生物質(zhì)鍋爐爐型淺析

郭會(huì)朋 鐘繼強(qiáng)

摘要：當(dāng)前全世界的能源使用結(jié)構(gòu)仍然是以石油、煤和天然氣三大傳統(tǒng)化石能源為主，尤其是我國，到2021年，我國的能源結(jié)構(gòu)還是以煤為主，煤炭消費(fèi)整體仍在61%左右。尋求一種可再生的清潔能源代替煤迫在眉睫。目前來看，風(fēng)電、水電受地域影響較大，太陽能發(fā)電比重還相對(duì)較小，難以推廣。因此生物質(zhì)能發(fā)電是目前唯一可低成本、快速利用的一種形式。根據(jù)國家能源局的最新消息，2021年，我國生物質(zhì)發(fā)電新增裝機(jī)808萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)達(dá)3798萬千瓦，生物質(zhì)發(fā)電量1637億千瓦時(shí)。隨著生物質(zhì)發(fā)電的興起，如何去選擇一種適合當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)燃料種類的爐型去最大化的利用當(dāng)?shù)氐纳镔|(zhì)資源是擺在使用單位可研階段的第一個(gè)問題。本文就目前為止市場(chǎng)占有率最大的三種生物質(zhì)鍋爐爐型水冷振動(dòng)爐排生物質(zhì)鍋爐、聯(lián)合爐排生物質(zhì)鍋爐和循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐的優(yōu)劣展開分析，以便于使用單位根據(jù)當(dāng)?shù)厝剂线x擇合適的爐型。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)鍋爐;水冷振動(dòng)爐排鍋爐;聯(lián)合爐排鍋爐;循環(huán)流化床鍋爐

我國地域廣大，幅員遼闊，從北到南依次可劃分為寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶;從東到西橫跨5個(gè)時(shí)區(qū)，東西相差4個(gè)多個(gè)小時(shí)。如此之大的地域分布造就了我國生物植被分布的多樣性，不同地區(qū)的植被分布不同，甚至不同地區(qū)的同種植物的元素分析也差別較大。加上全國的森林分布、農(nóng)作物種類分布甚至是木材加工企業(yè)的分布不平衡，造成每個(gè)地區(qū)可利用的生物質(zhì)燃料種類、成分等也不盡相同。而生物質(zhì)鍋爐發(fā)電的主要燃料就是這些農(nóng)作物秸稈、樹枝樹皮等林業(yè)廢棄物和木材加工企業(yè)的下腳料等。這些不同性質(zhì)的生物質(zhì)燃料只有使用最合適的生物質(zhì)鍋爐爐型去燃燒，才能使其達(dá)到最佳的利用狀態(tài)，達(dá)到最大化的利用。

本文就水冷振動(dòng)爐排生物質(zhì)鍋爐、聯(lián)合爐排生物質(zhì)鍋爐和循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐這三種目前市場(chǎng)占有率最大的生物質(zhì)鍋爐爐型的技術(shù)來源及其優(yōu)缺點(diǎn)、生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性、生物質(zhì)鍋爐的結(jié)焦情況、生物質(zhì)燃料的燃燒充分性、生物質(zhì)鍋爐的設(shè)備磨損程度、生物質(zhì)電廠的運(yùn)行成本及生物質(zhì)電廠自用電情況等方面進(jìn)行分析。

1、水冷振動(dòng)爐排生物質(zhì)鍋爐

此技術(shù)為原北京龍基公司引進(jìn)丹麥BWE公司的技術(shù)，由濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司進(jìn)行全部的本土化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)。該生物質(zhì)燃燒技術(shù)已經(jīng)過丹麥和國內(nèi)近百臺(tái)工程實(shí)踐的驗(yàn)證，是相對(duì)比較成熟的生物質(zhì)直燃技術(shù)。該生物質(zhì)燃燒技術(shù)的核心部件是振動(dòng)爐排，其由振動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)室、支撐件和爐排水冷壁組成，爐排水冷壁由全膜式壁組成，其上開有很多小孔爐排底部的一次風(fēng)經(jīng)此小孔送入燃燒室內(nèi)參與燃料的燃燒。爐排水冷壁傾斜布置，由支撐件支撐在鋼架上，其底部是風(fēng)室;振動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本原理的曲軸連桿結(jié)構(gòu)，其通過傳動(dòng)桿帶動(dòng)爐排水冷壁快速振動(dòng)，燃料在爐排水冷壁上邊燃燒邊隨水冷壁的振動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，最后燃盡直至排入落渣口。

