生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電氣化爐系統(tǒng)自動控制研究

杜厚浩

【摘 要】生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電，是生物質(zhì)能與常規(guī)化石能源互補利用的有效方式，還可控制SO2、NOX、N2O和CO等甚至有毒污染物的排放量。而在整個生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電系統(tǒng)中，氣化爐是生物質(zhì)氣化工藝中最核心的設備，其自動控制技術又是系統(tǒng)能否穩(wěn)定高效運行、原料能否高效、清潔利用的關鍵因素。本文就是在既定生物質(zhì)氣化裝備的基礎上，結合“生物質(zhì)能氣化+煤”耦合式發(fā)電工藝需求，從生物質(zhì)氣化原理出發(fā)，針對影響氣化特性的因素和“生物質(zhì)能氣化+煤”耦合式發(fā)電應用展開控制研究，并給出了生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電氣化爐環(huán)節(jié)的自動控制設計。

【關鍵詞】生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電；氣化爐；自動控制；系統(tǒng)研究

[Abstract]biomass gasification mixed combustion power generation is an effective way to use biomass energy and conventional fossil energy， but also can control the emission of SO2， NOX、N2O and CO， and even toxic pollutants. In the mixed fuel power generation system of biomass gasification， gasification furnace is the core technology of biomass gasification in the equipment， the automatic control technology is a key factor to determine the system stable and efficient operation， efficient and clean utilization of raw materials can. This article is based on the established biomass gasification equipment， combined with biomass gasification + coal coupled power generation technology requirements， starting from the principle of biomass gasification， launch control research for the influence factors of gasification and biomass gasification + coal coupled power generation applications， and gives the design of automatic control of mixed combustion of biomass gasification power generation process gasification furnace.

[Key words] biomass gasification mixed combustion power generation； gasifier； automatic control； system research

引言

如果發(fā)電企業(yè)能夠利用農(nóng)林廢棄物發(fā)電，對促進節(jié)能減排和合理控制能源消費總量具有積極作用，而采用氣化技術產(chǎn)生的生物質(zhì)可燃氣取代部分鍋爐用煤，充分利用燃煤機組高發(fā)電效率，這種“生物質(zhì)能氣化+煤”耦合式發(fā)電方式，生物質(zhì)綜合發(fā)電效率在30%以上，高于現(xiàn)有的生物質(zhì)直燃發(fā)電（20～25%），減少了化石燃料產(chǎn)生的污染物排放量，符合火力發(fā)電能源結構調(diào)整的要求，也能滿足國家能源局印發(fā)的《可再生能源配額制指導意見》規(guī)定非水電新能源發(fā)電配額的要求。

1.生物質(zhì)氣化工藝流程

1.1生物質(zhì)的貯存系統(tǒng)

加工成型的生物質(zhì)物料，由外界通過運輸車輛送到生物質(zhì)貯存?zhèn)}庫，在貯存前，生物質(zhì)原料須進行稱重、取樣。生物質(zhì)原料品質(zhì)的關鍵指標為生物質(zhì)水分和熱值，在生物質(zhì)貯存?zhèn)}庫內(nèi)配有裝載機，抓斗旋轉裝置，通過這些裝置，生物質(zhì)被送到進料振動篩，生物質(zhì)經(jīng)過振動篩網(wǎng)，過濾掉不合格的生物質(zhì)料，再通過螺旋輸送機，長距離輸送皮帶將生物質(zhì)送到加壓系進料系統(tǒng)的常壓料倉。

1.2加壓進料系統(tǒng)

存放在常壓料倉的生物質(zhì)料，通過進料裝置和閥門進入到生物質(zhì)鎖斗，鎖斗裝滿生物質(zhì)料后，通過控制系統(tǒng)用氮氣（氮氣由公用工程制氮系統(tǒng)供應）對鎖斗充壓，當生物質(zhì)在鎖斗內(nèi)壓到0.1～0.3MPa時（與氣化爐壓保持一致），鎖斗加壓完成，生物質(zhì)通過下料閥和下料裝置，進入到加壓給料倉，在加壓給料倉的底部，有兩組螺旋輸送機，生物質(zhì)料由這兩組螺旋輸送機分兩路進入到生物質(zhì)氣化爐進行持續(xù)進料。生物質(zhì)鎖斗在完成卸料后，鎖斗將會進行卸壓至常壓狀態(tài)，再重新進料，充壓，進行下一個循環(huán)物料輸送，每個小時完成約兩次循環(huán)，每次進料量可維持氣化爐滿負荷運行30分鐘。

