生物質循環流化床爐膛負壓波動異常分析

易曉堅

摘? 要：通過分析生物質循環流化床鍋爐燃燒工況對爐膛負壓的影響，提出了一些有針對性的解決措施。

關鍵詞：生物質燃料;循環流化床鍋爐;爐膛負壓;燃燒工況

中圖分類號：TK62?? ????????????文獻標識碼：A?? ????????????文章編號：2095-6835（2014）23-0022-02

1? 生物質循環流化床鍋爐概述

1.1? 生物質循環流化床的燃燒機理

循環流化床的燃燒與普通燃燒最大的區別在于原料顆粒燃燒時的狀態，流化床顆粒是處于流態化的燃燒反應和熱交換過程中的。高速氣流通過流化床底部的布風板將流化床顆粒（包括生物質顆粒和床料）吹起，氣流速度控制在恰好能使顆粒浮起但不被吹走，質量大的顆粒多集中在床底部（形成密相區），經過干燥、分解和燃燒后，質量較小的顆粒會被氣流抬升至床上部（形成稀相區）繼續燃燒，燒完的質量最小的顆粒最后被氣流吹出爐膛。為了提高燃燒效率，將飛出的顆粒通過旋風分離器收集后，重新送回密相區繼續燃燒，而煙氣會從分離器上部被排出。這就是所謂的“循環流化床燃燒”。

1.2? 循環流化床鍋爐燃料燃燒的過程

循環流化床鍋爐燃料燃燒的過程如圖1所示。

圖1? 循環流化床鍋爐燃料燃燒的過程

1.3? 生物質燃料與常規燃料的區別

生物質燃料與常規燃料（比如煤）有較大的區別，主要表現在以下3個方面：①生物質燃料的成分在不同季節會有所差別，燃料的質量也會隨著季節的變化而改變，這就要求鍋爐具有較好的適應性，以適應燃料的變化。②生物質燃料具有揮發分高、含氧量高、灰量偏少、灰密度低、易燃（300 ℃左右便

可燃燒）、燃燼率低和CO排放量較大的特點，燃燒特性總體劣于煤。同時，還存在流化不穩定、循環物料量不足和容易發生積灰和堵灰等問題。③稻殼灰中SiO2的含量較高，存在床料易結團、尾部對流受熱面磨損嚴重的問題。

2? 爐膛負壓控制的重要性

在鍋爐運行的過程中，控制爐膛壓力非常重要。當機組負荷發生變化時，進入爐膛的燃料質量和一、二次風量會隨之改變，燃料在爐膛中的燃燒環境也會隨之改變，這會對爐膛壓力造成非常大的影響。如果爐膛的壓力過低，則爐膛和煙道的漏風量會增大，導致燃燒惡化，燃燒的損失量增大，甚至造成燃燒不穩定或滅火。此外，還會引起過熱器汽溫升高和灰粒對受熱面、引風機的磨損加大。如果爐膛的壓力過高，則爐膛內的火焰和高溫煙氣會向外泄露，進而影響鍋爐的安全、穩定運行。對于生物質自燃循環流化床鍋爐而言，因其具有的特性，在生物質燃料燃燒的過程中易出現較大的燃燒波動，尤其是在生物質燃料進入爐膛的瞬間，易出現大量揮發性氣體析出的現象，進而引起劇烈燃燒，爐膛負壓急劇升高。但揮發分具有燃燒速度快、持續性差的特點，爐膛負壓會快速降低。爐膛負壓的變化范圍為±500 Pa，甚至達到±1 000 Pa。因此，爐膛壓力自動控制是十分重要的，它可保證爐膛壓力維持在一定允許的范圍內。

3? 影響爐膛負壓波動的原因

3.1? 生物質燃料熱值的變化

生物質燃料熱值的變化會導致燃燒工況不穩定，進而影響爐膛負壓的穩定。目前，我國已開始利用的生物質能源主要包括4種：①木材加工業的剩余物。比如樹皮、木屑等。②農業

生產的剩余物。比如稻殼、麥稈和棉花桿等。③城市廢棄物。比如城市垃圾、下水道中的污泥等。④用于生物質能源利用的特殊木生、草本和水生植物。

凱迪綠色能源開發有限公司1×30 MW機組工程采用杭州鍋爐股份集團有限公司生產的KG120-540/13.34-FSWZ1型鍋爐，使用的燃料主要包括樹皮、木材加工廢料、農作物秸稈和稻殼等的生物質燃料。

