生物质成型燃料的炉前给料方案分析

匡 辰

(北京电力设备总厂有限公司，北京 102488)

0 引言

生物质发电工艺分为直接燃烧发电、混合燃烧发电、生物质气化发电和沼气发电等不同类型，其中，直接燃烧发电应用最为普及和高效[1]。

随着生物质发电的推广，生物质电厂逐渐增多，电厂机组功率逐渐增大，而电厂周边的秸秆等生物质资源并不能满足电厂生产需求，需要从更远距离的地方收集生物质燃料。秸秆散料不易远途运输和存储，因此，将秸秆进行压缩加工制成生物质压块燃料就是解决办法之一。生物质压块燃料具有体积小、污染低、密度高、可燃性强、易于储存和运输、高挥发性等优点，可以有效解决生物质电厂燃料供给问题[2]。

生物质压块广泛适用于取暖、锅炉、生物质发电厂和物质烘烤等多个行业，但是目前国内使用生物质成型燃料作为主要燃料的电厂还比较少，输送生物质成型燃料的炉前给料系统的设计和项目实践不足[3-4]。本文通过调研国内稳定运行的4个生物质电厂，结合炉前给料厂家的设计经验，针对使用生物质成型燃料作为生物质锅炉主要燃料的炉前给料系统提出4种设计方案，包括：1)方案一：二级风压式给料；2)方案二：三级螺旋推入式给料；3)方案三：输送带自重式给料；4)方案四：二级螺旋推入式给料。通过分析比较四种方案的优点和缺点，以期为生物质成型燃料电厂设计提供支撑。

1 生物质成型燃料物理特性

现有生物质成型燃料电厂的上料方案是借鉴生物质粉碎燃料(如稻壳、破碎秸秆、锯末等)结合建筑垃圾燃料(如碎木料)等上料系统进行设计的。这些燃料的物理特性和生物质成型燃料较相似，但也存在差别，例如：相较于破碎秸秆，生物质成型燃料没有其易蓬料、易缠绕的特点；和碎木料相比，生物质成型燃料的抗破碎性又不如碎木料，从高处跌落时容易粉碎，从而造成燃料浪费。

生物质成型燃料热值在3 900～4 300 kcal，高于生物质破碎燃料3 200～3 800 kcal，但是小于碎木料的4 300～4 500 kcal，而干燥黄秸秆的堆积密度一般在30～50 kg/m3，碎木料和生物质成型燃料的堆积密度在600 kg/m3左右[5]，因此，生物质成型燃料上料方案出力方面可以参考碎木料的上料方案，结合其自身的燃烧特性和物理特性，对上料方案进行改进。

2 二级风压式给料

某电厂设计为2×130 t/h高温高压循环流化床锅炉(一用一备)+1×30 MW高温高压抽凝式汽轮机发电机组，使用生物质成型燃料和生物质粉碎燃料混合作为锅炉燃料。该电厂炉前给料方案为“炉前料仓+拨料器+小料斗+无轴输料螺旋”，属于二级风压式给料，系统流程为：料仓→梅花拨料器→小料斗→输料螺旋→防火门→闸板→锅炉，如图1和图2所示。

图1 方案一主视图

图2 方案一左视图

料棚中的堆料，通过上料设备进入炉前给料系统大料仓中，梅花拨料器将物料散布到下级小料仓中；小料仓里的物料被输料螺旋推送至溜槽。物料在输料风的作用下，通过防火门和闸板进入锅炉。

方案一的优势分析：1)料仓大，可防止锅炉燃料供给突然中断造成事故；2)输料螺旋使用有轴螺旋，提高了系统强度；3)当输料螺旋使用无轴螺旋时，可以混掺秸秆散料，适应能力较高；4)进料管为竖直布置，有效利用重力给料；5)系统整体承载面间距较小，有效防止由于跌落导致的成型燃料破碎的问题。