1.3生物質(zhì)氣化爐及氣體凈化系統(tǒng)

氣化爐是整個系統(tǒng)的關鍵設備。根據(jù)操作條件的差別，氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化爐兩種類型。本文建議采用富氧加壓循環(huán)流化床氣化爐，相比常規(guī)循環(huán)流化床氣化爐在處理規(guī)模、氣化效率、燃氣品質(zhì)等方面具有較為顯著的優(yōu)勢。富氧加壓循環(huán)流化床的加壓氣化增加了反應的濃度和反應速度，大幅度增加了處理量，且反應溫度高，碳轉化率95%以上。工作壓力在0.3MPa時，如果處理量為530噸/天，加壓后發(fā)電功率提高2%（折合300KW/h）。在同等裝機容量、同等工程條件下，加壓氣化總體投資比常壓循環(huán)流化床氣化低。

氣化爐爐型為流化床，從加壓給料倉來的生物質(zhì)分成兩路從氣化爐的下部進入爐膛反應區(qū)；在氣化爐的底部，空氣，氧（水蒸氣根據(jù)生物質(zhì)成分按比例加入）作為氣化劑進入爐膛，生物質(zhì)在爐膛內(nèi)和空氣，氧氣充分混合，形成一種沸騰流化狀態(tài)（氣化反應溫度約為700～980℃，氣化壓力0.1～0.3MPa）；同時，爐內(nèi)的高溫床料也充分起來了傳熱和傳質(zhì)的作用，加速了氣化反應的進程，氣化最終生成高溫可燃氣。

化學方程如下：

主要氣化反應：C + O2 → C O2+Q

2C + O2 → 2CO+Q

C + H2O → CO+H2-Q

2CO + O2 → 2CO2+Q

CO2 + C → 2CO-Q

C + 2H2 → CH4+Q

生物質(zhì)裂解反應：生物質(zhì)→CO+H2+CH4+N2+CnHm（少量焦油）

因生物質(zhì)原料含有一定比例的灰分，在氣化過程中產(chǎn)生的灰渣，一部分由氣化爐底部排出，冷卻后送到貯存系統(tǒng)；另一部分則隨著可燃氣進入到下游分離裝置-旋風分離器，進入旋風分離器的高溫合成氣在離心力的作用下，進行氣體和固體分離，固體灰從旋風分離器底部經(jīng)過冷卻后排出，送到貯存系統(tǒng)?？扇細鈩t從旋風分離器的頂部出來，進入到下游的余熱回收系統(tǒng)。

表1 氣化爐出口典型可燃氣組成表

可燃氣組成 CO H2 CH4 N2 CO2 H2O 焦油量 粉塵量

含量%（vol） 24.2 17 4.5 28.6 13.1 12.6 <2g/Nm3 <2g/Nm3

可燃氣熱值 6487KJ/Nm3（1552kcal/Nm3）

1.4余熱回收裝置系統(tǒng)

經(jīng)過旋風除塵后的可燃氣溫度約為850～900℃，氣體溫度較高，且體積較大，在送入電廠燃煤鍋爐前為減小設備體積，降低輸送氣體管道的設備材質(zhì)等級要求，同時保證可燃氣中的焦油不產(chǎn)生冷凝，高溫可燃氣通過余熱回收裝置熱量回收的方式降溫到400℃左右，余熱回收裝置生成的低壓水蒸汽并入電廠管網(wǎng)系統(tǒng)，氣化爐用除鹽水由電廠公用系統(tǒng)供應。

1.5可燃氣的輸送和燃燒系統(tǒng)

