淺談生物質能直燃發電站鍋爐爐型和爐排

王海波　劉海勇

摘? 要：生物質能直燃發電技術相對成熟，已經在世界各國廣泛使用。生物質的燃料特性呈現多樣化，不同的生物質燃料之間差異較大，在生物質電站鍋爐爐型和爐排選擇上有一定的適應性要求。爐型和爐排的選擇直接影響了電站的穩定性和經濟性。該文介紹并比較了生物質直燃鍋爐的爐型和爐排，對生物質直燃發電站的設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：生物質發電? CFB? 層燃爐? 爐排

中圖分類號：TM621 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（a）-0053-02

2017年，中國生物質能發電量相當于2500萬t標準煤，減少了二氧化碳排放量約6500萬t;農林復合生物質發電技術，處理農業和林業廢物約5400萬t;垃圾焚燒發電站處理量了超過1億噸城市生活垃圾。到2020年底，生物質發電能力將達到1500萬kW。在生物質直燃電站的設計中，如何選擇合適的爐型和爐排，來進一步提高燃料適用性、系統設備的經濟性和穩定性等就顯得尤為重要。

1? 生物質發電技術介紹

現代生物質能的直燃發電技術，首先由丹麥人于20世紀70年代研發。自1990年以來，歐洲許多國家和美國都在大力發展生物質發電。期間位于丹麥Rudkobing市2.3MW的熱電聯產生物質電廠由Bioener公司設計安裝，并于1990年進行運行調試。自2003年以來，中國先后在晉州、單縣和如東批準了3個秸稈發電示范項目。計劃到2020年，中國生物質發電總裝機容量將要達到1500萬kW，年發電量將要超過900億kWh。

生物質燃料通常主要是農業和林業的廢物，如稻草、鋸末、甘蔗渣等。生物質燃料種類繁多，不同的燃料的水分含量差別很大，通常具有揮發分較高、燃料容易點燃、燃盡時間短、熱值低等特點。

常規生物質燃料與煤炭比較如表1所示。

生物質直接燃燒發電技術是將生物質燃料送到鍋爐直接燃燒，將化學能轉換成熱能，在生成蒸汽的帶動下汽輪發電機進行發電。由于生物質燃料的特殊性，不同于常規化石燃料，生物質直燃發電的較為關鍵技術包括生物質鍋爐的選型和爐排的選擇等。

2? 生物質鍋爐形式

目前，基于生物質的直燃發電機組，工程實踐中使用比較多的有循環流化床CFB鍋爐和層燃爐兩種。CFB鍋爐采用高度工業化的潔凈煤燃燒技術，采用流態化燃燒，運行風速高，燃燒和脫硫等非均相反應過程得到了加強。中國開發的最大鍋爐容量達到了800MW電站等級。采用燃料在爐排上燃燒技術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的爐排上面，空氣從爐排的底部通入，通過燃料層進行燃燒反應。

CFB鍋爐燃燒形式由預熱空氣吹入爐膛，進行流態化燃燒，未燃燒完全的燃料經分離并返回爐膛中進行燃燒。CFB鍋爐具有較好的燃料適應性，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物料平衡等問題，另外較高的電力消耗也是CFB鍋爐機組運行中需要考慮的問題。

層燃爐結構相對簡單，較易于操作、在投資和運行成本上，也有一定的優勢。由于生物質燃料的揮發分析出速度較快，因此，在燃燒過程中需要補充大量的空氣。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

根據不同的爐排形式，層燃爐通常有以下3種技術，包括往復爐排、水冷振動爐排和鏈條爐排。

（1）往復式爐排由固定不動的爐排件和往復可移動的爐排件組成。可活動的爐排件將燃料層推向后部以逐步燃燒。往復式爐排具有結構比較簡單、制造方便、金屬耗量低等特點。爐排片通常采用鑄鐵材料，由于其自身的固有屬性和設計特點導致爐排件的冷卻條件不好，通常不適于燃燒揮發物低、含碳量高的燃料。

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

水冷振動爐排運轉原理的是一個彈性的振動工作系統。首先設定好一定的激振力方向和振幅、彈性板的容量規格和爐排的傾斜角度，在一定周期的激振力作用下，爐排可以相應地產生周期性的振動。燃料在爐排上得到了一個的推動力，作用方向從前部到后部，爐排上的燃料進行周期性的跳躍，從爐排的前端逐漸移動到爐排的后端。經過這一系列過程，燃料完成了預熱干燥、燃料燃燒、燃燒完全的整個過程。水冷振動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。管道內部通水冷卻，然后水直接進入到鍋爐的水循環系統，以確保爐排的充分冷卻，保護受熱面管不受損壞。

水冷振動爐排的最重要的特點是其特殊的結構和冷卻方式，完美地解決了爐排過熱的問題。因為生物質燃料的灰分偏低、燃燒溫度較高，爐排片很容易因為過熱不能很好的冷卻而受到損壞，因此水冷振動爐排可以更好地適應于生物質燃料的燃燒。與鏈條爐相比，由于爐排的振動有一定的撥火作用，加強了燃料層松動和燃料燃燒過程中的通風，因此燃燒效率較高。爐排運動部件偏少、結構較為簡單、金屬的耗量少、重量輕。水冷振動爐排具有很好的自動撥火功能，落在爐排上燃料能夠隨著爐排振動進行周期性的燃料滾動，防止外部生成的焦炭橋接結渣，進而粘結在爐排的表面。與采用純風冷技術的爐排相比較，水冷振動爐排具有更加突出的冷卻效果，更適合生物質燃料的穩定燃燒。

（3）鏈條爐排的形狀和運行方式就像一個帶式輸送機，其運行過程是通過減速機帶動鏈條爐排轉動，燃料首先落到爐排的前端，隨著爐排從前往后緩慢移動。風機將空氣從爐排的下方吹入爐內，從而空氣跟燃料混合進行燃燒。燃料通過爐內的輻射熱進行預熱、干燥、點燃、燃燒直到燃燒完全。爐渣隨著爐排向后移動，最終通過除渣機從鍋爐排出。

4? 結語

通過以上對CFB鍋爐、層燃爐及爐排的介紹和比較，得出以下結論：對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爐排的技術;對于燃料是城市垃圾的電站，在設備選型設計上，優先考慮爐排爐;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設備的穩定性要求。

參考文獻

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