生物质锅炉纯秸杆发电的运行调整实践

摘要：针对生物质电厂秸杆类燃料不能大量使用存在的问题，在某生物电厂水冷振动炉排锅炉上进行了纯秸杆生物质燃料发电的燃烧调整与分析工作，观察、分析纯秸杆掺烧中排振动、一二次风的调整对各参数的影响，结果表明，通过优化调整，水冷振动炉排锅炉能够进行纯秸杆烧烧发电，各项参数基本正常；加强秸杆燃料的粒度、水分、灰分的控制和一二次风的控制，对于大量焚烧秸杆，是非常必要的，为生物质锅炉大量焚烧秸杆及锅炉设计、改造有提供了参考。

关键词：生物质；水冷振动炉排；秸杆；燃烧调整

1 引言

生物质直燃发电技术在中国发展已十余年，主要形成了以流化床燃烧、振动炉排燃烧、往复炉排燃烧、链条炉燃烧等几种方式，发电技术日殝成熟，秸杆作为轻质生物质，具有广阔的种植面积，因在锅炉燃烧过程中问题的存在，目前纯秸杆的燃烧技术还不是很理想，一般生物质电厂的秸杆所占比例，还不到所发电燃料的50%，严重限制了秸杆的充分利用和影响了生物发电企业的经济效益，随着国家发改委会同环保部和农业部下达加强农作物秸秆 综合利用和禁烧工作的通知和国家发改委、国家能源局等16部委联合下发关于推进供给侧结构性改革防范化解煤电产能过剩风险的意见的落实，为生物质发电带来了空前的利好，秸杆禁烧政策的落实，为秸杆的收集带来了利好，加强秸杆的充分利用，加大纯秸杆发电力度显得更加迫切，一方面政府禁烧，秸杆类燃烧必须找到出路，生物发电厂秸杆利用是不二选择，另一方面秸杆发电可降低发电成本，为生物质发电提供可持续发展的潜力，在相关研究领域，主要要针对秸杆燃烧理论的是固定床的秸杆燃烧特性及往复炉排燃烧的相关理论研究，对水冷振动炉排的研究还不多，利用纯秸杆发电在运行调整中存在带不满负荷、主汽温度偏低、冒正压等情况，导致对大量烧秸杆存在畏难情绪。目前国能生物发电公司发电项目，均是引进丹麦技术、水冷振动炉排锅炉，黄杆锅炉主要设计燃料为小麦秸杆或者为棉杆等，与实际入炉燃料均存在较大差异大，导致入炉秸杆类燃料比例低的问题，因此，进行生物质锅炉纯秸杆发电的燃烧运行调整，为纯秸杆的高效燃烧发电提供依据和经验，具有重要的理论意义和实用价值。

2、设备规范

2.1实验锅炉设备简介

本锅炉是采用丹麦引进的生物燃料燃烧技术的48t/h振动炉排高温高压蒸汽锅炉。锅炉型号为YG-48/9.2-T，锅炉为高温、高压参数自然循环炉，单锅筒、单炉膛、平衡通风、室内布置、固态排渣、全钢构架、底部支撑结构型锅炉。本锅炉设计燃料为小麦秸杆，可烧玉米秸杆、棉花秸杆等生物质燃料。锅炉采炉前螺旋前墙给料、振动炉排的燃烧方式。锅炉汽水系统采用自然循环，炉膛外集中下降管结构。该锅炉采用“M”型布置，炉膛和过热器通道采用全封闭的膜式壁结构。过热蒸汽采用四级加热，三级喷水减温方式。尾部竖井内布置有一级过热器、三级省煤器、四级烟气冷却器。空气预热器布置在烟道以外，采用给水加热的方式。

送风系统为室外风被送风机输送到空气预热器加热，然后被配送到炉排下部一次风、炉前给料点火风、前后墙二次风和燃尽风4个系统中，这些一次风、二次风、点火风及燃尽风均有电动或手动调节风门进行调节。炉排水冷壁安装在炉排支架上，炉排表面向前下倾角与水平夹角为5°，驱动装置的驱动杆上倾角与水平夹角为20°。振动驱动装置的振幅为±5mm，整个炉排为一个风室，风室设一个灰斗，收纳从炉排表面漏下的细灰。

