秸稈焚燒發(fā)電燃料系統(tǒng)成套技術(shù)探討

張志洪，包立炯

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海200240）

生物質(zhì)秸稈包括玉米秸稈、小麥稈、稻草、油料作物秸稈、豆麥作物秸稈、雜糧秸稈、棉花稈等，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，在世界能源總消費(fèi)量中占14%［1］。國際能源機(jī)構(gòu)的有關(guān)研究表明：農(nóng)作物秸稈為低碳燃料，且硫含量、灰含量均比目前大量使用的煤炭低，是一種很好的清潔可再生能源。每兩噸秸稈的熱值相當(dāng)于一噸標(biāo)煤，而且其平均含硫量只有0．38%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤1%的平均含硫量。

目前秸稈焚燒發(fā)電的燃料系統(tǒng)主要存在幾個(gè)問題：一是秸稈收集與貯存；二是秸稈預(yù)處理和廠內(nèi)輸送；三是爐前給料方式。

本文結(jié)合中電洪澤生物質(zhì)發(fā)電廠的燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對解決燃料系統(tǒng)的一系列問題進(jìn)行了探討。

1 秸稈收集和貯存

中電洪澤生物質(zhì)發(fā)電廠規(guī)模為1臺75t／h振動(dòng)爐排生物質(zhì)鍋爐，配1臺15MW汽輪發(fā)電機(jī)組。鍋爐每小時(shí)秸稈消耗量約18t，每天消耗超出400t，按年運(yùn)行6 000h計(jì)算，年耗秸稈總量在10×104t左右。主要燃料為當(dāng)?shù)氐径?、麥稈、稻殼、楊柳樹修剪枝條、棉稈等。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以家庭承包為主，戶均種植面積小，作物秸稈分布分散；同時(shí)由于秸稈密度低、體積大，收獲季節(jié)性強(qiáng)，秸稈收集、儲存和運(yùn)輸成為制約其大規(guī)模利用的主要瓶頸；因此，如何建立合理、高效的秸稈收儲運(yùn)體系是秸稈生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須解決的關(guān)鍵問題［2］。

根據(jù)洪澤縣的地理特征和工程的具體特點(diǎn)，為保證電廠的燃料供應(yīng)充分以及收購價(jià)格的平穩(wěn)，在黃集鎮(zhèn)、仁和鎮(zhèn)、共和鎮(zhèn)、老子山鎮(zhèn)、岔河鎮(zhèn)建立了五個(gè)收購站，并在電廠旁建立一個(gè)中心收購站，即在廠外建設(shè)五個(gè)普通收購站和一個(gè)中心收購站。

電廠負(fù)責(zé)收購站的管理工作，各秸稈收購站是收購網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)秸稈收購的具體事務(wù)，包括收購、打包、儲存、發(fā)運(yùn)，以及組織協(xié)調(diào)農(nóng)村秸稈經(jīng)紀(jì)人的秸稈收集，完成主要的秸稈收購工作。

中心收購站以存儲季節(jié)性收購的秸稈和各普通收購站收集的秸稈為主，保證燃料的充足供應(yīng)和價(jià)格的穩(wěn)定。

發(fā)電廠內(nèi)空間有限，要存儲大量的燃料是不現(xiàn)實(shí)的，所以廠內(nèi)秸稈庫主要用于儲存處理后的碎秸稈和稻殼等，可存儲5天左右的燃料量，以便秸稈破碎區(qū)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，不影響鍋爐運(yùn)行。

2 秸稈的預(yù)處理和輸送

中電洪澤生物質(zhì)發(fā)電廠的燃料主要為稻草、麥草、稻殼以及硬枝條等，考慮到秸稈燃料的多樣性，必須設(shè)計(jì)出適合多種燃料的秸稈處理和輸送系統(tǒng)。

中電洪澤生物質(zhì)發(fā)電廠的秸稈預(yù)處理和輸送系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 秸稈預(yù)處理和輸送系統(tǒng)流程

