生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電給料系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及應用

邱韜，徐亞南，劉俊，王琦瑞，溫小萍，王發(fā)輝，陳國艷

（1.湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441141；2. 河南理工大學機械與動力工程學院，河南 焦作 454003）

近年來，隨著煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的逐漸消耗及其利用過程中帶來的環(huán)境污染等問題日趨加重，生物質(zhì)能源逐漸受到研究人員的高度關(guān)注。在眾多生物質(zhì)能源利用技術(shù)中，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)將秸稈等原料氣化為可燃氣后送至燃煤鍋爐中進行耦合燃燒發(fā)電，被認為是未來的主要應用技術(shù)之一。

目前國內(nèi)生物質(zhì)氣化所采用的爐型一般包括固定床氣化爐和流化床氣化爐。但是固定床氣化爐由于生產(chǎn)能力小、焦油產(chǎn)量大、氣化效率低并且不能進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)等缺點并未得到大規(guī)模的應用。而流化床氣化爐由于氣化效率高、原料適應范圍廣、合成氣焦油含量低并可以大規(guī)模工業(yè)化應用等優(yōu)點成為氣化的首選方式。在生物質(zhì)氣化過程中，必須確保原料輸送的密封性、連續(xù)性。

然而，由于秸稈原料結(jié)構(gòu)疏松、水份含量高、纖維韌性高，容易出現(xiàn)物料堵塞，無法實現(xiàn)秸稈原料的穩(wěn)定進料，而且在給料過程中容易出現(xiàn)縫隙致使密封性下降，尤其當系統(tǒng)處于負壓運行時，會導致空氣通過進料器進入燃燒裝置或氣化裝置，影響燃燒裝置或氣化裝置內(nèi)部的整個流場，導致氣化爐偏離設(shè)計方向運行，氣化爐密封性不好爐內(nèi)容易發(fā)生爆炸，產(chǎn)生安全隱患。在很大程度上限制了生物質(zhì)氣化方面的應用，嚴重時由于氣化爐密封性不好容易使爐內(nèi)發(fā)生爆燃，引發(fā)嚴重的安全事故。

本文針對生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電給料系統(tǒng)存在的容易堵塞、啟動困難、密封不嚴、容易回火等技術(shù)難題，設(shè)計和改進了生物質(zhì)給料系統(tǒng)的技術(shù)工藝，并在湖北華電襄陽發(fā)電有限公司進行了成功應用。

1 問題提出

湖北華電襄陽發(fā)電有限公司生物質(zhì)氣化爐設(shè)計容量為8t/h生物質(zhì)原料，其中50%為稻殼，50%為成型燃料（原料為農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)廢棄物）。給料系統(tǒng)設(shè)計為雙上料系統(tǒng)：一條給料系統(tǒng)為稻殼給料，一條給料系統(tǒng)為秸稈給料。本次改造的項目是秸稈給料系統(tǒng)。由于現(xiàn)有秸稈給料系統(tǒng)容易出現(xiàn)物料堵塞現(xiàn)象，無法實現(xiàn)多樣性生物質(zhì)原料的穩(wěn)定給料。即使單一的成型給料，其均勻性和線性度偏差較大，而且料位缺乏監(jiān)控，造成給料量及負荷波動大。另外，由于秸稈生物質(zhì)物料流動性差,空隙率大,螺旋輸送機采用傳統(tǒng)等螺距結(jié)構(gòu)且水平布置，造成螺旋輸送機存在漏空氣、葉片本身卡塞問題，致使給料系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、密封不嚴，而且由于原電機選型力矩較小，在運行中易卡死,難以滿足生物質(zhì)氣化爐穩(wěn)定經(jīng)濟運行。

