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李永華1，胡小翠1，仉國民1，陳振洪1，宋武耀2
(1.華北電力大學(xué)動力工程系，河北保定071003；2.河北微水電廠，河北石家莊051000)
摘要：分析了生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀。針對某生物質(zhì)電廠秸稈鍋爐，進行了燃燒調(diào)整試驗研究，考察了一次風(fēng)、二次風(fēng)、燃料性質(zhì)和鍋爐漏風(fēng)對燃燒的影響。結(jié)果表明，加強燃燒中心區(qū)通風(fēng)，協(xié)調(diào)一、二次風(fēng)量，可降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率；控制人廠燃料含土量與水分，減少雜物，可提高燃燒安全性；降低鍋爐漏風(fēng)量、調(diào)整鍋爐配風(fēng)、可保證鍋爐正常運行。為生物質(zhì)鍋爐設(shè)計、改造和運行提供了參考。
1前言
我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，煤炭所占比重達70％左右。燃煤電廠要消耗大量不可再生能源，浪費了我們的寶貴財富，同時造成了嚴重的大氣污染。為保證我國經(jīng)濟持續(xù)、健康、快速、協(xié)調(diào)發(fā)展，達到全面小康水平，必須大力發(fā)展可再生能源和提高能源利用率。目前對可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用主要為風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能。
生物質(zhì)是指有機物中除化石燃料外的所有來源于動、植物能再生的物質(zhì)。生物質(zhì)能則是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量。生物質(zhì)包括林木廢棄物(木塊、木片、木屑、樹枝等)、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、有機物加工廢料、人畜糞便及城市生活垃圾等。
在歐洲，尤其是北歐的一些國家利用秸稈發(fā)電已經(jīng)有10余年的歷史。世界上第l座生物質(zhì)秸稈發(fā)電廠于1988年在丹麥投產(chǎn)(Haslev，5MW)，如今丹麥已建成100多家秸稈發(fā)電廠，秸稈發(fā)電量占該國總發(fā)電量的24％。目前，世界上最大的秸稈發(fā)電廠是位于英國坎貝斯的E1yan生物質(zhì)能發(fā)電廠，裝機容量為38MW。生物質(zhì)焚燒發(fā)電國際上技術(shù)比較成熟的為丹麥BWE公司。
目前，生物質(zhì)能源的研究與開發(fā)已成為世界各國政府和科學(xué)家研究的諸多熱門課題之一。將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為高品位能源在國外已具有相當(dāng)可觀的規(guī)模，以美國、瑞典和奧地利三國為例，用生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為其他能已分別占該國一次能源消費量的4％，16％和10％，在美國，生物質(zhì)發(fā)電的總裝機容量已超過10000兆瓦，單機容量達10～25兆瓦。
