料适应性广。

5.2 采用较高的前拱和低而长的后拱：既可保证挥发份有足够大的空间充分燃烧，又可保证固定碳在后拱区有较长的燃烧时间，以提高锅炉燃烧效率。

5.3 合理的二次风系统：由于该燃料挥发分高，燃烧速度快，为防止空气与可燃气体混合不均匀，使烟气中的碳氢化合物分解，在炉膛燃烧区设计了二次风喷嘴。后拱出口处的二次风除了使烟气与空气充分混合外，还可将炉膛高温烟气推向前拱区，有利于燃料的着火。二次风风道上都装有调节阀门，可根据燃烧工况需要调节各组风量。

5.4 采用下部绝热炉膛：在炉膛下部，前拱区及后拱区，都采用绝热炉膛，以提高燃烧区的燃烧温度，保证燃料的完全充分燃烧。

5.5 锅炉两侧墙水冷壁采用膜式水冷壁结构；炉膛前、后墙水冷壁管向下延伸到炉排上部形成前后水冷拱，这样既增加锅炉的密封性能，又增加了炉膛容积及受热面，同时加固了后拱的强度。

1）水冷系统：包括前后拱管、侧水冷壁、对流管束、上、下锅筒、下降管及集箱。

（1）锅筒：上锅筒直径为900，厚14，长5300（不算两端封头），下锅筒直径为900，厚度为14，长2140（不算两端封头），材料均采用Q245R。下锅筒通过两个汽包支座搁在底盘上，后边一个为活动支座。上下锅筒中心距为2300，上锅筒支承在焊接的水冷壁、对流管束上。上锅筒内部装有配水装置和出水装置，由省煤器集箱引出的回水经4根φ89的管子进入锅筒内φ159的配水管，配水管两端留有半圆形出水口。上锅筒内还装设横向隔板，使上升管与下降管隔开。在锅筒的顶部装有出水装置，加热后的热水在锅筒内混合后由出水装置引出，供给用户。下锅筒内设有排污装置。

（2）水冷壁：炉膛两侧采用膜式水冷壁结构，管子为φ51×4，节距为100。前、后墙水冷壁为φ51×3的管子共28 根，节距为120mm，前后墙水冷壁向下延伸，形成高而短的前拱和低而长的后拱。后拱倾角为10°，前后拱总覆盖率达80%。

（3）燃烬室：两侧为φ51×4膜式水冷壁管子连接于上锅筒与两侧集箱之间，管间距为100mm，贴后墙管有两排共16根，连接于上下锅筒之间，横向管间距为110mm，管径φ51×3。

（4）对流管束：上下锅筒间由320根φ51×3的对流管束分别与上下锅筒采用焊接连接，管间有一堵隔墙，烟气成两个回路横向冲刷流动。

（5）省煤器采用流线型鳍片式铸铁省煤器，长度为1500 mm，材料为HT200。省煤器共64根省煤器管组成，回水由进水管流入省煤器，沿逆烟气方向而上，然后再由出水管送入锅筒。

2）炉墙部分：本炉为组装锅炉，采用轻型炉墙，锅炉炉膛及燃烬室两侧全部采用轻质保温材料，既加强了炉墙的保温隔热性能又减轻了锅炉总重。后半部内层为耐火砖，外层为保温材料。前后拱分别由前后拱管作骨架浇筑耐火混凝土组成，后拱的重量吊在两个横梁上，锅炉的前后拱、前墙、中墙和下部炉墙在工地由安装部门在用户现场砌筑施工。

3）燃烧系统部分：燃烧系统包括煤斗、链条炉排、炉排传动装置。

本锅炉链条炉排为大块炉排片。炉排前后轴距为5.56m，有效宽度为1.6m，炉排下面划分为5个独立的风室，根据燃烧情况配风，进风方式为双侧进风，进风均匀。炉膛前部设有煤斗、煤闸门，用以调节进入炉排的料层厚度。炉排速度由减速箱控制调节。烧透的炉渣排入渣斗。

6 锅炉管道系统及附件

锅炉范围内管道系统设计满足TSG G0001-2012《锅炉安全技术监察规程》》及TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》（附录B：锅炉仪表配置要求）的要求。

锅炉本体附件除放气阀、出水阀、安全阀、排污阀外，还有测量仪表、压力表、温度计，测点应参照图纸6T8150-0和现场具体情况而定。

7 辅机配套

用户自己选配辅机时，各辅机的参数不能低于我厂辅机清单上辅机的参数，海拔高地区的风机参数应予以修正。

8 锅炉按GB50273-2009《锅炉安装工程施工及验收规范》进行安装与验收。

9 对于链条炉排锅炉经济运行，应做到如下方面：（1）水质一定要符合标准，保证受热面不结垢，提高换热系数；（2）鼓引风机及循环水泵采用变频控制；（3）控制排烟处过量空气系数小于1.65；（4）定期吹灰，提高换热效率；（5）锅炉及系统杜绝跑、冒、滴、漏；（6）风机轴承和循环泵轴承的冷却水尽可能循环利用。（7）锅炉炉墙、烟风道、各种热力设备、热力管道及阀门应当密封和保温，其表面温度低于50℃，减少散热损失。

总之，该锅炉在河南洛阳某地运行已经一年有余，各项指标都达到设计要求，受到用户的好评，在设计上是成功的，其独特新颖的结构特点对于其它炉型的生物质锅炉也具有一定的参考价值。生物质锅炉与一般工业锅炉在结构形式上具有共同之处，但也有不同之处。生物质锅炉的炉型根据燃料的不同，它的结构设计不同。在设计生物质锅炉时一定要根据燃料的特点，设计出具有防腐蚀性、防结渣、防积灰等特性的生物质锅炉结构型式，尽量减少生物质锅炉在运行时可能出现的各种安全隐患。随着能源危机的加剧及节能环保的意识增强，燃烧清洁燃料及可再生能源是未来的发展趋势。促使我国的生物质锅炉得到快速发展，促使我们生存的环境愈来愈美好。

参考文献

[1]赵明泉，等编.锅炉结构与设计.哈尔滨工业大学.

[2]金安定，曹子栋，等.工业锅炉原理.西安交通大学出版社.