該技術(shù)燃料的燃燒方式為定向?qū)尤既紵剂线m應(yīng)性廣，能夠處理各種農(nóng)作物秸稈（包括黃色秸稈和灰色秸稈）、樹皮、樹枝、樹墩、木材加工廠廢料、建筑模板等等，基本上所有生物質(zhì)燃料均可燃燒，燃料收集范圍廣。該鍋爐技術(shù)對(duì)燃料預(yù)處理上要求較嚴(yán)格，需將燃料破碎至100mm以下，對(duì)木質(zhì)燃料破碎至直徑50mm以下，燃料處理成本稍高。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)單一種類的燃料或通過摻配后種類變化較小的燃料燃燒時(shí)非常穩(wěn)定，且具有較高的燃燒效率。其缺點(diǎn)是燃燒調(diào)整手段比較單一，僅靠振動(dòng)頻率和振動(dòng)間隔來調(diào)整燃燒，對(duì)種類變化較大的燃料和高水分燃料適應(yīng)性稍差。另外爐排上的風(fēng)孔比較小，在雜質(zhì)、灰份比較多時(shí)，特別是建筑模板比較多時(shí)，易堵塞風(fēng)孔造成局部結(jié)焦，但得益于其爐排爐的形式，結(jié)焦產(chǎn)生的焦塊能夠很容易的隨爐排的振動(dòng)排出爐外進(jìn)入撈渣機(jī)撈走。

因?yàn)樵摷夹g(shù)屬于層燃，因此燃料對(duì)鍋爐設(shè)備的磨損較輕，僅需在鍋爐給料口及落渣口處澆筑少量耐磨澆注料。該技術(shù)鍋爐一次風(fēng)壓較低，一般在7000Pa左右，沒有其他的非常規(guī)額外用電設(shè)備，因此電廠自用電率較低，一般在7%～9%左右。

2、聯(lián)合爐排生物質(zhì)鍋爐

所謂的聯(lián)合爐排是指至少由兩種不同形式的爐排組合，該聯(lián)合爐排生物質(zhì)鍋爐燃燒技術(shù)是由濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司根據(jù)我國的基本國情及我國生物質(zhì)燃料的現(xiàn)狀，吸收、借鑒水冷振動(dòng)爐排技術(shù)、往復(fù)爐排技術(shù)及鏈條爐排技術(shù)等，完全獨(dú)立開發(fā)的專利技術(shù)。該燃燒技術(shù)成功繼承了水冷振動(dòng)爐排技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化了水冷振動(dòng)爐排技術(shù)的不足，因此該技術(shù)是最適合我國生物質(zhì)燃料現(xiàn)狀的一種燃燒技術(shù)。目前該技術(shù)主要有往復(fù)爐排+鏈條爐排或往復(fù)爐排+水冷振動(dòng)爐排兩種形式，且這兩種聯(lián)合爐排技術(shù)在國內(nèi)和國外均有成功運(yùn)行的案例。

往復(fù)爐排是由固定爐排片和活動(dòng)爐排片組成，這兩種爐排片各占一半，交替放置，從側(cè)面形成一個(gè)自高到低的階梯狀。往復(fù)爐排的固定爐排片和活動(dòng)爐排片上均開有一次風(fēng)孔，燃料從給料口送入后落到往復(fù)爐排的高端，隨著爐排驅(qū)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)著活動(dòng)爐排片做周期性的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，加之一次風(fēng)的烘干作用，燃料在爐排上從高端邊翻滾邊烘干，同時(shí)對(duì)抱團(tuán)的燃料進(jìn)行打散，使燃料在爐排上的分布更均勻，最終經(jīng)過烘干的燃料均勻的落入下一個(gè)爐排上進(jìn)行燃燒。在該技術(shù)中，往復(fù)爐排的作用并不是燃燒，而是對(duì)水分較大的燃料起到烘干預(yù)熱的作用，同時(shí)打散抱團(tuán)的燃料，增加燃料在爐排上的均勻性，為下一步燃料落到主燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒做好充分的準(zhǔn)備。

燃料從往復(fù)爐排上落下來后會(huì)有一個(gè)高度差，然后才落到主燃燒爐排上，正式這個(gè)高度差的加入，更能增加燃料的透氣性，以保證其充分燃燒。主燃燒爐排目前有兩種：鏈條爐排或水冷振動(dòng)爐排。水冷振動(dòng)爐排的一些特點(diǎn)前面已經(jīng)論述，在此不再重復(fù)論述，主要論述鏈條爐排。鏈條爐排是由鏈條及附著其上的爐排片組成，鏈條在下部，爐排片在上部。鏈條爐排的主動(dòng)鏈輪通過電機(jī)和減速機(jī)的配合驅(qū)動(dòng)，拖拽著鏈條運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)爐排片運(yùn)動(dòng)。爐排片上也分布有許多一次風(fēng)孔，因爐排片不受什么條件制約，因此其上的開孔要遠(yuǎn)大于水冷振動(dòng)爐排上的開孔，因此該爐排對(duì)燃料中的雜質(zhì)適應(yīng)能力要比水冷振動(dòng)爐排強(qiáng)，雜質(zhì)能夠更容易的漏下去，不容易堵塞風(fēng)孔造成局部結(jié)焦。燃料落到鏈條爐排片上后，隨鏈條的運(yùn)動(dòng)，邊燃燒邊向后部運(yùn)動(dòng)，直至燃盡后排出鍋爐外。