自1992年世界環(huán)境與發(fā)展大會后，歐美國家開始大力發(fā)展生物質(zhì)能。歐盟規(guī)劃2010年可再生能源比例達12％，每年可替代2000萬噸石油，其中成本較低的生物質(zhì)能約占80％。美國1999年明確提出規(guī)劃到2010年生物制品及生物質(zhì)能的產(chǎn)量將為當(dāng)時水平的3倍，生物質(zhì)能比達10％。由此可見，生物質(zhì)能在一些發(fā)達國家應(yīng)用較為廣泛。
我國利用此項技術(shù)大力發(fā)展的公司為國能生物發(fā)電有限公司，其他如中國節(jié)能投資公司、江蘇國信集團公司等也正尋求此類技術(shù)大力發(fā)展生物發(fā)電。2007年是中央企業(yè)“優(yōu)質(zhì)服務(wù)年”，國家電網(wǎng)公司在向社會公開承諾的八項優(yōu)質(zhì)服務(wù)中，明確提出將向社會輸送10.6億kwh綠色電力。為實現(xiàn)這一公開承諾，國能生物發(fā)電有限公司正全力推進生物質(zhì)發(fā)電項目開工投產(chǎn)步伐。
確保年內(nèi)完成15個項目開工、12個項目并網(wǎng)發(fā)電的任務(wù)。目前，公司已有4個項目并網(wǎng)發(fā)電，29個生物質(zhì)發(fā)電項目得到核準。
河北省首個生物質(zhì)發(fā)電示范項目在晉州市投產(chǎn)，是我國第一個全部采用國產(chǎn)設(shè)備，純?nèi)紵斩挵l(fā)電的示范項目。本文針對該廠生物質(zhì)鍋爐，進行了燃燒調(diào)整試驗研究。
2鍋爐設(shè)備簡介
晉州1號、2號鍋爐為無錫華光鍋爐股份公司設(shè)計制造的秸稈直燃鍋爐。鍋爐型式為UG一75／3.82一JM，鍋爐為單鍋筒、集中下降管、自然循環(huán)、四回程布置的秸稈爐排爐。爐膛采用膜式水冷壁，爐底布置水冷振動爐排。在冷卻室和過熱器室分別布置了高溫過熱器、中溫和低溫過熱器。尾部采用光管式省煤器及管式空氣預(yù)熱器。爐膛、冷卻室和過熱器室四周全為膜式水冷壁，為懸吊結(jié)構(gòu)。爐前布置燃料供應(yīng)系統(tǒng)，采取前墻進料燃燒技術(shù)。鍋爐采用振動爐排同態(tài)排渣方式，人工火把點火。除渣系統(tǒng)包括碎渣機，水冷螺旋輸送機，水平鏈斗輸送機，斗式提升機及渣斗。
鍋爐燃料按100％玉米秸稈進行設(shè)計，按100％燃燒果木枝條進行校核，還要兼顧其它生物質(zhì)燃料(小麥秸稈、棉花秸稈、糠醛渣等)，并滿足以煤為備用燃料。鍋爐采用水冷振動爐排前墻燃燒方式，兩側(cè)墻各有一個糠醛渣斗，經(jīng)2臺螺旋給料機送至位于后墻的4臺風(fēng)力拋煤機，將糠醛渣拋至前墻燃燒(作為備用燃料)。鍋爐主要參數(shù)及燃料特性如下表所示：
鍋爐燃燒設(shè)備與煤粉爐有較大的區(qū)別，它是由秸稈給料機、爐膛、水冷振動爐排、一、二次風(fēng)管，播料風(fēng)、拋煤機等設(shè)備組成。每臺鍋爐配備一套爐前給料系統(tǒng)，給料系統(tǒng)包括儲料倉；一級雙螺旋給料機8臺，布置在儲料倉下部；二級為皮帶輸送機2臺，布置在一級下部；三級給料機為螺旋給料機，出口連通鍋爐，共4臺，布置在二級出口下方；為了保證安全生產(chǎn)，防止發(fā)生火災(zāi)，在三級出口處，安裝了防火快速門，防止?fàn)t膛正壓時出現(xiàn)回火現(xiàn)象。
3燃燒調(diào)整試驗研究
通過鍋爐運行調(diào)試發(fā)現(xiàn)，燃料在燃燒調(diào)整時嚴重滯后；燃料在爐膛前部堆積；爐膛負壓變化大；爐排上有大量焦渣；煙氣帶有大量小木炭排人大氣等。由于燃料含有大量沙土，燃料進入爐膛后被沙土覆蓋，導(dǎo)致燃料著火推遲、燃燒不充分或不完全，使未燃盡的燃料排出爐膛，燃燒后的灰渣覆蓋在爐排上，使結(jié)焦加重，并形成一體，在爐排的振動下難以排出，增加了運行的難度。本文考察了以下主要因素對燃燒的影響：
