不同掺烧比例生物质与煤共燃系统热力学分析

鲁许鳌，孙 磊，李永华，郭志城，王 凯，王 锟

不同掺烧比例生物质与煤共燃系统热力学分析

鲁许鳌，孙 磊，李永华，郭志城，王 凯，王 锟

（华北电力大学能源与动力工程学院，河北 保定 071003）

为了对生物质与煤共燃系统进行节能分析，并提供理论依据，本文基于热力学定律对396 t/h高温高压CFB锅炉生物质与煤共燃系统进行了研究，分析了掺烧生物质比例对锅炉排烟温度、热效率和㶲效率的影响。结果表明，随着掺烧生物质比例的增加，锅炉排烟温度逐渐升高，热效率由89.62%逐渐减低，㶲效率由46.11%逐渐下降，且炉膛内部受热面以及尾部烟道各受热面的换热效率都高达98%，而炉膛内部受热面的换热㶲效率仅约38%，故而在㶲分析下，该CFB锅炉炉膛内部受热面仍存在很大的节能潜力。

生物质；共燃；热效率；㶲效率；CFB锅炉；受热面；换热效率；热平衡分析

我国生物质资源丰富，掺烧部分生物质能够减少化石燃料的使用，减缓能源危机，并降低污染[1-5]。目前，大容量电站锅炉掺烧生物质有直接共燃、间接共燃和并行共燃3种方式，共燃技术与其他生物质发电利用方式相比，具有低风险、低投资、建设周期短的特点，受到了各国广泛关注[6]。

循环流化床（CFB）锅炉内生物质与煤共燃，是一种简单高效利用生物质的途径，许多国内外学者对此进行了研究。鲁许鳌等[7]进行了掺混比例对生物质与煤流化床共气化特性影响的试验研究。阎维平等[8]对300 MW机组燃煤锅炉掺烧稻壳对锅炉效率影响进行了计算分析。沈国章等[9]对流化床燃烧麦秸床料团聚结渣进行了研究。LI J等[10]采用计算流体动力学（CFD）对掺烧焙烧后的生物质与煤共燃系统进行了数值模拟，研究其燃烧产物的排放规律。Varol M等[11-12]研究了高硫褐煤与生物质在小型CFB锅炉共燃的燃烧特性。Unchaisri T等[13]对过量空气系数和稻草在混合燃料中的质量份额对混合燃料性能、燃烧效率和气体排放的影响进行了研究。Opydo M等[14]对CFB锅炉中烟煤与生物质共燃时固体颗粒堆积进行了研究。Gayan P等[15]对CFBC燃烧煤和生物质混合物的性能进行了分析，并建立了预测CFB锅炉中煤和生物质废物共燃系统的数学模型，并 进行了验证。

本文应用热力学第一定律对掺烧不同比例生物质锅炉各处烟气温度、工质温度以及锅炉热效率进行了计算分析，并在此基础上进行㶲分析，进而探究锅炉的节能潜力。

1 研究对象及方法

本文将以396 t/h高压高温大容量pyroflow型自然循环CFB蒸汽锅炉为例进行研究。该锅炉燃用的固体燃料工业分析和元素分析见表1。

表1 固体燃料工业分析和元素分析

Tab.1 The proximate and ultimate analysis result of solid fuels

本文应用热力学定律进行锅炉节能分析，具体方法如下。

1）通过热力学第一定律计算得到锅炉的热 效率，通过锅炉热效率的大小来分析锅炉节能潜力的大小，热效率越高则能量利用率越高，节能 潜力越小。

2）将锅炉整体分为炉膛（包括水冷壁和二级过热器）、三级过热器、一级过热器等，应用热力学第二定律计算各换热器换热㶲效率，换热㶲效率越低则锅炉节能潜力越大。

3）利用㶲流图进行㶲分析，了解输入㶲的利用情况和㶲损较大的薄弱环节。

2 热力学分析

假定初始温度，通过热量平衡对烟气放热量与工质吸热量间进行校核，最终得到各处烟气温度、工质温度以及锅炉热效率，并对计算结果进行分析。

2.1 热平衡分析

由于锅炉结构复杂，故将其分为燃烧系统和尾部烟道各受热面两大部分进行热平衡分析。系统热平衡示意如图1所示。该系统由炉膛、分离器和回料器组成。由于本文中CFB锅炉的分离器中无再燃烧，故而烟气经分离器后其温度会略有降低，在此假定其分离器出口烟温即炉膛进口循环灰温度比炉膛出口烟温低了5 ℃。而对三级过热器、一级过热器、省煤器和空气预热器的热平衡分析主要是针对烟气放热量与工质吸热量间的热量平衡。

