生物质微正压循环流化床气化炉冷态运行特性研究

汪 宁

（大唐东北电力试验研究院有限公司，吉林 长春130102）

生物质是我国潜在能源，开发利用生物质能源具有深远的战略意义[1]。 全面加速发展生物质能发电技术产业能有效化解煤电产能过剩、加快电力转型升级、提高生物质能综合利用率、缓解生物质环境污染。 截止至2019 年第一季度，我国累计装机达到1 878 万kW，而《可再生能源中长期发展规划》目标是2020 年生物质发电总装机容量达到3 000 万kW。

在现有机组的基础上， 生物质气化耦合燃煤机组发电技术能够实现高效发电，易于操作，对燃煤锅炉的影响小[2]。 某国内大型燃煤耦合生物质气化发电技术改造示范点项目创新采用微正压循环流化床气化技术，区别于传统负压循环流化床炉，压力水平的提高和气化炉容量的增大提高了系统的反应速度[3-4]。循环流化床气化炉反应速度快， 控制风量是保证燃气品质和系统运行安全性的基础， 因此准确把握运行风量是前提。 同时掌握系统阻力特性，有助于及时发现系统结焦、床料减少等异常情况的发生。 因此，本文充分利用该项目工程的生物质微正压循环流化床气化炉，对其冷态运行特性进行研究，包括风量标定、布风板阻力特性研究和料层阻力特性研究。

1 项目系统介绍

该循环流化床气化炉耦合项目耦合对象为660 MW 超临界机组，锅炉为一次中间再热、前后墙对冲燃烧直流炉。 前后墙分别布置4 层和3 层燃烧器，5只燃气燃烧器布置在后墙燃烧器上方。 气化炉主要设计参数见表1。 燃气热量折合发电量为20 MW，设计燃料为玉米秸秆压块。

气化系统包括炉前给料系统、气化炉本体、两级分离器、导热油冷却系统和燃气输送系统（见图1）。

给料系统利用两台单螺旋给料机将炉前料仓燃料送入炉本体；炉前两台流化风机，一备一用，整个系统阻力完全由流化风机克服；气化炉出口布置两级分离器，一级分离器分离返回未燃尽物，二级分离器分离过滤燃气内飞灰；二级分离器后布置有导热油换热系统，控制燃气温度、防止焦油析出和保证燃气计量；最后通过布置在后墙燃烧器上方的5 只燃气燃烧器送入燃煤锅炉[5]，此处仍保持着微正压水平。

表1 气化炉主要设计参数

图1 生物质气化系统流程示意图

2 风量标定试验

标定试验的目的是根据就地测量结果， 对在线测量元件测量结果进行标定和修正， 提高在线测量值的精准度[6]。 对于两台流化风机的流量测量元件，通过调节变频风机频率， 测量不同流量下的实际流量，并与在线测量流量值进行比较，得到结果见表2。

表2 风量测量标定结果

根据标定结果可以看出，各工况下A/B 流化风机风量标定系数稳定，A/B 流化风机平均偏差分别为19.24%和27.85%， 可以根据试验结果对表盘风量进行标定， 平均标定结果分别为0.839 和0.782。标定系数比较稳定，说明风道流量有良好的线性关系，标定系数准确可靠，通过修正可以满足现场使用要求。

3 布风板阻力特性研究

布风板阻力特性试验是在布风板上部不铺设床料的情况下进行的，测量流化风通过布风板形成的压力损失，即布风板阻力。 设计风量为16 000 m3/h，其中包括部分返料风约2 000 m3/h， 因此选取11 000 m3/h、12 000 m3/h、13 000 m3/h、14 000 m3/h 和15 000 m3/h 五个试验工况点进行研究。

不同工况下布风板阻力如图2 所示。 可以看出，布风板阻力与风量之间拥有良好的线性关系， 同时根据试验结果拟合出布风板阻力与运行风量的数学关系式，如式（1）所示。 实际热态运行时，可根据压力、温度和流量的关系，推导出热态运行时布风板阻力，以便指导运行。

Q—流化风量，m3/h

图2 布风板阻力与风量关系曲线图

4 料层阻力特性研究

该微正压循环流化床气化炉床料选取的是5 mm以下的河砂，为了验证床料高度对流化状态的影响，选择一个合适的床料层高度。 本试验选取了600 mm、700 mm 及800 mm 三种料层高度进行了料层阻力特性试验的测定，即在不同料层高度下，增加流化风量，观察并记录流化情况、料层压降及流化风速[7]。

采用尔根公式[8]和质量守恒公式对不同料层高度下最小流化风量进行计算， 并与试验结果进行比较（见表3），不同料层高度阻力特性曲线见图3。

尔根公式：

式中：ε—床料的空隙程度

u—临界流化风速，m/s

μ—流化介质的动力黏度，Pa·s

h—床料层高度，m

d—床料平均粒径，m

ρ—空气密度，kg/m3

质量公式：

式中：W—床料重量，N

A—炉内流通面积，m2

ρ′—床料堆积密度，kg/m3

表3 不同料层厚度下的计算

由试验结果可以看出， 三种料层高度情况下最小流化风速均处于0.308 m/s 左右，与理论计算值最小流化风速0.313 m/s 基本一致。 同时由阻力曲线可以看出微正压循环流化床气化炉最小流化风速同样基本不受料层高度影响。

图3 不同料层高度阻力特性曲线图

该微正压循环流化床气化炉设计燃料量是16.12 t/h，燃料灰分物重阻力达到1 508 Pa。 考虑到800 mm 料层高度下料层阻力高，平均阻力达到4 819 Pa，对风机压头要求较高。600 mm 料层高度时阻力小，平均值阻力为3 524 Pa。 由于原料密度比较低，料层高度低时，蓄热量不足，物料流化不充分。 因此选择700 mm 层高作为床料高度。

5 结论

（1）该生物质微正压循环流化床气化炉风量标定结果显示，在线流量显示值标定系数稳定，说明通过标定可以显示实际风量。

（2）布风板阻力特性试验结果显示，布风板阻力与风量具有良好的线性特性，并提出阻力拟合公式，指导不同工况下运行调整。

（3）料层阻力特性研究试验结果显示，700 mm高床料厚度能满足系统运行需求， 最小流量风量约为11 900 m/h，正常运行料层阻力为4 212 Pa，此时布风板阻力为2 633 Pa。