生物质直燃耦合发电气力输送系统设计.pdf

第二十八卷第二期Vol.28,No.2JOURNAL OF ANHUI ELECTRICAL ENGINEERING PROFESSIONAL TECHNIQUE COLLEGE安徽电气工程职业技术学院学报2023年6 月June 2023生物质直燃耦合发电气力输送系统设计张科（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院，安徽合肥摘要：生物质直燃耦合发电技术日趋成熟，但生物质气力输送问题仍限制生物质的大规模掺烧。文章从生物质燃料气力输送系统的设计基本原则、计算基本参数的确定、管道沿程阻力的计算、输送风机的选型等方面，系统研究了设计计算经验和建议。以某燃煤机组耦合生物质发电项目为例，介绍了典型生物质直燃耦合发电项目气力输送系统的设计分析，有助于新建耦合项目气力输送系统的设计选型。关键词：生物质耦合发电；气力输送；系统设计；沿程阻力中图分类号：TM619230031)文献标识码：A文章编号：16 7 2-9 7 0 6(2 0 2 3)0 2-0 0 7 7-0 6Design of Pneumatic Conveying System for Biomass Direct CombustionCoupled Power GenerationZHANG Ke(China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.East China Branch,Hefei 230031,China)Abstract:The technology of biomass direct combustion coupled power generation is becoming increasinglymature,but the problem of biomass pneumatic transportation still limits the large-scale blending ofbiomass.This paper systematically studies the design and calculation experience and suggestions forbiomass fuel pneumatic conveying systems from the fllowing aspects:basic design principles,determination of basic calculation parameters,calculation of pipeline resistance,and selection of conveyingfans.Taking a coal-fired unit coupled biomass power generation project as an example,this paperintroduces the design and analysis of the pneumatic conveying system for a typical biomass directcombustion coupled power generation project,which is helpful for the design and selection of the pneumaticconveying system for new coupled projects.Key words:biomass coupled power generation;pneumatic conveying;system design;frictional resistance0引言火电机组的清洁化、低碳化是我国实现“双碳”目标的必经途径。