生物質(zhì)微正壓循環(huán)流化床氣化爐冷態(tài)運(yùn)行特性研究

汪 寧

（大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春130102）

生物質(zhì)是我國(guó)潛在能源，開發(fā)利用生物質(zhì)能源具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[1]。 全面加速發(fā)展生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)能有效化解煤電產(chǎn)能過剩、加快電力轉(zhuǎn)型升級(jí)、提高生物質(zhì)能綜合利用率、緩解生物質(zhì)環(huán)境污染。 截止至2019 年第一季度，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)達(dá)到1 878 萬kW，而《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》目標(biāo)是2020 年生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到3 000 萬kW。

在現(xiàn)有機(jī)組的基礎(chǔ)上， 生物質(zhì)氣化耦合燃煤機(jī)組發(fā)電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電，易于操作，對(duì)燃煤鍋爐的影響小[2]。 某國(guó)內(nèi)大型燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)改造示范點(diǎn)項(xiàng)目創(chuàng)新采用微正壓循環(huán)流化床氣化技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)負(fù)壓循環(huán)流化床爐，壓力水平的提高和氣化爐容量的增大提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度[3-4]。循環(huán)流化床氣化爐反應(yīng)速度快， 控制風(fēng)量是保證燃?xì)馄焚|(zhì)和系統(tǒng)運(yùn)行安全性的基礎(chǔ)， 因此準(zhǔn)確把握運(yùn)行風(fēng)量是前提。 同時(shí)掌握系統(tǒng)阻力特性，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)焦、床料減少等異常情況的發(fā)生。 因此，本文充分利用該項(xiàng)目工程的生物質(zhì)微正壓循環(huán)流化床氣化爐，對(duì)其冷態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行研究，包括風(fēng)量標(biāo)定、布風(fēng)板阻力特性研究和料層阻力特性研究。

1 項(xiàng)目系統(tǒng)介紹

該循環(huán)流化床氣化爐耦合項(xiàng)目耦合對(duì)象為660 MW 超臨界機(jī)組，鍋爐為一次中間再熱、前后墻對(duì)沖燃燒直流爐。 前后墻分別布置4 層和3 層燃燒器，5只燃?xì)馊紵鞑贾迷诤髩θ紵魃戏健?氣化爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。 燃?xì)鉄崃空酆习l(fā)電量為20 MW，設(shè)計(jì)燃料為玉米秸稈壓塊。

氣化系統(tǒng)包括爐前給料系統(tǒng)、氣化爐本體、兩級(jí)分離器、導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)和燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)（見圖1）。

給料系統(tǒng)利用兩臺(tái)單螺旋給料機(jī)將爐前料倉燃料送入爐本體；爐前兩臺(tái)流化風(fēng)機(jī)，一備一用，整個(gè)系統(tǒng)阻力完全由流化風(fēng)機(jī)克服；氣化爐出口布置兩級(jí)分離器，一級(jí)分離器分離返回未燃盡物，二級(jí)分離器分離過濾燃?xì)鈨?nèi)飛灰；二級(jí)分離器后布置有導(dǎo)熱油換熱系統(tǒng)，控制燃?xì)鉁囟?、防止焦油析出和保證燃?xì)庥?jì)量；最后通過布置在后墻燃燒器上方的5 只燃?xì)馊紵魉腿肴济哄仩t[5]，此處仍保持著微正壓水平。

表1 氣化爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 生物質(zhì)氣化系統(tǒng)流程示意圖

2 風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)的目的是根據(jù)就地測(cè)量結(jié)果， 對(duì)在線測(cè)量元件測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定和修正， 提高在線測(cè)量值的精準(zhǔn)度[6]。 對(duì)于兩臺(tái)流化風(fēng)機(jī)的流量測(cè)量元件，通過調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)頻率， 測(cè)量不同流量下的實(shí)際流量，并與在線測(cè)量流量值進(jìn)行比較，得到結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)量測(cè)量標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)標(biāo)定結(jié)果可以看出，各工況下A/B 流化風(fēng)機(jī)風(fēng)量標(biāo)定系數(shù)穩(wěn)定，A/B 流化風(fēng)機(jī)平均偏差分別為19.24%和27.85%， 可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)表盤風(fēng)量進(jìn)行標(biāo)定， 平均標(biāo)定結(jié)果分別為0.839 和0.782。標(biāo)定系數(shù)比較穩(wěn)定，說明風(fēng)道流量有良好的線性關(guān)系，標(biāo)定系數(shù)準(zhǔn)確可靠，通過修正可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3 布風(fēng)板阻力特性研究

