基于节能减排的基本国策，国家发改委提出了电力工业结构调整的要求，对小火电机组实行关停或改造。某电厂原2#机组，容量为6MW，配备35t/h抛煤机倒转链条炉排燃煤锅炉，原设计燃料为淮南大通烟煤，改造后拟采用生物质燃料。本文的工作目标是：针对生物质燃料的特点，拟定锅炉燃烧系统的改造方案，并在方案实施后完成锅炉的冷态调试。
在计算原设计煤种和生物质燃烧特性参数的基础上，通过对比发现两种燃料的燃烧特性相差很大，所以必须对机组的燃烧系统尤其是配风系统进行改造。本着不改动锅炉受热面、尽量保留原有链条炉排和炉膛结构的原则，改造方案确定为：拆除原三台抛煤机，抛煤口改为一次风口；加大二次风量（增加二次风喷口数目，并更换二次风机）。
借助FLUENT软件模拟了抛煤口改为一次风口并加大二次风量后的炉内流场，模拟结果表明：气流撞击后墙，后墙下侧流场不利于粒子沉降到炉排。
为了防止炉膛水冷壁结渣，并提高生物质燃料颗粒在炉排上的沉降份额，对前后二次风射流角度进行了调整，借助FLUENT软件模拟了二次风角度调整后的炉内冷态流场，对比分析后确认：前二次风水平、后二次风上仰45度时，炉内流场具有相对比较合理的结构。确定二次风射流角度后，又模拟了不同风量配比条件下的炉内流场，对比分析得到优选的风量配比条件。通过上述工作最终确定锅炉配风系统的改造方案。
配风系统改造方案实施后，对新系统的炉内冷态流场进行了实炉冷态测试的试验研究，以数值模拟得到的各个风口速度为基准，在冷态试验中把各个风口的速度调节到逼近于数值模拟的速度值。实际测量了炉内3个平面上的速度分布，并通过火花示踪显示炉内实际流场，将火花示踪结果、实炉测试的结果和数值模拟的结果进行对比，发现吻合得比较好，说明数值模拟的结果是可靠的，锅炉的改造方案是可行的。
数值模拟和冷态试验研究表明：改造后的二次风切入一次风主流位置比较合理，炉内气流充满度较好，粒子在炉排上沉降均匀，在一定程度上减轻了火焰刷墙的程度。炉内一次风正常无明显偏斜，炉膛出口处速度分布均匀，有利于提高燃烧效率、防止水冷壁和过热器结渣。
关键词：生物质发电，锅炉改造，数值模拟，试验研究
1、绪论
1.1选题背景与意义
人类目前使用的主要一次能源有原油、天然气和煤炭三种。根据国际能源机构的统计，地球上这三种能源供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。尤为严重的是，我国剩余可开采储量仅为1390亿吨标准煤，按照我国2006年的开采速度23亿吨／年，仅能维持61年，为我国的能源保障敲响了警钟。近年来国家提出了节能减排政策，鼓励电力企业积极利用可再生能源，尤其是生物质发电，在政策上给予优惠，对生物质电厂给予一定的补贴等。我国是农业大国，生物质能源丰富，开发利用生物能替代上述三种传统能源，逐年降低它们的消耗量有着非常重要的意义。
生物质发电是将生物质能转化为电能，利用生物质发电，不仅可以使得农林废弃物得到充分利用，同时还能减少煤炭的消耗量和污染物的排放量，改善环境。如果结合能源林产业的发展，还有助于防止土壤沙漠化和水土流失等问题，因此许多国家都在大力发展生物质发电。
目前生物质发电主要有生物质直燃发电和生物质气化发电两种形式。直接燃烧发电是指生物质与煤混合燃烧或纯生物质直接在锅炉中燃烧的蒸汽动力发电技术，可以大幅度地减少二氧化碳的排放量，在挪威、瑞典和北美地区得到厂泛应用。生物质气化发电技术，其工作流程为首先将气化炉产生的生物燃气（木煤气）冷却过滤送入煤气发动机，将煤气的热能转化为机械能，再带动发动机发电。目前，我国的生物质能资源量约为7亿吨标准煤，到2020年生物质能资源量可达9-10亿吨标准煤。国家“十一五”规划纲要提出到2020年我国生物质发电装机容量达到3000万千瓦的目标。
相对而言，生物质气化发电初投资成本较高，单机容量较低，气化过程损失了大约三分之一的化学能。就我国基本国情和生物质利用开发水平而言，生物质直接燃烧发电是最简便可行的高效利用生物资源的方式。在我国现行的生物质直燃发电利用中，主要有层燃和流态化两种燃烧方式。
生物质直燃发电主要有对原有机组进行改造和新建机组两种形式，各有优缺点：新建机组的成本昂贵，但在燃料系统、炉膛结构、燃烧设备等方面可以按照生物质的特性进行设计，比如引进丹麦BHW公司的水冷振动炉排技术和我国自行研发的生物质循环流化床技术等；对现有机组进行改造，可以充分利用现有的待关停机组的固定资产和员工，初投资低廉，但需要同时考虑原机组的特点和生物质燃料的特点，制约因素多，设计和实施组织过程复杂。
