生物质燃料特性对生物质锅炉稳定运行的影响研究

引言

生物质是指来源于植物的有机物质,多为树头、树皮、树枝和木材行业的副产品。生物质燃料种类繁多、特性各异,给生物质发电厂锅炉的稳定运行带来了巨大的挑战。本文以50Mw生物质自燃发电锅炉为平台,研究生物质燃料特性对工业规模生物质锅炉稳定运行的影响。生物质发电厂可通过提高燃料品质和采用合理的配烧办法,使生物质锅炉保持在较为稳定的工况下运行,并创造可观的经济效益,实现安全和效益的双赢。

1设备介绍

本文研究的50Mw生物质自燃发电锅炉为华西能源工业股份有限公司生产的型号为Hx220-9.8-IV1的高温高压、单汽包、汽水自然循环、平衡通风的循环流化床锅炉。锅炉的额定蒸发量为220t/h,额定蒸汽出口压力为9.8MPa,额定蒸汽出口温度为540℃。设计燃料为校树的皮、叶、根、枝,木材边角料,甘蔗渣和其他农林废弃物。燃料消耗量设计值为49t/h,实际燃料消耗量为60t/h。锅炉对燃料的颗粒度要求小于150mm×80mm×50mm。

2常用的生物质燃料

生物质燃料以树皮和木质材料为主,根据地理位置和区域的产业链有所不同。以广东省湛江市为例,常用的生物质燃料有以下品种:散树皮、碎树皮、树头、木尾、木边皮、建筑废料和木材加工副产品。此外,还有一些不常用的燃料品种:甘蔗渣、稻谷壳、肉桂枝叶、棕榈壳、花生壳等。常见生物质燃料的全水分和热值可参考表1。

3生物质锅炉稳定运行的关键因素

生物质燃料因品种繁多和特性各异,在生产中对生物质锅炉稳定运行影响很大。生物质燃料构成多变,且燃料颗粒度从4cm至30cm不等,极端情况下甚至有50cm长的燃料进入炉内,这就决定了生物质锅炉难以保持稳定运行。

然而,尽管燃料复杂多变,要实现生物质锅炉稳定运行,在燃料环节需要把控的只有两点:控制燃料水分和保持下料顺畅。

3.1控制燃料水分

从表1可以看出,不同的生物质燃料水分和热值区别较大,且生物质锅炉一般都是小容量锅炉,其稳定性较差,所以当不同的生物质燃料进入炉内时,锅炉的工况马上会发生变化。当燃用热值高、水分低的燃料时,锅炉将快速升温升压,容易使汽轮机和发电机的出力达到最大限值,生产中可以采取运行调整措施避免此情况,如调节二次风量和下料量,进而降低机组出力。当燃用热值低、水分高的燃料时,除机组出力显著下降,还会引起一系列的问题。此类燃料将打破锅炉稳态,并快速消耗锅炉内的氧气,锅炉床温快速下降,燃烧工况变差,还会导致机组的环保参数异常。此时如运行人员干预调整,锅炉将在缺氧和富氧之间波动,导致氮氧化物和二氧化硫快速上升,存在环保参数超限的风险。针对此情况,除调整风量和下料量,还需要马上降低入炉燃料的水分,增加高热值、低水分且流动性好的燃料,使锅炉重新恢复稳态。

3.2保持下料顺畅

生物质锅炉的给料系统采用螺旋式给料机,因燃料的颗粒度差别较大且燃料中含有杂质,要实现燃料顺畅进入锅炉并不容易。如果能保持燃料的颗粒度在10cm以内,且燃料的流动性较好,实现顺畅给料不成问题。但在实际生产中,因为燃料是由颗粒度4～30cm的不同生物质燃料混合而成,所以经常出现燃料流动性变差和给料机故障等问题,不仅给运行调整带来了困难,而且很大程度上破坏了生物质锅炉的稳态。出现此问题时,运行调整需要更换燃料,尽快处理给料机异常,调整燃烧参数。比起处理办法,更重要的是如何防范问题发生。生物质锅炉可从以下几方面防范下料不畅的问题:

(1）控制燃料的颗粒度。燃料颗粒度越大,其流动性越差,越难顺畅下料。在燃料进厂环节,通过质检控制生物质燃料的颗粒度,保证进厂燃料颗粒度在合格范围内。在上配料环节,需要合理使用破碎机和成品给料机。对于颗粒度大的燃料,必须使用破碎机进行破碎。同时,要关注破碎机的设备状况,及时修复磨损的破碎机刀轴,以免破碎效果差导致下料不畅的问题。

(2）控制燃料的杂质。生物质燃料一般在山地、田地、木材加工场等易携带杂质的场所进行收集,这决定了生物质燃料含有较多的杂质。虽然供应商会在收集燃料时清除杂质,但因为燃料需求量大,往往难以清除全部杂质。在燃料进厂环节,通过质检控制燃料杂质,防止杂质多的燃料入厂。在厂内环节,通过人工清除杂质和上配料时避开大块杂质的办法,减少入炉的杂质。此外,在上料皮带处增设除铁器,及时清除燃料内的铁块和铁钉等金属杂质,也能有效减少随燃料进入炉内的杂质。