3.1一次風(fēng)的影響
燃燒時，根據(jù)燃燒情況進行風(fēng)量調(diào)整，保持合適的風(fēng)量，且調(diào)整好一次風(fēng)門，合理配風(fēng)。本爐燃料是從爐前送進的，燃盡后灰渣是從爐后排出的，燃料與一次風(fēng)是橫向交叉混合的。燃料進入爐膛以后在爐前堆積，需要空氣量大，在后面燃料燒完或基本燒完，所需空氣量減小，因此一次風(fēng)在運行時就要根據(jù)情況進行調(diào)整。在滿負荷的情況下，燃料正常時，一次風(fēng)門開度從前到后依次為100％、100％、50％～100％、0％～50％；第一、第二號風(fēng)門必須大開，保證燃料燃燒所需的氧氣及一次風(fēng)的穿透能力，因為燃料基本都是在此燃燒的，如果一次風(fēng)供應(yīng)不足，會產(chǎn)生大量青煙，也會產(chǎn)生還原性氣體，影響燃料的完全燃燒和爐排結(jié)焦；使燃料堆積、結(jié)焦等加重，形成惡性循環(huán)。第三、第四號一次風(fēng)門要根據(jù)負荷情況、燃燒情況、燃料情況進行調(diào)整；如果鍋爐負荷較小，燃料燃燒完全，燃料較干燥的情況下，第三、第四道風(fēng)門就開的小些，相反就要開大些。
如果一次風(fēng)量太小，會影響一次風(fēng)的穿透能力，通過爐排后的一次風(fēng)射程太短，大大削弱了一次風(fēng)的擾動和補氧能力，使進入爐膛的燃料不能及時燃燒而形成堆積，造成燃料燃燒不完全；由于秸稈燃料的灰熔點低，在還原性氣氛的影響下，使?fàn)t排結(jié)焦加重；而且對爐排的冷卻作用減??；如果風(fēng)壓太低，還會使?fàn)t排上的細灰渣、塵土沿著爐排上的小孔進入風(fēng)室，堵塞一次風(fēng)管道，使一次風(fēng)更小，惡化燃燒工況；甚至機組被迫停運。
如果一次風(fēng)量過大，雖然一次風(fēng)的穿透能力增強，射程長，燃燒完全，對燃燒有利；但是會使大量火星飛揚，在爐膛負壓的作用下，會使未完全燃盡的小木炭、碳黑、塵土隨煙氣排人大氣，不但影響燃燒的經(jīng)濟性；還會影響鍋爐的安全性；引起煙道尾部積灰，影響鍋爐出力；還可能造成尾部煙道再燃燒，影響布袋除塵器的安全運行等。此時必須增加二次風(fēng)量，壓住火焰，防止火焰過分上飄。
鍋爐底部左右各4個一次風(fēng)室，由于風(fēng)室之間密封不好或一次風(fēng)調(diào)節(jié)門不嚴。而且燃燒區(qū)燃料堆積而造成阻力較大，造成大量一次風(fēng)從后面3個風(fēng)室進入爐膛，而燃燒中心區(qū)卻風(fēng)量不足。爐排振動時由于燃料區(qū)阻力變小，通風(fēng)量突然增加，導(dǎo)致燃燒強度突然增強，爐膛負壓急劇變小，為確保鍋爐運行安全，正常運行期間鍋爐保持較大負壓。建議對此進行改造，加強燃燒中心區(qū)通風(fēng)，同時改善各風(fēng)室間隔絕情況，做到各風(fēng)室能獨立調(diào)整配風(fēng)，從而合理在爐膛內(nèi)組織燃燒，降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率。
3.2二次風(fēng)的影響
二次風(fēng)是在增壓風(fēng)機的作用下進入爐膛的，當(dāng)鍋爐負荷增長到50％時，應(yīng)開啟增壓風(fēng)機，以保證燃料后期燃燒的需要。配風(fēng)方式如表3：
