生物質(zhì)能是指植物葉綠素將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。它是一種可再生能源，而且生物質(zhì)燃燒釋放的C02大體相當(dāng)于其生長(zhǎng)過(guò)程中所吸收的C02，因此可以認(rèn)為利用生物質(zhì)能是C02零排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)階段，我國(guó)生物質(zhì)燃料的主要來(lái)源為：1）木材加工后的剩余物；2）農(nóng)業(yè)剩余物；3）人類生活產(chǎn)生的大量廢棄物；4）可用于生物質(zhì)資源利用的特殊木生、草本及水生植物。某燃用生物質(zhì)燃料發(fā)電廠配2臺(tái)12 MW發(fā)電機(jī)組，是純生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目。該發(fā)電廠2007年5月開(kāi)始施工，2008年正式進(jìn)入生產(chǎn)調(diào)試階段，于2008年11月19日、2009年1月5日完成72h試運(yùn)行。
該發(fā)電廠位于北方某沙漠邊緣。為了改良土壤，減少土地沙化，那里廣泛種植沙柳。為防止沙柳枝尖水分供應(yīng)不足，導(dǎo)致整個(gè)沙柳死亡，必須定期對(duì)沙柳進(jìn)行砍伐、修剪，而發(fā)電廠可集中處理這些定期修剪下來(lái)的沙柳木。
該發(fā)電廠配75t/h鍋爐，鍋爐為單鍋筒橫梁式角管正轉(zhuǎn)鏈條爐，設(shè)計(jì)燃料為沙柳木[2]。爐排設(shè)寬度方向雙側(cè)進(jìn)風(fēng)，每側(cè)前后劃分成6個(gè)風(fēng)室，每個(gè)風(fēng)室均有手動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)門，可根據(jù)燃料燃燒及鍋爐負(fù)荷的大小調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量。爐排在減速機(jī)箱的驅(qū)動(dòng)下，在前后軸之間的方形鐵道上作正行程水平移動(dòng)。設(shè)計(jì)為：1/3的燃料由下部液壓推料裝置送人前部爐排片上，通過(guò)爐排的轉(zhuǎn)動(dòng)，將燃料送至爐內(nèi)燃燒：其余2/3的燃料由上部進(jìn)料斗進(jìn)入爐膛，下落至爐內(nèi)前拱約1m左右的爐排上，同時(shí)在整個(gè)下落過(guò)程中燃料被加熱，在爐排上完全燃燒。
鍋爐本體汽水流程：進(jìn)水→省煤器受熱面→鍋筒→下降管→爐膛水冷壁受熱面(包括后水冷壁)→鍋筒→低溫過(guò)熱器→減溫器→高溫過(guò)熱器→出口集箱。
鍋爐煙風(fēng)流程：空氣→空氣預(yù)熱器→小風(fēng)室→爐排→爐膛→凝渣管→高溫過(guò)熱器_低溫過(guò)熱器_省煤器受熱面_空氣預(yù)熱器_煙氣排出。
爐膛為全膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，由φ60x4mm、20GGB5310管子與扁鋼焊制成膜式壁組成6540mmx6640mm（長(zhǎng)×寬）的受熱面。爐膛下部（爐排上方）布置有前拱和后拱，前拱由水冷壁受熱面管子作“管架”，澆灌混凝土，后拱采用膜式水冷壁外加側(cè)磚墻結(jié)構(gòu)。
在鍋爐前、后拱及上部2側(cè)墻處，布置了對(duì)置的二次風(fēng)，為進(jìn)入爐膛的燃料提供充足的氧量，使燃料在燃燒過(guò)程中能充分燃燒。
生物質(zhì)燃料特性各不相同，但就其共性來(lái)看，與常規(guī)發(fā)電用煤相比，具有以下特點(diǎn)：
(1)熱值較低。一般生物質(zhì)燃料發(fā)熱量約為10～18MJ/kg，低于一般煤種的發(fā)熱量。該電廠設(shè)計(jì)燃料的收到基低位發(fā)熱量?jī)H為17.09MJ/kg，遠(yuǎn)低于一般發(fā)電用煤的發(fā)熱量。