2..2锅炉主要技术经济指标和有关数据

1 额定蒸发量：48t/h

2 额定蒸汽压力：9.2Mpa

3 额定蒸汽温度：540℃

4 额定给水温度：210℃

5 冷风温度：35℃

6 一次风预热温度：189℃

7 二次风预热温度：189℃

8 一、二次风占总风量之比：1：1

9 排烟温度：127℃

10 锅炉热效率：93.5%

11 灰与渣的比率 15：85

12 NOx排放量 <450mg/Nm3

13 CO排放量 <650mg/Nm3

2.3实验样品

采用的生物质样是锦州地区玉米秸秆燃料主要指标如下．

3燃烧调整试验分析：

3.1 秸杆燃料的燃烧特性分析：

秸杆燃料的特点是水分含量大，挥发份高，不同时期燃料含水量不均匀，发热量相对较低，含碳量少，含氢较多（4~6%），实际化验结果表明，水分越高，低位发热量越低。生物质的燃烧与煤的燃烧一样，历经预热干燥阶段、热分解阶段（挥发分析出）、挥发分燃烧阶段、固定碳燃烧阶段和燃尽阶段。当温度达到100℃左右时，生物质表面的自由水和生物质颗粒缝隙的结合水逐渐蒸发出来。水分析出温度比较集中，在150℃左右水分基本析出完毕。[2]生物质继续被加热，温度继续升高，到一定温度时便开始析出挥发分，这个过程实际上是一个热分解反应。秸杆燃料主要由 纤维素 半纤维素 木质素 萃取物等组成，在热解过程中，半纤维素首先热分解（200-260℃），其次是纤维素（240-350℃），最后是木质素（280-500℃）。因此当温度高于200℃时，热解就会发生，物质的热分解动力学表达式为起初析出速度很快，较迅速地析出挥发分的70％-90％，但最后的10％-30％要过较长的时间才能完全析出。随着温度继续提高，挥发分与氧的化学反应速度加快，当升高到一定温度时，挥发分中的可燃气体发生着火燃烧，释放出大量的热能，玉米秆挥发分着火燃烧235℃；当生物质表面燃烧所放出的热能逐渐积聚，会通过热传导和辐射向生物质内层扩散，从而挥发分着火温度使内层生物质也被加热，挥发分析出。析出的挥发分继续与氧混合燃烧，并放出大量的热量，使得挥发分与生物质中剩下的焦炭的温度进一步升高，直到燃烧产生的热量与火焰向周围传递的热量形成平衡。使得气体不断向上流动，边流动边反应形成扩散式火焰。生物质中剩下的固定碳在挥发分燃烧初期被包围着，氧气不能接触碳的表面，经过一段时间以后，挥发分的燃烧快要终了时，一旦氧气接触到炽热的碳，就可发生燃烧反应。

3.2秸杆燃烧的运行与调整

从纯秸杆入炉实际情况来看，在秸杆水分在20%以下时，实际入炉玉米秸杆燃烧接近于设计小麦秸杆燃料，机组可正常满负荷运行，各参数也与设计值基本一致。负荷为12MW，蒸汽温度为540℃，灰渣含碳量均在设计值5~8%左右，稍高于设计值5%以下的要求。现场可观察到剧烈燃烧区在炉排中部，炉膛出口温度在950℃左右，燃烬段在炉排落渣前500mm左右。运行调整中各调节控制重点为：一次风二次风比例保持在 50/50，高端一次风室风门全开，低端一次风室风门开度0~50%，点火风开度在20%，前后墙二次风开度在50%，燃烬风开度在30%，随负荷状况适度控制一次风总量，炉排振动频率在80%频率，炉排振动时间11秒，爬坡时间8秒，停振间隔在280秒，这样很容易满足额定负荷下纯烧秸杆的运行。

随着秸杆含水量的增加，秸杆入炉给料量会逐步加大，才会维持同等条件下的热负荷，这与燃料的低位热值与其燃料的质量的乘积成正比的关系，可观察到炉膛内燃烧段后移，这主要是因为秸杆燃料入炉后，燃料首先被干燥，水分被蒸发，由于秸杆燃料的水分增加，导致燃料水分被蒸发出的时间延长，影响挥发份的析出与燃料的着火，影响火焰锋面向下传播，整个燃烧过程会迟缓，时间延长，这样造成燃料在炉膛前部堆积，燃烧区后移，燃尽段后移，从炉膛中部观火孔可以明显看到，燃料堆积高度已到观察孔下沿。而且由于本锅炉是经螺旋给料，料经过水冷套后，落在高端挠性管上，经过挠性管的振动，将使燃料变得较为松散，松散料燃烧时，挥发分燃烧中心向下部辐射传热过程中，反应区较长，火焰锋面下传相对容易，但其同样体积的燃料少，反应生成热量也少，床层中孔隙较大，辐射传热的热量相对较多地传给相对靠下的燃料和金属壁面，燃烧条件相对差，也影响了秸杆在炉膛内的燃烧。如不及时调整，会导致秸杆内的碳没有充分的燃烧时间，出现燃料烧不尽，燃烧后移，严重时产生燃料在落渣前还有明显火焰，灰渣温度在700℃以上。灰渣含碳量升高至15%左右的情况。

