生物質(zhì)成型燃料的爐前給料方案分析

匡 辰

(北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102488)

0 引言

生物質(zhì)發(fā)電工藝分為直接燃燒發(fā)電、混合燃燒發(fā)電、生物質(zhì)氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等不同類型，其中，直接燃燒發(fā)電應(yīng)用最為普及和高效[1]。

隨著生物質(zhì)發(fā)電的推廣，生物質(zhì)電廠逐漸增多，電廠機(jī)組功率逐漸增大，而電廠周邊的秸稈等生物質(zhì)資源并不能滿足電廠生產(chǎn)需求，需要從更遠(yuǎn)距離的地方收集生物質(zhì)燃料。秸稈散料不易遠(yuǎn)途運(yùn)輸和存儲(chǔ)，因此，將秸稈進(jìn)行壓縮加工制成生物質(zhì)壓塊燃料就是解決辦法之一。生物質(zhì)壓塊燃料具有體積小、污染低、密度高、可燃性強(qiáng)、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸、高揮發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決生物質(zhì)電廠燃料供給問題[2]。

生物質(zhì)壓塊廣泛適用于取暖、鍋爐、生物質(zhì)發(fā)電廠和物質(zhì)烘烤等多個(gè)行業(yè)，但是目前國(guó)內(nèi)使用生物質(zhì)成型燃料作為主要燃料的電廠還比較少，輸送生物質(zhì)成型燃料的爐前給料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)踐不足[3-4]。本文通過調(diào)研國(guó)內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的4個(gè)生物質(zhì)電廠，結(jié)合爐前給料廠家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)使用生物質(zhì)成型燃料作為生物質(zhì)鍋爐主要燃料的爐前給料系統(tǒng)提出4種設(shè)計(jì)方案，包括：1)方案一：二級(jí)風(fēng)壓式給料；2)方案二：三級(jí)螺旋推入式給料；3)方案三：輸送帶自重式給料；4)方案四：二級(jí)螺旋推入式給料。通過分析比較四種方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以期為生物質(zhì)成型燃料電廠設(shè)計(jì)提供支撐。

1 生物質(zhì)成型燃料物理特性

現(xiàn)有生物質(zhì)成型燃料電廠的上料方案是借鑒生物質(zhì)粉碎燃料(如稻殼、破碎秸稈、鋸末等)結(jié)合建筑垃圾燃料(如碎木料)等上料系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。這些燃料的物理特性和生物質(zhì)成型燃料較相似，但也存在差別，例如：相較于破碎秸稈，生物質(zhì)成型燃料沒有其易蓬料、易纏繞的特點(diǎn)；和碎木料相比，生物質(zhì)成型燃料的抗破碎性又不如碎木料，從高處跌落時(shí)容易粉碎，從而造成燃料浪費(fèi)。

生物質(zhì)成型燃料熱值在3 900～4 300 kcal，高于生物質(zhì)破碎燃料3 200～3 800 kcal，但是小于碎木料的4 300～4 500 kcal，而干燥黃秸稈的堆積密度一般在30～50 kg/m3，碎木料和生物質(zhì)成型燃料的堆積密度在600 kg/m3左右[5]，因此，生物質(zhì)成型燃料上料方案出力方面可以參考碎木料的上料方案，結(jié)合其自身的燃燒特性和物理特性，對(duì)上料方案進(jìn)行改進(jìn)。

2 二級(jí)風(fēng)壓式給料

某電廠設(shè)計(jì)為2×130 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐(一用一備)+1×30 MW高溫高壓抽凝式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，使用生物質(zhì)成型燃料和生物質(zhì)粉碎燃料混合作為鍋爐燃料。該電廠爐前給料方案為“爐前料倉(cāng)+撥料器+小料斗+無軸輸料螺旋”，屬于二級(jí)風(fēng)壓式給料，系統(tǒng)流程為：料倉(cāng)→梅花撥料器→小料斗→輸料螺旋→防火門→閘板→鍋爐，如圖1和圖2所示。