2．1 秸稈的破碎

為了滿足鍋爐對燃料粒度的要求，需要對軟質(zhì)秸稈和硬質(zhì)秸稈進(jìn)行破碎。秸稈的破碎區(qū)設(shè)在中心收購站內(nèi)。

不同的秸稈應(yīng)采用不同的破碎方式：稻稈、麥稈等軟質(zhì)秸稈可采用切草機(jī)；枝條、棉稈等硬質(zhì)秸稈可采用鼓式削片機(jī)。

軟質(zhì)秸稈捆由卡車運(yùn)送到中心收購站后，由鏟運(yùn)機(jī)或起重機(jī)負(fù)責(zé)上料。鏟運(yùn)機(jī)或起重機(jī)將秸稈捆直接放到傾斜的鏈板輸送機(jī)上。鏟運(yùn)機(jī)或起重機(jī)一次可輸送多個(gè)秸稈包，如果直接放在切草機(jī)上，易引起秸稈包在進(jìn)料皮帶上搭橋，而造成秸稈輸送中斷，燃料供應(yīng)不足。為此，可采用鏈板輸送機(jī)作為緩沖機(jī)構(gòu)。

2．1．1 鼓式削片機(jī)

枝條、棉稈等硬質(zhì)秸稈可由人工散捆后用鏟運(yùn)機(jī)或起重機(jī)送到鼓式削片機(jī)進(jìn)料皮帶，進(jìn)入鼓式削片機(jī)。鼓式削片機(jī)可將原木、小徑木、木材采伐剩余物（枝椏、枝條等）、木材加工剩余物（板條、板皮、圓木芯、廢單板等）、竹、棉桿等切削成一定規(guī)格的片料，是較為成熟的林木業(yè)機(jī)械設(shè)備，可直接運(yùn)用于秸稈電廠的硬質(zhì)秸稈預(yù)處理。中電洪澤生物質(zhì)發(fā)電廠選用的BX218（改進(jìn)型）鼓式削片機(jī)，最大進(jìn)料直徑為160mm，最大出料長度為30mm，能夠滿足秸稈鍋爐對燃料粒度的要求。

經(jīng)鼓式削片機(jī)切碎后的碎秸稈落到帶式輸送機(jī)上，送入廠內(nèi)秸稈庫儲存或直接入爐燃燒。

2．1．2 鏈板輸送機(jī)

鏈板輸送機(jī)（圖2）的作用有：

（1）緩沖作用。如果直接將秸稈捆放到切草機(jī)的進(jìn)料皮帶上，可能造成進(jìn)料皮帶機(jī)構(gòu)的沖擊損傷。

（2）均布作用。將秸稈捆放到傾斜的鏈板輸送機(jī)上時(shí)，秸稈捆會排列不齊，甚至有些秸稈捆會疊在上層，在鏈板輸送帶傾斜上升時(shí)，疊在上層的秸稈捆會在自重的作用下翻落到下層，使得秸稈捆一層層輸送到切草機(jī)的進(jìn)料皮帶上，然后進(jìn)入切草機(jī)。

圖2 鏈板輸送機(jī)B3000

為了找到鏈板輸送機(jī)的最佳傾斜角度，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場有兩種不同的秸稈捆，一種為1 000mm×800mm×600mm，一種為600mm×450mm×380mm，在15°、30°、45°、60°的情況下進(jìn)行了試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出：

（1）隨著角度的增加，秸稈捆堆疊的可能性減小。

（2）大捆的翻滾性要強(qiáng)于小捆的。

（3）在45°時(shí)，比較適合上述的兩種秸稈捆。

2．1．3 切草機(jī)

