生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電給料系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

邱韜，徐亞南，劉俊，王琦瑞，溫小萍，王發(fā)輝，陳國(guó)艷

（1.湖北華電襄陽(yáng)發(fā)電有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441141；2. 河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

近年來(lái)，隨著煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的逐漸消耗及其利用過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題日趨加重，生物質(zhì)能源逐漸受到研究人員的高度關(guān)注。在眾多生物質(zhì)能源利用技術(shù)中，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)將秸稈等原料氣化為可燃?xì)夂笏椭寥济哄仩t中進(jìn)行耦合燃燒發(fā)電，被認(rèn)為是未來(lái)的主要應(yīng)用技術(shù)之一。

目前國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化所采用的爐型一般包括固定床氣化爐和流化床氣化爐。但是固定床氣化爐由于生產(chǎn)能力小、焦油產(chǎn)量大、氣化效率低并且不能進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)等缺點(diǎn)并未得到大規(guī)模的應(yīng)用。而流化床氣化爐由于氣化效率高、原料適應(yīng)范圍廣、合成氣焦油含量低并可以大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)成為氣化的首選方式。在生物質(zhì)氣化過(guò)程中，必須確保原料輸送的密封性、連續(xù)性。

然而，由于秸稈原料結(jié)構(gòu)疏松、水份含量高、纖維韌性高，容易出現(xiàn)物料堵塞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)秸稈原料的穩(wěn)定進(jìn)料，而且在給料過(guò)程中容易出現(xiàn)縫隙致使密封性下降，尤其當(dāng)系統(tǒng)處于負(fù)壓運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空氣通過(guò)進(jìn)料器進(jìn)入燃燒裝置或氣化裝置，影響燃燒裝置或氣化裝置內(nèi)部的整個(gè)流場(chǎng)，導(dǎo)致氣化爐偏離設(shè)計(jì)方向運(yùn)行，氣化爐密封性不好爐內(nèi)容易發(fā)生爆炸，產(chǎn)生安全隱患。在很大程度上限制了生物質(zhì)氣化方面的應(yīng)用，嚴(yán)重時(shí)由于氣化爐密封性不好容易使?fàn)t內(nèi)發(fā)生爆燃，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

本文針對(duì)生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電給料系統(tǒng)存在的容易堵塞、啟動(dòng)困難、密封不嚴(yán)、容易回火等技術(shù)難題，設(shè)計(jì)和改進(jìn)了生物質(zhì)給料系統(tǒng)的技術(shù)工藝，并在湖北華電襄陽(yáng)發(fā)電有限公司進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1 問(wèn)題提出

湖北華電襄陽(yáng)發(fā)電有限公司生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)容量為8t/h生物質(zhì)原料，其中50%為稻殼，50%為成型燃料（原料為農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)廢棄物）。給料系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙上料系統(tǒng)：一條給料系統(tǒng)為稻殼給料，一條給料系統(tǒng)為秸稈給料。本次改造的項(xiàng)目是秸稈給料系統(tǒng)。由于現(xiàn)有秸稈給料系統(tǒng)容易出現(xiàn)物料堵塞現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多樣性生物質(zhì)原料的穩(wěn)定給料。即使單一的成型給料，其均勻性和線(xiàn)性度偏差較大，而且料位缺乏監(jiān)控，造成給料量及負(fù)荷波動(dòng)大。另外，由于秸稈生物質(zhì)物料流動(dòng)性差,空隙率大,螺旋輸送機(jī)采用傳統(tǒng)等螺距結(jié)構(gòu)且水平布置，造成螺旋輸送機(jī)存在漏空氣、葉片本身卡塞問(wèn)題，致使給料系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、密封不嚴(yán)，而且由于原電機(jī)選型力矩較小，在運(yùn)行中易卡死,難以滿(mǎn)足生物質(zhì)氣化爐穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

鑒于秸稈給料系統(tǒng)存在上述的多個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，同時(shí)考慮到目前襄陽(yáng)及周邊地區(qū)的稻殼市場(chǎng)價(jià)格較高、而其它生物質(zhì)原料的成型壓塊成本也較高等突出問(wèn)題，為了切實(shí)提高生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，必須對(duì)生物質(zhì)氣化爐秸稈給料系統(tǒng)進(jìn)行改造。結(jié)合襄陽(yáng)公司現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擬將原有的1臺(tái)生物質(zhì)氣化爐秸稈給料系統(tǒng)改造為1臺(tái)多樣性生物質(zhì)給料系統(tǒng)，最大連續(xù)給料量不低于4.0t/h，能夠適用秸稈、木片、玉米芯等多種不成型生物質(zhì)原料，即實(shí)現(xiàn)多樣性生物質(zhì)給料。