圖1 方案一主視圖

圖2 方案一左視圖

料棚中的堆料，通過上料設(shè)備進(jìn)入爐前給料系統(tǒng)大料倉(cāng)中，梅花撥料器將物料散布到下級(jí)小料倉(cāng)中；小料倉(cāng)里的物料被輸料螺旋推送至溜槽。物料在輸料風(fēng)的作用下，通過防火門和閘板進(jìn)入鍋爐。

方案一的優(yōu)勢(shì)分析：1)料倉(cāng)大，可防止鍋爐燃料供給突然中斷造成事故；2)輸料螺旋使用有軸螺旋，提高了系統(tǒng)強(qiáng)度；3)當(dāng)輸料螺旋使用無軸螺旋時(shí)，可以混摻秸稈散料，適應(yīng)能力較高；4)進(jìn)料管為豎直布置，有效利用重力給料；5)系統(tǒng)整體承載面間距較小，有效防止由于跌落導(dǎo)致的成型燃料破碎的問題。

方案一的缺點(diǎn)分析：1)使用的塊狀物料可能會(huì)壓實(shí)，梅花撥料器無法將物料撥開，導(dǎo)致料倉(cāng)堵料；2)梅花撥料器并不能均勻地將物料塊散布，可能會(huì)導(dǎo)致下方小料倉(cāng)受料不均；3)防火門往復(fù)運(yùn)動(dòng)，易發(fā)生機(jī)械故障而失效。

3 三級(jí)螺旋推入式給料

某電廠設(shè)計(jì)為2×130 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐+2×40 MW高溫高壓中間再熱抽氣凝氣式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，主要使用生物質(zhì)成型燃料或農(nóng)林塊狀燃料作為鍋爐燃料。該電廠爐前給料方案為“爐前料倉(cāng)+承載螺旋+取料螺旋+給料螺旋”，屬于三級(jí)螺旋推入式給料，系統(tǒng)流程為：料倉(cāng)→承載螺旋→取料螺旋→閘板→給料無軸螺旋→鍋爐，如圖3和圖4所示。

圖3 方案二主視圖

圖4 方案二左視圖

料棚中的堆料，通過上料設(shè)備進(jìn)入爐前給料系統(tǒng)大料倉(cāng)中，承載螺旋將物料散布到下級(jí)小料倉(cāng)中；小料倉(cāng)里的物料被輸料螺旋推送至溜槽；物料在重力作用下，進(jìn)入給料無軸螺旋；再由給料螺旋推入鍋爐。

方案二的優(yōu)勢(shì)分析：1)料倉(cāng)大，可防止鍋爐燃料供給突然中斷造成事故；2)承載螺旋對(duì)物料的攪動(dòng)較大，料倉(cāng)不易堆料；3)末端由給料螺旋供料，能形成料栓，堵住鍋爐進(jìn)料扣，系統(tǒng)密封性好。

方案二的缺點(diǎn)分析：1)承載螺旋容易將物料推至料倉(cāng)一端，導(dǎo)致一端物料過多，布料不均，甚至可能導(dǎo)致承載螺旋或取料螺旋卡死；2)由于承料螺旋為有軸螺旋，容易纏料，故并不適合添加散料混燒；3)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，易出現(xiàn)故障；4)末端給料螺旋如果故障，不便檢修，只能停爐檢修；5)承載螺旋對(duì)物料的攪動(dòng)過大時(shí)，成型燃料容易發(fā)生破碎。

4 輸送帶自重式給料

某電廠生物質(zhì)鍋爐為150 t/h高溫超高壓高低差速循環(huán)流化床鍋爐，配1臺(tái)30 MW汽輪機(jī)發(fā)電組，主要燃料為生物質(zhì)成型燃料。該電廠爐前給料方案由“爐前料倉(cāng)+給料輸送帶+星形給料機(jī)”組成，屬于輸送帶自重式給料，系統(tǒng)流程為：料倉(cāng)→取料螺旋→給料輸送帶→星形給料器→閘板→鍋爐，如圖5和圖6所示。

