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李永華1，胡小翠1，仉國民1，陳振洪1，宋武耀2
(1.華北電力大學動力工程系，河北保定071003；2.河北微水電廠，河北石家莊051000)
摘要：分析了生物質發電現狀。針對某生物質電廠秸稈鍋爐，進行了燃燒調整試驗研究，考察了一次風、二次風、燃料性質和鍋爐漏風對燃燒的影響。結果表明，加強燃燒中心區通風，協調一、二次風量，可降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率；控制人廠燃料含土量與水分，減少雜物，可提高燃燒安全性；降低鍋爐漏風量、調整鍋爐配風、可保證鍋爐正常運行。為生物質鍋爐設計、改造和運行提供了參考。
1前言
我國能源結構以煤炭為主，煤炭所占比重達70％左右。燃煤電廠要消耗大量不可再生能源，浪費了我們的寶貴財富，同時造成了嚴重的大氣污染。為保證我國經濟持續、健康、快速、協調發展，達到全面小康水平，必須大力發展可再生能源和提高能源利用率。目前對可再生能源的大規模開發利用主要為風能、太陽能和生物質能。
生物質是指有機物中除化石燃料外的所有來源于動、植物能再生的物質。生物質能則是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用，把太陽能轉化為化學能后固定和貯藏在生物體內的能量。生物質包括林木廢棄物(木塊、木片、木屑、樹枝等)、農業廢棄物、水生植物、油料植物、有機物加工廢料、人畜糞便及城市生活垃圾等。
在歐洲，尤其是北歐的一些國家利用秸稈發電已經有10余年的歷史。世界上第l座生物質秸稈發電廠于1988年在丹麥投產(Haslev，5MW)，如今丹麥已建成100多家秸稈發電廠，秸稈發電量占該國總發電量的24％。目前，世界上最大的秸稈發電廠是位于英國坎貝斯的E1yan生物質能發電廠，裝機容量為38MW。生物質焚燒發電國際上技術比較成熟的為丹麥BWE公司。
目前，生物質能源的研究與開發已成為世界各國政府和科學家研究的諸多熱門課題之一。將生物質能轉化為高品位能源在國外已具有相當可觀的規模，以美國、瑞典和奧地利三國為例，用生物質能轉化為其他能已分別占該國一次能源消費量的4％，16％和10％，在美國，生物質發電的總裝機容量已超過10000兆瓦，單機容量達10～25兆瓦。
自1992年世界環境與發展大會后，歐美國家開始大力發展生物質能。歐盟規劃2010年可再生能源比例達12％，每年可替代2000萬噸石油，其中成本較低的生物質能約占80％。美國1999年明確提出規劃到2010年生物制品及生物質能的產量將為當時水平的3倍，生物質能比達10％。由此可見，生物質能在一些發達國家應用較為廣泛。
我國利用此項技術大力發展的公司為國能生物發電有限公司，其他如中國節能投資公司、江蘇國信集團公司等也正尋求此類技術大力發展生物發電。2007年是中央企業“優質服務年”，國家電網公司在向社會公開承諾的八項優質服務中，明確提出將向社會輸送10.6億kwh綠色電力。為實現這一公開承諾，國能生物發電有限公司正全力推進生物質發電項目開工投產步伐。
確保年內完成15個項目開工、12個項目并網發電的任務。目前，公司已有4個項目并網發電，29個生物質發電項目得到核準。
河北省首個生物質發電示范項目在晉州市投產，是我國第一個全部采用國產設備，純燃燒秸稈發電的示范項目。本文針對該廠生物質鍋爐，進行了燃燒調整試驗研究。