随着入炉秸杆水分的增加，也会观察到炉膛出口温度下降的情况，当入炉秸杆含水量超过35%时，炉膛出口温度会由原来的950℃左右下降至800℃以下，主要原因为主要原因是在燃料的燃烧过程中析出水分造成的热量损失增加，火焰传播速率也随之下降。会使加热床层上燃料的有效热量减少，床温会逐步降低，炉膛温度同比降低，有研究表明，低水分、颗粒度较小的秸杆类燃料的燃烧模式为挥发份和固定碳的多相燃烧，这种模式的燃烧速度比热解速度快。在高水分的情况下，燃烧会变得更加复杂，随着燃料含水量的增加，火焰传播速度较慢，火焰向下传播时相对较多的挥发分中的碳没有完全燃烧，碳燃烧速率较小，到燃烧尽段时会产生没有足够的时间使碳完全全燃烧的情况，灰渣含碳量会有明显的上升。

与设计燃料相比，秸杆燃料的灰分变化也比较大，这与燃料收购模式有关，对于站杆作业打包的秸杆，灰分均在4~8%之间，相对较小，对燃烧特性的影响不大，近几年玉米收储联合收发展较快，目前秸杆均为打碎于田间然后再打包回收，导致秸杆燃料中的灰分变化较大，在8~25%之间，对于燃烧调整产生了较大的影响，燃料中灰分主要是包括氯化物在内的多种盐它们燃烧产生的灰分熔点较低，容易形成渣层，在燃料中燃料时，形成渣层时会盖在燃料的上面，阻碍热量向向下的传递和一次风向上的传递，导致燃烧的恶化，灰水越大，对燃烧的影响越大，严重时会导致炉排上大面积的结焦，轻则影响锅炉接带负荷，重则导致机组停运，灰分中的未挥发的Ca、Mg、Si、K、AI等元素被一次风带起，形成较大粒径的飞灰颗粒增加飞灰中的浓度，低于灰熔点的灰粒在受热面上的沉积，高于灰溶点的灰粒在管排上粘结，会降低受热面的传热系数，在实际运行过程中发现，当秸杆燃料中的灰分超过10%时，会对燃烧产生明显的影响，高于20%时，运行一个月的时间，则会出现过热器换热系数降低，过热温度温差由原来的60℃下降为40℃左右，随着时间的延长，此问题还会加剧，烟冷器、省煤器也均存在此问题。在运行调整过程中，随着灰分的的增加，锅炉结焦的严重，因炉排随着振动频率的增加，共振会由局部扩展到整个炉排，而结焦的产生，会使炉排的共振减弱，需要加强炉排的调整，保证炉排形成全面的共振，炉排振动频率需要从80%~100%之间进行调整，以保证炉排上面没有大的焦块形成为基准。

入炉秸杆的水分、灰分及颗粒度因素的影响会产生叠加效应，使炉排上的料层堆积，使燃烧调整变得困难，负荷降低，除对于一二次风的调整，炉排振动频率调整外，炉振振动间隔的调整，也是锅炉调整极其重要的手段。随着入炉秸杆水分及灰分的增加，炉排的振动间隔，需要缩短，振动间间需要延长，在水分达到35%时，炉排振动需要增加至15秒，间隔时间逐频增加至140秒，能保有更好的燃烧区域保持在炉排中段，燃烬段保持在炉排尾部，灰渣含碳量保持在最低，在入炉燃料水分大而灰分小时，可降低炉排的振动频率，这样做的好处是降低了一次风对燃烧的扰动，防止挥发份的迅速逸出产生爆燃现象，保证燃烧调整的稳定性和安全性。这种调整是一个渐进的过程，需要与一二次风的调整作好相应的配合，才能保持锅炉各项运行参数在一个正较好的状态。

由于灰分的增加，各受热面传热系数会降低，受热面的吹灰需要增加频次，可视各受热面介质的进出口温度来调整，一般尾部受热面的吹灰频次可由每二次增加至每天一次，以保证受热面的清洁。

当入炉秸杆水分超过35%时，纯烧秸杆的燃烧调整工作会变得非常困难，可观察到燃烬段明显超过炉排长度，灰渣含碳量明显上升，烟气中的可燃气体会明显提高。要使使锅炉经济运行，必须降负荷运行。，

4、结论：

1、水冷振动炉排纯烧秸杆是可行的，在含水率低于20%时，各项参数附合设计工况，在含水率高于20%不大于35%时，可通过调整一二次风的配比及炉排振动来作适应性调整，可带满负荷，但部分指标会恶化。

2、在水分大于35%时，燃烧调整变得困难，需要从设计方面增中炉膛容积和炉排长度来适应高水分秸杆入炉的要求，在生产实际中，需要从入炉燃料的品质方面想办法降低水分或掺配高热值燃料达到大量掺烧玉米秸杆的需求。

3、在不考虑灰分增加对腐蚀和磨损的影响的情况下，灰分的增加对满负荷运行燃烧的影响明显比水分的影响小

4、此锅炉风室分隔的位置需要进一步优化，以方便进一步更准确控制燃烧区和燃烬区的风量和风速，以保证燃烧区的充分供氧和碳在炉排低部的充分燃烬。