引言

生物質(zhì)是指來源于植物的有機(jī)物質(zhì),多為樹頭、樹皮、樹枝和木材行業(yè)的副產(chǎn)品。生物質(zhì)燃料種類繁多、特性各異,給生物質(zhì)發(fā)電廠鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文以50Mw生物質(zhì)自燃發(fā)電鍋爐為平臺(tái),研究生物質(zhì)燃料特性對(duì)工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的影響。生物質(zhì)發(fā)電廠可通過提高燃料品質(zhì)和采用合理的配燒辦法,使生物質(zhì)鍋爐保持在較為穩(wěn)定的工況下運(yùn)行,并創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)現(xiàn)安全和效益的雙贏。

1設(shè)備介紹

本文研究的50Mw生物質(zhì)自燃發(fā)電鍋爐為華西能源工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為Hx220-9.8-IV1的高溫高壓、單汽包、汽水自然循環(huán)、平衡通風(fēng)的循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐的額定蒸發(fā)量為220t/h,額定蒸汽出口壓力為9.8MPa,額定蒸汽出口溫度為540℃。設(shè)計(jì)燃料為校樹的皮、葉、根、枝,木材邊角料,甘蔗渣和其他農(nóng)林廢棄物。燃料消耗量設(shè)計(jì)值為49t/h,實(shí)際燃料消耗量為60t/h。鍋爐對(duì)燃料的顆粒度要求小于150mm×80mm×50mm。

2常用的生物質(zhì)燃料

生物質(zhì)燃料以樹皮和木質(zhì)材料為主,根據(jù)地理位置和區(qū)域的產(chǎn)業(yè)鏈有所不同。以廣東省湛江市為例,常用的生物質(zhì)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(chǎn)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(zhì)燃料的全水分和熱值可參考表1。

3生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素

生物質(zhì)燃料因品種繁多和特性各異,在生產(chǎn)中對(duì)生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行影響很大。生物質(zhì)燃料構(gòu)成多變,且燃料顆粒度從4cm至30cm不等,極端情況下甚至有50cm長(zhǎng)的燃料進(jìn)入爐內(nèi),這就決定了生物質(zhì)鍋爐難以保持穩(wěn)定運(yùn)行。

然而,盡管燃料復(fù)雜多變,要實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行,在燃料環(huán)節(jié)需要把控的只有兩點(diǎn):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(zhì)燃料水分和熱值區(qū)別較大,且生物質(zhì)鍋爐一般都是小容量鍋爐,其穩(wěn)定性較差,所以當(dāng)不同的生物質(zhì)燃料進(jìn)入爐內(nèi)時(shí),鍋爐的工況馬上會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)燃用熱值高、水分低的燃料時(shí),鍋爐將快速升溫升壓,容易使汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的出力達(dá)到最大限值,生產(chǎn)中可以采取運(yùn)行調(diào)整措施避免此情況,如調(diào)節(jié)二次風(fēng)量和下料量,進(jìn)而降低機(jī)組出力。當(dāng)燃用熱值低、水分高的燃料時(shí),除機(jī)組出力顯著下降,還會(huì)引起一系列的問題。此類燃料將打破鍋爐穩(wěn)態(tài),并快速消耗鍋爐內(nèi)的氧氣,鍋爐床溫快速下降,燃燒工況變差,還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的環(huán)保參數(shù)異常。此時(shí)如運(yùn)行人員干預(yù)調(diào)整,鍋爐將在缺氧和富氧之間波動(dòng),導(dǎo)致氮氧化物和二氧化硫快速上升,存在環(huán)保參數(shù)超限的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此情況,除調(diào)整風(fēng)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(dòng)性好的燃料,使鍋爐重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