尽管我国火电机组装机容量占比逐年下降，但2 0 2 2 年我国火力发电量占比仍接近7 0%。这为燃煤电厂生物质耦合燃烧发电提供了广阔的基础设施条件，生物质耦合燃煤机组发电技术可较大幅度降低煤电的CO,排放。目前，生物质耦合燃煤机组的方式主要为气化耦合、生物质成型料燃烧耦合和生物质直燃耦合燃烧。气化耦合方式生物质燃料转化率低，热值利用率仅7 5%。生物质成型燃料价格昂贵，燃料价格超过8 0 0元每吨，单位热值燃料价格约为生物质散料的三倍。生物质直燃耦合发电通过对现役燃煤机组进行适当收稿日期2 0 2 3-0 3-2 6作者简介：张科（19 9 2 一），男，山东淄博人，硕士研究生，中级工程师，主要从事锅炉专及多燃料耦合方向研究工作。77安徽电气工程职业技术学院学报的技术改造，借助已有的高效热力发电系统和环保设备，补充消纳各地满足农业、畜牧业和土地利用后的生物质资源，具有运行效率高、经济效益好、污染排放低的特点，可以实现生物质资源的高效化利用 2 。目前国内生物质直燃耦合燃煤机组发电项目生物质气力输送系统中存在设计选型不合理、系统稳定性差和耦合机组经济性低等问题,限制了生物质耦合燃煤机组发电技术的规模化应用。1气力输送原理和类别气力输送利用空气作为动力和载体，在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料，是流态化技术的一种具体应用。气力输送装置的结构简单、操作方便，可作水平的、垂直的或倾斜方向的输送。通过固定通道使物料在管道内部按固定方向传输 3 。与其他输送方式比较，气力输送系统具有十分显著的优越性。气力输送系统因其占地面积小、传输效率高等特点，在火力发电、粮食加工、水泥建材和煤炭化工等行业领域得到了广泛的应用。目前，我国的气力输送系统主要有负压吸送式、正压压送式和正负压混合式三种。负压吸送式输送系统在风机工作之后，在系统的末尾安装了负压抽吸系统的抽吸设备。全高速系统产生了负压，管道内外会产生压差,因此空气会被直接吸进管路里。此外，物料也会因为气流的影响而流人管路。正压压送式气力输送系统的结构更加复杂,在系统进料端进行压送，风机在系统的前端，必须通过密闭加料装置，确保物料快速经过料斗旋转至加料器加人管道。通过压缩空气快速分离物料与空气分离之后，经过出料器卸出，其余空气则被除尘器净化后排人大气。压送式气力输送系统的压差较大，适合长距离、大容量的输送。正负压混合式气力输送系统由吸送式和压送式联合组成。生物质直燃耦合发电技术中，因输送距离长、输送流量大和输送阻力高等特点，输送系统选择压送式气力输送或正负压混合式输送。2生物质气力输送设计基本原则常规工艺的气力输送方式中,影响气力输送系统安全经济性的主要因素有管道及附件带来的阻力和管内风速对物料的携带能力。不同于常规气力输送方式的设计原则，生物质直燃耦合发电技术中生物质燃料气力输送系统的设计还需要兼顾管内一次风速与燃烧器喷口的配合、冷风量对机组经济性的影响和炉内生物质燃烧对受热面腐蚀的影响等。此外，生物质燃料具有堆积密度低、结构松散和含水率高等特点。尤其是秸秆类物料，体积过大且为片状或棒状物料，长距离气力输送过程中易聚团而阻碍输送。因此经济合理地设计生物质气力输送系统要遵循以下基本原则：（1)在满足系统气力输送要求的前提下，应尽可能合理布置管道系统，缩短最远输送管道的长度。尽可能减少管道弯头数量及管道附件（如阀门）。由于当前生物质直燃耦合燃煤项目为改造项目，受原机组场地限制,大多数生物质气力输送系统管线长度都超过10 0 m。（2）利用气力输送生物质燃料时，优先采用正压输送。为保证输送风机的安全稳定运行，降低燃料对风机叶轮磨损，尽可能选用生物质燃料不经过风机的输送方式。燃料不经过风机时，输送风机可选用离心式风机或罗茨风机。如果系统布置不允许，燃料需经过风机，可采用正负压混合式输送，选用离心式物料风机。风机布置位置应靠近生物质燃料破碎设备，以减少负压段长度，风机人口管道应保留单独的进风口，防止生物质破碎系统出料量波动，导致输送管道内燃料不能保持悬浮流动而发生沉积，堵塞管道。