(3）入炉燃料预混合。由于每种燃料的颗粒度不同,将粗细不同的燃料混合后,能有效改善燃料的流动性,实现下料顺畅。在燃料进入上料系统前,通过预混合不同的燃料,使某一时段的燃料品质稳定且具有适中的流动性,对保持生物质锅炉稳定运行具有显著的帮助。在实际生产中,人工使用机械混合燃料的效果较差,波动性较大:而通过机械式的拨料器能较好地混合不同品种的生物质燃料。

4适合生物质锅炉的配烧办法

每种生物质燃料热值、水分、颗粒度和价格各不相同,对生物质发电厂运营的影响自然也不同。一般而言,树皮类燃料水分高、热值低,但其价格低廉,合理使用将为生物质电厂带来不错的经济效益。干燃料类(如建筑废料、木材加工副产品等）属于水分低、热值高的燃料,虽然其价格较高,但其易燃烧且流动性好,在处理异常工况和维持机组良好出力方面具有明显的优势。由此可见,使用单一的生物质燃料难以满足生产需要,将不同的生物质燃料混合,能实现锅炉稳定和经济效益之间良好的平衡。

基于广东省湛江市生物质燃料供应市场的实际情况,并结合长周期的试验,对于50Mw的生物质锅炉,树皮:干燃料=4:6是较好的配烧办法。其中,树皮类燃料由散树皮和碎树皮组成,干燃料由木尾、木边皮、建筑废料、木材加工副产品组成。干燃料根据市场变化和季节变更而有所不同,但只要保持干燃料的比例并和树皮类燃料混合均匀,锅炉便能较为平稳地运行。实际生产中,燃料的水分和热值还会受到天气影响。在雨季,生物质燃料在源头处就已增加了水分,更容易出现燃料整体含水偏高导致燃烧工况变差的问题。在干燥季节,所有燃料的含水量都比雨季低,生物质锅炉运行工况较好,较少发生问题。所以,树皮:干燃料=4:6不是一成不变的配烧办法,需要根据当时的燃料品质进行调整。如果燃料水分较高,则适当增加干燃料的比例:如果燃料水分较低,则适当增加树皮类燃料。这样才能在保持锅炉稳定运行的同时,创造良好的经济效益。

5燃用某些生物质燃料的常见问题

生物质燃料特性各不相同,在生产中将产生不同的问题,对生物质锅炉造成不同影响。在曾使用的30多种生物质燃料中,以下燃料容易出现一些问题:

(1）散树皮。散树皮是散装的树皮,燃料长度30～80cm,质地较韧,需要破碎才能使用。增加散树皮的用量将使燃料的流动性明显变差,容易造成炉前给料机堵料和卡涩的问题。解决办法:控制散树皮用量不超过燃料总量的20%,且要求散树皮的破碎效果良好,并与其他碎料混合均匀后再供应到给料系统。

(2）碎树皮。碎树皮是已经破碎至直径0.5～6cm的树皮,这种燃料的全水分高达50%,品质较为一般。增加碎树皮的比例将使入炉燃料的水分显著提高,机组出力明显下降,燃烧工况变差。解决办法:控制碎树皮用量不超过燃料总量的20%,且碎树皮到厂后可放置一段时间再使用,以降低其含水量。使用碎树皮要与干燃料混合均匀,避免短时间内大量的碎树皮入炉,破坏锅炉运行的稳态。

(3）建筑废料。建筑废料是建筑行业用完的边角材料,热值特别高,但常含有铁钉和水泥块等杂质。一旦建筑废料用量增大至燃料总量的10%以上,排渣系统将无法有效排出所有杂质,进而导致锅炉流化不良。解决办法:提高除铁器的除铁效率,并控制建筑废料的用量。如锅炉出现流化不良的情况,可通过置换床料和加大一次风量进行扰动的办法改善锅炉工况。

(4）树头。树头是树木的根部,热值较高,但含泥量高,且常存在规格严重超标的情况。树头常导致生物质锅炉床压快速升高进而流化不良的现象,同时块状的树头会引起给料机卡涩和跳闸的问题。解决办法:控制树头用量,并对树头进行充分破碎,再供应到给料系统。

6结语

本文立足于50Mw生物质自燃发电锅炉,分析了在燃料方面影响生物质锅炉稳定运行的因素,提出了控制燃料水分和保持下料顺畅两点关键因素,总结了树皮:干燃料=4:6这个适用于生物质锅炉的配烧办法,并指出了某些生物质燃料易引起的问题及其解决办法,可供工业生产的生物质锅炉借鉴。生物质发电作为新能源和环保能源,为国家节能减排做出了巨大贡献,生物质电厂可以通过控制燃料质量和合理配烧燃料,实现生物质锅炉稳定运行和生物质发电盈利的双赢局面。