表1? 生物質燃料和灰品質分析資料

15 835

14 485

2 964

9 939

12 472

從表1中可看出，不同生物質燃料的化學特性不盡相同。在機組實際的運行過程中，選取多種燃料并按比例摻燒，但僅是在料棚中使用鏟車粗略地將各種燃料混合，導致燃料發熱量的波動很大，燃燒工況極不穩定，這是造成爐膛負壓波動大的主要原因。

3.2? 生物質燃料中水分質量的變化

生物質燃料中水分質量的變化較大，導致燃燒工況不穩定，進而影響了爐膛負壓的穩定。水分是生物質燃料中的易變的因素，它受天氣和環境的影響很大。燃料破碎前都是露天堆放的，在湖南省，尤其是在春、秋季的梅雨時節，生物質燃料中水分的質量可達到70%以上;而在夏季，燃料中水分的質量在30%～40%之間。在燃燒反應的過程中，燃料中水分過多會使相當多的熱量被用來干燥燃料，水分吸熱后變為水蒸氣隨煙氣排入大氣，進而導致鍋爐燃燒的效率降低，甚至起火困難。水蒸氣會增加煙氣的體積，進而導致爐膛壓力降低。表2是某生物質電廠機組試運行階段的生物質燃料化驗單。

表2? 某生物質電廠機組試運行階段的生物質燃料化驗單

• /%

• /%

• kJ/g）

• /%

1. -05-15

1. -05-16

1. -05-17

1. -05-18

1. -05-19

1. -05-20

1. -05-21

1. -05-22

1. -05-23

1. -05-24

3.3? 生物質燃料顆粒度的均勻性較低

生物質燃料顆粒度的均勻性較低，導致燃燒工況不穩定，進而影響了爐膛負壓的穩定。顆粒度直接影響著生物質燃料揮發分的析出速率和析出量。揮發分的析出會受到溫度、停留時間、壓力、水分和原料種類的影響。其中，顆粒度對揮發分析出的影響較大——在其他條件相同的情況下，揮發分析出與顆粒度的關系為顆粒度越大，揮發分析出的速率越低;顆粒度越小，揮發分析出速率越高，析出量也越大。從隆回工程機組運行的情況看，其使用的燃料大部分以樹皮、木材等加工業廢棄品為主，并摻入了一定比例的鋸木屑或稻殼，這導致燃料的均一性極差，進而造成流化風的強度難以控制。當風壓較大時，較輕的燃料在爐膛內停留的時間較短，無法充分燃燒，導致尾部煙溫升高、風壓減小;較重的燃料不易被吹起，會在鍋爐的密相區燃燒，進而造成結焦的情況。結焦會導致爐膛內的空氣阻力增大，進而導致爐膛負壓增大。

3.4? 爐前給料系統故障

爐前給料系統故障會導致燃料中斷，進而引起爐膛負壓波動增大。從生物質電廠工程鍋爐點火沖管階段到72+24小時試運行階段，因業主方對料場管理不力，生物質燃料中摻含了鋼絲繩、水泥板和角鋼等雜物，導致經常性地發生輸料皮帶停運和堵料現象，這會使機組燃燒工況極不穩定，負荷波動大，進而導致爐膛負壓波動增大。

3.5? 負壓控制系統中的總風量測量偏差大

負壓控制系統中的總風量測量偏差大，影響了爐膛負壓控制。在爐膛壓力調節系統中，爐膛負壓測量值經過慣性延滯處理后，與給定值一起送入PID中運算，運算結果會引導風機靜葉執行動作，從而控制爐膛負壓滿足機組運行的要求。當一次風量和二次風量發生變化時，需經過一段時間爐膛負壓才會發生變化。因此，可將總風量的微分量作為前饋信號，從而提高一、二次風量變化時控制系統響應的速度。

在爐膛負壓調節系統中，總風量是引起爐膛負壓變化的主要因素之一。因此，取總風量為爐膛負壓自動調節的前饋信號，在調節回路中引入總風量的微分導前信號，經死區處理消除信號中的噪聲波動后，加入調節偏差中。這樣可以在一、二次風量發生變化時及時調整引風量，從而盡可能地減小爐膛壓力變化。但機組在安裝階段對各風量測點的把關不嚴，一些風量測量裝置沒有按照廠家資料和驗評規范的要求安裝，導致風量測量不準，進而影響了爐膛負壓控制系統的調節品質。

