《生物质蔗渣锅炉热力场建模及应用研究》

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课题研究背景及意义:雾霾在中国十分严重,特别是在经济发展最快的中东部地区。雾霾严重影响人们的身体健康,现已引起全国科研机构的密切关注。污染物主要来源包括燃煤、机动车、工业、扬尘、生物质燃烧等一次排放细粒子,以及由这些来源排放出的二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物等污染物经二次转化形成的细微粒子。根据专家研究表明燃煤是产生雾霾的主要原因之一。数据显示,2014年,中国煤炭消费38.7亿吨,占一次能源消费总量的66%。而全世界煤炭消费占一次能源消费总量的比重不到30%。因此大力发展水电、太阳能、风能和生物质能等清洁能源和可再生能源,以减少燃煤比例、减少空气污染,成为中国国家相关政策的重点支持内容,也是中国中长期发展必备基础条件之一。中国是制糖大国之一,其中广西区所生产的糖占全国60%以上,且制糖业是广西千亿元支持产业之一,甘蔗制糖后所产生的废物(蔗渣)是优质的可再生生物质燃料。蔗渣燃烧后烟气中基本不排放SOx,基于生命周期内排放的CO<,2>接近于零,可大幅度减少温室气体排放。广西区内大部分糖厂为充分利用资源,都将制糖后的副产品蔗渣直接进行燃烧。但现有的生物质蔗渣锅炉设计制造和安装改造都是参照煤粉炉进行,煤粉的燃烧特性与蔗渣的燃烧特性相差较大,煤粉中含碳量高,水分较少,而蔗渣中水分含量较高(46%-52%),极易造成燃烧不充分,且燃烧后大量的湿蒸汽带走热量,造成炉膛内部温度降低;炉膛温度降低后会造成蔗渣着火延迟等问题。同时,广西区内一些糖厂锅炉服役年限较长,热效率低下,能源浪费十分严重。为降低制糖成本,实现节能减排目标,各级政府及制糖企业也急需对老旧低效锅炉进行升级改造以达到蔗渣锅炉安全稳定高效燃烧运行。针对上述现象,制造单位及安装单位均尝试对锅炉进行改造,虽然个别改造后的锅炉可以提高热效率,但大部分锅炉不能达到理想效果。这主要由于各台锅炉结构形式和运行工况存在不同,改造单位针对该现象,无法提出系统性改造技术方法,这主要是由于改造单位无法了解不同结构锅炉内部的温度场和空气动力场分布,缺乏锅炉内部参数的系统性研究。因此,急需对生物质蔗渣锅炉的炉膛热力场进行建模研究,找出影响生物质蔗渣锅炉热效率的各种因素,为生物质蔗渣锅炉的设计及改造的提供技术支持,同时对生物质蔗渣燃烧特性进行研究,使得在后续的升级改造工作中有可参考的理论依据,从而指导每台锅炉进行设计及改造,达到可持续发展的国家战略目标。该课题通过采用ANSYS模拟仿真系统对选取的典型的生物质蔗渣锅炉进行热力场建模和研究,基于模拟研究的结果找出锅炉运行的最佳工况,并对锅炉进行运行工况和结构的改造,找出影响蔗渣锅炉热效率的因素,提高锅炉热效率和燃烧稳定性,为制糖企业生物质蔗渣锅炉的改造升级工作提供理论技术支持,实现能源高效利用,提高社会经济效益。课题的研究将推动制糖行业生物质蔗渣锅炉应用的高新技术发展,为制糖企业提供安全节能保障,具有非常重要的社会意义。课题的技术原理、性能指标及技术创新:该课题采取的技术原理:经过广泛的调查研究,选取广西区内的典型的蔗渣锅炉小平阳糖厂进行研究,小平阳糖厂运行水平高,锅炉热效率超过80%,提高难度较大。之后对燃烧所需的蔗渣进行元素分析和工业分析,并通过实验测量计算出蔗渣的化学反应动力学参数,之后通过实验研究蔗渣的燃烧特性。根据小平阳糖厂的运行工况和结构,采用ANSYS仿真系统对小平阳糖厂锅炉建模仿真,研究得到炉内的温度场和空气动力场并进行优化计算,并基于模拟结果对锅炉结构进行实地改造,在原有的锅炉结构上增加三次风入口和调整一二三次风的比例,并采用该课题自主研发的新型燃烧器。课题研究成果如下:课题性能指标:改造前锅炉燃烧效率为97.4%,改造后锅炉燃烧效率为98.8%,燃烧效率提高1.4%;改造后锅炉热效率由83.92%提高至86.87%,锅炉热效率提高2.95%;经过第三方测量,改造后锅炉的风烟流速控制在4~9m/s。在蔗渣锅炉内,炉膛风烟流速过小会造成粗大较湿的蔗渣堵塞在炉排面,影响底风,严重影响燃烧;风烟流速过大则会造成蔗渣燃烧炉膛停留时间短,燃烧不充分,降低热效率。因此需将炉膛风烟流速控制在合适的水平内(3~10m/s);经过第三方测量,改造后炉膛内温度控制在950~1150℃。在蔗渣锅炉内,炉膛温度过低,会造成受热面吸热量降低,延长蔗渣着火时间,造成燃烧不充分,热效率低等问题;炉膛温度过高会造成燃烧后污染物(氮氧化物等)急剧升高,造成大气污染,因此需将炉膛温度控制在合适的温度范围内(900~1200℃)为宜。课题技术创新:设计研发了新型高效蔗渣燃烧器,可延长蔗渣在炉内的停留时间时间,避免发生堆料和结焦现象,使蔗渣燃烧充分,提高锅炉热效率;设计研发了新型的烟气取样装置,该装置可以缩短取样时间,提高取样精准度;开发了工业锅炉自动建模和网格划分软件,该软件可以大幅度缩短锅炉建模和网格划分时间,提高模拟精度。技术的成熟程度,适用范围和安全性:经国家级第三方权威机构浙江省特种设备检验研究院对改造后的小平阳糖厂锅炉进行能效测试,测试后锅炉热效率由83.92%提高至86.87%,锅炉热效率提高2.95%,其测试技术标准为GB 10184-88《电站锅炉性能试验规程》和TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》的相关规定。项目实施期间,对广西区30余台锅炉进行改造调试,改造后锅炉热效率平均由80.4%提高到83.6%提高3.2%,节约蔗渣14.3万吨,为企业社会创造经济效益8200万元。项目实施期间,获批博士后工作站1个,获批国家工业锅炉质量监督检验中心(广西);引进博士2人,硕士2人,2人晋升为高级工程师,3人晋升为工程师。实现团队拥有博士3人,硕士6人,教授级高级工程师2名,高级工程师5名,工程师6名。应用情况及出现的问题:上述新技术已经在广西区内对广西区30余台锅炉进行改造调试,改造后锅炉热效率平均由80.4%提高到83.6%,平均热效率提高3.2%,节约蔗渣14.3万吨,折合标煤3.85万吨,减排二氧化碳12.2万吨,减排二氧化硫39.6吨,减排氮氧化物32.8吨,为企业社会创造经济效益8200万元。该技术应用效果良好,成绩显著。建议:进一步推进蔗渣锅炉的改造工作以及向燃煤和其他燃料锅炉研究。技术先进性:已达到国内领先水平。

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