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生物质电站集成设计与优化运行

发布日期:2014-07-10

           我国生物质发电起步较晚,主要采取引进、消化、吸收的技术路线,由于生物质种类多变、水分和碱金属含量高,生物质发电面临的主要问题是燃料适应性差和安全经济性差。因此,针对我国资源、经济和社会特点,迫切需要开发更适合我国国情的生物质发电技术。
           为实现机组的安全经济运行,提高生物质燃料的利用率,国家工程实验室首先从燃料特性入手,研究生物质反应特性和干燥特性。从多因素耦合实验、量子化学模拟和系统建模等角度,揭示了生物质在不同条件下的热质输运特性和反应特性;建立了生物质燃料特性分析测试方法与标准、生物质热值快速预测模型和迄今为止最全面和完善的生物质燃料特性数据库,为生物质锅炉燃烧控制和变工况优化运行提供支撑;开发了基于烟气余热利用的蓄热式干燥系统,采用烟气余热干燥燃料,减少了入炉水分,解决了烟气余热利用过程中设备的腐蚀等问题,降低了烟气量和风机电耗。生物质燃料特性数据库已在全国30余家电厂成功应用,为实现生物质电站的优化控制提供了数据支持,同时主持国家能源局立项的3项行业标准的编制,为行业的规范发展提供支撑;基于烟气余热利用的蓄热式干燥系统为国能首创,该技术成功解决了烟气余热利用过程中设备腐蚀问题,显著降低了燃料干燥成本,提高了锅炉效率和电厂经济性。
            从设计角度,针对我国生物质燃料特性复杂多变的问题,实验室开展了新型炉膛结构设计和受热面优化布置研究。针对炉排炉燃烧系统,发明了双炉排结构,突破了传统单炉排结构燃料适应性差的瓶颈;建立了可调受热面实验台、生物质直燃仿真平台、数值模拟平台,形成了完整的生物质电站锅炉设计研发平台;针对传统循环流化床锅炉受热面磨损严重的问题,发明了受热面气流屏蔽优化设计技术。实验室研发的单元与系统集成设计技术已被济南锅炉集团、河北华信锅炉集团等单位采纳并应用于生物质锅炉的设计与改造,提高了生物质锅炉设计水平,推动了行业技术的进步。生物质电站优化运行策略已在全国20余家电站成功应用,提高了生物质锅炉的运行管理水平。
受热面可调的生物质炉膛水冷壁结构设计优化
             围绕进一步提高电站安全性,实验室分别从烟气侧和材料侧研究受热面的防磨防腐防结焦技术。在烟气侧,采用惯性分离原理,首次提出采用气流诱导的方式,实现炉内粉尘预分离,揭示了气流主动诱导过程对炉内气固流动规律、粒径和装置结构变化对气固流场分布的影响规律。同时改善了炉内燃烧和传热效果,减轻了尾部设备的磨损。在烟气侧,我们还研究了14种含K、Na的化合物对生物质结渣特性的影响规律,发明了多孔膜抗结焦剂,将灰熔点提高200-300℃,抗结焦效果明显。在设备材料侧,开发了Ni-Cr-Mo系粉末材料和激光熔覆法制备耐高温氯腐蚀熔覆层新技术,使过热器寿命延长3倍以上;开发了高耐磨金属陶瓷熔覆层制备新工艺,使螺旋叶片、叶轮等设备的寿命延长2-5倍。实验室在防磨防腐防结焦方向上承担了“循环流化床锅炉水冷壁管防磨关键技术研究”等纵向课题,并自主研发了基于激光熔覆法在锅炉壁管外表面制备高温耐磨损、耐高温腐蚀覆层的复合锅炉管新技术,获得了“在锅炉管外表面形成熔覆层的双粉芯丝及其制备方法”等发明专利。技术成果已在全国20 余家电厂成功应用,以成安电厂为例,通过采用主动诱导防磨防腐技术,使高温过热器等寿命延长8000小时以上,引风机易磨损件和布袋寿命延长7000小时以上,成功解决了该厂生物质锅炉的磨损和腐蚀问题,确保了机组的安全与经济运行。

用于生物质发电厂的耐蚀过热器管,运行近10个月后熔覆层仍光亮如新
            为了进一步提高电站的经济性,实验室分别开发了底渣和飞灰的余能利用技术与装置。在底渣余能回收利用方面,发明了生物质电站风冷钢带式干排渣技术,降低了底渣中未燃尽碳含量,回收了底渣中的物理能和化学能,能耗降低7g标煤/kWh。飞灰余能回收利用方面,发明了飞灰成型粘结剂配方,提出了飞灰成型再燃工艺,解决了飞灰强度的问题,使得飞灰中的化学能得到回收利用,提高了锅炉效率。
            由于现有生物质锅炉的燃烧状态监测主要依赖烟气分析和蒸汽参数,难以实时获取许多关键燃烧参数。另外,控制系统的信号,主要是来源于离散布置的检测点,不能反映燃烧参数的空间分布,难以全场优化燃烧,带来额外的能耗和污染排放。实验室开发了生物质锅炉燃烧过程在线监测与控制优化技术,针对生物质燃料输送参数计量和燃烧过程实时监测,对生物质锅炉燃烧状态进行识别与诊断,实现燃烧过程分析与优化控制。
            在生物质电站集成设计与优化运行技术上,实验室通过承担“秸秆的分子表征和热解过程中分子结构演变机理研究”、“村镇农林剩余物直燃发电技术开发与示范”、“生物质直接燃烧发电关键技术与示范”、“循环流化床锅炉水冷壁管防磨关键技术研究”等国家级和省部级项目,以及“生物质直燃发电机组关键技术攻关”、“生物质燃烧数值模拟及优化运行软件开发”、“国能黑山生物质直燃发电锅炉燃烧调整试验”等企业委托项目,获得发明专利和实用新型专利授权21项,软件著作权1项,出版著作《生物质发电技术》、《生物质燃烧发电技术》、《Technologies for Converting Biomass to Useful Energy: Combustion, Gasification, Pyrolysis, Torrefaction and Fermentation》,相关成果在30余个生物质电厂应用,取得了良好的经济效益。
             2013年“生物质直燃发电关键技术研究及工程实践”获得中国南方电网公司科技进步奖一等奖,“生物质电站安全经济运行关键技术”获得中国电力科学技术奖二等奖,为我国生物质直燃发电行业提供了理论和技术支撑,提高了我国生物质电站集成设计和优化运行水平,推动了我国生物质发电行业的技术进步和可持续发展。

生物质电站集成与运行优化技术出版著作


生物质电站集成与运行优化技术获得奖励