本文对某电厂2#燃煤机组燃烧系统进行改造，将原燃煤链条炉排锅炉改造为纯生物质燃料锅炉。生物质直燃发电过程中避免锅炉结渣是一个很重要的问题。本文的解决思路是：对于火床结渣问题，通过控制燃料在火床内的放热份额（这意味着提高炉膛空间悬浮燃烧的放热份额）、降低炉排面可见热负荷的方式加以解决；受热面结渣问题，通过组织合理的炉内空气动力场，避免火焰刷墙，同时将火焰中心的位置控制在炉膛下方，以增加炉膛吸热量，从而降低生物质燃烧过程中受热面结渣的可能性。无论是火床结渣还是受热面结渣，都与燃烧系统的风量分配以及炉内流场关系密切，因此研究炉内的空气流场有着非常重要的意义。
1.2课题来源
近年来电力工业结构矛盾日益突出，其中，电网内高煤耗、低效率、重污染的小火电机组比例较大，是电力工业结构不合理的主要问题之一。为此，国家提出了节能减排政策，对电力工业结构进行调整，对小火电机组实行关停或改造。某电厂35t/h抛煤机倒转链条炉排锅炉，是无锡锅炉厂生产中温中压锅炉机组，原设计燃用淮南大通烟煤，配6MW发电机组。锅炉炉膛尺寸约为4x4x8米，炉膛四周布置光管水冷壁。将燃料更换为生物质后，由于锅炉原设计煤种和生物质的燃烧特性相差很大，所以锅炉的燃烧系统尤其是配风系统必须进行改造，配风系统的改变使得炉内流场发生很大的变化，本课题借助FLUENT软件对冷态条件下的炉内空气流场进行数值模拟提出锅炉改造方案，找出合理的炉内流场，并进行实炉调试与测试试验研究。
1.3直燃发电生物质锅炉面临的主要问题
生物质直接燃烧发电过程中，防止结渣是核心问题。受热面结渣主要是由烟气中夹带的熔化或半熔化的灰粒接触到受热面凝结下来，并在受热面上不断生长、积聚而成，它的表面往往堆积较坚硬的灰渣烧结层，且多发生在锅炉的辐射受热面上。结渣主要是生物质中的灰分在燃烧过程中形态变化和输送作用的结果，影响因素主要有热迁移、惯性撞击、凝结和化学反应四个方面。目前，我国生物质燃烧的典型方式是火床燃烧和循环流化床燃烧。由于生物质燃料的特性，这两种燃烧方式都存在不同程度的结渣。
1.3.1生物质燃烧结渣的形成机理
1)层燃方式结渣
层燃方式是我国目前应用最广的生物质直接组织燃烧方式，其中链条炉为典型代表炉型，生物质在链条炉内的燃烧过程与煤的燃烧相同，也分为4个区域：预热区、挥发份析出和燃烧区、焦炭燃烧区、燃尽区。
层燃炉中结渣包括火床结渣、水冷壁结渣和过热器对流管束结渣，其根本原因是生物质燃料中，灰分组成与煤炭有很大的不同，碱性氧化物尤其是碱金属氧化物含量高，灰熔点低，从而有严重的结渣倾向。在火床内，熔融的灰渣会在炉排上与其他的灰分或没有完全燃烧的燃料粘结在一起，形成结块，从而影响燃烧过程，使锅炉经济
性、可靠性下降。
生物质燃料的一个重要特点是挥发分高，大量的挥发分在炉膛空间完成均相燃烧过程，火焰中心部位温度最高，产生的各种结渣的可能性也最高。如果火焰刷墙，这个区域里会有连续的灰渣在水冷壁、炉墙上出现，从而使炉膛吸热量下降，炉内温度升高，使得结渣加剧从而陷入一个恶性循环。
炉膛出口以后，融化状态的飞灰，以及碱金属升华灰，将可能给该区域密集的管束带来结渣，最可能结渣的部位包括捕渣管束和过热器管束的入口段，尤其是错列管束的过热器受热面入口段，特别容易形成管子之间的架桥。
炉膛内的温度水平及其分布直接影响锅炉均匀燃烧程度及燃烧经济性。合理的配风能改善链条炉的燃烧工况，减少结渣。
2)循环流化床燃烧方式结渣
由于生物质燃料飞灰含量少，燃烧后难以形成床料，流化特性较差，或着火困难等，所以在生物质流化床中需要选用与燃烧生物质特性相匹配的惰性床料，如砂、炉渣作为流化媒体，该媒体可保证形成流化燃烧稳定的密相床层。密相床层蓄热量很大，床层内传热传质剧烈，能够为高水分低热值的生物质提供优越的燃烧条件。然而在密相区燃烧温度在900℃左右，大部分生物质的碱金属与床料的硅元素将会发生反应，形成低熔点的共晶化合物，严重时可能造成床料的烧结团聚，使流化失败。在稀相区，大量的挥发分燃烧，有可能造成炉温偏高，使飞灰很容易融化吸附在水冷壁上，逐渐形成结渣。
三门峡30码期期必中生产销售生物质锅炉，同时也销售生产生物质颗粒燃料的颗粒机、秸秆压块机、木屑颗粒机等生物质成型机械设备。
