生物質成型燃料的爐前給料方案分析

匡 辰

(北京電力設備總廠有限公司，北京 102488)

0 引言

生物質發電工藝分為直接燃燒發電、混合燃燒發電、生物質氣化發電和沼氣發電等不同類型，其中，直接燃燒發電應用最為普及和高效[1]。

隨著生物質發電的推廣，生物質電廠逐漸增多，電廠機組功率逐漸增大，而電廠周邊的秸稈等生物質資源并不能滿足電廠生產需求，需要從更遠距離的地方收集生物質燃料。秸稈散料不易遠途運輸和存儲，因此，將秸稈進行壓縮加工制成生物質壓塊燃料就是解決辦法之一。生物質壓塊燃料具有體積小、污染低、密度高、可燃性強、易于儲存和運輸、高揮發性等優點，可以有效解決生物質電廠燃料供給問題[2]。

生物質壓塊廣泛適用于取暖、鍋爐、生物質發電廠和物質烘烤等多個行業，但是目前國內使用生物質成型燃料作為主要燃料的電廠還比較少，輸送生物質成型燃料的爐前給料系統的設計和項目實踐不足[3-4]。本文通過調研國內穩定運行的4個生物質電廠，結合爐前給料廠家的設計經驗，針對使用生物質成型燃料作為生物質鍋爐主要燃料的爐前給料系統提出4種設計方案，包括：1)方案一：二級風壓式給料；2)方案二：三級螺旋推入式給料；3)方案三：輸送帶自重式給料；4)方案四：二級螺旋推入式給料。通過分析比較四種方案的優點和缺點，以期為生物質成型燃料電廠設計提供支撐。

1 生物質成型燃料物理特性

現有生物質成型燃料電廠的上料方案是借鑒生物質粉碎燃料(如稻殼、破碎秸稈、鋸末等)結合建筑垃圾燃料(如碎木料)等上料系統進行設計的。這些燃料的物理特性和生物質成型燃料較相似，但也存在差別，例如：相較于破碎秸稈，生物質成型燃料沒有其易蓬料、易纏繞的特點；和碎木料相比，生物質成型燃料的抗破碎性又不如碎木料，從高處跌落時容易粉碎，從而造成燃料浪費。

生物質成型燃料熱值在3 900～4 300 kcal，高于生物質破碎燃料3 200～3 800 kcal，但是小于碎木料的4 300～4 500 kcal，而干燥黃秸稈的堆積密度一般在30～50 kg/m3，碎木料和生物質成型燃料的堆積密度在600 kg/m3左右[5]，因此，生物質成型燃料上料方案出力方面可以參考碎木料的上料方案，結合其自身的燃燒特性和物理特性，對上料方案進行改進。

2 二級風壓式給料

某電廠設計為2×130 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐(一用一備)+1×30 MW高溫高壓抽凝式汽輪機發電機組，使用生物質成型燃料和生物質粉碎燃料混合作為鍋爐燃料。該電廠爐前給料方案為“爐前料倉+撥料器+小料斗+無軸輸料螺旋”，屬于二級風壓式給料，系統流程為：料倉→梅花撥料器→小料斗→輸料螺旋→防火門→閘板→鍋爐，如圖1和圖2所示。

圖1 方案一主視圖

圖2 方案一左視圖

料棚中的堆料，通過上料設備進入爐前給料系統大料倉中，梅花撥料器將物料散布到下級小料倉中；小料倉里的物料被輸料螺旋推送至溜槽。物料在輸料風的作用下，通過防火門和閘板進入鍋爐。

方案一的優勢分析：1)料倉大，可防止鍋爐燃料供給突然中斷造成事故；2)輸料螺旋使用有軸螺旋，提高了系統強度；3)當輸料螺旋使用無軸螺旋時，可以混摻秸稈散料，適應能力較高；4)進料管為豎直布置，有效利用重力給料；5)系統整體承載面間距較小，有效防止由于跌落導致的成型燃料破碎的問題。