2鍋爐設備簡介
晉州1號、2號鍋爐為無錫華光鍋爐股份公司設計制造的秸稈直燃鍋爐。鍋爐型式為UG一75／3.82一JM，鍋爐為單鍋筒、集中下降管、自然循環、四回程布置的秸稈爐排爐。爐膛采用膜式水冷壁，爐底布置水冷振動爐排。在冷卻室和過熱器室分別布置了高溫過熱器、中溫和低溫過熱器。尾部采用光管式省煤器及管式空氣預熱器。爐膛、冷卻室和過熱器室四周全為膜式水冷壁，為懸吊結構。爐前布置燃料供應系統，采取前墻進料燃燒技術。鍋爐采用振動爐排同態排渣方式，人工火把點火。除渣系統包括碎渣機，水冷螺旋輸送機，水平鏈斗輸送機，斗式提升機及渣斗。
鍋爐燃料按100％玉米秸稈進行設計，按100％燃燒果木枝條進行校核，還要兼顧其它生物質燃料(小麥秸稈、棉花秸稈、糠醛渣等)，并滿足以煤為備用燃料。鍋爐采用水冷振動爐排前墻燃燒方式，兩側墻各有一個糠醛渣斗，經2臺螺旋給料機送至位于后墻的4臺風力拋煤機，將糠醛渣拋至前墻燃燒(作為備用燃料)。鍋爐主要參數及燃料特性如下表所示：
鍋爐燃燒設備與煤粉爐有較大的區別，它是由秸稈給料機、爐膛、水冷振動爐排、一、二次風管，播料風、拋煤機等設備組成。每臺鍋爐配備一套爐前給料系統，給料系統包括儲料倉；一級雙螺旋給料機8臺，布置在儲料倉下部；二級為皮帶輸送機2臺，布置在一級下部；三級給料機為螺旋給料機，出口連通鍋爐，共4臺，布置在二級出口下方；為了保證安全生產，防止發生火災，在三級出口處，安裝了防火快速門，防止爐膛正壓時出現回火現象。
3燃燒調整試驗研究
通過鍋爐運行調試發現，燃料在燃燒調整時嚴重滯后；燃料在爐膛前部堆積；爐膛負壓變化大；爐排上有大量焦渣；煙氣帶有大量小木炭排人大氣等。由于燃料含有大量沙土，燃料進入爐膛后被沙土覆蓋，導致燃料著火推遲、燃燒不充分或不完全，使未燃盡的燃料排出爐膛，燃燒后的灰渣覆蓋在爐排上，使結焦加重，并形成一體，在爐排的振動下難以排出，增加了運行的難度。本文考察了以下主要因素對燃燒的影響：
3.1一次風的影響
燃燒時，根據燃燒情況進行風量調整，保持合適的風量，且調整好一次風門，合理配風。本爐燃料是從爐前送進的，燃盡后灰渣是從爐后排出的，燃料與一次風是橫向交叉混合的。燃料進入爐膛以后在爐前堆積，需要空氣量大，在后面燃料燒完或基本燒完，所需空氣量減小，因此一次風在運行時就要根據情況進行調整。在滿負荷的情況下，燃料正常時，一次風門開度從前到后依次為100％、100％、50％～100％、0％～50％；第一、第二號風門必須大開，保證燃料燃燒所需的氧氣及一次風的穿透能力，因為燃料基本都是在此燃燒的，如果一次風供應不足，會產生大量青煙，也會產生還原性氣體，影響燃料的完全燃燒和爐排結焦；使燃料堆積、結焦等加重，形成惡性循環。第三、第四號一次風門要根據負荷情況、燃燒情況、燃料情況進行調整；如果鍋爐負荷較小，燃料燃燒完全，燃料較干燥的情況下，第三、第四道風門就開的小些，相反就要開大些。
如果一次風量太小，會影響一次風的穿透能力，通過爐排后的一次風射程太短，大大削弱了一次風的擾動和補氧能力，使進入爐膛的燃料不能及時燃燒而形成堆積，造成燃料燃燒不完全；由于秸稈燃料的灰熔點低，在還原性氣氛的影響下，使爐排結焦加重；而且對爐排的冷卻作用減小；如果風壓太低，還會使爐排上的細灰渣、塵土沿著爐排上的小孔進入風室，堵塞一次風管道，使一次風更小，惡化燃燒工況；甚至機組被迫停運。
