生物质锅炉炉型浅析

郭会朋 钟继强

摘要：当前全世界的能源使用结构仍然是以石油、煤和天然气三大传统化石能源为主，尤其是我国，到2021年，我国的能源结构还是以煤为主，煤炭消费整体仍在61%左右。寻求一种可再生的清洁能源代替煤迫在眉睫。目前来看，风电、水电受地域影响较大，太阳能发电比重还相对较小，难以推广。因此生物質能发电是目前唯一可低成本、快速利用的一种形式。根据国家能源局的最新消息，2021年，我国生物质发电新增装机808万千瓦，累计装机达3798万千瓦，生物质发电量1637亿千瓦时。随着生物质发电的兴起，如何去选择一种适合当地生物质燃料种类的炉型去最大化的利用当地的生物质资源是摆在使用单位可研阶段的第一个问题。本文就目前为止市场占有率最大的三种生物质锅炉炉型水冷振动炉排生物质锅炉、联合炉排生物质锅炉和循环流化床生物质锅炉的优劣展开分析，以便于使用单位根据当地燃料选择合适的炉型。

关键词：生物质锅炉;水冷振动炉排锅炉;联合炉排锅炉;循环流化床锅炉

我国地域广大，幅员辽阔，从北到南依次可划分为寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带;从东到西横跨5个时区，东西相差4个多个小时。如此之大的地域分布造就了我国生物植被分布的多样性，不同地区的植被分布不同，甚至不同地区的同种植物的元素分析也差别较大。加上全国的森林分布、农作物种类分布甚至是木材加工企业的分布不平衡，造成每个地区可利用的生物质燃料种类、成分等也不尽相同。而生物质锅炉发电的主要燃料就是这些农作物秸秆、树枝树皮等林业废弃物和木材加工企业的下脚料等。这些不同性质的生物质燃料只有使用最合适的生物质锅炉炉型去燃烧，才能使其达到最佳的利用状态，达到最大化的利用。

本文就水冷振动炉排生物质锅炉、联合炉排生物质锅炉和循环流化床生物质锅炉这三种目前市场占有率最大的生物质锅炉炉型的技术来源及其优缺点、生物质燃料的适应性、生物质锅炉的结焦情况、生物质燃料的燃烧充分性、生物质锅炉的设备磨损程度、生物质电厂的运行成本及生物质电厂自用电情况等方面进行分析。

1、水冷振动炉排生物质锅炉

此技术为原北京龙基公司引进丹麦BWE公司的技术，由济南锅炉集团有限公司进行全部的本土化设计转化和生产。该生物质燃烧技术已经过丹麦和国内近百台工程实践的验证，是相对比较成熟的生物质直燃技术。该生物质燃烧技术的核心部件是振动炉排，其由振动机构、风室、支撑件和炉排水冷壁组成，炉排水冷壁由全膜式壁组成，其上开有很多小孔炉排底部的一次风经此小孔送入燃烧室内参与燃料的燃烧。炉排水冷壁倾斜布置，由支撑件支撑在钢架上，其底部是风室;振动机构的基本原理的曲轴连杆结构，其通过传动杆带动炉排水冷壁快速振动，燃料在炉排水冷壁上边燃烧边随水冷壁的振动向下运动，最后燃尽直至排入落渣口。

该技术燃料的燃烧方式为定向层燃燃烧，燃料适应性广，能够处理各种农作物秸秆（包括黄色秸秆和灰色秸秆）、树皮、树枝、树墩、木材加工厂废料、建筑模板等等，基本上所有生物质燃料均可燃烧，燃料收集范围广。该锅炉技术对燃料预处理上要求较严格，需将燃料破碎至100mm以下，对木质燃料破碎至直径50mm以下，燃料处理成本稍高。

该技术的优点是对单一种类的燃料或通过掺配后种类变化较小的燃料燃烧时非常稳定，且具有较高的燃烧效率。其缺点是燃烧调整手段比较单一，仅靠振动频率和振动间隔来调整燃烧，对种类变化较大的燃料和高水分燃料适应性稍差。另外炉排上的风孔比较小，在杂质、灰份比较多时，特别是建筑模板比较多时，易堵塞风孔造成局部结焦，但得益于其炉排炉的形式，结焦产生的焦块能够很容易的随炉排的振动排出炉外进入捞渣机捞走。

因为该技术属于层燃，因此燃料对锅炉设备的磨损较轻，仅需在锅炉给料口及落渣口处浇筑少量耐磨浇注料。该技术锅炉一次风压较低，一般在7000Pa左右，没有其他的非常规额外用电设备，因此电厂自用电率较低，一般在7%～9%左右。

2、联合炉排生物质锅炉

所谓的联合炉排是指至少由两种不同形式的炉排组合，该联合炉排生物质锅炉燃烧技术是由济南锅炉集团有限公司根据我国的基本国情及我国生物质燃料的现状，吸收、借鉴水冷振动炉排技术、往复炉排技术及链条炉排技术等，完全独立开发的专利技术。该燃烧技术成功继承了水冷振动炉排技术的优点，并进一步改进优化了水冷振动炉排技术的不足，因此该技术是最适合我国生物质燃料现状的一种燃烧技术。目前该技术主要有往复炉排+链条炉排或往复炉排+水冷振动炉排两种形式，且这两种联合炉排技术在国内和国外均有成功运行的案例。

