秸稈焚燒發電燃料系統成套技術探討

張志洪，包立炯

（上海發電設備成套設計研究院，上海200240）

生物質秸稈包括玉米秸稈、小麥稈、稻草、油料作物秸稈、豆麥作物秸稈、雜糧秸稈、棉花稈等，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，在世界能源總消費量中占14%［1］。國際能源機構的有關研究表明：農作物秸稈為低碳燃料，且硫含量、灰含量均比目前大量使用的煤炭低，是一種很好的清潔可再生能源。每兩噸秸稈的熱值相當于一噸標煤，而且其平均含硫量只有0．38%，遠遠低于煤1%的平均含硫量。

目前秸稈焚燒發電的燃料系統主要存在幾個問題：一是秸稈收集與貯存；二是秸稈預處理和廠內輸送；三是爐前給料方式。

本文結合中電洪澤生物質發電廠的燃料系統設計和運行經驗，對解決燃料系統的一系列問題進行了探討。

1 秸稈收集和貯存

中電洪澤生物質發電廠規模為1臺75t／h振動爐排生物質鍋爐，配1臺15MW汽輪發電機組。鍋爐每小時秸稈消耗量約18t，每天消耗超出400t，按年運行6 000h計算，年耗秸稈總量在10×104t左右。主要燃料為當地稻稈、麥稈、稻殼、楊柳樹修剪枝條、棉稈等。

我國農業生產以家庭承包為主，戶均種植面積小，作物秸稈分布分散；同時由于秸稈密度低、體積大，收獲季節性強，秸稈收集、儲存和運輸成為制約其大規模利用的主要瓶頸；因此，如何建立合理、高效的秸稈收儲運體系是秸稈生物質能產業發展必須解決的關鍵問題［2］。

根據洪澤縣的地理特征和工程的具體特點，為保證電廠的燃料供應充分以及收購價格的平穩，在黃集鎮、仁和鎮、共和鎮、老子山鎮、岔河鎮建立了五個收購站，并在電廠旁建立一個中心收購站，即在廠外建設五個普通收購站和一個中心收購站。

電廠負責收購站的管理工作，各秸稈收購站是收購網絡中心結點，負責秸稈收購的具體事務，包括收購、打包、儲存、發運，以及組織協調農村秸稈經紀人的秸稈收集，完成主要的秸稈收購工作。

中心收購站以存儲季節性收購的秸稈和各普通收購站收集的秸稈為主，保證燃料的充足供應和價格的穩定。

發電廠內空間有限，要存儲大量的燃料是不現實的，所以廠內秸稈庫主要用于儲存處理后的碎秸稈和稻殼等，可存儲5天左右的燃料量，以便秸稈破碎區設備發生故障時，不影響鍋爐運行。

2 秸稈的預處理和輸送

中電洪澤生物質發電廠的燃料主要為稻草、麥草、稻殼以及硬枝條等，考慮到秸稈燃料的多樣性，必須設計出適合多種燃料的秸稈處理和輸送系統。

中電洪澤生物質發電廠的秸稈預處理和輸送系統流程見圖1。

圖1 秸稈預處理和輸送系統流程

2．1 秸稈的破碎

為了滿足鍋爐對燃料粒度的要求，需要對軟質秸稈和硬質秸稈進行破碎。秸稈的破碎區設在中心收購站內。

不同的秸稈應采用不同的破碎方式：稻稈、麥稈等軟質秸稈可采用切草機；枝條、棉稈等硬質秸稈可采用鼓式削片機。

軟質秸稈捆由卡車運送到中心收購站后，由鏟運機或起重機負責上料。鏟運機或起重機將秸稈捆直接放到傾斜的鏈板輸送機上。鏟運機或起重機一次可輸送多個秸稈包，如果直接放在切草機上，易引起秸稈包在進料皮帶上搭橋，而造成秸稈輸送中斷，燃料供應不足。為此，可采用鏈板輸送機作為緩沖機構。