锅炉机组热效率作为锅炉热力计算的关键值，对于锅炉节能分析意义重大。由于锅炉热效率主要受锅炉热损失中最大的排烟损失所影响，因此本文在重点分析锅炉排烟损失的基础上，采用反平衡法对无脱硫工况和脱硫工况下的锅炉热效率进行计算。

2.2 㶲分析

对炉膛进行㶲分析主要包括炉膛入口㶲、炉膛出口烟气㶲、炉膛内部吸热㶲以及各项㶲损。其中，炉膛入口㶲由入口燃料㶲以及热空气带入㶲组成；炉膛内部吸热㶲由水冷壁吸热㶲和二级过热器吸热㶲组成；各项㶲损包括燃烧不可逆㶲损、气体未完全燃烧㶲损、固体未完全燃烧㶲损、散热㶲损、灰渣㶲损和传热不可逆㶲损。

换热㶲效率是通过计算烟气经过换热器后换热器㶲增量与烟气㶲降间的比值求得。其他各换热器㶲损主要为传热㶲损。

3 计算结果分析

3.1 烟气及工质温度

应用热力学第一定律对100 MW机组CFB锅炉掺烧不同比例玉米秆时各处烟气温度和工质温度进行热力学计算，结果见表2和表3。

表2 掺烧不同比例生物质各处烟气温度

Tab.2 The flue gas temperature at each position with different blending ratios of biomass ℃

表3 掺烧不同比例生物质各换热器出口工质温度

Tab.3 The temperature of working fluids at outlet of each heat exchanger with different blending ratios of biomass ℃

由表2可以看出，随着掺烧玉米秆比例的增加，炉膛出口烟温逐渐降低，而排烟温度却略有升高。这是因为掺烧玉米秆比例增加，燃料低位放热量减小使炉膛有效放热量降低，导致炉膛燃烧温度降低，最终使炉膛出口烟温下降；排烟温度的升高主要是因为随着掺烧玉米秆比例的增加，燃料低位放热量减小，燃料量增加，烟气体积增大，烟气流速加快所致。

由表3可以看出，随着掺烧玉米秆比例的增加，三级过热器、一级过热器、省煤器和空气预热器 出口工质温度都变化很小。虽掺烧生物质比例的增加导致炉膛出口烟气温度降低，但烟气流速的加快却会增大换热系数，最终使出口工质的温度变化并不大。

3.2 锅炉热效率

对掺烧不同比例玉米秆无脱硫和有脱硫工况下锅炉热效率进行计算，结果如图2所示。由图2可以看出：随着掺烧玉米秆比例的增加，不脱硫工况下，锅炉热效率由89.77%降低到89.58%；脱硫工况下，锅炉热效率由89.62%降低到89.3%。因为随着玉米秆掺烧比例的增加，锅炉排烟温度和排烟容积都在增大，导致锅炉热损失中排烟热损失进一步增大，故而使锅炉热效率逐渐降低。

3.3 换热㶲效率

掺烧不同比例玉米秆时锅炉各换热器换热㶲效率以及㶲损失计算结果见表4和表5。由表4、表5可以看出：CFB锅炉各部位中炉膛内部受热面换热㶲效率最小，三级过热器换热㶲效率最大；炉膛内部换热㶲效率随着掺烧玉米秆比例的增加而减小；在各项㶲损失中其燃烧不可逆㶲损失最大，其值随掺烧生物质比例的增加而增大，而其他㶲损都较小且变化不大。这是因为：1）炉膛内部存在各种损失，但各换热器主要是传热损失故而炉膛内部㶲效率偏小；2）掺烧生物质比例越大，燃料低位发热量越小，炉膛温度越低，导致换热效果变差，换热㶲效率变小；3）掺烧生物质的比例越大所生成烟气体积越大，炉膛内部烟气流速越快，导致烟气在炉膛内部停 留时间越短，换热效果越差，致使换热㶲效率减小；4）随着掺烧生物质比例的增加，导致炉膛理论燃烧温度降低，使其燃烧产物㶲随之减少。

