摘要：針對生物質(zhì)電廠秸桿類燃料不能大量使用存在的問題，在某生物電廠水冷振動爐排鍋爐上進行了純秸桿生物質(zhì)燃料發(fā)電的燃燒調(diào)整與分析工作，觀察、分析純秸桿摻燒中排振動、一二次風的調(diào)整對各參數(shù)的影響，結(jié)果表明，通過優(yōu)化調(diào)整，水冷振動爐排鍋爐能夠進行純秸桿燒燒發(fā)電，各項參數(shù)基本正常；加強秸桿燃料的粒度、水分、灰分的控制和一二次風的控制，對于大量焚燒秸桿，是非常必要的，為生物質(zhì)鍋爐大量焚燒秸桿及鍋爐設計、改造有提供了參考。

關鍵詞：生物質(zhì)；水冷振動爐排；秸桿；燃燒調(diào)整

1 引言

生物質(zhì)直燃發(fā)電技術在中國發(fā)展已十余年，主要形成了以流化床燃燒、振動爐排燃燒、往復爐排燃燒、鏈條爐燃燒等幾種方式，發(fā)電技術日殝成熟，秸桿作為輕質(zhì)生物質(zhì)，具有廣闊的種植面積，因在鍋爐燃燒過程中問題的存在，目前純秸桿的燃燒技術還不是很理想，一般生物質(zhì)電廠的秸桿所占比例，還不到所發(fā)電燃料的50%，嚴重限制了秸桿的充分利用和影響了生物發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益，隨著國家發(fā)改委會同環(huán)保部和農(nóng)業(yè)部下達加強農(nóng)作物秸稈 綜合利用和禁燒工作的通知和國家發(fā)改委、國家能源局等16部委聯(lián)合下發(fā)關于推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革防范化解煤電產(chǎn)能過剩風險的意見的落實，為生物質(zhì)發(fā)電帶來了空前的利好，秸桿禁燒政策的落實，為秸桿的收集帶來了利好，加強秸桿的充分利用，加大純秸桿發(fā)電力度顯得更加迫切，一方面政府禁燒，秸桿類燃燒必須找到出路，生物發(fā)電廠秸桿利用是不二選擇，另一方面秸桿發(fā)電可降低發(fā)電成本，為生物質(zhì)發(fā)電提供可持續(xù)發(fā)展的潛力，在相關研究領域，主要要針對秸桿燃燒理論的是固定床的秸桿燃燒特性及往復爐排燃燒的相關理論研究，對水冷振動爐排的研究還不多，利用純秸桿發(fā)電在運行調(diào)整中存在帶不滿負荷、主汽溫度偏低、冒正壓等情況，導致對大量燒秸桿存在畏難情緒。目前國能生物發(fā)電公司發(fā)電項目，均是引進丹麥技術、水冷振動爐排鍋爐，黃桿鍋爐主要設計燃料為小麥秸桿或者為棉桿等，與實際入爐燃料均存在較大差異大，導致入爐秸桿類燃料比例低的問題，因此，進行生物質(zhì)鍋爐純秸桿發(fā)電的燃燒運行調(diào)整，為純秸桿的高效燃燒發(fā)電提供依據(jù)和經(jīng)驗，具有重要的理論意義和實用價值。

2、設備規(guī)范

2.1實驗鍋爐設備簡介

本鍋爐是采用丹麥引進的生物燃料燃燒技術的48t/h振動爐排高溫高壓蒸汽鍋爐。鍋爐型號為YG-48/9.2-T，鍋爐為高溫、高壓參數(shù)自然循環(huán)爐，單鍋筒、單爐膛、平衡通風、室內(nèi)布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、底部支撐結(jié)構(gòu)型鍋爐。本鍋爐設計燃料為小麥秸桿，可燒玉米秸桿、棉花秸桿等生物質(zhì)燃料。鍋爐采爐前螺旋前墻給料、振動爐排的燃燒方式。鍋爐汽水系統(tǒng)采用自然循環(huán)，爐膛外集中下降管結(jié)構(gòu)。該鍋爐采用“M”型布置，爐膛和過熱器通道采用全封閉的膜式壁結(jié)構(gòu)。過熱蒸汽采用四級加熱，三級噴水減溫方式。尾部豎井內(nèi)布置有一級過熱器、三級省煤器、四級煙氣冷卻器?？諝忸A熱器布置在煙道以外，采用給水加熱的方式。