鑒于秸稈給料系統(tǒng)存在上述的多個嚴重問題，同時考慮到目前襄陽及周邊地區(qū)的稻殼市場價格較高、而其它生物質(zhì)原料的成型壓塊成本也較高等突出問題，為了切實提高生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電的經(jīng)濟性，必須對生物質(zhì)氣化爐秸稈給料系統(tǒng)進行改造。結(jié)合襄陽公司現(xiàn)場實際情況，擬將原有的1臺生物質(zhì)氣化爐秸稈給料系統(tǒng)改造為1臺多樣性生物質(zhì)給料系統(tǒng)，最大連續(xù)給料量不低于4.0t/h，能夠適用秸稈、木片、玉米芯等多種不成型生物質(zhì)原料，即實現(xiàn)多樣性生物質(zhì)給料。

2 技術(shù)工藝改進

2.1 給料螺距結(jié)構(gòu)優(yōu)化

輸送機是靠旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片推移滑行進行物料輸送的。傳統(tǒng)生物質(zhì)進料裝置往往采用等螺旋進料機，如圖1（a）所示，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，容易出現(xiàn)物料堵塞現(xiàn)象，而且物料與螺旋葉片之間的摩擦力較大，如果采用變頻電機，在啟動時啟動力矩過小,無法完成正常啟動,嚴重影響生物質(zhì)氣化爐的啟動和調(diào)整,難以滿足生物質(zhì)氣化爐安全經(jīng)濟運行。為了有效防止進料發(fā)生堵塞現(xiàn)象，本文創(chuàng)新性地將傳統(tǒng)等螺旋進料機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，即采用導程為遞加漸進式的螺旋輸送機，如圖1（b）。

圖1 給料螺旋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

此外，采用變頻恒矩調(diào)速電機替代原有的螺旋輸送電機，配套擺針輪式減速器和聯(lián)軸器，可以有效解決啟動力矩過小造成無法正常啟動的問題；螺旋輸送機支撐方式由單端軸承支撐改為兩端軸承支撐。螺旋輸送機加工及安裝精度需確保足夠的同心度，以確保螺旋輸送機的運行可靠性。采用變頻恒矩調(diào)速電機替代原有的螺旋輸送電機，配擺針輪式減速器1臺和聯(lián)軸器成套，進一步保障生物質(zhì)進料運行穩(wěn)定性保障氣化爐進料的連續(xù)性和均勻性。

2.2 進料密封優(yōu)化

生物質(zhì)氣化爐產(chǎn)生燃氣的物料顆粒度較大，且質(zhì)地疏松，存在很大的間隙，使氣化裝置和進料器之間的氣密性差，影響進料器的正常工作。進料器和氣化裝置之間密封不好會引起一系列的問題：當系統(tǒng)處于負壓運行時，會導致空氣通過進料器進入燃燒裝置或氣化裝置，影響燃燒裝置或氣化裝置內(nèi)部的整個流場，嚴重時會引起爆燃、爆炸。當系統(tǒng)處于正壓運行時，燃燒裝置或氣化裝置的氣體會通過進料器逸出，使物料難以進入氣化爐，嚴重時有可能引燃物料，給氣化爐安全生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。由于生物質(zhì)物料流變性能低、空隙率大，螺旋輸送機如果采用傳統(tǒng)的水平布置，如圖2（a），將造成螺旋輸送機上部空間不能充滿物料，造成漏空氣，致使進料系統(tǒng)密封不嚴，影響氣化爐內(nèi)的氧氣分布，嚴重的還將引發(fā)回火，甚至生物質(zhì)氣體爆燃事故。為了解決給料密封問題，項目組將螺旋給料機采用負傾角度布置方式替代原來的水平布置方式，即螺旋輸送電機垂直位置下移、靠近氣化爐側(cè)的螺旋輸送機適當上移。給料系統(tǒng)如果采用負傾角布置，將有效解決給料系統(tǒng)密封不嚴、容易回火等問題，進而保障給料系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖2 給料螺旋的不同布置方法