表4 不同工况换热器㶲效率

Tab.4 The exergy efficiency of heat exchangers under different operating conditions %

表5 炉膛内部㶲损失

Tab.5 The exergy loss inside the furnace %

另外，在几种生物质掺烧比例下，计算所得锅炉㶲效率分别为46.11%、45.90%、45.62%、45.35%。可见燃煤工况下锅炉整体㶲效率最大，随着掺烧生物质比例的增加㶲效率逐渐减小。这是由于随着掺烧生物质比例的增加，烟气体积增加，烟气流速加快，炉膛理论燃烧温度降低，导致换热效果变差，燃烧损失增加，最终导致㶲效率逐渐减小。

3.4 㶲流图分析

由于掺烧不同比例玉米秆其㶲流图差别不大，故本文选取纯煤工况和掺烧20%玉米秆工况下的㶲流图进行分析，这2种工况下的㶲流图如图3和图4所示。由图3和图4可以看出：这2种工况下炉膛内部㶲损最大，而且随着掺烧玉米秆比例的增大，㶲膛㶲损从46.68%增大到了47.14%，与上述炉膛内部受热面换热㶲分析结果一致；锅炉三级过热器、一级过热器、省煤器和空气预热器等㶲损相比于炉膛内部㶲损失都很小，其中各项热损失中最大的排烟损失在㶲流图分析中也只占约1%，且随着掺烧玉米秆比例的增加逐渐增大；㶲流图中真正流入各换热器的有效㶲值较小，水冷壁、一级过热器、省煤器、三级过热器、二级过热器、空气预热器有效㶲增逐渐减小。

4 结 论

1）锅炉受热面各换热㶲效率中炉膛内部受热面换热㶲效率最小，且其值随掺烧生物质比例的增加而减小。

2）在炉膛内部各项㶲损失中其燃烧不可逆㶲损失最大，其值随掺烧生物质比例增加而增大。

3）燃煤工况下锅炉㶲效率最大，随着掺烧生物质比例的增加，锅炉㶲效率逐渐减小。

4）由热力学第一定律分析可知，不管哪种工况，锅炉热效率都已很高，节能潜力很小。但㶲分析发现锅炉㶲效率很低，尤其是炉膛内部受热面换热㶲效率，故而尚存在较大的节能潜力。

［1］ 鲁许鳌, 阎维平, 沈冶, 等. 掺烧稻壳对煤粉炉飞灰特性的影响[J]. 太阳能学报, 2011, 32(3): 358-363.

LU Xuao, YAN Weiping, SHEN Ye, et al. Effect of co-firing on the characteristic of fly ash in 300 MWel PC boiler[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011, 32(3): 358-363.

［2］ 尚琳琳, 李诗媛, 吕清刚. 床料对生物质流化床燃烧黏结特性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(26): 4515-4520.

SHANG Linlin, LI Shiyuan, LU Qinggang. The influence of bed materials on agglomeration characteristic during fluidized-bed combustion of bio-fuels[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(26): 4515-4520.

［3］ 陈亮, 苏毅, 陈祎, 等. 两段式秸秆气化炉中当量比对气化特性的影响[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(29): 102-107.

CHEN Liang, SU Yi, CHEN Yi, et al. Effect of equivalence ratio on gasification characteristics in a rice straw two-stage gasifier[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(29): 102-107.

［4］ MADHIYANON T, SATHITRUANGSAK P, SOPON- RONNARIT S. Co-combustion of rice husk with coal in a cyclonic fluidized-bed combustor (Ψ-FBC)[J]. Fuel, 2009, 88(1): 132-138.

［5］ ARMESTO L, BAHILLO A, VEIJONEN K, et al. Combustion behaviour of rice husk in a bubbling fluidised bed[J]. Biomass and Bioenergy, 2002, 23(3): 171-179.

［6］ 鲁许鳌. 生物质和煤共气化共燃的实验和机理研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2010: 6-20.