（3）在保证满足生物质燃料输送量及合理的管道阻力的前提下，应选择小管径的管道，以减少送入炉膛的冷风量，降低对锅炉排烟温度的影响。（4）在保证生物质燃料在管内处于稀相悬浮流动输送的前提下，尽可能降低一次风速，但不应低于燃烧器喷口所需的一次风速要求，防止燃烧器喷口烧损。（5）生物质燃料中挥发分占比高，应选择合适的一次风率，同时应考虑到一、二次风喷口之间的面积配合，防止二次风不足引起锅炉煤粉燃烧不完全。3生物质燃料气力输送参数选择生物质燃料气力输送系统设计计算中需确定的关键参数主要有：管内气流速度、物料与气流混合浓.78第二十八卷第二期张科：生物质直燃耦合发电气力输送系统设计度比(以下简称气固比)、系统的阻力P、一次风率1。3.1气流速度生物质燃料气力输送系统中，管内气流既起到了运输生物质燃料的作用，同时又为生物质燃料在炉膛内燃烧提供了氧量。对于竖直管段，管内气流速度不能低于生物质燃料的悬浮速度U悬浮，保证燃料在管内保持上升状态。对于水平管段，管内气体流动速度方向与生物质悬浮速度方向垂直，气流速度需达到临界速度 临界，保证生物质燃料处于悬浮流动状态，临界速度临界要高于生物质燃料的悬浮速度。生物质燃料气力输送系统中最低流速的确定，是以竖直管段内保持生物质燃料处于悬浮状态的悬浮速度悬浮和水平管段内生物质燃料处于悬浮流动的临界速度临界为基础选取的 4。实际工程应用中，为保证气力输送系统的稳定性和安全性，通常以水平管段临界速度为基础，再加上生物质燃料悬浮速度作为裕度值。气力输送系统中最低流速的选择如式(1)所示。V=U临界+U悬浮其中，临界速度与悬浮速度的大小取决于所输送生物质燃料的密度、尺寸和形状系数等参数。可参考式(2)和式(3)进行计算。(2)V物VP气式中：C为附加系数;u为气固比;u为悬浮流动时管内空气的速度,ms;U物为悬浮流动时管内生物质燃料的速度,ms;P物为生物质燃料的堆积密度,kgm3;p为空气密度,kgm-3;b为形状系数。(3)P气式中;d物为所输送生物质燃料的当量球径 5 。此外，管内生物质输送速度还要考虑到燃烧器喷口一次风速与原煤粉燃烧器一次风速的匹配。相比于动力煤，生物质燃料中挥发分比例更高，灰分相对较低，生物质燃料的着火点和火焰传播速度更高，因此生物质燃烧器喷口风速要高于煤粉燃烧器喷口风速。生物质燃烧器喷口处风速不应低于2 5 元防止燃烧器烧损，同时保证炉内生物质燃烧器出口火焰刚性，防止火焰贴壁腐蚀水冷壁。一般来说，生物质燃烧器喷口面积与输送管道截面积大致相等，计算选取的气流速度，除保证生物质燃料处于悬浮流动状态，应高于2 5 m.s。气流速度的选择还受到系统阻力和一次风量的选取的限制。合适的气流速度,既要保证系统阻力不至于过高，防止风机选型困难，又要保证管内一次风量基本满足生物质燃烧需求。3.2系统阻力生物质气力输送系统阻力的主要包括水平管道阻力、竖直管道阻力、阀门及弯头局部阻力、燃烧器喷口阻力、输送设备阻力。系统阻力不应过大，否则增大输送风机的选型难度。系统阻力P的计算公式如式(4)所示。(4)式中：P管道为管道阻力，Pa;P 喷口为燃烧器喷口阻力,Pa;P 设备为输送设备阻力，Pa。管道阻力P管道的计算公式如式（5）所示。式中：P水平为水平管道阻力，Pa；P 垂直为垂直管道阻力，Pa；P 弯头为弯头局部阻力，Pa；P 附件为阀门、流量计等附件阻力,Pa。水平管道的阻力来自于管道沿程阻力，沿程阻力与气流速度的平方、输送距离成正比。气流速度越大，输送距离越长，管道的沿程阻力就越大。对于竖直管段而言，气力输送的能耗除了要克服管道的沿程阻力以外，还需消耗一定的能量垂直提升物料与气体质量，而且其提升力的大小与气流速度的大小无关。对于管内空气携带生物质燃料的悬浮流动，竖直管道的阻力可折算为当量长度的水平管道。