送風系統(tǒng)為室外風被送風機輸送到空氣預熱器加熱，然后被配送到爐排下部一次風、爐前給料點火風、前后墻二次風和燃盡風4個系統(tǒng)中，這些一次風、二次風、點火風及燃盡風均有電動或手動調(diào)節(jié)風門進行調(diào)節(jié)。爐排水冷壁安裝在爐排支架上，爐排表面向前下傾角與水平夾角為5°，驅(qū)動裝置的驅(qū)動桿上傾角與水平夾角為20°。振動驅(qū)動裝置的振幅為±5mm，整個爐排為一個風室，風室設一個灰斗，收納從爐排表面漏下的細灰。

2..2鍋爐主要技術經(jīng)濟指標和有關數(shù)據(jù)

1 額定蒸發(fā)量：48t/h

2 額定蒸汽壓力：9.2Mpa

3 額定蒸汽溫度：540℃

4 額定給水溫度：210℃

5 冷風溫度：35℃

6 一次風預熱溫度：189℃

7 二次風預熱溫度：189℃

8 一、二次風占總風量之比：1：1

9 排煙溫度：127℃

10 鍋爐熱效率：93.5%

11 灰與渣的比率 15：85

12 NOx排放量 <450mg/Nm3

13 CO排放量 <650mg/Nm3

2.3實驗樣品

采用的生物質(zhì)樣是錦州地區(qū)玉米秸稈燃料主要指標如下．


3燃燒調(diào)整試驗分析：

3.1 秸桿燃料的燃燒特性分析：

秸桿燃料的特點是水分含量大，揮發(fā)份高，不同時期燃料含水量不均勻，發(fā)熱量相對較低，含碳量少，含氫較多（4~6%），實際化驗結(jié)果表明，水分越高，低位發(fā)熱量越低。生物質(zhì)的燃燒與煤的燃燒一樣，歷經(jīng)預熱干燥階段、熱分解階段（揮發(fā)分析出）、揮發(fā)分燃燒階段、固定碳燃燒階段和燃盡階段。當溫度達到100℃左右時，生物質(zhì)表面的自由水和生物質(zhì)顆?？p隙的結(jié)合水逐漸蒸發(fā)出來。水分析出溫度比較集中，在150℃左右水分基本析出完畢。[2]生物質(zhì)繼續(xù)被加熱，溫度繼續(xù)升高，到一定溫度時便開始析出揮發(fā)分，這個過程實際上是一個熱分解反應。秸桿燃料主要由 纖維素 半纖維素 木質(zhì)素 萃取物等組成，在熱解過程中，半纖維素首先熱分解（200-260℃），其次是纖維素（240-350℃），最后是木質(zhì)素（280-500℃）。因此當溫度高于200℃時，熱解就會發(fā)生，物質(zhì)的熱分解動力學表達式為起初析出速度很快，較迅速地析出揮發(fā)分的70％-90％，但最后的10％-30％要過較長的時間才能完全析出。隨著溫度繼續(xù)提高，揮發(fā)分與氧的化學反應速度加快，當升高到一定溫度時，揮發(fā)分中的可燃氣體發(fā)生著火燃燒，釋放出大量的熱能，玉米稈揮發(fā)分著火燃燒235℃；當生物質(zhì)表面燃燒所放出的熱能逐漸積聚，會通過熱傳導和輻射向生物質(zhì)內(nèi)層擴散，從而揮發(fā)分著火溫度使內(nèi)層生物質(zhì)也被加熱，揮發(fā)分析出。析出的揮發(fā)分繼續(xù)與氧混合燃燒，并放出大量的熱量，使得揮發(fā)分與生物質(zhì)中剩下的焦炭的溫度進一步升高，直到燃燒產(chǎn)生的熱量與火焰向周圍傳遞的熱量形成平衡。使得氣體不斷向上流動，邊流動邊反應形成擴散式火焰。生物質(zhì)中剩下的固定碳在揮發(fā)分燃燒初期被包圍著，氧氣不能接觸碳的表面，經(jīng)過一段時間以后，揮發(fā)分的燃燒快要終了時，一旦氧氣接觸到熾熱的碳，就可發(fā)生燃燒反應。