方案一的缺點分析：1)使用的塊狀物料可能會壓實，梅花撥料器無法將物料撥開，導致料倉堵料；2)梅花撥料器并不能均勻地將物料塊散布，可能會導致下方小料倉受料不均；3)防火門往復運動，易發生機械故障而失效。

3 三級螺旋推入式給料

某電廠設計為2×130 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐+2×40 MW高溫高壓中間再熱抽氣凝氣式汽輪機發電機組，主要使用生物質成型燃料或農林塊狀燃料作為鍋爐燃料。該電廠爐前給料方案為“爐前料倉+承載螺旋+取料螺旋+給料螺旋”，屬于三級螺旋推入式給料，系統流程為：料倉→承載螺旋→取料螺旋→閘板→給料無軸螺旋→鍋爐，如圖3和圖4所示。

圖3 方案二主視圖

圖4 方案二左視圖

料棚中的堆料，通過上料設備進入爐前給料系統大料倉中，承載螺旋將物料散布到下級小料倉中；小料倉里的物料被輸料螺旋推送至溜槽；物料在重力作用下，進入給料無軸螺旋；再由給料螺旋推入鍋爐。

方案二的優勢分析：1)料倉大，可防止鍋爐燃料供給突然中斷造成事故；2)承載螺旋對物料的攪動較大，料倉不易堆料；3)末端由給料螺旋供料，能形成料栓，堵住鍋爐進料扣，系統密封性好。

方案二的缺點分析：1)承載螺旋容易將物料推至料倉一端，導致一端物料過多，布料不均，甚至可能導致承載螺旋或取料螺旋卡死；2)由于承料螺旋為有軸螺旋，容易纏料，故并不適合添加散料混燒；3)系統相對復雜，易出現故障；4)末端給料螺旋如果故障，不便檢修，只能停爐檢修；5)承載螺旋對物料的攪動過大時，成型燃料容易發生破碎。

4 輸送帶自重式給料

某電廠生物質鍋爐為150 t/h高溫超高壓高低差速循環流化床鍋爐，配1臺30 MW汽輪機發電組，主要燃料為生物質成型燃料。該電廠爐前給料方案由“爐前料倉+給料輸送帶+星形給料機”組成，屬于輸送帶自重式給料，系統流程為：料倉→取料螺旋→給料輸送帶→星形給料器→閘板→鍋爐，如圖5和圖6所示。

圖5 方案三主視圖

圖6 方案三左視圖

料棚中的堆料，通過上料設備進入爐前給料系統大料倉中，直接被取料螺旋推送至給料輸送帶；給料輸送帶將物料送至星形給料機，星形給料機定量給鍋爐上料；物料在重力的作用下，通過閘板進入鍋爐。

方案三的優勢分析：1)料倉大，對輸送系統輸送的燃料具有很大的緩沖作用；2)使用帶式輸送機給料減少了物料纏繞風險；3)末端由星形給料機給料，系統密封性較好；4)取料螺旋使用無軸螺旋，可以適當摻加散料，適應性較強。

系統缺點分析：1)只有一級取料螺旋，物料散布不均；2)帶式輸送機為開式傳輸，密封性不好，容易反火和揚灰；3)星形給料機可以對爐火密封，但是不適合大量散料進入，易發生纏繞；4)帶式輸送機需要做防塵處理和張緊結構，結構較復雜。

5 二級螺旋推入式給料

某電廠選用130 t/h高溫超高壓循環流化床鍋爐，配1臺30 MW汽輪機發電組，使用生物質成型燃料和少量生物質粉碎燃料，屬于二級螺旋推入式給料，系統流程為：小料倉→取料螺旋→閘板→給料螺旋→鍋爐，如圖7和圖8所示。

圖7 方案四主視圖

圖8 方案四左視圖

料棚中的堆料，通過上料設備進入爐前給料系統小料倉中，直接被取料螺旋推送至溜槽；最后給料螺旋直接將物料推入鍋爐。

方案四的優勢分析：1)料倉較小，具有一定存料作用，同時減少塊狀物料堆積導致的堵塞；2)末端由給料螺旋供料，能形成料栓，有效地堵住鍋爐進料口，系統密封性好；3)給料為無軸螺旋，也可全部使用散料，物料的適應性好；4)結構簡單，故障容易處理。