經(jīng)過除塵和余熱回收后的可燃氣，溫度約為400℃，煙氣中的焦油在300℃以上成氣態(tài)，壓力（0.1～0.3MPa），氣體經(jīng)過經(jīng)過在線的氣體成分、溫度及流量計量計算得出輸入鍋爐的總熱量，再送到燃煤鍋爐前獨立的燃氣燃燒器，通過鍋爐燃燒器燃氣進入鍋爐和煤粉一起燃燒發(fā)電。在事故情況下，可燃氣可通過緊急的排放火炬及切斷系統(tǒng)，如鍋爐MFT，氣化系統(tǒng)的安全保護動作將觸發(fā)氣化爐緊急停車，氣化系統(tǒng)將與鍋爐系統(tǒng)切斷隔離，可燃氣將引至安全區(qū)域火炬放空，且系統(tǒng)自動進行氮氣置換的保護程序，煤氣放散裝置設有點火裝置和氮氣滅火設施。

2.生物質(zhì)氣化過程的主要影響因素

生物質(zhì)氣化反應復雜，氣化機理研究較為困難，反應過程受到的影響因素較多。針對既定的氣化裝置及生物質(zhì)顆粒，其影響因素主要為氣化溫度、時間、壓力。在生物質(zhì)氣化過程中，氣化溫度是一個很重要的參數(shù)，溫度的高低不但會影響產(chǎn)氣的速率，而且對物料反應過程中的吸放熱等可逆反應也一定的影響，從而最終影響到氣化產(chǎn)物分布、產(chǎn)品氣的組成、產(chǎn)氣率、熱解氣熱值。此外，反應時間是決定二次反應過程的主要因素，一般溫度大于700℃時，氣化過程初始產(chǎn)物（揮發(fā)性物質(zhì)）的二次裂解受停留時間的影響很大，在8s左右，可接近完全分解，使氣體產(chǎn)率明顯增加，所以必須考慮停留時間對氣化效果的影響。壓力方面，采用加壓氣化技術可以改善流化質(zhì)量，壓力增大，裂解反應加強，產(chǎn)生的焦油量和氣相濃度都減小。所以，操作壓力提高，一方面能提高生產(chǎn)能力，另一方面能減少帶出物損失。

3.過程控制系統(tǒng)

生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電的生產(chǎn)裝置及公用工程等輔助裝置都采用現(xiàn)場總線、DCS、EDS和PLC進行監(jiān)控和聯(lián)鎖。個別輔助裝置也可設置常規(guī)儀表盤。由于裝置中可能泄露可燃氣體及有毒氣體，也可考慮設有可燃氣體檢測器及相應的毒氣檢測器。

3.1氣化爐安全穩(wěn)定運行控制系統(tǒng)

設置一個中央控制臺（CCS），中央控制臺內(nèi)設有DCS和ESD操作站、輔助操作站等人機接口，對燃料的輸送、加壓、進料、氣化，余熱回收裝置和公用設施進行操作控制管理。此外，還應設有計算機系統(tǒng)進行先進控制（APC）和實時優(yōu)化（RT-OPT）管理。中央控制臺集計算機控制、計算機監(jiān)督控制（SCS）和全裝置的管理計算機系統(tǒng)（TCS）于一體。

DCS系統(tǒng)及儀表電源均由不中斷供電裝置（UPS）供給，要求在外電源斷電后，整個儀表及DCS能供30分鐘的備用量。儀表空氣由電廠配送過來緩沖罐送往氣化系統(tǒng)各裝置，氣化罐容量應滿足全裝置停電后30分鐘用量。

氣化裝置的重要的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用三重化冗余系統(tǒng)（即緊急停車系統(tǒng)ESD），對安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的關鍵參數(shù)采用3取2表決處理。聯(lián)鎖系統(tǒng)的重要輸出采用雙電磁閥的結構。ESD系統(tǒng)具備與DCS進行高速通訊的能力，能夠及時把聯(lián)鎖系統(tǒng)的工藝參數(shù)告訴操作員，又能及時接受DCS的指令。為確保氣化爐運行穩(wěn)定性，控制平臺還將對生物質(zhì)燃料流量中值選擇，氧/燃料比參數(shù)以及氣化爐負荷進行控制和調(diào)整。

