生物質燃料特性對生物質鍋爐穩定運行的影響研究

麥曉峰

摘 要：結合50 MW生物質鍋爐的運行經驗，通過對不同的生物質燃料進行分析，提出了實現生物質鍋爐穩定運行的關鍵因素，總結了切實可行的生物質燃料配燒辦法，并指出了不同的生物質燃料造成的問題及其解決辦法，為生物質鍋爐穩定運行提供了可借鑒的經驗。

關鍵詞：生物質燃料;生物質鍋爐;穩定運行

0? ? 引言

生物質是指來源于植物的有機物質，多為樹頭、樹皮、樹枝和木材行業的副產品。生物質燃料種類繁多、特性各異，給生物質發電廠鍋爐的穩定運行帶來了巨大的挑戰。本文以50 MW生物質自燃發電鍋爐為平臺，研究生物質燃料特性對工業規模生物質鍋爐穩定運行的影響。生物質發電廠可通過提高燃料品質和采用合理的配燒辦法，使生物質鍋爐保持在較為穩定的工況下運行，并創造可觀的經濟效益，實現安全和效益的雙贏。

1? ? 設備介紹

本文研究的50 MW生物質自燃發電鍋爐為華西能源工業股份有限公司生產的型號為HX220-9.8-IV1的高溫高壓、單汽包、汽水自然循環、平衡通風的循環流化床鍋爐。鍋爐的額定蒸發量為220 t/h，額定蒸汽出口壓力為9.8 MPa，額定蒸汽出口溫度為540 ℃。設計燃料為桉樹的皮、葉、根、枝，木材邊角料，甘蔗渣和其他農林廢棄物。燃料消耗量設計值為49 t/h，實際燃料消耗量為60 t/h。鍋爐對燃料的顆粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm。

2? ? 常用的生物質燃料

生物質燃料以樹皮和木質材料為主，根據地理位置和區域的產業鏈有所不同。以廣東省湛江市為例，常用的生物質燃料有以下品種：散樹皮、碎樹皮、樹頭、木尾、木邊皮、建筑廢料和木材加工副產品。此外，還有一些不常用的燃料品種：甘蔗渣、稻谷殼、肉桂枝葉、棕櫚殼、花生殼等。常見生物質燃料的全水分和熱值可參考表1。

3? ? 生物質鍋爐穩定運行的關鍵因素

生物質燃料因品種繁多和特性各異，在生產中對生物質鍋爐穩定運行影響很大。生物質燃料構成多變，且燃料顆粒度從4 cm至30 cm不等，極端情況下甚至有50 cm長的燃料進入爐內，這就決定了生物質鍋爐難以保持穩定運行。

然而，盡管燃料復雜多變，要實現生物質鍋爐穩定運行，在燃料環節需要把控的只有兩點：控制燃料水分和保持下料順暢。

3.1? ? 控制燃料水分

從表1可以看出，不同的生物質燃料水分和熱值區別較大，且生物質鍋爐一般都是小容量鍋爐，其穩定性較差，所以當不同的生物質燃料進入爐內時，鍋爐的工況馬上會發生變化。當燃用熱值高、水分低的燃料時，鍋爐將快速升溫升壓，容易使汽輪機和發電機的出力達到最大限值，生產中可以采取運行調整措施避免此情況，如調節二次風量和下料量，進而降低機組出力。當燃用熱值低、水分高的燃料時，除機組出力顯著下降，還會引起一系列的問題。此類燃料將打破鍋爐穩態，并快速消耗鍋爐內的氧氣，鍋爐床溫快速下降，燃燒工況變差，還會導致機組的環保參數異常。此時如運行人員干預調整，鍋爐將在缺氧和富氧之間波動，導致氮氧化物和二氧化硫快速上升，存在環保參數超限的風險。針對此情況，除調整風量和下料量，還需要馬上降低入爐燃料的水分，增加高熱值、低水分且流動性好的燃料，使鍋爐重新恢復穩態。

3.2? ? 保持下料順暢

生物質鍋爐的給料系統采用螺旋式給料機，因燃料的顆粒度差別較大且燃料中含有雜質，要實現燃料順暢進入鍋爐并不容易。如果能保持燃料的顆粒度在10 cm以內，且燃料的流動性較好，實現順暢給料不成問題。但在實際生產中，因為燃料是由顆粒度4～30 cm的不同生物質燃料混合而成，所以經常出現燃料流動性變差和給料機故障等問題，不僅給運行調整帶來了困難，而且很大程度上破壞了生物質鍋爐的穩態。出現此問題時，運行調整需要更換燃料，盡快處理給料機異常，調整燃燒參數。比起處理辦法，更重要的是如何防范問題發生。生物質鍋爐可從以下幾方面防范下料不暢的問題：

（1）控制燃料的顆粒度。燃料顆粒度越大，其流動性越差，越難順暢下料。在燃料進廠環節，通過質檢控制生物質燃料的顆粒度，保證進廠燃料顆粒度在合格范圍內。在上配料環節，需要合理使用破碎機和成品給料機。對于顆粒度大的燃料，必須使用破碎機進行破碎。同時，要關注破碎機的設備狀況，及時修復磨損的破碎機刀軸，以免破碎效果差導致下料不暢的問題。

（2）控制燃料的雜質。生物質燃料一般在山地、田地、木材加工場等易攜帶雜質的場所進行收集，這決定了生物質燃料含有較多的雜質。雖然供應商會在收集燃料時清除雜質，但因為燃料需求量大，往往難以清除全部雜質。在燃料進廠環節，通過質檢控制燃料雜質，防止雜質多的燃料入廠。在廠內環節，通過人工清除雜質和上配料時避開大塊雜質的辦法，減少入爐的雜質。此外，在上料皮帶處增設除鐵器，及時清除燃料內的鐵塊和鐵釘等金屬雜質，也能有效減少隨燃料進入爐內的雜質。

（3）入爐燃料預混合。由于每種燃料的顆粒度不同，將粗細不同的燃料混合后，能有效改善燃料的流動性，實現下料順暢。在燃料進入上料系統前，通過預混合不同的燃料，使某一時段的燃料品質穩定且具有適中的流動性，對保持生物質鍋爐穩定運行具有顯著的幫助。在實際生產中，人工使用機械混合燃料的效果較差，波動性較大;而通過機械式的撥料器能較好地混合不同品種的生物質燃料。

4? ? 適合生物質鍋爐的配燒辦法

每種生物質燃料熱值、水分、顆粒度和價格各不相同，對生物質發電廠運營的影響自然也不同。一般而言，樹皮類燃料水分高、熱值低，但其價格低廉，合理使用將為生物質電廠帶來不錯的經濟效益。干燃料類（如建筑廢料、木材加工副產品等）屬于水分低、熱值高的燃料，雖然其價格較高，但其易燃燒且流動性好，在處理異常工況和維持機組良好出力方面具有明顯的優勢。由此可見，使用單一的生物質燃料難以滿足生產需要，將不同的生物質燃料混合，能實現鍋爐穩定和經濟效益之間良好的平衡。