2．1．1 鼓式削片機

枝條、棉稈等硬質秸稈可由人工散捆后用鏟運機或起重機送到鼓式削片機進料皮帶，進入鼓式削片機。鼓式削片機可將原木、小徑木、木材采伐剩余物（枝椏、枝條等）、木材加工剩余物（板條、板皮、圓木芯、廢單板等）、竹、棉桿等切削成一定規格的片料，是較為成熟的林木業機械設備，可直接運用于秸稈電廠的硬質秸稈預處理。中電洪澤生物質發電廠選用的BX218（改進型）鼓式削片機，最大進料直徑為160mm，最大出料長度為30mm，能夠滿足秸稈鍋爐對燃料粒度的要求。

經鼓式削片機切碎后的碎秸稈落到帶式輸送機上，送入廠內秸稈庫儲存或直接入爐燃燒。

2．1．2 鏈板輸送機

鏈板輸送機（圖2）的作用有：

（1）緩沖作用。如果直接將秸稈捆放到切草機的進料皮帶上，可能造成進料皮帶機構的沖擊損傷。

（2）均布作用。將秸稈捆放到傾斜的鏈板輸送機上時，秸稈捆會排列不齊，甚至有些秸稈捆會疊在上層，在鏈板輸送帶傾斜上升時，疊在上層的秸稈捆會在自重的作用下翻落到下層，使得秸稈捆一層層輸送到切草機的進料皮帶上，然后進入切草機。

圖2 鏈板輸送機B3000

為了找到鏈板輸送機的最佳傾斜角度，進行了現場試驗，現場有兩種不同的秸稈捆，一種為1 000mm×800mm×600mm，一種為600mm×450mm×380mm，在15°、30°、45°、60°的情況下進行了試驗，具體的試驗結果見圖3。

由圖3可以看出：

（1）隨著角度的增加，秸稈捆堆疊的可能性減小。

（2）大捆的翻滾性要強于小捆的。

（3）在45°時，比較適合上述的兩種秸稈捆。

2．1．3 切草機

軟秸稈包送入切草機后被切成長約50mm的碎秸稈，由切草機的出料皮帶機送到帶式輸送機，最終送入爐前料倉。

國外生物質電廠所用的切草機，一般都有直徑比較大的圓形料口，切碎的料是從其底部出來的；其進料方式比較多，可用鏈板輸送機輸送秸稈捆，散包后直接進入圓形的料口；或用抓具將散料直接放入圓形的料口；但是其成型產品出力較小、功率較大、價格相對較高。

國產切草機以前主要用在造紙行業，其燃料的適應性比較好，可以切碎稻草、麥草，還可以切比較小的樹枝條；但是還需要對國產切草機進行一些改造后才能用于秸稈電廠，如：進料口側面安裝進料輥，可以讓秸稈捆更好地進入；進料口上面有壓料輥，用來壓實要切的秸稈；將刀輥模式改為斜面刀輥，使得秸稈包切削起來比較省力，同時也減少了對刀輥的沖擊。在對改進前后的切草機進行了秸稈捆的切削試驗后，得出了改造前后的出料粒度對比情況，見圖4。

圖4 切草機改進前后出料粒度對比

由此可以得出結論：改進后的切草機破碎粒度更小，相對比較均勻，能更好地滿足鍋爐對燃料的粒度要求，并且為后面的輸送更能創造良好的條件。

2．2 秸稈的輸送

破碎后的秸稈和稻殼的輸送可采用帶式輸送機。水平輸送時采用普通平皮帶；抬升輸送時，為避免物料出現物料打滑現象，可采用花紋皮帶，且輸送機傾角應小于16°。由于碎秸稈密度小、易飛揚的特點，帶式輸送機的帶速不宜過大，應控制在小于1．25m／s［3］。

破碎后的秸稈通過帶式輸送機一部分送入廠內秸稈庫儲存，一部分直接送入鍋爐燃燒。

3 爐前給料系統

3．1 爐前料倉

原設計一臺鍋爐設有2座爐前料倉，每座容積約為200m3，可供鍋爐滿負荷運行約2h。實際運行中，大料倉基本起不到存料的作用，反而容易引起搭橋。

為降低料倉內搭橋的風險，爐前料倉不宜過大，僅作為燃料緩沖倉，其有效容積應結合燃料系統和設備的可靠性進行設計，一般按不大于0．5h所需的燃料量設計。對于上料系統的故障，小的故障宜在0．5h內消除，大的故障只能停爐，不能靠料倉的容積解決。