軟秸稈包送入切草機(jī)后被切成長約50mm的碎秸稈，由切草機(jī)的出料皮帶機(jī)送到帶式輸送機(jī)，最終送入爐前料倉。

國外生物質(zhì)電廠所用的切草機(jī)，一般都有直徑比較大的圓形料口，切碎的料是從其底部出來的；其進(jìn)料方式比較多，可用鏈板輸送機(jī)輸送秸稈捆，散包后直接進(jìn)入圓形的料口；或用抓具將散料直接放入圓形的料口；但是其成型產(chǎn)品出力較小、功率較大、價(jià)格相對較高。

國產(chǎn)切草機(jī)以前主要用在造紙行業(yè)，其燃料的適應(yīng)性比較好，可以切碎稻草、麥草，還可以切比較小的樹枝條；但是還需要對國產(chǎn)切草機(jī)進(jìn)行一些改造后才能用于秸稈電廠，如：進(jìn)料口側(cè)面安裝進(jìn)料輥，可以讓秸稈捆更好地進(jìn)入；進(jìn)料口上面有壓料輥，用來壓實(shí)要切的秸稈；將刀輥模式改為斜面刀輥，使得秸稈包切削起來比較省力，同時(shí)也減少了對刀輥的沖擊。在對改進(jìn)前后的切草機(jī)進(jìn)行了秸稈捆的切削試驗(yàn)后，得出了改造前后的出料粒度對比情況，見圖4。

圖4 切草機(jī)改進(jìn)前后出料粒度對比

由此可以得出結(jié)論：改進(jìn)后的切草機(jī)破碎粒度更小，相對比較均勻，能更好地滿足鍋爐對燃料的粒度要求，并且為后面的輸送更能創(chuàng)造良好的條件。

2．2 秸稈的輸送

破碎后的秸稈和稻殼的輸送可采用帶式輸送機(jī)。水平輸送時(shí)采用普通平皮帶；抬升輸送時(shí)，為避免物料出現(xiàn)物料打滑現(xiàn)象，可采用花紋皮帶，且輸送機(jī)傾角應(yīng)小于16°。由于碎秸稈密度小、易飛揚(yáng)的特點(diǎn)，帶式輸送機(jī)的帶速不宜過大，應(yīng)控制在小于1．25m／s［3］。

破碎后的秸稈通過帶式輸送機(jī)一部分送入廠內(nèi)秸稈庫儲存，一部分直接送入鍋爐燃燒。

3 爐前給料系統(tǒng)

3．1 爐前料倉

原設(shè)計(jì)一臺鍋爐設(shè)有2座爐前料倉，每座容積約為200m3，可供鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行約2h。實(shí)際運(yùn)行中，大料倉基本起不到存料的作用，反而容易引起搭橋。

為降低料倉內(nèi)搭橋的風(fēng)險(xiǎn)，爐前料倉不宜過大，僅作為燃料緩沖倉，其有效容積應(yīng)結(jié)合燃料系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般按不大于0．5h所需的燃料量設(shè)計(jì)。對于上料系統(tǒng)的故障，小的故障宜在0．5h內(nèi)消除，大的故障只能停爐，不能靠料倉的容積解決。

料倉內(nèi)壁應(yīng)光滑，最好上小下大，防止秸稈粘在料倉四壁或搭橋。

3．2 螺旋給料機(jī)

秸稈的爐前給料方式，國內(nèi)外有幾種不同的模式，國外一般采取用秸稈不破碎，解包后直接由雙輥螺旋機(jī)直接輸送到爐膛內(nèi)；也有采用氣力輸送到爐膛內(nèi)；還有一種模式就是采用螺旋給料機(jī)送入爐膛內(nèi)。中電洪澤生物質(zhì)發(fā)電廠采用的是螺旋給料機(jī)的送料方式，料倉底部用螺旋給料機(jī)將燃料送入鍋爐的給料口。