如果一次風量過大，雖然一次風的穿透能力增強，射程長，燃燒完全，對燃燒有利；但是會使大量火星飛揚，在爐膛負壓的作用下，會使未完全燃盡的小木炭、碳黑、塵土隨煙氣排人大氣，不但影響燃燒的經濟性；還會影響鍋爐的安全性；引起煙道尾部積灰，影響鍋爐出力；還可能造成尾部煙道再燃燒，影響布袋除塵器的安全運行等。此時必須增加二次風量，壓住火焰，防止火焰過分上飄。
鍋爐底部左右各4個一次風室，由于風室之間密封不好或一次風調節門不嚴。而且燃燒區燃料堆積而造成阻力較大，造成大量一次風從后面3個風室進入爐膛，而燃燒中心區卻風量不足。爐排振動時由于燃料區阻力變小，通風量突然增加，導致燃燒強度突然增強，爐膛負壓急劇變小，為確保鍋爐運行安全，正常運行期間鍋爐保持較大負壓。建議對此進行改造，加強燃燒中心區通風，同時改善各風室間隔絕情況，做到各風室能獨立調整配風，從而合理在爐膛內組織燃燒，降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率。
3.2二次風的影響
二次風是在增壓風機的作用下進入爐膛的，當鍋爐負荷增長到50％時，應開啟增壓風機，以保證燃料后期燃燒的需要。配風方式如表3：
但是增壓風機入口連接在一次風母管上，在開啟增壓風機后，一次風量及風壓必定減小；二次風越大，一次風就越小。為保證一次風量，不得不開大送風機，但是由于鍋爐漏風嚴重，限制了送風機的出力。而且在滿負荷時受各方面因素的影響，要想達到一次風量、二次風量各占50％也是相當困難的。根據廠家提議，開大二次風門后，如將風量增大到30％后，影響了正常的燃燒工況，產生了極為不利的后果：使燃料堆積加重、燃燒不完全、爐排結焦更加嚴重；當將二次風門減小后，上述情況大為改觀。但是在高負荷時二次風量太小，又不足于壓住火焰，使火焰過分上飄，在大負壓的作用下，使飛灰可燃物增大，因此必須保證一、二次風合理配合，才能保證燃燒的順利進行。對此我們不得不對二次風的作用及布置情況進行重新認識，由于是爐排燃燒新技術，燃料又是秸稈，它既不同于煤粉的懸浮燃燒；也不同于鏈條爐的煤的燃燒，因此二次風的作用肯定有別于各種鍋爐。二次風的作用是擾動爐內煙氣氣流，使爐內火焰不過分上飄，壓住火焰，同時在攪拌煙氣時，提供足夠的高溫氧氣，使煙氣中的火星燃燒完全。但開啟增壓風機后不應影響一次風量的大小，也不應使二次風氣流干擾破壞正常的燃燒工況，前后二次風開啟后形成的氣流能形成一層氣幕，蓋住揚起的火星、小木炭等。而且應該可以組織起煙氣的旋渦流動，延長煙氣在爐膛內的行程，增加燃燒時間，還可以使部分木炭顆粒摔回爐排，有利于燃料燃盡，降低飛灰可燃物損失，從而改善了爐內氣流的充滿度，以達到控制燃燒的目的。但是二次風風量可能不應該太大，因此對二次風門的布置位置，角度及風量大小須重新考慮、論證。
在目前的情況下，二次風門布置位置太高，風溫也只有140℃左右，角度布置的也不盡合理，達不到補充高溫氧氣的目的，只會加劇火星的冷卻、終止燃燒；更重要的是開啟二次風后影響了一次風量的大小，也影響了正常的燃燒工況。雖然加重了火焰上面的擾動，但減輕了一次風的吹拂，減小了它的穿透能力，在燃料下部產生了還原性氣體，加重了爐排的結焦、結渣。因此，二次風應該和一次風分開布置，調整時互不影響。
3.3燃料性質的影響