(2)揮發(fā)分高。電廠用煤的揮發(fā)分通常為30%～50%，而生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分高達(dá)70%～85%，該電廠設(shè)計(jì)燃料的收到基揮發(fā)分為74.3%，非常利于燃燒。這種高揮發(fā)分的生物質(zhì)燃料著火溫度低，通常在250～350℃溫度下?lián)]發(fā)分就大量析出并開(kāi)始燃燒。因此在燃燒初期，應(yīng)根據(jù)鍋爐燃燒的特點(diǎn)，降低爐內(nèi)熱量吸收，減少初期氧量供給，推遲燃料的燃燒，保證燃料在爐內(nèi)中心部位燃燒，保持爐內(nèi)熱負(fù)荷的穩(wěn)定分布。
(3)水分含量不穩(wěn)定。該電廠設(shè)計(jì)燃料的收到基水分為8.7%，但是由于燃料受收割、貯存、干燥等因素的影響，電廠實(shí)際燃用的燃料水分變化范圍很大，通常在5%~60%。水分含量不穩(wěn)定的生物質(zhì)燃料，對(duì)燃燒的要求較高。當(dāng)燃料水分犬時(shí)，需要較高的干燥溫度和較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，產(chǎn)生煙氣體積較大，排煙熱損失較高：燃料水分小時(shí)，干燥溫度和干燥時(shí)間相應(yīng)減少，著火提前，需要通過(guò)調(diào)整來(lái)推遲燃料燃燒的時(shí)間。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)生物質(zhì)燃料水分的變化以及爐內(nèi)燃燒情況不斷調(diào)整配風(fēng)，保證爐內(nèi)工況穩(wěn)定。
(4)生物質(zhì)燃料的密度小，結(jié)構(gòu)比較松散，迎風(fēng)面積大，容易被吹起。因此應(yīng)合理控制一次風(fēng)量，保證燃料落在設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)。
(5)燃料中的揮發(fā)分析出燃燼后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，焦炭顆粒燃燒速度緩慢，燃燼困難，如果不采取措施，將會(huì)對(duì)后期灰燼的收集和排放造成影響。
4.1.1 燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒的影響
該電廠的鏈條爐如圖1所示。生物質(zhì)燃料的燃燒過(guò)程主要包括3個(gè)階段：加熱干燥階段、揮發(fā)分燃燒階段、燃燼階段。現(xiàn)場(chǎng)所用燃料經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存，燃料中的水分較低（設(shè)計(jì)為8.7%）；而且生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分大，屬于極易燃燒的燃料。
實(shí)際使用中，鍋爐設(shè)計(jì)L=4m，H=0.3m。設(shè)計(jì)較大的前拱覆蓋面L值的初衷是防止火焰回火，保證下料口燃料的安全。但是，由于L值較大H值較小，使大部分燃料在前拱下部燃燒。關(guān)閉前拱下部配風(fēng)、增大爐排轉(zhuǎn)速，也無(wú)法保證燃料在爐膛中心燃燒，整個(gè)爐內(nèi)火焰偏前墻。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮燃料的燃燒特性，適當(dāng)縮短前拱的長(zhǎng)度、增大前拱高度，有利于保證爐膛溫度的均勻分布。
2/3的燃料由上部進(jìn)料口進(jìn)入爐膛，適當(dāng)調(diào)整一次風(fēng)，可保證燃料在爐膛中部形成穩(wěn)定的著火區(qū)域，隨著爐排的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)燃料到達(dá)爐膛尾部時(shí)，基本燃燼。從實(shí)際運(yùn)行情況看，可以適當(dāng)加大從爐膛上部進(jìn)入爐內(nèi)的燃料量，甚至可以考慮采用4/5燃料從爐膛上部進(jìn)入的方式。通過(guò)調(diào)整一次風(fēng)，使燃料在爐內(nèi)均勻分布和燃燒，避免從下部進(jìn)入爐膛的燃料在前拱下方燃燒過(guò)于集中。
4.1.2燃料水分對(duì)燃燒的影響