圖5 方案三主視圖

圖6 方案三左視圖

料棚中的堆料，通過上料設(shè)備進(jìn)入爐前給料系統(tǒng)大料倉(cāng)中，直接被取料螺旋推送至給料輸送帶；給料輸送帶將物料送至星形給料機(jī)，星形給料機(jī)定量給鍋爐上料；物料在重力的作用下，通過閘板進(jìn)入鍋爐。

方案三的優(yōu)勢(shì)分析：1)料倉(cāng)大，對(duì)輸送系統(tǒng)輸送的燃料具有很大的緩沖作用；2)使用帶式輸送機(jī)給料減少了物料纏繞風(fēng)險(xiǎn)；3)末端由星形給料機(jī)給料，系統(tǒng)密封性較好；4)取料螺旋使用無軸螺旋，可以適當(dāng)摻加散料，適應(yīng)性較強(qiáng)。

系統(tǒng)缺點(diǎn)分析：1)只有一級(jí)取料螺旋，物料散布不均；2)帶式輸送機(jī)為開式傳輸，密封性不好，容易反火和揚(yáng)灰；3)星形給料機(jī)可以對(duì)爐火密封，但是不適合大量散料進(jìn)入，易發(fā)生纏繞；4)帶式輸送機(jī)需要做防塵處理和張緊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

5 二級(jí)螺旋推入式給料

某電廠選用130 t/h高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐，配1臺(tái)30 MW汽輪機(jī)發(fā)電組，使用生物質(zhì)成型燃料和少量生物質(zhì)粉碎燃料，屬于二級(jí)螺旋推入式給料，系統(tǒng)流程為：小料倉(cāng)→取料螺旋→閘板→給料螺旋→鍋爐，如圖7和圖8所示。

圖7 方案四主視圖

圖8 方案四左視圖

料棚中的堆料，通過上料設(shè)備進(jìn)入爐前給料系統(tǒng)小料倉(cāng)中，直接被取料螺旋推送至溜槽；最后給料螺旋直接將物料推入鍋爐。

方案四的優(yōu)勢(shì)分析：1)料倉(cāng)較小，具有一定存料作用，同時(shí)減少塊狀物料堆積導(dǎo)致的堵塞；2)末端由給料螺旋供料，能形成料栓，有效地堵住鍋爐進(jìn)料口，系統(tǒng)密封性好；3)給料為無軸螺旋，也可全部使用散料，物料的適應(yīng)性好；4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障容易處理。

系統(tǒng)缺點(diǎn)分析：1)料倉(cāng)較小，當(dāng)散料混摻較多時(shí)，緩沖性降低，對(duì)燃料輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性要求增加；2)小料倉(cāng)對(duì)鍋爐燃燒的燃料保障性能下降，對(duì)系統(tǒng)整體給料穩(wěn)定性要求提高；3)給料螺旋為單懸臂支承，對(duì)于螺旋強(qiáng)度要求較高。

6 方案比較

本文提出的方案是從鍋爐房爐前給料部分開始直至燃料進(jìn)入鍋爐的部分，沒有涉及燃料從料棚到給料機(jī)這部分燃料輸送系統(tǒng)的研究。對(duì)4個(gè)方案進(jìn)行比較，分析得到各個(gè)方案的適用范圍，分述如下：

1)方案一：當(dāng)輸料螺旋使用有軸螺旋時(shí)，螺旋強(qiáng)度得到提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)；使用無軸螺旋時(shí)，可以適用生物質(zhì)粉碎燃料供給，方案拓展性較高。但溜槽后靠輸料風(fēng)和重力給料，給料的可靠性較低，風(fēng)速較高時(shí)，對(duì)溜槽的磨損較大。該方案適合在爐壓爐溫較低的鍋爐，對(duì)生物質(zhì)粉碎燃料混合量要求較大的場(chǎng)合使用；