3.2秸桿燃燒的運行與調(diào)整

從純秸桿入爐實際情況來看，在秸桿水分在20%以下時，實際入爐玉米秸桿燃燒接近于設計小麥秸桿燃料，機組可正常滿負荷運行，各參數(shù)也與設計值基本一致。負荷為12MW，蒸汽溫度為540℃，灰渣含碳量均在設計值5~8%左右，稍高于設計值5%以下的要求?，F(xiàn)場可觀察到劇烈燃燒區(qū)在爐排中部，爐膛出口溫度在950℃左右，燃燼段在爐排落渣前500mm左右。運行調(diào)整中各調(diào)節(jié)控制重點為：一次風二次風比例保持在 50/50，高端一次風室風門全開，低端一次風室風門開度0~50%，點火風開度在20%，前后墻二次風開度在50%，燃燼風開度在30%，隨負荷狀況適度控制一次風總量，爐排振動頻率在80%頻率，爐排振動時間11秒，爬坡時間8秒，停振間隔在280秒，這樣很容易滿足額定負荷下純燒秸桿的運行。

隨著秸桿含水量的增加，秸桿入爐給料量會逐步加大，才會維持同等條件下的熱負荷，這與燃料的低位熱值與其燃料的質(zhì)量的乘積成正比的關系，可觀察到爐膛內(nèi)燃燒段后移，這主要是因為秸桿燃料入爐后，燃料首先被干燥，水分被蒸發(fā)，由于秸桿燃料的水分增加，導致燃料水分被蒸發(fā)出的時間延長，影響揮發(fā)份的析出與燃料的著火，影響火焰鋒面向下傳播，整個燃燒過程會遲緩，時間延長，這樣造成燃料在爐膛前部堆積，燃燒區(qū)后移，燃盡段后移，從爐膛中部觀火孔可以明顯看到，燃料堆積高度已到觀察孔下沿。而且由于本鍋爐是經(jīng)螺旋給料，料經(jīng)過水冷套后，落在高端撓性管上，經(jīng)過撓性管的振動，將使燃料變得較為松散，松散料燃燒時，揮發(fā)分燃燒中心向下部輻射傳熱過程中，反應區(qū)較長，火焰鋒面下傳相對容易，但其同樣體積的燃料少，反應生成熱量也少，床層中孔隙較大，輻射傳熱的熱量相對較多地傳給相對靠下的燃料和金屬壁面，燃燒條件相對差，也影響了秸桿在爐膛內(nèi)的燃燒。如不及時調(diào)整，會導致秸桿內(nèi)的碳沒有充分的燃燒時間，出現(xiàn)燃料燒不盡，燃燒后移，嚴重時產(chǎn)生燃料在落渣前還有明顯火焰，灰渣溫度在700℃以上?；以剂可咧?5%左右的情況。

隨著入爐秸桿水分的增加，也會觀察到爐膛出口溫度下降的情況，當入爐秸桿含水量超過35%時，爐膛出口溫度會由原來的950℃左右下降至800℃以下，主要原因為主要原因是在燃料的燃燒過程中析出水分造成的熱量損失增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾室搽S之下降。會使加熱床層上燃料的有效熱量減少，床溫會逐步降低，爐膛溫度同比降低，有研究表明，低水分、顆粒度較小的秸桿類燃料的燃燒模式為揮發(fā)份和固定碳的多相燃燒，這種模式的燃燒速度比熱解速度快。在高水分的情況下，燃燒會變得更加復雜，隨著燃料含水量的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，火焰向下傳播時相對較多的揮發(fā)分中的碳沒有完全燃燒，碳燃燒速率較小，到燃燒盡段時會產(chǎn)生沒有足夠的時間使碳完全全燃燒的情況，灰渣含碳量會有明顯的上升。