往复炉排是由固定炉排片和活动炉排片组成，这两种炉排片各占一半，交替放置，从侧面形成一个自高到低的阶梯状。往复炉排的固定炉排片和活动炉排片上均开有一次风孔，燃料从给料口送入后落到往复炉排的高端，随着炉排驱动部件的运动，推动着活动炉排片做周期性的水平往复运动，加之一次风的烘干作用，燃料在炉排上从高端边翻滚边烘干，同时对抱团的燃料进行打散，使燃料在炉排上的分布更均匀，最终经过烘干的燃料均匀的落入下一个炉排上进行燃烧。在该技术中，往复炉排的作用并不是燃烧，而是对水分较大的燃料起到烘干预热的作用，同时打散抱团的燃料，增加燃料在炉排上的均匀性，为下一步燃料落到主燃烧区进行燃烧做好充分的准备。

燃料从往复炉排上落下来后会有一个高度差，然后才落到主燃烧炉排上，正式这个高度差的加入，更能增加燃料的透气性，以保证其充分燃烧。主燃烧炉排目前有两种：链条炉排或水冷振动炉排。水冷振动炉排的一些特点前面已经论述，在此不再重复论述，主要论述链条炉排。链条炉排是由链条及附着其上的炉排片组成，链条在下部，炉排片在上部。链条炉排的主动链轮通过电机和减速机的配合驱动，拖拽着链条运动，从而带动炉排片运动。炉排片上也分布有许多一次风孔，因炉排片不受什么条件制约，因此其上的开孔要远大于水冷振动炉排上的开孔，因此该炉排对燃料中的杂质适应能力要比水冷振动炉排强，杂质能够更容易的漏下去，不容易堵塞风孔造成局部结焦。燃料落到链条炉排片上后，随链条的运动，边燃烧边向后部运动，直至燃尽后排出锅炉外。

相对于水冷振动炉排，其优点明显：因为采用了两种炉排的组合形式（往复炉排+链条炉排或往复炉排+水冷振动炉排），两种炉排可分别调控，调控手段多，因此对燃料的適应能力要比水冷振动炉排强，可适应水分相对较高或杂质较多的燃料，且相较于单类型炉排的锅炉，其燃料的燃尽率更高，锅炉效率也较高。因联合炉排也是层燃炉的一种，因此锅炉设备磨损较轻、电厂自用电率低的优点也得到了继承。其缺点是因为是两种炉排的组合，机械传动部件较多，受制于国内炉排片加工工艺的水平，炉排的机械故障率比单一炉排稍高，但如果提高炉排片的加工精度，严格按照图纸要求精度加工与验收，联合炉排也能够达到年运行小时数8000以上。

3、循环流化床生物质锅炉

循环流化床锅炉原是一种国内使用非常广的燃煤锅炉，该炉型具有较高的燃烧效率，运行稳定可靠。随着国内生物质发电行业的兴起，各大循环流化床锅炉设计研发厂家也开始研究用流化床锅炉来燃生物质燃料。但国内生物质燃料的特性与煤的性质差别较大，因此前期运行的流化床生物质锅炉都有带负荷能力差，连续运行时间短的问题。这是因为我国国内的生物质燃料普遍水分较大，热值较低，且泥沙、石块等杂物含量高的特点，生物质燃烧产生的烟气量大、灰分高，但燃料本身热值较低，而前期运行的循环流化床生物质锅炉往往是在燃煤循环流化床锅炉的基础上经过简单的改造而来，其不能很好的适应热值低但烟气量大的生物质燃料。最近几年，经过各个研发厂家的不断摸索并收集使用单位的反馈意见，目前一些对生物质锅炉性质认识深刻的厂家已经掌握了燃生物流化床在设计及结构上的一些问题。

不考虑国家的补贴政策，单纯从技术角度讲，用循环流化床锅炉烧生物质燃料，最适合掺烧。70%的生物质+30%的煤，这个适合新上的电厂;或70%的煤+30%的生物质，这个适合旧锅炉的改造。且循环流化床技术特别适合燃料空隙率较小，难以采用炉排燃烧的燃料，如稻壳，棕榈壳、木质素、中药渣、糠醛渣、木糖渣、污泥、泥煤等，使用循环流化床锅炉燃这种燃料时具有烧烧效率高、运行调整相对稳定的优点。

但如果使用循环流化床锅炉纯燃生物质燃料其缺点也非常明显：一般需要添加适当的惰性床料，加入的惰性物料不参与烧烧，仅用于维持物料的循环;一、二次风机的压头较高，功率需选的很大，厂耗电比较高;对农作物秸杆、建筑模板等须进行较小尺寸的粉碎;因为正压燃烧，给料不易彻底解决，影响长期稳定运行;生物质料（特别是建筑模板）中铁质杂质不易排出，严重影响运行周期。从运行情况看，金属材料的中心筒的高温腐蚀不可避免;旋风分离器的直段和锥段在运行中挂焦现象经常发生;返料器处时常有挂焦和结焦现象;床温不易控制等。

综上，水冷振动炉排生物质锅炉、联合炉排生物质锅炉和循环流化床生物质锅炉这三种类型的生物质锅炉都有其各自的优缺点，其适应的燃料种类也各有不同。并没有哪一种技术是一定优于其他两种，只有根据当地生物质燃料的种类与特性，去选择最合适的燃烧方式，这才是最优选择。

参考文献：

[1]黄长华，程永霞.生物质直燃发电厂锅炉炉型选择探讨[J].南方能源建设，2015，2（02）：70-75.

作者简介：郭会朋（1987.9-）男，汉;山东青州人，大学本科，工程师，研究方向：工程设计