方案一的缺点分析：1)使用的块状物料可能会压实，梅花拨料器无法将物料拨开，导致料仓堵料；2)梅花拨料器并不能均匀地将物料块散布，可能会导致下方小料仓受料不均；3)防火门往复运动，易发生机械故障而失效。

3 三级螺旋推入式给料

某电厂设计为2×130 t/h高温高压循环流化床锅炉+2×40 MW高温高压中间再热抽气凝气式汽轮机发电机组，主要使用生物质成型燃料或农林块状燃料作为锅炉燃料。该电厂炉前给料方案为“炉前料仓+承载螺旋+取料螺旋+给料螺旋”，属于三级螺旋推入式给料，系统流程为：料仓→承载螺旋→取料螺旋→闸板→给料无轴螺旋→锅炉，如图3和图4所示。

图3 方案二主视图

图4 方案二左视图

料棚中的堆料，通过上料设备进入炉前给料系统大料仓中，承载螺旋将物料散布到下级小料仓中；小料仓里的物料被输料螺旋推送至溜槽；物料在重力作用下，进入给料无轴螺旋；再由给料螺旋推入锅炉。

方案二的优势分析：1)料仓大，可防止锅炉燃料供给突然中断造成事故；2)承载螺旋对物料的搅动较大，料仓不易堆料；3)末端由给料螺旋供料，能形成料栓，堵住锅炉进料扣，系统密封性好。

方案二的缺点分析：1)承载螺旋容易将物料推至料仓一端，导致一端物料过多，布料不均，甚至可能导致承载螺旋或取料螺旋卡死；2)由于承料螺旋为有轴螺旋，容易缠料，故并不适合添加散料混烧；3)系统相对复杂，易出现故障；4)末端给料螺旋如果故障，不便检修，只能停炉检修；5)承载螺旋对物料的搅动过大时，成型燃料容易发生破碎。

4 输送带自重式给料

某电厂生物质锅炉为150 t/h高温超高压高低差速循环流化床锅炉，配1台30 MW汽轮机发电组，主要燃料为生物质成型燃料。该电厂炉前给料方案由“炉前料仓+给料输送带+星形给料机”组成，属于输送带自重式给料，系统流程为：料仓→取料螺旋→给料输送带→星形给料器→闸板→锅炉，如图5和图6所示。

图5 方案三主视图

图6 方案三左视图

料棚中的堆料，通过上料设备进入炉前给料系统大料仓中，直接被取料螺旋推送至给料输送带；给料输送带将物料送至星形给料机，星形给料机定量给锅炉上料；物料在重力的作用下，通过闸板进入锅炉。

方案三的优势分析：1)料仓大，对输送系统输送的燃料具有很大的缓冲作用；2)使用带式输送机给料减少了物料缠绕风险；3)末端由星形给料机给料，系统密封性较好；4)取料螺旋使用无轴螺旋，可以适当掺加散料，适应性较强。

系统缺点分析：1)只有一级取料螺旋，物料散布不均；2)带式输送机为开式传输，密封性不好，容易反火和扬灰；3)星形给料机可以对炉火密封，但是不适合大量散料进入，易发生缠绕；4)带式输送机需要做防尘处理和张紧结构，结构较复杂。

5 二级螺旋推入式给料

某电厂选用130 t/h高温超高压循环流化床锅炉，配1台30 MW汽轮机发电组，使用生物质成型燃料和少量生物质粉碎燃料，属于二级螺旋推入式给料，系统流程为：小料仓→取料螺旋→闸板→给料螺旋→锅炉，如图7和图8所示。

图7 方案四主视图

图8 方案四左视图

料棚中的堆料，通过上料设备进入炉前给料系统小料仓中，直接被取料螺旋推送至溜槽；最后给料螺旋直接将物料推入锅炉。

方案四的优势分析：1)料仓较小，具有一定存料作用，同时减少块状物料堆积导致的堵塞；2)末端由给料螺旋供料，能形成料栓，有效地堵住锅炉进料口，系统密封性好；3)给料为无轴螺旋，也可全部使用散料，物料的适应性好；4)结构简单，故障容易处理。