3.2保持下料順暢

生物質(zhì)鍋爐的給料系統(tǒng)采用螺旋式給料機(jī),因燃料的顆粒度差別較大且燃料中含有雜質(zhì),要實(shí)現(xiàn)燃料順暢進(jìn)入鍋爐并不容易。如果能保持燃料的顆粒度在10cm以內(nèi),且燃料的流動(dòng)性較好,實(shí)現(xiàn)順暢給料不成問題。但在實(shí)際生產(chǎn)中,因?yàn)槿剂鲜怯深w粒度4～30cm的不同生物質(zhì)燃料混合而成,所以經(jīng)常出現(xiàn)燃料流動(dòng)性變差和給料機(jī)故障等問題,不僅給運(yùn)行調(diào)整帶來了困難,而且很大程度上破壞了生物質(zhì)鍋爐的穩(wěn)態(tài)。出現(xiàn)此問題時(shí),運(yùn)行調(diào)整需要更換燃料,盡快處理給料機(jī)異常,調(diào)整燃燒參數(shù)。比起處理辦法,更重要的是如何防范問題發(fā)生。生物質(zhì)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(dòng)性越差,越難順暢下料。在燃料進(jìn)廠環(huán)節(jié),通過質(zhì)檢控制生物質(zhì)燃料的顆粒度,保證進(jìn)廠燃料顆粒度在合格范圍內(nèi)。在上配料環(huán)節(jié),需要合理使用破碎機(jī)和成品給料機(jī)。對(duì)于顆粒度大的燃料,必須使用破碎機(jī)進(jìn)行破碎。同時(shí),要關(guān)注破碎機(jī)的設(shè)備狀況,及時(shí)修復(fù)磨損的破碎機(jī)刀軸,以免破碎效果差導(dǎo)致下料不暢的問題。

(2）控制燃料的雜質(zhì)。生物質(zhì)燃料一般在山地、田地、木材加工場(chǎng)等易攜帶雜質(zhì)的場(chǎng)所進(jìn)行收集,這決定了生物質(zhì)燃料含有較多的雜質(zhì)。雖然供應(yīng)商會(huì)在收集燃料時(shí)清除雜質(zhì),但因?yàn)槿剂闲枨罅看?往往難以清除全部雜質(zhì)。在燃料進(jìn)廠環(huán)節(jié),通過質(zhì)檢控制燃料雜質(zhì),防止雜質(zhì)多的燃料入廠。在廠內(nèi)環(huán)節(jié),通過人工清除雜質(zhì)和上配料時(shí)避開大塊雜質(zhì)的辦法,減少入爐的雜質(zhì)。此外,在上料皮帶處增設(shè)除鐵器,及時(shí)清除燃料內(nèi)的鐵塊和鐵釘?shù)冉饘匐s質(zhì),也能有效減少隨燃料進(jìn)入爐內(nèi)的雜質(zhì)。

(3）入爐燃料預(yù)混合。由于每種燃料的顆粒度不同,將粗細(xì)不同的燃料混合后,能有效改善燃料的流動(dòng)性,實(shí)現(xiàn)下料順暢。在燃料進(jìn)入上料系統(tǒng)前,通過預(yù)混合不同的燃料,使某一時(shí)段的燃料品質(zhì)穩(wěn)定且具有適中的流動(dòng)性,對(duì)保持生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行具有顯著的幫助。在實(shí)際生產(chǎn)中,人工使用機(jī)械混合燃料的效果較差,波動(dòng)性較大:而通過機(jī)械式的撥料器能較好地混合不同品種的生物質(zhì)燃料。

4適合生物質(zhì)鍋爐的配燒辦法

每種生物質(zhì)燃料熱值、水分、顆粒度和價(jià)格各不相同,對(duì)生物質(zhì)發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)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(jià)格低廉,合理使用將為生物質(zhì)電廠帶來不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。干燃料類(如建筑廢料、木材加工副產(chǎn)品等）屬于水分低、熱值高的燃料,雖然其價(jià)格較高,但其易燃燒且流動(dòng)性好,在處理異常工況和維持機(jī)組良好出力方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由此可見,使用單一的生物質(zhì)燃料難以滿足生產(chǎn)需要,將不同的生物質(zhì)燃料混合,能實(shí)現(xiàn)鍋爐穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)效益之間良好的平衡。