2 技術(shù)工藝改進(jìn)

2.1 給料螺距結(jié)構(gòu)優(yōu)化

輸送機(jī)是靠旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片推移滑行進(jìn)行物料輸送的。傳統(tǒng)生物質(zhì)進(jìn)料裝置往往采用等螺旋進(jìn)料機(jī)，如圖1（a）所示，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易出現(xiàn)物料堵塞現(xiàn)象，而且物料與螺旋葉片之間的摩擦力較大，如果采用變頻電機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)力矩過(guò)小,無(wú)法完成正常啟動(dòng),嚴(yán)重影響生物質(zhì)氣化爐的啟動(dòng)和調(diào)整,難以滿(mǎn)足生物質(zhì)氣化爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為了有效防止進(jìn)料發(fā)生堵塞現(xiàn)象，本文創(chuàng)新性地將傳統(tǒng)等螺旋進(jìn)料機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，即采用導(dǎo)程為遞加漸進(jìn)式的螺旋輸送機(jī)，如圖1（b）。

圖1 給料螺旋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

此外，采用變頻恒矩調(diào)速電機(jī)替代原有的螺旋輸送電機(jī)，配套擺針輪式減速器和聯(lián)軸器，可以有效解決啟動(dòng)力矩過(guò)小造成無(wú)法正常啟動(dòng)的問(wèn)題；螺旋輸送機(jī)支撐方式由單端軸承支撐改為兩端軸承支撐。螺旋輸送機(jī)加工及安裝精度需確保足夠的同心度，以確保螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行可靠性。采用變頻恒矩調(diào)速電機(jī)替代原有的螺旋輸送電機(jī)，配擺針輪式減速器1臺(tái)和聯(lián)軸器成套，進(jìn)一步保障生物質(zhì)進(jìn)料運(yùn)行穩(wěn)定性保障氣化爐進(jìn)料的連續(xù)性和均勻性。

2.2 進(jìn)料密封優(yōu)化

生物質(zhì)氣化爐產(chǎn)生燃?xì)獾奈锪项w粒度較大，且質(zhì)地疏松，存在很大的間隙，使氣化裝置和進(jìn)料器之間的氣密性差，影響進(jìn)料器的正常工作。進(jìn)料器和氣化裝置之間密封不好會(huì)引起一系列的問(wèn)題：當(dāng)系統(tǒng)處于負(fù)壓運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空氣通過(guò)進(jìn)料器進(jìn)入燃燒裝置或氣化裝置，影響燃燒裝置或氣化裝置內(nèi)部的整個(gè)流場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起爆燃、爆炸。當(dāng)系統(tǒng)處于正壓運(yùn)行時(shí)，燃燒裝置或氣化裝置的氣體會(huì)通過(guò)進(jìn)料器逸出，使物料難以進(jìn)入氣化爐，嚴(yán)重時(shí)有可能引燃物料，給氣化爐安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的安全隱患。由于生物質(zhì)物料流變性能低、空隙率大，螺旋輸送機(jī)如果采用傳統(tǒng)的水平布置，如圖2（a），將造成螺旋輸送機(jī)上部空間不能充滿(mǎn)物料，造成漏空氣，致使進(jìn)料系統(tǒng)密封不嚴(yán)，影響氣化爐內(nèi)的氧氣分布，嚴(yán)重的還將引發(fā)回火，甚至生物質(zhì)氣體爆燃事故。為了解決給料密封問(wèn)題，項(xiàng)目組將螺旋給料機(jī)采用負(fù)傾角度布置方式替代原來(lái)的水平布置方式，即螺旋輸送電機(jī)垂直位置下移、靠近氣化爐側(cè)的螺旋輸送機(jī)適當(dāng)上移。給料系統(tǒng)如果采用負(fù)傾角布置，將有效解決給料系統(tǒng)密封不嚴(yán)、容易回火等問(wèn)題，進(jìn)而保障給料系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 給料螺旋的不同布置方法

2.3 原料倉(cāng)結(jié)構(gòu)改造

生物質(zhì)料倉(cāng)底部一般為四角錐結(jié)構(gòu)，底部出口面積較小，而且由于生物質(zhì)原料纖維較多、濕度較大，容易出現(xiàn)搭橋起拱，料倉(cāng)出現(xiàn)堵料現(xiàn)象。為了防止料倉(cāng)發(fā)生堵塞，將原料倉(cāng)底部進(jìn)行局部切除，以增加給料口橫截面面積和垂直空間，保證下料運(yùn)行順暢，生物質(zhì)原料倉(cāng)改造前后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 原料倉(cāng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