管道弯头带来的局部阻力可根据弯曲半径与管道直径的比值，折算为水平管道的当量长度进行计79(1)U气+0.0 1p物/1.2临界=C （4u）物+6)3g(p物-p4)d物V悬浮AP=P 管道+AP喷口+P设备AP管道=AP水平+APH+AP考头+APmP附件(5)安徽电气工程职业技术学院学报算。为降低生物质物料在管道弯头处发生聚团堵管的风险，管道弯头弯曲半径应为管道直径的6 10倍,并对弯头管道做耐磨处理，如增加陶瓷内衬。管道弯头处还应设检修手孔，以便物料堵塞时进行检修。由于生物质气力输送系统管内一次风速不低于2 5 m/s,计算管内气流雷诺数可知，管内流体处于端流状态，管道的摩擦阻力系数根据DL/T51452012火力发电厂制粉系统设计计算技术规定选取计算。3.3一次风率生物质气力输送系统中，一次风的主要作用为：输送生物质燃料、提供生物质着火和挥发分燃烧所需的氧气。生物质燃料中挥发分比例远高于常规动力煤，干燥无灰基挥发分通常可达5 0%8 0%。若完全由一次风来提供生物质中挥发分燃烧所需要的氧量，一次风率往往超过3 0%。一次风率过高会对管道布置、风机选型带来难度。由于生物质燃料相较于煤粉具有更低着火点，为保证系统运行安全，输送生物质燃料的一次风一般使用常温空气。生物质气力输送系统将大量的冷风进人炉内，导致经过空预器的空气量减少，空预器出口排烟温度的大幅度升高，影响机组经济性。为保证生物质燃料的充分燃烧，应优化生物质燃烧器的结构型式，及时补充二次风，避免一次风率选取过高。3.4气固比气固比的选择影响管径、一次风速、阻力等参数的计算。不同于煤粉、灰渣、粮食等常见气力输送物料，生物质燃料堆密度更低，大约是煤粉密度的1/8，生物质燃料在气力输送中的体积比相较其他输送物料也更高。为保证生物质燃料处于悬浮流动状态，且气力输送系统不出现生物质燃料聚团现象，气固比不应低于0.5。较高的气固比会导致一次风速过高、系统阻力提高等问题，从工程应用来看，气力输送系统的气固比不应高于1.5。4某生物质直燃耦合项目气力输送设计计算4.1项目概况安徽某发电厂现有2 3 0 0 MW的国产亚临界燃煤发电机组，锅炉型号SG-1025/18-M837,设计燃用烟煤。制粉系统采用中间储仓式配四台钢球磨煤机进行乏气送粉。燃烧器采用美国燃烧工程公司引进并经改进的一、二次风间隔布置的WR型直流摆动煤粉燃烧器，四角布置，同心反切。该电厂在6 号机组进行生物质耦合燃煤发电改造，总掺烧量6 0 th-1,BRL工况下生物质燃料热负荷占比2 0%。生物质燃料输送设置4条线路，单条线路出力15 th-1，分别从1、3 号角的AB层、CD层二次风喷口送人炉膛。主要工艺流程为：生物质运输进厂过秤一卸料至堆场推煤机推进输送带一级破碎机一二级破碎机破碎至5 0 mm以下（不设滤网）一生物质风机管道气力输送至生物质燃烧器。该生物质耦合项目系统图如图1所示。第二十八卷第二期生物质燃烧器十生物质来料生物质料场推煤机80双级撕碎机输送皮带图1生物质耦合项目系统图风风输送风机张科：生物质直燃耦合发电气力输送系统设计生物质燃料为稻草和麦秆，元素分析如表1所示。表1生物质秸秆元素分析符号名称Car碳/%Har氢/%O.氧/%N.氮/%硫/%Aar灰分/%M全水/%挥发分/%总计/%Q.低位发热量/(kJkg=l)4.2气力输送系统设计本项目气力输送系统设计计算汇总如表2 所示。项目水平管线长度/m竖直管线长度/m90弯头/个单条线出力/(th-)一次风率/%管径(内径)/mm流速/(m s-)气固比生物质一次风喷口面积/mAB、CD 层二次风喷口两端浇注料面积/m单管风量/(m.h-)系统阻力/Pa4.2.1一次风率选择本项目生物质燃烧器喷口位置需安装在原煤粉燃烧器二次风喷口处，因此一次风率选取不宜过高。生物质燃烧器所在位置的二次风可以及时提供生物质秸秆燃烧所需要的氧气，一次风率选取过高会使生物质燃烧器喷口占据二次风喷口面积，减少该区域二次风送风量，导致主燃烧区域内严重缺氧，水冷壁附近形成还原性气氛，高温腐蚀加剧。生物质秸秆具有水分高、挥发分高和热值低的特点。