基于廣東省湛江市生物質(zhì)燃料供應(yīng)市場(chǎng)的實(shí)際情況,并結(jié)合長(zhǎng)周期的試驗(yàn),對(duì)于50Mw的生物質(zhì)鍋爐,樹皮:干燃料=4:6是較好的配燒辦法。其中,樹皮類燃料由散樹皮和碎樹皮組成,干燃料由木尾、木邊皮、建筑廢料、木材加工副產(chǎn)品組成。干燃料根據(jù)市場(chǎng)變化和季節(jié)變更而有所不同,但只要保持干燃料的比例并和樹皮類燃料混合均勻,鍋爐便能較為平穩(wěn)地運(yùn)行。實(shí)際生產(chǎn)中,燃料的水分和熱值還會(huì)受到天氣影響。在雨季,生物質(zhì)燃料在源頭處就已增加了水分,更容易出現(xiàn)燃料整體含水偏高導(dǎo)致燃燒工況變差的問題。在干燥季節(jié),所有燃料的含水量都比雨季低,生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行工況較好,較少發(fā)生問題。所以,樹皮:干燃料=4:6不是一成不變的配燒辦法,需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的燃料品質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。如果燃料水分較高,則適當(dāng)增加干燃料的比例:如果燃料水分較低,則適當(dāng)增加樹皮類燃料。這樣才能在保持鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí),創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5燃用某些生物質(zhì)燃料的常見問題

生物質(zhì)燃料特性各不相同,在生產(chǎn)中將產(chǎn)生不同的問題,對(duì)生物質(zhì)鍋爐造成不同影響。在曾使用的30多種生物質(zhì)燃料中,以下燃料容易出現(xiàn)一些問題:

(1）散樹皮。散樹皮是散裝的樹皮,燃料長(zhǎng)度30～80cm,質(zhì)地較韌,需要破碎才能使用。增加散樹皮的用量將使燃料的流動(dòng)性明顯變差,容易造成爐前給料機(jī)堵料和卡澀的問題。解決辦法:控制散樹皮用量不超過燃料總量的20%,且要求散樹皮的破碎效果良好,并與其他碎料混合均勻后再供應(yīng)到給料系統(tǒng)。

(2）碎樹皮。碎樹皮是已經(jīng)破碎至直徑0.5～6cm的樹皮,這種燃料的全水分高達(dá)50%,品質(zhì)較為一般。增加碎樹皮的比例將使入爐燃料的水分顯著提高,機(jī)組出力明顯下降,燃燒工況變差。解決辦法:控制碎樹皮用量不超過燃料總量的20%,且碎樹皮到廠后可放置一段時(shí)間再使用,以降低其含水量。使用碎樹皮要與干燃料混合均勻,避免短時(shí)間內(nèi)大量的碎樹皮入爐,破壞鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)。

(3）建筑廢料。建筑廢料是建筑行業(yè)用完的邊角材料,熱值特別高,但常含有鐵釘和水泥塊等雜質(zhì)。一旦建筑廢料用量增大至燃料總量的10%以上,排渣系統(tǒng)將無法有效排出所有雜質(zhì),進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐流化不良。解決辦法:提高除鐵器的除鐵效率,并控制建筑廢料的用量。如鍋爐出現(xiàn)流化不良的情況,可通過置換床料和加大一次風(fēng)量進(jìn)行擾動(dòng)的辦法改善鍋爐工況。

(4）樹頭。樹頭是樹木的根部,熱值較高,但含泥量高,且常存在規(guī)格嚴(yán)重超標(biāo)的情況。樹頭常導(dǎo)致生物質(zhì)鍋爐床壓快速升高進(jìn)而流化不良的現(xiàn)象,同時(shí)塊狀的樹頭會(huì)引起給料機(jī)卡澀和跳閘的問題。解決辦法:控制樹頭用量,并對(duì)樹頭進(jìn)行充分破碎,再供應(yīng)到給料系統(tǒng)。

6結(jié)語(yǔ)

本文立足于50Mw生物質(zhì)自燃發(fā)電鍋爐,分析了在燃料方面影響生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的因素,提出了控制燃料水分和保持下料順暢兩點(diǎn)關(guān)鍵因素,總結(jié)了樹皮:干燃料=4:6這個(gè)適用于生物質(zhì)鍋爐的配燒辦法,并指出了某些生物質(zhì)燃料易引起的問題及其解決辦法,可供工業(yè)生產(chǎn)的生物質(zhì)鍋爐借鑒。生物質(zhì)發(fā)電作為新能源和環(huán)保能源,為國(guó)家節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn),生物質(zhì)電廠可以通過控制燃料質(zhì)量和合理配燒燃料,實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行和生物質(zhì)發(fā)電盈利的雙贏局面。