相對(duì)于水冷振動(dòng)爐排，其優(yōu)點(diǎn)明顯：因?yàn)椴捎昧藘煞N爐排的組合形式（往復(fù)爐排+鏈條爐排或往復(fù)爐排+水冷振動(dòng)爐排），兩種爐排可分別調(diào)控，調(diào)控手段多，因此對(duì)燃料的適應(yīng)能力要比水冷振動(dòng)爐排強(qiáng)，可適應(yīng)水分相對(duì)較高或雜質(zhì)較多的燃料，且相較于單類型爐排的鍋爐，其燃料的燃盡率更高，鍋爐效率也較高。因聯(lián)合爐排也是層燃爐的一種，因此鍋爐設(shè)備磨損較輕、電廠自用電率低的優(yōu)點(diǎn)也得到了繼承。其缺點(diǎn)是因?yàn)槭莾煞N爐排的組合，機(jī)械傳動(dòng)部件較多，受制于國內(nèi)爐排片加工工藝的水平，爐排的機(jī)械故障率比單一爐排稍高，但如果提高爐排片的加工精度，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求精度加工與驗(yàn)收，聯(lián)合爐排也能夠達(dá)到年運(yùn)行小時(shí)數(shù)8000以上。

3、循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐

循環(huán)流化床鍋爐原是一種國內(nèi)使用非常廣的燃煤鍋爐，該爐型具有較高的燃燒效率，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。隨著國內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的興起，各大循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)研發(fā)廠家也開始研究用流化床鍋爐來燃生物質(zhì)燃料。但國內(nèi)生物質(zhì)燃料的特性與煤的性質(zhì)差別較大，因此前期運(yùn)行的流化床生物質(zhì)鍋爐都有帶負(fù)荷能力差，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短的問題。這是因?yàn)槲覈鴩鴥?nèi)的生物質(zhì)燃料普遍水分較大，熱值較低，且泥沙、石塊等雜物含量高的特點(diǎn)，生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙氣量大、灰分高，但燃料本身熱值較低，而前期運(yùn)行的循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐往往是在燃煤循環(huán)流化床鍋爐的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡單的改造而來，其不能很好的適應(yīng)熱值低但煙氣量大的生物質(zhì)燃料。最近幾年，經(jīng)過各個(gè)研發(fā)廠家的不斷摸索并收集使用單位的反饋意見，目前一些對(duì)生物質(zhì)鍋爐性質(zhì)認(rèn)識(shí)深刻的廠家已經(jīng)掌握了燃生物流化床在設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)上的一些問題。

不考慮國家的補(bǔ)貼政策，單純從技術(shù)角度講，用循環(huán)流化床鍋爐燒生物質(zhì)燃料，最適合摻燒。70%的生物質(zhì)+30%的煤，這個(gè)適合新上的電廠;或70%的煤+30%的生物質(zhì)，這個(gè)適合舊鍋爐的改造。且循環(huán)流化床技術(shù)特別適合燃料空隙率較小，難以采用爐排燃燒的燃料，如稻殼，棕櫚殼、木質(zhì)素、中藥渣、糠醛渣、木糖渣、污泥、泥煤等，使用循環(huán)流化床鍋爐燃這種燃料時(shí)具有燒燒效率高、運(yùn)行調(diào)整相對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

但如果使用循環(huán)流化床鍋爐純?nèi)忌镔|(zhì)燃料其缺點(diǎn)也非常明顯：一般需要添加適當(dāng)?shù)亩栊源擦希尤氲亩栊晕锪喜粎⑴c燒燒，僅用于維持物料的循環(huán);一、二次風(fēng)機(jī)的壓頭較高，功率需選的很大，廠耗電比較高;對(duì)農(nóng)作物秸桿、建筑模板等須進(jìn)行較小尺寸的粉碎;因?yàn)檎龎喝紵o料不易徹底解決，影響長期穩(wěn)定運(yùn)行;生物質(zhì)料（特別是建筑模板）中鐵質(zhì)雜質(zhì)不易排出，嚴(yán)重影響運(yùn)行周期。從運(yùn)行情況看，金屬材料的中心筒的高溫腐蝕不可避免;旋風(fēng)分離器的直段和錐段在運(yùn)行中掛焦現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生;返料器處時(shí)常有掛焦和結(jié)焦現(xiàn)象;床溫不易控制等。

綜上，水冷振動(dòng)爐排生物質(zhì)鍋爐、聯(lián)合爐排生物質(zhì)鍋爐和循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐這三種類型的生物質(zhì)鍋爐都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其適應(yīng)的燃料種類也各有不同。并沒有哪一種技術(shù)是一定優(yōu)于其他兩種，只有根據(jù)當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)燃料的種類與特性，去選擇最合適的燃燒方式，這才是最優(yōu)選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃長華，程永霞.生物質(zhì)直燃發(fā)電廠鍋爐爐型選擇探討[J].南方能源建設(shè)，2015，2（02）：70-75.

作者簡介：郭會(huì)朋（1987.9-）男，漢;山東青州人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：工程設(shè)計(jì)