當(dāng)燃料水分較高時(shí)，燃料需要較高的干燥溫度和較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，需要吸收較大的輻射熱，以保證燃料能夠順利著火。當(dāng)燃料很干燥時(shí)，燃料的干燥溫度及干燥時(shí)間都相應(yīng)減少，燃料吸收少部分的熱量就可以穩(wěn)定著火燃燒。由于燃料水分的改變，造成爐內(nèi)燃燒工況發(fā)生明顯變化。因此，如何降低燃料的水分，保證燃料水分接近設(shè)計(jì)值以及如何根據(jù)實(shí)際燃用的燃料水分調(diào)整爐內(nèi)配風(fēng)，對(duì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行都是十分重要的。
目前，我國(guó)在利用生物質(zhì)燃料時(shí)，采用3種方式對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行加工:l）對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行簡(jiǎn)單的切割、破碎、燃燒；2）將生物質(zhì)燃料切割、破碎，加工戍固定形狀的顆粒燃燒：3）將生物質(zhì)燃料氣化后充分利用。
該電廠對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行了簡(jiǎn)單加工，設(shè)計(jì)的燃料加工長(zhǎng)度≤50mm。但由于加工設(shè)備簡(jiǎn)陋以及加工過(guò)程中的疏漏，大部分燃料長(zhǎng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，部分燃料甚至長(zhǎng)達(dá)1000mm、直徑在5mm左右。這種不符合設(shè)計(jì)要求的燃料進(jìn)入料倉(cāng)后盤(pán)根錯(cuò)節(jié)，會(huì)形成燃料蓬架、搭橋，導(dǎo)致螺旋輸送裝置卡死、下料口堵死以及螺旋輸送裝置空轉(zhuǎn)、不吃料等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䲟p壞輸送設(shè)備，無(wú)法保證爐內(nèi)燃料的穩(wěn)定供給，使鍋爐負(fù)荷出現(xiàn)波動(dòng)。
4.3.1料倉(cāng)
該電廠爐前料倉(cāng)按常規(guī)煤倉(cāng)設(shè)計(jì)，煤倉(cāng)上部有4個(gè)落料口，側(cè)面呈直角梯形，橫斷面呈長(zhǎng)方形。圖2為料倉(cāng)側(cè)面示意圖，圖3為料倉(cāng)正面示意圖。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，料倉(cāng)4側(cè)分別出現(xiàn)不同程度的堆料現(xiàn)象，而且堆料現(xiàn)象隨著料倉(cāng)壁與水平底面夾角的減小而增大。后墻壁與底面垂直，堆料略有減輕。
由于生物質(zhì)燃料與煤相比流動(dòng)性差，在料倉(cāng)4壁均出現(xiàn)不同程度的堆料現(xiàn)象，尤其是當(dāng)生物質(zhì)燃料水分含量大并含有較多長(zhǎng)細(xì)枝時(shí)，這種堆料更為明顯。為此，我們認(rèn)為生物質(zhì)燃料的料倉(cāng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用直壁式或倒梯形布置：下料口裝設(shè)布料板，保證燃料均勻分布在料倉(cāng)中，可以防止出現(xiàn)堵料、蓬料現(xiàn)象。
4.3.2輸料裝置
生物質(zhì)燃料由螺旋輸送給料裝置輸送。料倉(cāng)下部均勻分布10臺(tái)螺旋輸送機(jī)，爐膛上部和下部進(jìn)料相配合的螺旋輸送給料裝置間隔布置。螺旋葉面間距前窄后寬，其目的是保證在螺旋給料過(guò)程中逐步對(duì)燃料進(jìn)行咬合，逐漸增大推動(dòng)力。
疏松裝置由驅(qū)動(dòng)裝置、軸承座、疏松軸組成，其上布置相同間隔距離的100mm的柱狀桿，距螺旋葉面上邊緣500mm。相鄰疏松裝置呈反方向旋轉(zhuǎn)。