3.1.1生物質(zhì)燃料流量中值選擇。

生物質(zhì)燃料流量的控制是采用變頻電機調(diào)節(jié)生物質(zhì)燃料泵轉速來實現(xiàn)。為了增加生物質(zhì)燃料流量測量的可靠性，對生物質(zhì)燃料流量設計了中值選擇回路。對生物質(zhì)燃料流量（三個電磁流量計）輸入DCS進行計算，取中間值即中值作為生物質(zhì)燃料流量的最終值。在DCS上可選擇上述三個流量或中值為輸入值經(jīng)PID調(diào)節(jié)控制生物質(zhì)燃料給料器的轉速。

3.1.2氧/生物質(zhì)燃料比參數(shù)。

氧/生物質(zhì)燃料比的自動控制，采用標準比例功能和內(nèi)部儀表的比例計算來保證氧/生物質(zhì)燃料比穩(wěn)定。氧/生物質(zhì)燃料比手動給出，經(jīng)乘法器（生物質(zhì)燃料流量乘以氧/生物質(zhì)燃料比）計算出氧量流量，作為氧氣單參數(shù)控制回路的遠程給定。如果生物質(zhì)燃料流量發(fā)生變化，通過氧/生物質(zhì)燃料比自動控制。根據(jù)實測的生物質(zhì)燃料流量計算出氧量流量，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的輸出值來控制氧氣調(diào)節(jié)閥的動作。如果氧氣流量發(fā)生變化，通過氧/生物質(zhì)燃料比自動控制，計算出相應的生物質(zhì)燃料流量，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的輸出值來控制電機轉速，使生物質(zhì)燃料流量按氧/生物質(zhì)燃料比變化。

3.1.3氣化爐負荷的控制。

氣化爐生產(chǎn)負荷的控制，氣化爐負荷手動給出，為了防止負荷大幅度波動，設置速度限制器，將負荷每分鐘的變化限制在一定范圍內(nèi)。為了防止氧氣過量，設置高低選擇器。在生物質(zhì)燃料回路上設置高選器，將計算出的生物質(zhì)燃料量和負荷給定的燃料量作比較，取高者作為生物質(zhì)燃料回路遠程給定的最終值。在氧氣回路上設計低選器，將生物質(zhì)燃料量和負荷給定的生物質(zhì)燃料流量作比較，將其低者作為氧氣回路的給定值。這樣當?shù)拓摵蓵r，生物質(zhì)燃料流量大于負荷給定值，被高選器選中，先提生物質(zhì)燃料流量，經(jīng)氧/生物質(zhì)燃料比控制，氧氣流量隨之變化。當降負荷時，氧氣流量低于負荷給定值，被低選器選中，先降氧氣流量，經(jīng)氧/生物質(zhì)燃料比控制，生物質(zhì)燃料流量隨之下降。

3.2輔助控制系統(tǒng)

輔助控制系統(tǒng)采用PLC控制，并與DCS通過通訊及硬接線連接，在DCS上完成監(jiān)視及操作。輔助控制系統(tǒng)推薦采用同一品牌的PLC系統(tǒng)以利于運行維護。

3.3緊急操作臺

當分散控制系統(tǒng)（DCS）發(fā)生通訊故障或操作員站全部故障時，可以通過緊急操作臺實現(xiàn)安全停爐。安裝在操作臺上實現(xiàn)緊急安全停爐所必需的后臺監(jiān)控設備主要有：手動停爐、放空閥、火炬點火等操作按鈕，對有可能發(fā)生燃氣泄漏的位置均設置燃氣泄漏報警設備。

總之，針對既定的生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電系統(tǒng)采用分散控制系統(tǒng)（DCS）控制[包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、鍋爐安全保護系統(tǒng)（FSSS）及電氣控制系統(tǒng)（ECS）等]，個輔助系統(tǒng)（制氧、制氮、空壓機、除灰及輸料等）為隨系統(tǒng)帶來的PLC控制，在DCS上完成全廠監(jiān)視及操作完全滿足設計需求，為生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電的推廣應用從控制角度提供了一種有益的思路和方法。

參考文獻：

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