参照以烟煤、褐煤为燃料的3 0 0 MW切向燃烧机组的一次风率选择及国内外类似工程经验，本项目一次风率推荐3 0%。4.2.22一、二次风量计算根据生物质秸秆元素分析，计算完全燃烧所需要的理论空气量为2.6 9 mkg-l。假设过量空气系81数值29.694.0030.230.450.1713.9621.5050.9410010 119表2 气力输送管路计算汇总数值2803051530400321.260.130.14815 75017 214依据项目场地实测项目场地实测项目场地实测原则性方案根据直吹式切向燃烧的燃烧器设计选取，取高值根据现有二次风喷口尺寸选取，同时考虑到管径对流速、阻力的影响计算所得，保证生物质燃料处于悬浮流动状态，同时保证炉内生物质燃烧切圆直径较小，减少水冷壁区域的碱金属腐蚀计算所得，保证生物质燃料处于悬浮流动的稀相输送状态，取低值，保证管径和冷风量的减小根据管径计算所得根据图纸测量计算所得计算所得，作为输送风机的选型依据计算所得，作为输送风机的选型依据安徽电气工程职业技术学院学报数为1.2,15 th-的秸秆燃烧需要6 3 th-的空气量，对应的单只生物质燃烧器喷口一次风量为18.9th-1,对应所需二次风量为44.1th-1。生物质燃烧器喷口处需要做扩口处理，防止二次风回流至生物质燃烧器内。同时应对AB层和CD层的二次风喷口进行改造，现有二次风喷口尺寸无法同时满足生物质秸秆和煤粉燃烧所需要的氧气。4只生物质燃烧器所携带的冷风量为7 5.6 th-1,该部分冷风未经过空预器，空预器空气量减少造成排烟温度升高约16。4.2.3系统阻力计算本项目中系统阻力主要包括管道阻力、燃烧器喷口阻力、输送设备阻力。其中管道阻力的主要影响因素包括工质流速、管道管径和管线长度。本项目管内流体处于端流状态，管道的的摩擦阻力系数根据DL/T5145一2 0 12 计算,取0.0 2 4。管道折算后当量长度为3 7 8 m。为保证风机选型时扬程与流量的匹配，本项目系统阻力不应高于2 5 0 0 0 Pa，否则会增加输送风机失速的风险。4.2.4管径、流速的确定在一次风量确定的条件下，管径的选择应考虑到流速对阻力的影响。如果管径、流速、阻力无法合适匹配,应对一次风率重新计算选择。本项目管径选择40 0 mm（内径）,对应一次风风速3 2 ms-l,计算系统阻力为17 2 14 Pa。4.2.5输送风机选型本项目每根管线输送风量为15 7 5 0 mh-1,阻力为17 2 14Pa。考虑到管线较长，系统阻力较高，推荐选择离心式输送风机，风机叶片做防磨处理。4.2.6生物质燃烧器尺寸说明生物质燃烧器所在原二次风喷口截面积0.13 m，原AB和CD层二次风喷口的二次风外钢板浇注料部分需部分扩充成二次风喷口，以弥补生物质喷口占用的二次风进风截面积，保证生物质和相邻层煤粉燃烧所需的空气。5结语生物质直燃耦合燃煤机组发电技术是基本现有燃煤机组上的优化改造，不同于煤粉等气力输送系统设计，生物质气力输送系统设计计算时需要充分考虑现有锅炉的限制和对机组经济性的影响。气力输送系统的设计选型和稳定运行是制约国内生物质大比例掺烧的关键因素，是生物质直燃耦合技术工程应用中急需解决的问题。本文所阐述的生物质燃料气力输送系统设计计算和工程应用实例对同类型工程设计具有借鉴意义。参考文献：1中华人民共和国中央人民政府.中华人民共和国2 0 2 2 年国民经济和社会发展统计公报EB/OL.(2023-02-28)2023-03-15.https:/ 0 2 1（6)：26-31,36.3李勇，朱秀苹.气力输送中变径管道系统设计的研究 J.塑料工业,2 0 0 8,3 6（S1）：12 3-12 5.4盛振湘.刨创花板工艺技术与其进步气力输送 J.中国人造板,2 0 2 2,2 9(10)：17-2 2.5王云强.烟草行业负压吸送式气力输送装置（系统）的设计计算J.机械工程师，2 0 18（1）：77-79,83.第二十八卷第二期责任编辑：夏勇82