系統缺點分析：1)料倉較小，當散料混摻較多時，緩沖性降低，對燃料輸送系統穩定性要求增加；2)小料倉對鍋爐燃燒的燃料保障性能下降，對系統整體給料穩定性要求提高；3)給料螺旋為單懸臂支承，對于螺旋強度要求較高。

6 方案比較

本文提出的方案是從鍋爐房爐前給料部分開始直至燃料進入鍋爐的部分，沒有涉及燃料從料棚到給料機這部分燃料輸送系統的研究。對4個方案進行比較，分析得到各個方案的適用范圍，分述如下：

1)方案一：當輸料螺旋使用有軸螺旋時，螺旋強度得到提高，系統穩定性較強；使用無軸螺旋時，可以適用生物質粉碎燃料供給，方案拓展性較高。但溜槽后靠輸料風和重力給料，給料的可靠性較低，風速較高時，對溜槽的磨損較大。該方案適合在爐壓爐溫較低的鍋爐，對生物質粉碎燃料混合量要求較大的場合使用；

2)方案二：承載螺旋配合大料倉具有很高的緩沖能力，無軸給料螺旋可以很好的密封住爐膛火焰，防止反火。但系統螺旋較多，系統復雜度高，給料螺旋無法在生產中檢修，維護成本較高，對燃料本身要求也較高，因此，燃料的經濟成本也會提高，該方案適用于使用爐壓爐溫較高的鍋爐，同時對燃料供給穩定性要求較高的電廠；

3)方案三：使用帶式輸送機作為傳輸方式，基本不會出現堵料的情況，但同時輸送生物質粉碎燃料時，會產生團料和撒料等問題。帶式輸送機結構為開放式，需增加輔助設備降低灰塵和輸送帶張緊，整體設備變復雜。該方案適用于負載壓力大、對燃料供給連續性要求高的電廠；

4)方案四：使用小料倉能夠有效減少堆積堵料的情況，可以降低料倉堵料、爆燃的風險[6]。二級螺旋的配置可以在滿足生物質成型燃料輸送的同時，適用于生物質粉碎燃料給料。系統結構較為簡單，但對燃料輸送系統穩定性要求較高，當生物質粉碎燃料比例增加時，可能會導致給料速度不均勻的問題。該方案適合生物質成型燃料混合少量生物質粉碎燃料，使用爐溫爐壓較高鍋爐的電廠應用。

結合上述分析，可以得出：

1)使用無軸螺旋進行最末端給料時，具有較高的密封效果，對于爐壓爐溫較高的鍋爐比較適合，但要注意無軸螺旋的制造加工工藝和材質選擇，提高其可靠性，同時生物質成型燃料休止角大、流動性能差，容易堵塞螺旋給料機進出料口[7]，設計人員應與螺旋給料機廠家溝通；

2)料倉尺寸越大，則對物料均勻輸送越有利，但同時越大的料倉尺寸越容易發生堆料和爆燃的情況，需要增加輔助機構以降低堆料可能，設計人員需綜合考慮；

3)中間螺旋級數越多越有利于燃料均勻輸送，但同時增加了發生故障的風險；

4)對于連續給料要求高的鍋爐，帶式輸送效果更好，但是對破碎燃料可能會發生團料等問題。設計人員可以綜合考慮項目實際進行靈活組合。

7 結語

本文針對使用生物質成型燃料作為主要燃料的電廠，研究其爐前給料方案，其中，鍋爐為額定蒸發量在130～150 t/h的高溫超高壓循環流化床鍋爐，屬于目前主流的生物質鍋爐選型，因此，方案具有較高的代表性。文中系統梳理了4個運行生物質電廠的爐前給料方案，從各方案的系統流程和適用燃料類型，分別對其優點和缺點進行了分析總結，提出了各方案的適用范圍，總結了給料系統各子單元的特點，提出了通用性的結構建議，為設計人員確定電廠爐前給料方案提供參考。