布風(fēng)板阻力特性試驗(yàn)是在布風(fēng)板上部不鋪設(shè)床料的情況下進(jìn)行的，測(cè)量流化風(fēng)通過布風(fēng)板形成的壓力損失，即布風(fēng)板阻力。 設(shè)計(jì)風(fēng)量為16 000 m3/h，其中包括部分返料風(fēng)約2 000 m3/h， 因此選取11 000 m3/h、12 000 m3/h、13 000 m3/h、14 000 m3/h 和15 000 m3/h 五個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行研究。

不同工況下布風(fēng)板阻力如圖2 所示。 可以看出，布風(fēng)板阻力與風(fēng)量之間擁有良好的線性關(guān)系， 同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出布風(fēng)板阻力與運(yùn)行風(fēng)量的數(shù)學(xué)關(guān)系式，如式（1）所示。 實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)壓力、溫度和流量的關(guān)系，推導(dǎo)出熱態(tài)運(yùn)行時(shí)布風(fēng)板阻力，以便指導(dǎo)運(yùn)行。

Q—流化風(fēng)量，m3/h

圖2 布風(fēng)板阻力與風(fēng)量關(guān)系曲線圖

4 料層阻力特性研究

該微正壓循環(huán)流化床氣化爐床料選取的是5 mm以下的河砂，為了驗(yàn)證床料高度對(duì)流化狀態(tài)的影響，選擇一個(gè)合適的床料層高度。 本試驗(yàn)選取了600 mm、700 mm 及800 mm 三種料層高度進(jìn)行了料層阻力特性試驗(yàn)的測(cè)定，即在不同料層高度下，增加流化風(fēng)量，觀察并記錄流化情況、料層壓降及流化風(fēng)速[7]。

采用爾根公式[8]和質(zhì)量守恒公式對(duì)不同料層高度下最小流化風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算， 并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較（見表3），不同料層高度阻力特性曲線見圖3。

爾根公式：

式中：ε—床料的空隙程度

u—臨界流化風(fēng)速，m/s

μ—流化介質(zhì)的動(dòng)力黏度，Pa·s

h—床料層高度，m

d—床料平均粒徑，m

ρ—空氣密度，kg/m3

質(zhì)量公式：

式中：W—床料重量，N

A—爐內(nèi)流通面積，m2

ρ′—床料堆積密度，kg/m3

表3 不同料層厚度下的計(jì)算

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出， 三種料層高度情況下最小流化風(fēng)速均處于0.308 m/s 左右，與理論計(jì)算值最小流化風(fēng)速0.313 m/s 基本一致。 同時(shí)由阻力曲線可以看出微正壓循環(huán)流化床氣化爐最小流化風(fēng)速同樣基本不受料層高度影響。

圖3 不同料層高度阻力特性曲線圖

該微正壓循環(huán)流化床氣化爐設(shè)計(jì)燃料量是16.12 t/h，燃料灰分物重阻力達(dá)到1 508 Pa。 考慮到800 mm 料層高度下料層阻力高，平均阻力達(dá)到4 819 Pa，對(duì)風(fēng)機(jī)壓頭要求較高。600 mm 料層高度時(shí)阻力小，平均值阻力為3 524 Pa。 由于原料密度比較低，料層高度低時(shí)，蓄熱量不足，物料流化不充分。 因此選擇700 mm 層高作為床料高度。

5 結(jié)論

（1）該生物質(zhì)微正壓循環(huán)流化床氣化爐風(fēng)量標(biāo)定結(jié)果顯示，在線流量顯示值標(biāo)定系數(shù)穩(wěn)定，說明通過標(biāo)定可以顯示實(shí)際風(fēng)量。

（2）布風(fēng)板阻力特性試驗(yàn)結(jié)果顯示，布風(fēng)板阻力與風(fēng)量具有良好的線性特性，并提出阻力擬合公式，指導(dǎo)不同工況下運(yùn)行調(diào)整。

（3）料層阻力特性研究試驗(yàn)結(jié)果顯示，700 mm高床料厚度能滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求， 最小流量風(fēng)量約為11 900 m/h，正常運(yùn)行料層阻力為4 212 Pa，此時(shí)布風(fēng)板阻力為2 633 Pa。