淺談生物質(zhì)能直燃發(fā)電站鍋爐爐型和爐排

王海波　劉海勇

摘? 要：生物質(zhì)能直燃發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，已經(jīng)在世界各國廣泛使用。生物質(zhì)的燃料特性呈現(xiàn)多樣化，不同的生物質(zhì)燃料之間差異較大，在生物質(zhì)電站鍋爐爐型和爐排選擇上有一定的適應(yīng)性要求。爐型和爐排的選擇直接影響了電站的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。該文介紹并比較了生物質(zhì)直燃鍋爐的爐型和爐排，對(duì)生物質(zhì)直燃發(fā)電站的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)發(fā)電? CFB? 層燃爐? 爐排

中圖分類號(hào)：TM621 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（a）-0053-02

2017年，中國生物質(zhì)能發(fā)電量相當(dāng)于2500萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少了二氧化碳排放量約6500萬t;農(nóng)林復(fù)合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，處理農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢物約5400萬t;垃圾焚燒發(fā)電站處理量了超過1億噸城市生活垃圾。到2020年底，生物質(zhì)發(fā)電能力將達(dá)到1500萬kW。在生物質(zhì)直燃電站的設(shè)計(jì)中，如何選擇合適的爐型和爐排，來進(jìn)一步提高燃料適用性、系統(tǒng)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性等就顯得尤為重要。

1? 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)介紹

現(xiàn)代生物質(zhì)能的直燃發(fā)電技術(shù)，首先由丹麥人于20世紀(jì)70年代研發(fā)。自1990年以來，歐洲許多國家和美國都在大力發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電。期間位于丹麥Rudkobing市2.3MW的熱電聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)電廠由Bioener公司設(shè)計(jì)安裝，并于1990年進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。自2003年以來，中國先后在晉州、單縣和如東批準(zhǔn)了3個(gè)秸稈發(fā)電示范項(xiàng)目。計(jì)劃到2020年，中國生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量將要達(dá)到1500萬kW，年發(fā)電量將要超過900億kWh。

生物質(zhì)燃料通常主要是農(nóng)業(yè)和林業(yè)的廢物，如稻草、鋸末、甘蔗渣等。生物質(zhì)燃料種類繁多，不同的燃料的水分含量差別很大，通常具有揮發(fā)分較高、燃料容易點(diǎn)燃、燃盡時(shí)間短、熱值低等特點(diǎn)。

常規(guī)生物質(zhì)燃料與煤炭比較如表1所示。

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)燃料送到鍋爐直接燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，在生成蒸汽的帶動(dòng)下汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。由于生物質(zhì)燃料的特殊性，不同于常規(guī)化石燃料，生物質(zhì)直燃發(fā)電的較為關(guān)鍵技術(shù)包括生物質(zhì)鍋爐的選型和爐排的選擇等。

2? 生物質(zhì)鍋爐形式

目前，基于生物質(zhì)的直燃發(fā)電機(jī)組，工程實(shí)踐中使用比較多的有循環(huán)流化床CFB鍋爐和層燃爐兩種。CFB鍋爐采用高度工業(yè)化的潔凈煤燃燒技術(shù)，采用流態(tài)化燃燒，運(yùn)行風(fēng)速高，燃燒和脫硫等非均相反應(yīng)過程得到了加強(qiáng)。中國開發(fā)的最大鍋爐容量達(dá)到了800MW電站等級(jí)。采用燃料在爐排上燃燒技術(shù)的鍋爐稱為層燃鍋爐。層狀燃燒是指將燃料輸送到固定或移動(dòng)的爐排上面，空氣從爐排的底部通入，通過燃料層進(jìn)行燃燒反應(yīng)。

CFB鍋爐燃燒形式由預(yù)熱空氣吹入爐膛，進(jìn)行流態(tài)化燃燒，未燃燒完全的燃料經(jīng)分離并返回爐膛中進(jìn)行燃燒。CFB鍋爐具有較好的燃料適應(yīng)性，包括高水分、低熱值燃料。CFB鍋爐需要解決加熱面的外表磨損腐蝕和循環(huán)物料平衡等問題，另外較高的電力消耗也是CFB鍋爐機(jī)組運(yùn)行中需要考慮的問題。

層燃爐結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，較易于操作、在投資和運(yùn)行成本上，也有一定的優(yōu)勢(shì)。由于生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分析出速度較快，因此，在燃燒過程中需要補(bǔ)充大量的空氣。如果燃料和空氣的混合不充分，則難以確保生物質(zhì)燃料的充分燃燒，從而影響鍋爐的效率。