吊裝軸承布置在較長(zhǎng)的螺旋給料裝置中部，采用滾動(dòng)、滑動(dòng)可以互換的2種結(jié)構(gòu)，均設(shè)防塵裝置，密封件采用尼龍及塑料網(wǎng)，阻力小、密封性強(qiáng)、耐磨性好。滑動(dòng)瓦吊裝布置，是螺旋給料裝置平穩(wěn)運(yùn)行的保證。
與其他類型的輸送設(shè)備相比，螺旋輸送給料裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊、維修成本低、料槽封閉、便于輸送易飛揚(yáng)燃料的特點(diǎn)，可以減少對(duì)環(huán)境的污染。螺旋輸送給料裝置對(duì)于加工成一定形狀、穩(wěn)定的生物質(zhì)燃料的輸送具有優(yōu)越性，但是在輸送長(zhǎng)度長(zhǎng)、直徑小、水分含量大的樹(shù)枝以及變質(zhì)、黏性大、易結(jié)塊、韌性大的燃料時(shí)，由于燃料會(huì)黏結(jié)在螺旋葉面上，或在吊裝軸承處形成燃料的積塞，其工作效率會(huì)受到影響。
實(shí)際使用中，螺旋輸送給料裝置在輸送燃料時(shí)，其葉片常常與樹(shù)枝絞在一起，并越絞越緊，導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。尤其是采用比較長(zhǎng)的螺旋輸送方式（輸送距離達(dá)10m左右），螺旋輸送機(jī)中部的吊裝軸承往往是燃料盤(pán)結(jié)的死點(diǎn)，易形成堵料、冒料以及支撐軸承被拉壞的故障。有時(shí)還會(huì)在螺旋輸送機(jī)上部蓬料，嚴(yán)重時(shí)使整個(gè)燃料搭橋、蓬空，無(wú)法正常輸送。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，生物質(zhì)燃料的水分含量對(duì)燃料韌性具有十分明顯的影響。就該電廠使用的沙柳而言，當(dāng)水分增大3～5倍，燃料的韌性會(huì)成百倍的增加。燃料在輸送、切割以及貯存方面都存在很多的問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低、維修工作量大，嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。
生物質(zhì)燃料相對(duì)于發(fā)電用煤而言，具有揮發(fā)分高、發(fā)熱量低、水分含量變化大的特點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)、運(yùn)行中，應(yīng)充分考慮燃料的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)姆绞胶褪侄危ＷC生物質(zhì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。
(1)燃料加工的精細(xì)程度，對(duì)燃料穩(wěn)定輸送具有十分重要的影響。按設(shè)計(jì)規(guī)格加工的燃料能夠保證正常輸送。
(2)生物質(zhì)的料倉(cāng)應(yīng)與常見(jiàn)發(fā)電煤倉(cāng)的設(shè)計(jì)有所區(qū)別，宜采用直壁式或倒梯形布置，避免燃料在料倉(cāng)中堆積。
(3)生物質(zhì)燃料應(yīng)充分干燥，保證燃料水分在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，這樣既可以減輕燃料韌性的影響，也可以保證燃料的穩(wěn)定輸送，保證燃料在爐內(nèi)規(guī)定區(qū)域內(nèi)燃燒。
(4)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分的特點(diǎn)，對(duì)生物質(zhì)燃料的燃燒過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
(5)爐內(nèi)燃燒過(guò)程中，應(yīng)充分考慮生物質(zhì)燃料的燃燒特點(diǎn)，根據(jù)其水分含量調(diào)整配風(fēng)，才能保證生物質(zhì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。
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