2)方案二：承載螺旋配合大料倉(cāng)具有很高的緩沖能力，無軸給料螺旋可以很好的密封住爐膛火焰，防止反火。但系統(tǒng)螺旋較多，系統(tǒng)復(fù)雜度高，給料螺旋無法在生產(chǎn)中檢修，維護(hù)成本較高，對(duì)燃料本身要求也較高，因此，燃料的經(jīng)濟(jì)成本也會(huì)提高，該方案適用于使用爐壓爐溫較高的鍋爐，同時(shí)對(duì)燃料供給穩(wěn)定性要求較高的電廠；

3)方案三：使用帶式輸送機(jī)作為傳輸方式，基本不會(huì)出現(xiàn)堵料的情況，但同時(shí)輸送生物質(zhì)粉碎燃料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生團(tuán)料和撒料等問題。帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)為開放式，需增加輔助設(shè)備降低灰塵和輸送帶張緊，整體設(shè)備變復(fù)雜。該方案適用于負(fù)載壓力大、對(duì)燃料供給連續(xù)性要求高的電廠；

4)方案四：使用小料倉(cāng)能夠有效減少堆積堵料的情況，可以降低料倉(cāng)堵料、爆燃的風(fēng)險(xiǎn)[6]。二級(jí)螺旋的配置可以在滿足生物質(zhì)成型燃料輸送的同時(shí)，適用于生物質(zhì)粉碎燃料給料。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但對(duì)燃料輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高，當(dāng)生物質(zhì)粉碎燃料比例增加時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致給料速度不均勻的問題。該方案適合生物質(zhì)成型燃料混合少量生物質(zhì)粉碎燃料，使用爐溫爐壓較高鍋爐的電廠應(yīng)用。

結(jié)合上述分析，可以得出：

1)使用無軸螺旋進(jìn)行最末端給料時(shí)，具有較高的密封效果，對(duì)于爐壓爐溫較高的鍋爐比較適合，但要注意無軸螺旋的制造加工工藝和材質(zhì)選擇，提高其可靠性，同時(shí)生物質(zhì)成型燃料休止角大、流動(dòng)性能差，容易堵塞螺旋給料機(jī)進(jìn)出料口[7]，設(shè)計(jì)人員應(yīng)與螺旋給料機(jī)廠家溝通；

2)料倉(cāng)尺寸越大，則對(duì)物料均勻輸送越有利，但同時(shí)越大的料倉(cāng)尺寸越容易發(fā)生堆料和爆燃的情況，需要增加輔助機(jī)構(gòu)以降低堆料可能，設(shè)計(jì)人員需綜合考慮；

3)中間螺旋級(jí)數(shù)越多越有利于燃料均勻輸送，但同時(shí)增加了發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)；

4)對(duì)于連續(xù)給料要求高的鍋爐，帶式輸送效果更好，但是對(duì)破碎燃料可能會(huì)發(fā)生團(tuán)料等問題。設(shè)計(jì)人員可以綜合考慮項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行靈活組合。

7 結(jié)語

本文針對(duì)使用生物質(zhì)成型燃料作為主要燃料的電廠，研究其爐前給料方案，其中，鍋爐為額定蒸發(fā)量在130～150 t/h的高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐，屬于目前主流的生物質(zhì)鍋爐選型，因此，方案具有較高的代表性。文中系統(tǒng)梳理了4個(gè)運(yùn)行生物質(zhì)電廠的爐前給料方案，從各方案的系統(tǒng)流程和適用燃料類型，分別對(duì)其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了各方案的適用范圍，總結(jié)了給料系統(tǒng)各子單元的特點(diǎn)，提出了通用性的結(jié)構(gòu)建議，為設(shè)計(jì)人員確定電廠爐前給料方案提供參考。