系统缺点分析：1)料仓较小，当散料混掺较多时，缓冲性降低，对燃料输送系统稳定性要求增加；2)小料仓对锅炉燃烧的燃料保障性能下降，对系统整体给料稳定性要求提高；3)给料螺旋为单悬臂支承，对于螺旋强度要求较高。

6 方案比较

本文提出的方案是从锅炉房炉前给料部分开始直至燃料进入锅炉的部分，没有涉及燃料从料棚到给料机这部分燃料输送系统的研究。对4个方案进行比较，分析得到各个方案的适用范围，分述如下：

1)方案一：当输料螺旋使用有轴螺旋时，螺旋强度得到提高，系统稳定性较强；使用无轴螺旋时，可以适用生物质粉碎燃料供给，方案拓展性较高。但溜槽后靠输料风和重力给料，给料的可靠性较低，风速较高时，对溜槽的磨损较大。该方案适合在炉压炉温较低的锅炉，对生物质粉碎燃料混合量要求较大的场合使用；

2)方案二：承载螺旋配合大料仓具有很高的缓冲能力，无轴给料螺旋可以很好的密封住炉膛火焰，防止反火。但系统螺旋较多，系统复杂度高，给料螺旋无法在生产中检修，维护成本较高，对燃料本身要求也较高，因此，燃料的经济成本也会提高，该方案适用于使用炉压炉温较高的锅炉，同时对燃料供给稳定性要求较高的电厂；

3)方案三：使用带式输送机作为传输方式，基本不会出现堵料的情况，但同时输送生物质粉碎燃料时，会产生团料和撒料等问题。带式输送机结构为开放式，需增加辅助设备降低灰尘和输送带张紧，整体设备变复杂。该方案适用于负载压力大、对燃料供给连续性要求高的电厂；

4)方案四：使用小料仓能够有效减少堆积堵料的情况，可以降低料仓堵料、爆燃的风险[6]。二级螺旋的配置可以在满足生物质成型燃料输送的同时，适用于生物质粉碎燃料给料。系统结构较为简单，但对燃料输送系统稳定性要求较高，当生物质粉碎燃料比例增加时，可能会导致给料速度不均匀的问题。该方案适合生物质成型燃料混合少量生物质粉碎燃料，使用炉温炉压较高锅炉的电厂应用。

结合上述分析，可以得出：

1)使用无轴螺旋进行最末端给料时，具有较高的密封效果，对于炉压炉温较高的锅炉比较适合，但要注意无轴螺旋的制造加工工艺和材质选择，提高其可靠性，同时生物质成型燃料休止角大、流动性能差，容易堵塞螺旋给料机进出料口[7]，设计人员应与螺旋给料机厂家沟通；

2)料仓尺寸越大，则对物料均匀输送越有利，但同时越大的料仓尺寸越容易发生堆料和爆燃的情况，需要增加辅助机构以降低堆料可能，设计人员需综合考虑；

3)中间螺旋级数越多越有利于燃料均匀输送，但同时增加了发生故障的风险；

4)对于连续给料要求高的锅炉，带式输送效果更好，但是对破碎燃料可能会发生团料等问题。设计人员可以综合考虑项目实际进行灵活组合。

7 结语

本文针对使用生物质成型燃料作为主要燃料的电厂，研究其炉前给料方案，其中，锅炉为额定蒸发量在130～150 t/h的高温超高压循环流化床锅炉，属于目前主流的生物质锅炉选型，因此，方案具有较高的代表性。文中系统梳理了4个运行生物质电厂的炉前给料方案，从各方案的系统流程和适用燃料类型，分别对其优点和缺点进行了分析总结，提出了各方案的适用范围，总结了给料系统各子单元的特点，提出了通用性的结构建议，为设计人员确定电厂炉前给料方案提供参考。