3? 層燃爐爐排形式介紹

根據(jù)不同的爐排形式，層燃爐通常有以下3種技術(shù)，包括往復(fù)爐排、水冷振動(dòng)爐排和鏈條爐排。

（1）往復(fù)式爐排由固定不動(dòng)的爐排件和往復(fù)可移動(dòng)的爐排件組成?？苫顒?dòng)的爐排件將燃料層推向后部以逐步燃燒。往復(fù)式爐排具有結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、制造方便、金屬耗量低等特點(diǎn)。爐排片通常采用鑄鐵材料，由于其自身的固有屬性和設(shè)計(jì)特點(diǎn)導(dǎo)致爐排件的冷卻條件不好，通常不適于燃燒揮發(fā)物低、含碳量高的燃料。

（2）水冷振動(dòng)爐排鍋爐的爐底設(shè)有水冷爐排片、爐排支撐和驅(qū)動(dòng)裝置，爐排下部設(shè)有風(fēng)室。爐膛下部空間大截面積大，形成整個(gè)燃燒區(qū)域。爐膛上部空間截面積收窄，是燃料的燃盡區(qū)域。在爐膛燃燒區(qū)域布置了二次風(fēng)和燃盡風(fēng)來提高燃燒效率。屏式過熱器和噴水減溫器布置在爐膛的頂部。

水冷振動(dòng)爐排運(yùn)轉(zhuǎn)原理的是一個(gè)彈性的振動(dòng)工作系統(tǒng)。首先設(shè)定好一定的激振力方向和振幅、彈性板的容量規(guī)格和爐排的傾斜角度，在一定周期的激振力作用下，爐排可以相應(yīng)地產(chǎn)生周期性的振動(dòng)。燃料在爐排上得到了一個(gè)的推動(dòng)力，作用方向從前部到后部，爐排上的燃料進(jìn)行周期性的跳躍，從爐排的前端逐漸移動(dòng)到爐排的后端。經(jīng)過這一系列過程，燃料完成了預(yù)熱干燥、燃料燃燒、燃燒完全的整個(gè)過程。水冷振動(dòng)爐排主要將膜式的水冷壁替換掉單片的爐排片，爐排由受熱面管之間的焊接扁鋼組成。管道內(nèi)部通水冷卻，然后水直接進(jìn)入到鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng)，以確保爐排的充分冷卻，保護(hù)受熱面管不受損壞。

水冷振動(dòng)爐排的最重要的特點(diǎn)是其特殊的結(jié)構(gòu)和冷卻方式，完美地解決了爐排過熱的問題。因?yàn)樯镔|(zhì)燃料的灰分偏低、燃燒溫度較高，爐排片很容易因?yàn)檫^熱不能很好的冷卻而受到損壞，因此水冷振動(dòng)爐排可以更好地適應(yīng)于生物質(zhì)燃料的燃燒。與鏈條爐相比，由于爐排的振動(dòng)有一定的撥火作用，加強(qiáng)了燃料層松動(dòng)和燃料燃燒過程中的通風(fēng)，因此燃燒效率較高。爐排運(yùn)動(dòng)部件偏少、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、金屬的耗量少、重量輕。水冷振動(dòng)爐排具有很好的自動(dòng)撥火功能，落在爐排上燃料能夠隨著爐排振動(dòng)進(jìn)行周期性的燃料滾動(dòng)，防止外部生成的焦炭橋接結(jié)渣，進(jìn)而粘結(jié)在爐排的表面。與采用純風(fēng)冷技術(shù)的爐排相比較，水冷振動(dòng)爐排具有更加突出的冷卻效果，更適合生物質(zhì)燃料的穩(wěn)定燃燒。

（3）鏈條爐排的形狀和運(yùn)行方式就像一個(gè)帶式輸送機(jī)，其運(yùn)行過程是通過減速機(jī)帶動(dòng)鏈條爐排轉(zhuǎn)動(dòng)，燃料首先落到爐排的前端，隨著爐排從前往后緩慢移動(dòng)。風(fēng)機(jī)將空氣從爐排的下方吹入爐內(nèi)，從而空氣跟燃料混合進(jìn)行燃燒。燃料通過爐內(nèi)的輻射熱進(jìn)行預(yù)熱、干燥、點(diǎn)燃、燃燒直到燃燒完全。爐渣隨著爐排向后移動(dòng)，最終通過除渣機(jī)從鍋爐排出。

4? 結(jié)語

通過以上對(duì)CFB鍋爐、層燃爐及爐排的介紹和比較，得出以下結(jié)論：對(duì)于燃料種類較為類似，比如說燃料是秸稈、木屑、樹皮等，建議首先考慮層燃爐和水冷振動(dòng)爐排的技術(shù);對(duì)于燃料是城市垃圾的電站，在設(shè)備選型設(shè)計(jì)上，優(yōu)先考慮爐排爐;若燃料種類較多、差異比較大，建議選擇CFB鍋爐，以滿足燃料的多樣性和系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性要求。

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