為避免碎秸稈纏繞在螺旋給料機(jī)的中心軸上，造成給料機(jī)堵塞，采用了無軸螺旋給料機(jī)（圖5）。

圖5 螺旋給料機(jī)和料倉撥料器

無軸螺旋給料機(jī)采用無中心軸設(shè)計(jì)，利用具有一定柔性的整體鋼制螺旋推送物料，有下列特性：

（1）無中心軸，抗纏繞性強(qiáng)，對于輸送帶狀、易纏繞物料有特殊的優(yōu)越性。

（2）輸送量大，其輸送量是相同外徑的有心軸螺旋輸送機(jī)的1．5倍左右。

（3）由于螺旋無軸，無中間軸承，槽體與無軸螺旋之間無物料回流，輸送流暢，可以低速運(yùn)行，能耗低。

為了避免給料機(jī)堵塞時(shí)電流過大而燒壞電機(jī)，設(shè)計(jì)了過電流保護(hù)，當(dāng)電流超過一定值后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而避免了電機(jī)的損壞。

3．3 料倉撥料器

當(dāng)爐前料倉裝滿后，碎秸稈對螺旋給料機(jī)的壓力相對較大，會造成螺旋給料機(jī)的阻力增大，嚴(yán)重阻擾螺旋給料機(jī)的運(yùn)行。

針對以上問題，可在螺旋給料機(jī)上部約1m處安裝若干個(gè)電動(dòng)撥料器（圖5），有兩個(gè)作用：一是可以防止料倉內(nèi)秸稈直接壓在螺旋給料機(jī)上；二是可以將秸稈均勻地?fù)艿铰菪o料機(jī)的槽中，實(shí)現(xiàn)均勻給料。

撥料器是在鋼管外表焊接上棘刺的一種裝置，在撥料器不動(dòng)作的情況下，撥料器上的秸稈不會自動(dòng)落入下面的螺旋輸送機(jī)內(nèi)。

4 結(jié)語

通過上述各節(jié)的介紹和分析，對秸稈焚燒發(fā)電燃料系統(tǒng)成套技術(shù)的實(shí)施可得出以下結(jié)論：

（1）硬質(zhì)秸稈的破碎，可采用鼓式削片機(jī)；在對國產(chǎn)切草機(jī)進(jìn)行局部改造后，能夠用于軟質(zhì)秸稈的成捆破碎，其出料粒度能夠滿足秸稈鍋爐的需要。

（2）使用鏈板輸送機(jī)為切草機(jī)給料時(shí)，如果角度太小，會引起秸稈捆堆疊，造成切草機(jī)進(jìn)口堵塞。增加鏈板輸送機(jī)的傾斜角度到45°左右可以解決這一問題。

（3）在使用螺旋給料機(jī)給料時(shí)，有軸螺旋給料機(jī)易造成碎秸稈纏繞、堵塞，選用無軸螺旋給料機(jī)可減少秸稈在給料機(jī)內(nèi)的堵塞。

（4）當(dāng)爐前料倉裝滿后，秸稈對螺旋給料機(jī)的壓力很大，造成螺旋給料機(jī)的阻力增大，嚴(yán)重阻擾螺旋給料機(jī)的運(yùn)行。在螺旋給料機(jī)上方設(shè)置一排電動(dòng)撥料器，緩解給料機(jī)壓力，實(shí)現(xiàn)均勻給料，可以有效地解決此問題。

（5）秸稈料倉因軟質(zhì)秸稈易搭橋，在實(shí)際運(yùn)行中基本起不到存料的作用，僅起到過渡作用；所以，對于燃用軟質(zhì)秸稈的秸稈電廠，爐前料倉容積不宜很大，或可以取消料倉。

［1］汝守華．生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜述［EB／OL］．［2009－06－23］，http：／／www．mdjkjj．gov．cn／szkj／ShowArticle．a(chǎn)sp？Article ID＝1603．

［2］張艷麗，王飛，趙立欣，等．我國秸稈收儲運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)營模式、存在問題及發(fā)展對策［J］．可再生能源，2009，27（1）：1－5．

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．秸稈發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范［M］．北京：中國計(jì)劃出版社，2012．