2.3 原料倉結(jié)構(gòu)改造

生物質(zhì)料倉底部一般為四角錐結(jié)構(gòu)，底部出口面積較小，而且由于生物質(zhì)原料纖維較多、濕度較大，容易出現(xiàn)搭橋起拱，料倉出現(xiàn)堵料現(xiàn)象。為了防止料倉發(fā)生堵塞，將原料倉底部進行局部切除，以增加給料口橫截面面積和垂直空間，保證下料運行順暢，生物質(zhì)原料倉改造前后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 原料倉結(jié)構(gòu)改進

此外，給料系統(tǒng)在長期連續(xù)給料過程中，料倉里的物料由于積壓而起拱，經(jīng)常會堵住料倉底部的出口。因此，采用穩(wěn)定可靠的料倉破拱裝置對保證料倉粉末物料的連續(xù)穩(wěn)定的出料非常重要。料倉物料的破拱方法主要有激振器、敲擊錘、空氣泡等。但常用激振器、敲擊錘，經(jīng)常會造成料倉內(nèi)物料進一步壓實，料倉內(nèi)物料起拱可能有時反而加大；空氣炮則需要配置專門的壓縮空氣裝備。綜合考慮，本文給料系統(tǒng)采用機械式擾動破拱裝置，即在料倉斜面、電動閘板閥上、下三個位置分別安裝擾動裝置（共三個擾動裝置），并在料倉的錐形板上加裝振動器，防止出現(xiàn)原料內(nèi)部搭橋現(xiàn)象。它由帶減速器的電動機及其支架、帶支座的軸承、聯(lián)軸器、驅(qū)動軸及交叉或垂直固定在驅(qū)動軸上的攪動桿組成，攪動桿上焊有撥料板，驅(qū)動軸水平設(shè)置在料倉錐體橫截面長軸方向的對稱中心線上，其一端由聯(lián)軸器與電動機減速器的輸出端同軸線聯(lián)接。

3 改進效果及應用情況

3.1 改進效果

將傳統(tǒng)等螺旋進料機進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即采用導程為遞加漸進式的螺旋輸送機替代原有的等螺距螺旋輸送機，并采用變頻恒矩調(diào)速電機替代原有的螺旋輸送電機，有效解決了進料系統(tǒng)堵塞問題，同時避免了啟動力矩過小造成無法正常啟動的問題，保障氣化爐進料的連續(xù)性和均勻性。

螺旋進料機采用負傾角度布置方式替代原來的水平布置方式，即螺旋輸送電機垂直位置下移、靠近氣化爐側(cè)的螺旋輸送機適當上移；進料系統(tǒng)后續(xù)改造如果采用負傾角布置，有效解決了進料系統(tǒng)密封不嚴、容易回火等問題。

3.2 應用情況

改進后的生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電給料系統(tǒng)物料在湖北華電襄陽發(fā)電有限公司進行了應用。應用結(jié)果表明，改進后的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)，解決了生物質(zhì)原料單一問題，秸稈原料無需壓塊，每噸原料可節(jié)省進料成本280元及壓塊電費、人工費40元，每年節(jié)約生物質(zhì)原料成本約640萬元，每年消納秸稈約2萬噸，有效解決了秸稈禁燒問題，保護了資源環(huán)境，取得了顯著社會效益和經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

（1）從優(yōu)化生物質(zhì)給料螺距、負傾角螺旋布置、原料倉結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，對生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電給料系統(tǒng)進行了技術(shù)工藝改進，解決了生物質(zhì)給料系統(tǒng)存在的容易堵塞、啟動困難、密封不嚴、容易回火等技術(shù)難題。

（2）改造后生物質(zhì)給料系統(tǒng)能夠適用秸稈、木片、玉米芯等多樣性生物質(zhì)原料，而且生物質(zhì)原料不需要成型壓塊，只需進行初級切割處理，解決了生物質(zhì)原料單一問題，節(jié)省了生物質(zhì)進料成本、壓塊電費及人工費用，社會和經(jīng)濟效益顯著。