LU Xuao. Study on the experiment and mechanism of co- combustion of biomass and coal[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2010: 6-20

［7］ 鲁许鳌, 阎维平. 掺混比例对生物质和煤流化床共气化特性影响的试验研究[J]. 动力工程, 2009, 29(10): 977-983.

LU Xuao, YAN Weiping. Influence of blending ratios on fluidized bed co-gasification of biomass and coal[J]. Journal of Power Engineering, 2009(10): 977-983.

［8］ 阎维平, 安敬学, 鲁许鳌, 等. 300 MW燃煤锅炉掺烧稻壳对锅炉效率影响的计算分析[J]. 能源工程, 2009(4): 8-12.

YAN Weiping, AN Jingxue, LU Xuao, et al. Calculation and analysis of the influence of 300 MW power boiler co-firing rice hull and coal on the boiler thermal efficiency[J]. Energy Engineering, 2009(4): 8-12.

［9］ 沈国章, 鲁许鳌, 钟振成, 等. 流化床燃烧麦秸床料团聚结渣研究[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(23): 14-20.

SHEN Guozhang, LU Xuao, ZHONG Zhencheng, et al. Research on bed agglomeration formed during fluidized bed combustion of wheat straw[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(23): 14-20.

［10］ LI J, BRZDEKIEWICZ A, YANG W, et al. Co-firing based on biomass torrefaction in a pulverized coal boiler with aim of 100% fuel switching[J]. Applied Energy, 2012, 99: 344-354.

［11］ VAROL M, SYMONDS R, ANTHONY E J, et al. Emissions from co-firing lignite and biomass in an oxy-fired CFBC[J]. Fuel Processing Technology, 2018, 173: 126-133.

［12］ SAIKAEW T, SUPUDOMMAK P, MEKASUT L, et al. Emission of NOand N2O from co-combustion of coal and biomasses in CFB combustor[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2012, 10: 26-32.

［13］ UNCHAISRI T, FUKUDA S. Co-firing of coal and rice straw pellet in a circulating fluidized-bed reactor[J]. Energy Procedia, 2017: 766-771.

［14］ OPYDO M, KOBYŁECKI R, DUDEK A, et al. The effect of biomass co-combustion in a CFB boiler on solids accumulation on surfaces of P91 steel tube samples[J]. Biomass & Bioenergy, 2016, 85: 61-68.

［15］ GAYAN P, ADANEZ J, DIEGO L F D, et al. Circulating fluidised bed co-combustion of coal and biomass[J]. Fuel, 2004, 83(3): 277-286.

Thermodynamic analysis of co-combustion system of biomass and coal with different blending ratios

LU Xuao, SUN Lei, LI Yonghua, GUO Zhicheng, WANG Kai, WANG Kun

(School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

In order to carry out energy-saving analysis for biomass-coal co-combustion system and provide the theoretical basis, based on thermodynamic law, this paper analyzes the co-combustion system of biomass and coal in a 396 t/h high temperature and high pressure circulating fluidized bed boiler, and studies the influence of biomass blending ratio on exhaust temperature, thermal efficiency and exergy efficiency of the boiler. The results show that, with the increase of biomass blending ratio, the exhaust temperature of the boiler increases gradually, the thermal efficiency decreases gradually from 89.62%, the exergy efficiency decreases gradually from 46.11%, and the heat transfer efficiency of the heating surface inside the furnace and in the tail flue is as high as 98%, while the heat transfer exergy efficiency of the heating surface inside the furnace is only about 38%. Therefore, in the case of exergy analysis, there is still a great potential for energy saving in the furnace.

biomass, co-combustion, thermal efficiency, exergy efficiency, CFB boiler, heating surface, heat transfer efficiency, thermal balance analysis

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201901015

2019-01-17

鲁许鳌(1976)，男，博士，讲师，主要研究方向为生物质与煤共燃技术，lxn745206@yeah.net。

孙磊(1991)，男，硕士，主要研究方向为生物质与煤共燃发电技术，sunlei9183@139.com。

鲁许鳌, 孙磊, 李永华, 等. 不同掺烧比例生物质与煤共燃系统热力学分析[J]. 热力发电, 2019, 48(10): 92-96. LU Xuao, SUN Lei, LI Yonghua, et al. Thermodynamic analysis of co-combustion system of biomass and coal with different blending ratios[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 92-96.

（责任编辑 马昕红）