由于燃料的變化，如玉米秸稈、棉花秸稈以及果木枝條，雖然經過破碎，但是燃燒情況是不相同的，一類為草質結構，一類為木質結構。玉米秸稈著火快，燃燒時間短，在爐膛內一般不會形成堆積，燃燒效果也比較好；但是棉花秸稈、果木枝條著火慢、燃燒時間長，容易形成堆積，也不易燃燒完全。因此燃燒時，要根據不同的燃料進行調整，如調整爐排的振動時間及頻率、一次風門的開度、給料的多少等。
從外面打包進廠的燃料，由于內含大量沙土、燃料潮濕以及發酵等，使得燃燒情況變得更加復雜，含大量沙土的燃料在給料機的推擠下進入爐膛后，一般在散料管上部管道上形成堆積燃燒(在此設計不合理，燃料出口與散料管之間的高度太低，只有15cm左右，起不到散料的作用)，使大量燃料落不到爐排上，最后燃料邊燃燒邊推擠的情況下，落在爐排中前部燃燒，使燃燒效果變差；將散料管改造后，燃料能落到管道下面，往往也是成團掉下，成團的燃料壓住燃燒的火焰，使燃燒減弱，然后熾熱的火焰加熱成團燃料的外表，同時從堆積的燃料里面向外冒煙，外面的燃料隨后先著火，燃料從外向里燃燒，使燃燒變得越來越強烈。由于沒有很好的可控手段，調整時只能根據爐膛溫度變化進行調整，這就使得調整燃燒時燃料供應嚴重滯后，如爐膛溫度有下降趨勢時，立即啟動一級給料機進料，這是爐溫繼續下降。蒸汽參數也下降，直到爐膛溫度下降100℃左右時，時間要5min甚至更長，隨后爐溫開始回升，立即停止給料，但爐溫要繼續回升100℃左右，直到爐溫又開始下降趨勢時，又重復以上過程；溫度下降或上升的幅度要看調整給料量的時間間隔和多少。如果給料控制不及時，爐溫會大幅擺動，有時變化達300多度，滯后時間會更長，嚴重影響機組穩定運行。所以在調整時，掌握好提前量，對鍋爐穩定運行極其重要。
還有堆積的燃料燃燒后其粘性很大，必須加大爐排的振動頻率和振動時間，而且必須經過多次振動才能振下；如果處理不及時，不得不人工處理，增加了處理的難度。因此建議：必須控制燃料的質量；減少沙土含量和燃料水分；提高運行人員的調整水平等。
3.4鍋爐漏風的影響
鍋爐漏風比較嚴重，如爐排后面的落渣槽、三級給料機出口處、人孔門處、拋煤機出口處等，會漏人大量冷空氣。尤其處理爐前堆料和處理爐排上的焦塊時，更加嚴重。冷空氣的漏入，使爐膛負壓變小或變正，降低爐膛溫度，破壞了爐膛的燃燒工況，碳黑形成的幾率增大，增大了不完全燃燒熱損失和散熱損失；冷空氣的大量漏入，還會使送風量減小，使燃燒惡化。
由于鍋爐漏風量大，同時鍋爐運行負壓保持較大，導致滿負荷時引風機入口擋板開至85％以上，而送風機入口風量僅為設計滿負荷送風量的50％左右，嚴重限制了送風機、增壓風機出力，導致送風機、增壓風機沒有達到設計時的目的，對此問題需從降低鍋爐漏風量、調整鍋爐配風、降低正常運行時鍋爐負壓及煙風系統改造等手段，降低引風機出力至正常水平，使送風機及增壓風機出力達到設計要求出力，保證鍋爐的正常運行。
4結論
通過對我國首臺具有自主知識產權的生物質發電鍋爐的燃燒調整試驗研究，得到以下結論：
(1)加強燃燒中心區通風，改善各風室間隔絕情況，各風室能獨立調整配風，組織合理的爐膛燃燒，可降低鍋爐不完全燃燒損失和排煙損失，提高鍋爐效率。
(2)二次風應和一次風分開布置，調整時互不影響，以保證正常燃燒。
(3)由于秸稈燃料含有大量沙土，燃料灰熔點低，在爐排調整不合適及配風不合理的情況下，容易產生結焦，且常常是半流態狀態，增加了運行的難度。因此必須從源頭把關，控制人廠燃料含土量與水分，減少雜物。
(4)降低鍋爐漏風量、調整鍋爐配風、降低正常運行時鍋爐負壓，可保證鍋爐正常運行。 |