但是增壓風(fēng)機入口連接在一次風(fēng)母管上，在開啟增壓風(fēng)機后，一次風(fēng)量及風(fēng)壓必定減??；二次風(fēng)越大，一次風(fēng)就越小。為保證一次風(fēng)量，不得不開大送風(fēng)機，但是由于鍋爐漏風(fēng)嚴重，限制了送風(fēng)機的出力。而且在滿負荷時受各方面因素的影響，要想達到一次風(fēng)量、二次風(fēng)量各占50％也是相當(dāng)困難的。根據(jù)廠家提議，開大二次風(fēng)門后，如將風(fēng)量增大到30％后，影響了正常的燃燒工況，產(chǎn)生了極為不利的后果：使燃料堆積加重、燃燒不完全、爐排結(jié)焦更加嚴重；當(dāng)將二次風(fēng)門減小后，上述情況大為改觀。但是在高負荷時二次風(fēng)量太小，又不足于壓住火焰，使火焰過分上飄，在大負壓的作用下，使飛灰可燃物增大，因此必須保證一、二次風(fēng)合理配合，才能保證燃燒的順利進行。對此我們不得不對二次風(fēng)的作用及布置情況進行重新認識，由于是爐排燃燒新技術(shù)，燃料又是秸稈，它既不同于煤粉的懸浮燃燒；也不同于鏈條爐的煤的燃燒，因此二次風(fēng)的作用肯定有別于各種鍋爐。二次風(fēng)的作用是擾動爐內(nèi)煙氣氣流，使?fàn)t內(nèi)火焰不過分上飄，壓住火焰，同時在攪拌煙氣時，提供足夠的高溫氧氣，使煙氣中的火星燃燒完全。但開啟增壓風(fēng)機后不應(yīng)影響一次風(fēng)量的大小，也不應(yīng)使二次風(fēng)氣流干擾破壞正常的燃燒工況，前后二次風(fēng)開啟后形成的氣流能形成一層氣幕，蓋住揚起的火星、小木炭等。而且應(yīng)該可以組織起煙氣的旋渦流動，延長煙氣在爐膛內(nèi)的行程，增加燃燒時間，還可以使部分木炭顆粒摔回爐排，有利于燃料燃盡，降低飛灰可燃物損失，從而改善了爐內(nèi)氣流的充滿度，以達到控制燃燒的目的。但是二次風(fēng)風(fēng)量可能不應(yīng)該太大，因此對二次風(fēng)門的布置位置，角度及風(fēng)量大小須重新考慮、論證。
在目前的情況下，二次風(fēng)門布置位置太高，風(fēng)溫也只有140℃左右，角度布置的也不盡合理，達不到補充高溫氧氣的目的，只會加劇火星的冷卻、終止燃燒；更重要的是開啟二次風(fēng)后影響了一次風(fēng)量的大小，也影響了正常的燃燒工況。雖然加重了火焰上面的擾動，但減輕了一次風(fēng)的吹拂，減小了它的穿透能力，在燃料下部產(chǎn)生了還原性氣體，加重了爐排的結(jié)焦、結(jié)渣。因此，二次風(fēng)應(yīng)該和一次風(fēng)分開布置，調(diào)整時互不影響。
3.3燃料性質(zhì)的影響
由于燃料的變化，如玉米秸稈、棉花秸稈以及果木枝條，雖然經(jīng)過破碎，但是燃燒情況是不相同的，一類為草質(zhì)結(jié)構(gòu)，一類為木質(zhì)結(jié)構(gòu)。玉米秸稈著火快，燃燒時間短，在爐膛內(nèi)一般不會形成堆積，燃燒效果也比較好；但是棉花秸稈、果木枝條著火慢、燃燒時間長，容易形成堆積，也不易燃燒完全。因此燃燒時，要根據(jù)不同的燃料進行調(diào)整，如調(diào)整爐排的振動時間及頻率、一次風(fēng)門的開度、給料的多少等。