此外，給料系統(tǒng)在長(zhǎng)期連續(xù)給料過(guò)程中，料倉(cāng)里的物料由于積壓而起拱，經(jīng)常會(huì)堵住料倉(cāng)底部的出口。因此，采用穩(wěn)定可靠的料倉(cāng)破拱裝置對(duì)保證料倉(cāng)粉末物料的連續(xù)穩(wěn)定的出料非常重要。料倉(cāng)物料的破拱方法主要有激振器、敲擊錘、空氣泡等。但常用激振器、敲擊錘，經(jīng)常會(huì)造成料倉(cāng)內(nèi)物料進(jìn)一步壓實(shí)，料倉(cāng)內(nèi)物料起拱可能有時(shí)反而加大；空氣炮則需要配置專(zhuān)門(mén)的壓縮空氣裝備。綜合考慮，本文給料系統(tǒng)采用機(jī)械式擾動(dòng)破拱裝置，即在料倉(cāng)斜面、電動(dòng)閘板閥上、下三個(gè)位置分別安裝擾動(dòng)裝置（共三個(gè)擾動(dòng)裝置），并在料倉(cāng)的錐形板上加裝振動(dòng)器，防止出現(xiàn)原料內(nèi)部搭橋現(xiàn)象。它由帶減速器的電動(dòng)機(jī)及其支架、帶支座的軸承、聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)軸及交叉或垂直固定在驅(qū)動(dòng)軸上的攪動(dòng)桿組成，攪動(dòng)桿上焊有撥料板，驅(qū)動(dòng)軸水平設(shè)置在料倉(cāng)錐體橫截面長(zhǎng)軸方向的對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)上，其一端由聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)減速器的輸出端同軸線(xiàn)聯(lián)接。

3 改進(jìn)效果及應(yīng)用情況

3.1 改進(jìn)效果

將傳統(tǒng)等螺旋進(jìn)料機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即采用導(dǎo)程為遞加漸進(jìn)式的螺旋輸送機(jī)替代原有的等螺距螺旋輸送機(jī)，并采用變頻恒矩調(diào)速電機(jī)替代原有的螺旋輸送電機(jī)，有效解決了進(jìn)料系統(tǒng)堵塞問(wèn)題，同時(shí)避免了啟動(dòng)力矩過(guò)小造成無(wú)法正常啟動(dòng)的問(wèn)題，保障氣化爐進(jìn)料的連續(xù)性和均勻性。

螺旋進(jìn)料機(jī)采用負(fù)傾角度布置方式替代原來(lái)的水平布置方式，即螺旋輸送電機(jī)垂直位置下移、靠近氣化爐側(cè)的螺旋輸送機(jī)適當(dāng)上移；進(jìn)料系統(tǒng)后續(xù)改造如果采用負(fù)傾角布置，有效解決了進(jìn)料系統(tǒng)密封不嚴(yán)、容易回火等問(wèn)題。

3.2 應(yīng)用情況

改進(jìn)后的生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電給料系統(tǒng)物料在湖北華電襄陽(yáng)發(fā)電有限公司進(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)后的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)，解決了生物質(zhì)原料單一問(wèn)題，秸稈原料無(wú)需壓塊，每噸原料可節(jié)省進(jìn)料成本280元及壓塊電費(fèi)、人工費(fèi)40元，每年節(jié)約生物質(zhì)原料成本約640萬(wàn)元，每年消納秸稈約2萬(wàn)噸，有效解決了秸稈禁燒問(wèn)題，保護(hù)了資源環(huán)境，取得了顯著社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）從優(yōu)化生物質(zhì)給料螺距、負(fù)傾角螺旋布置、原料倉(cāng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，對(duì)生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電給料系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)工藝改進(jìn)，解決了生物質(zhì)給料系統(tǒng)存在的容易堵塞、啟動(dòng)困難、密封不嚴(yán)、容易回火等技術(shù)難題。

（2）改造后生物質(zhì)給料系統(tǒng)能夠適用秸稈、木片、玉米芯等多樣性生物質(zhì)原料，而且生物質(zhì)原料不需要成型壓塊，只需進(jìn)行初級(jí)切割處理，解決了生物質(zhì)原料單一問(wèn)題，節(jié)省了生物質(zhì)進(jìn)料成本、壓塊電費(fèi)及人工費(fèi)用，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。