料倉內壁應光滑，最好上小下大，防止秸稈粘在料倉四壁或搭橋。

3．2 螺旋給料機

秸稈的爐前給料方式，國內外有幾種不同的模式，國外一般采取用秸稈不破碎，解包后直接由雙輥螺旋機直接輸送到爐膛內；也有采用氣力輸送到爐膛內；還有一種模式就是采用螺旋給料機送入爐膛內。中電洪澤生物質發電廠采用的是螺旋給料機的送料方式，料倉底部用螺旋給料機將燃料送入鍋爐的給料口。

為避免碎秸稈纏繞在螺旋給料機的中心軸上，造成給料機堵塞，采用了無軸螺旋給料機（圖5）。

圖5 螺旋給料機和料倉撥料器

無軸螺旋給料機采用無中心軸設計，利用具有一定柔性的整體鋼制螺旋推送物料，有下列特性：

（1）無中心軸，抗纏繞性強，對于輸送帶狀、易纏繞物料有特殊的優越性。

（2）輸送量大，其輸送量是相同外徑的有心軸螺旋輸送機的1．5倍左右。

（3）由于螺旋無軸，無中間軸承，槽體與無軸螺旋之間無物料回流，輸送流暢，可以低速運行，能耗低。

為了避免給料機堵塞時電流過大而燒壞電機，設計了過電流保護，當電流超過一定值后，電機反轉，從而避免了電機的損壞。

3．3 料倉撥料器

當爐前料倉裝滿后，碎秸稈對螺旋給料機的壓力相對較大，會造成螺旋給料機的阻力增大，嚴重阻擾螺旋給料機的運行。

針對以上問題，可在螺旋給料機上部約1m處安裝若干個電動撥料器（圖5），有兩個作用：一是可以防止料倉內秸稈直接壓在螺旋給料機上；二是可以將秸稈均勻地撥到螺旋給料機的槽中，實現均勻給料。

撥料器是在鋼管外表焊接上棘刺的一種裝置，在撥料器不動作的情況下，撥料器上的秸稈不會自動落入下面的螺旋輸送機內。

4 結語

通過上述各節的介紹和分析，對秸稈焚燒發電燃料系統成套技術的實施可得出以下結論：

（1）硬質秸稈的破碎，可采用鼓式削片機；在對國產切草機進行局部改造后，能夠用于軟質秸稈的成捆破碎，其出料粒度能夠滿足秸稈鍋爐的需要。

（2）使用鏈板輸送機為切草機給料時，如果角度太小，會引起秸稈捆堆疊，造成切草機進口堵塞。增加鏈板輸送機的傾斜角度到45°左右可以解決這一問題。

（3）在使用螺旋給料機給料時，有軸螺旋給料機易造成碎秸稈纏繞、堵塞，選用無軸螺旋給料機可減少秸稈在給料機內的堵塞。

（4）當爐前料倉裝滿后，秸稈對螺旋給料機的壓力很大，造成螺旋給料機的阻力增大，嚴重阻擾螺旋給料機的運行。在螺旋給料機上方設置一排電動撥料器，緩解給料機壓力，實現均勻給料，可以有效地解決此問題。

（5）秸稈料倉因軟質秸稈易搭橋，在實際運行中基本起不到存料的作用，僅起到過渡作用；所以，對于燃用軟質秸稈的秸稈電廠，爐前料倉容積不宜很大，或可以取消料倉。

［1］汝守華．生物質能產業發展綜述［EB／OL］．［2009－06－23］，http：／／www．mdjkjj．gov．cn／szkj／ShowArticle．asp？Article ID＝1603．

［2］張艷麗，王飛，趙立欣，等．我國秸稈收儲運系統的運營模式、存在問題及發展對策［J］．可再生能源，2009，27（1）：1－5．

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部．秸稈發電廠設計規范［M］．北京：中國計劃出版社，2012．