從外面打包進廠的燃料，由于內(nèi)含大量沙土、燃料潮濕以及發(fā)酵等，使得燃燒情況變得更加復(fù)雜，含大量沙土的燃料在給料機的推擠下進入爐膛后，一般在散料管上部管道上形成堆積燃燒(在此設(shè)計不合理，燃料出口與散料管之間的高度太低，只有15cm左右，起不到散料的作用)，使大量燃料落不到爐排上，最后燃料邊燃燒邊推擠的情況下，落在爐排中前部燃燒，使燃燒效果變差；將散料管改造后，燃料能落到管道下面，往往也是成團掉下，成團的燃料壓住燃燒的火焰，使燃燒減弱，然后熾熱的火焰加熱成團燃料的外表，同時從堆積的燃料里面向外冒煙，外面的燃料隨后先著火，燃料從外向里燃燒，使燃燒變得越來越強烈。由于沒有很好的可控手段，調(diào)整時只能根據(jù)爐膛溫度變化進行調(diào)整，這就使得調(diào)整燃燒時燃料供應(yīng)嚴重滯后，如爐膛溫度有下降趨勢時，立即啟動一級給料機進料，這是爐溫繼續(xù)下降。蒸汽參數(shù)也下降，直到爐膛溫度下降100℃左右時，時間要5min甚至更長，隨后爐溫開始回升，立即停止給料，但爐溫要繼續(xù)回升100℃左右，直到爐溫又開始下降趨勢時，又重復(fù)以上過程；溫度下降或上升的幅度要看調(diào)整給料量的時間間隔和多少。如果給料控制不及時，爐溫會大幅擺動，有時變化達300多度，滯后時間會更長，嚴重影響機組穩(wěn)定運行。所以在調(diào)整時，掌握好提前量，對鍋爐穩(wěn)定運行極其重要。
還有堆積的燃料燃燒后其粘性很大，必須加大爐排的振動頻率和振動時間，而且必須經(jīng)過多次振動才能振下；如果處理不及時，不得不人工處理，增加了處理的難度。因此建議：必須控制燃料的質(zhì)量；減少沙土含量和燃料水分；提高運行人員的調(diào)整水平等。
3.4鍋爐漏風(fēng)的影響
鍋爐漏風(fēng)比較嚴重，如爐排后面的落渣槽、三級給料機出口處、人孔門處、拋煤機出口處等，會漏人大量冷空氣。尤其處理爐前堆料和處理爐排上的焦塊時，更加嚴重。冷空氣的漏入，使?fàn)t膛負壓變小或變正，降低爐膛溫度，破壞了爐膛的燃燒工況，碳黑形成的幾率增大，增大了不完全燃燒熱損失和散熱損失；冷空氣的大量漏入，還會使送風(fēng)量減小，使燃燒惡化。
由于鍋爐漏風(fēng)量大，同時鍋爐運行負壓保持較大，導(dǎo)致滿負荷時引風(fēng)機入口擋板開至85％以上，而送風(fēng)機入口風(fēng)量僅為設(shè)計滿負荷送風(fēng)量的50％左右，嚴重限制了送風(fēng)機、增壓風(fēng)機出力，導(dǎo)致送風(fēng)機、增壓風(fēng)機沒有達到設(shè)計時的目的，對此問題需從降低鍋爐漏風(fēng)量、調(diào)整鍋爐配風(fēng)、降低正常運行時鍋爐負壓及煙風(fēng)系統(tǒng)改造等手段，降低引風(fēng)機出力至正常水平，使送風(fēng)機及增壓風(fēng)機出力達到設(shè)計要求出力，保證鍋爐的正常運行。
4結(jié)論
通過對我國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)發(fā)電鍋爐的燃燒調(diào)整試驗研究，得到以下結(jié)論：
(1)加強燃燒中心區(qū)通風(fēng)，改善各風(fēng)室間隔絕情況，各風(fēng)室能獨立調(diào)整配風(fēng)，組織合理的爐膛燃燒，可降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率。
(2)二次風(fēng)應(yīng)和一次風(fēng)分開布置，調(diào)整時互不影響，以保證正常燃燒。
(3)由于秸稈燃料含有大量沙土，燃料灰熔點低，在爐排調(diào)整不合適及配風(fēng)不合理的情況下，容易產(chǎn)生結(jié)焦，且常常是半流態(tài)狀態(tài)，增加了運行的難度。因此必須從源頭把關(guān)，控制人廠燃料含土量與水分，減少雜物。
(4)降低鍋爐漏風(fēng)量、調(diào)整鍋爐配風(fēng)、降低正常運行時鍋爐負壓，可保證鍋爐正常運行。 |