與設計燃料相比，秸桿燃料的灰分變化也比較大，這與燃料收購模式有關，對于站桿作業(yè)打包的秸桿，灰分均在4~8%之間，相對較小，對燃燒特性的影響不大，近幾年玉米收儲聯(lián)合收發(fā)展較快，目前秸桿均為打碎于田間然后再打包回收，導致秸桿燃料中的灰分變化較大，在8~25%之間，對于燃燒調(diào)整產(chǎn)生了較大的影響，燃料中灰分主要是包括氯化物在內(nèi)的多種鹽它們?nèi)紵a(chǎn)生的灰分熔點較低，容易形成渣層，在燃料中燃料時，形成渣層時會蓋在燃料的上面，阻礙熱量向向下的傳遞和一次風向上的傳遞，導致燃燒的惡化，灰水越大，對燃燒的影響越大，嚴重時會導致爐排上大面積的結(jié)焦，輕則影響鍋爐接帶負荷，重則導致機組停運，灰分中的未揮發(fā)的Ca、Mg、Si、K、AI等元素被一次風帶起，形成較大粒徑的飛灰顆粒增加飛灰中的濃度，低于灰熔點的灰粒在受熱面上的沉積，高于灰溶點的灰粒在管排上粘結(jié)，會降低受熱面的傳熱系數(shù)，在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，當秸桿燃料中的灰分超過10%時，會對燃燒產(chǎn)生明顯的影響，高于20%時，運行一個月的時間，則會出現(xiàn)過熱器換熱系數(shù)降低，過熱溫度溫差由原來的60℃下降為40℃左右，隨著時間的延長，此問題還會加劇，煙冷器、省煤器也均存在此問題。在運行調(diào)整過程中，隨著灰分的的增加，鍋爐結(jié)焦的嚴重，因爐排隨著振動頻率的增加，共振會由局部擴展到整個爐排，而結(jié)焦的產(chǎn)生，會使爐排的共振減弱，需要加強爐排的調(diào)整，保證爐排形成全面的共振，爐排振動頻率需要從80%~100%之間進行調(diào)整，以保證爐排上面沒有大的焦塊形成為基準。

入爐秸桿的水分、灰分及顆粒度因素的影響會產(chǎn)生疊加效應，使爐排上的料層堆積，使燃燒調(diào)整變得困難，負荷降低，除對于一二次風的調(diào)整，爐排振動頻率調(diào)整外，爐振振動間隔的調(diào)整，也是鍋爐調(diào)整極其重要的手段。隨著入爐秸桿水分及灰分的增加，爐排的振動間隔，需要縮短，振動間間需要延長，在水分達到35%時，爐排振動需要增加至15秒，間隔時間逐頻增加至140秒，能保有更好的燃燒區(qū)域保持在爐排中段，燃燼段保持在爐排尾部，灰渣含碳量保持在最低，在入爐燃料水分大而灰分小時，可降低爐排的振動頻率，這樣做的好處是降低了一次風對燃燒的擾動，防止揮發(fā)份的迅速逸出產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象，保證燃燒調(diào)整的穩(wěn)定性和安全性。這種調(diào)整是一個漸進的過程，需要與一二次風的調(diào)整作好相應的配合，才能保持鍋爐各項運行參數(shù)在一個正較好的狀態(tài)。

由于灰分的增加，各受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會降低，受熱面的吹灰需要增加頻次，可視各受熱面介質(zhì)的進出口溫度來調(diào)整，一般尾部受熱面的吹灰頻次可由每二次增加至每天一次，以保證受熱面的清潔。

當入爐秸桿水分超過35%時，純燒秸桿的燃燒調(diào)整工作會變得非常困難，可觀察到燃燼段明顯超過爐排長度，灰渣含碳量明顯上升，煙氣中的可燃氣體會明顯提高。要使使鍋爐經(jīng)濟運行，必須降負荷運行。，


4、結(jié)論：

1、水冷振動爐排純燒秸桿是可行的，在含水率低于20%時，各項參數(shù)附合設計工況，在含水率高于20%不大于35%時，可通過調(diào)整一二次風的配比及爐排振動來作適應性調(diào)整，可帶滿負荷，但部分指標會惡化。

2、在水分大于35%時，燃燒調(diào)整變得困難，需要從設計方面增中爐膛容積和爐排長度來適應高水分秸桿入爐的要求，在生產(chǎn)實際中，需要從入爐燃料的品質(zhì)方面想辦法降低水分或摻配高熱值燃料達到大量摻燒玉米秸桿的需求。

3、在不考慮灰分增加對腐蝕和磨損的影響的情況下，灰分的增加對滿負荷運行燃燒的影響明顯比水分的影響小

4、此鍋爐風室分隔的位置需要進一步優(yōu)化，以方便進一步更準確控制燃燒區(qū)和燃燼區(qū)的風量和風速，以保證燃燒區(qū)的充分供氧和碳在爐排低部的充分燃燼。