4? 調試過程的邏輯修改

為了防止爆燃引起爐膛負壓波動增大，進而點燃給料系統的輸料皮帶，我們采取以下3種方式改善風機和給料系統：①使爐膛出口壓力≥600 Pa，延時3 s，聯鎖關閉所有給料機出口氣動閘板門，停運給料機。②給料機出口氣動閘板門關閉15 s后，且爐膛出口壓力≥800 Pa時，聯鎖跳閘一次風機、二次風機。③使爐膛出口壓力≥600 Pa，且使空預器出口壓力≥0 Pa，延時10 s，聯鎖跳閘一次風機、二次風機。

5? 結束語

隨著循環流化床技術的進一步發展，循環流化床鍋爐已進入大容量、高參數的時代，而與之相應的大容量CFB鍋爐自動控制問題也成為了業內討論、研究的重點。目前，生物質循環流化床的燃燒技術還不夠完善，爐膛負壓控制受燃燒工況的影響較大。我們只有通過測試、研究生物質循環流化床鍋爐各控制對象的特性，逐步掌握其基本規律和特點，并經過不斷的提高和改進，逐步滿足生物質循環流化床鍋爐的各項控制要求。

〔編輯：張思楠〕

Biomass Circulating Fluidized Bed Furnace Pressure Fluctuations Anomaly Analysis

Yi Xiaojian

Abstract： By analyzing the impact of biomass circulating fluidized bed boiler combustion conditions on furnace pressure， made a number of targeted solutions.

Key words： biomass fuels; circulating fluidized bed boiler; furnace pressure; combustion conditions

1. -05-22

1. -05-23

1. -05-24

3.3? 生物質燃料顆粒度的均勻性較低

生物質燃料顆粒度的均勻性較低，導致燃燒工況不穩定，進而影響了爐膛負壓的穩定。顆粒度直接影響著生物質燃料揮發分的析出速率和析出量。揮發分的析出會受到溫度、停留時間、壓力、水分和原料種類的影響。其中，顆粒度對揮發分析出的影響較大——在其他條件相同的情況下，揮發分析出與顆粒度的關系為顆粒度越大，揮發分析出的速率越低;顆粒度越小，揮發分析出速率越高，析出量也越大。從隆回工程機組運行的情況看，其使用的燃料大部分以樹皮、木材等加工業廢棄品為主，并摻入了一定比例的鋸木屑或稻殼，這導致燃料的均一性極差，進而造成流化風的強度難以控制。當風壓較大時，較輕的燃料在爐膛內停留的時間較短，無法充分燃燒，導致尾部煙溫升高、風壓減小;較重的燃料不易被吹起，會在鍋爐的密相區燃燒，進而造成結焦的情況。結焦會導致爐膛內的空氣阻力增大，進而導致爐膛負壓增大。

3.4? 爐前給料系統故障

爐前給料系統故障會導致燃料中斷，進而引起爐膛負壓波動增大。從生物質電廠工程鍋爐點火沖管階段到72+24小時試運行階段，因業主方對料場管理不力，生物質燃料中摻含了鋼絲繩、水泥板和角鋼等雜物，導致經常性地發生輸料皮帶停運和堵料現象，這會使機組燃燒工況極不穩定，負荷波動大，進而導致爐膛負壓波動增大。

3.5? 負壓控制系統中的總風量測量偏差大

負壓控制系統中的總風量測量偏差大，影響了爐膛負壓控制。在爐膛壓力調節系統中，爐膛負壓測量值經過慣性延滯處理后，與給定值一起送入PID中運算，運算結果會引導風機靜葉執行動作，從而控制爐膛負壓滿足機組運行的要求。當一次風量和二次風量發生變化時，需經過一段時間爐膛負壓才會發生變化。因此，可將總風量的微分量作為前饋信號，從而提高一、二次風量變化時控制系統響應的速度。

在爐膛負壓調節系統中，總風量是引起爐膛負壓變化的主要因素之一。因此，取總風量為爐膛負壓自動調節的前饋信號，在調節回路中引入總風量的微分導前信號，經死區處理消除信號中的噪聲波動后，加入調節偏差中。這樣可以在一、二次風量發生變化時及時調整引風量，從而盡可能地減小爐膛壓力變化。但機組在安裝階段對各風量測點的把關不嚴，一些風量測量裝置沒有按照廠家資料和驗評規范的要求安裝，導致風量測量不準，進而影響了爐膛負壓控制系統的調節品質。

4? 調試過程的邏輯修改

為了防止爆燃引起爐膛負壓波動增大，進而點燃給料系統的輸料皮帶，我們采取以下3種方式改善風機和給料系統：①使爐膛出口壓力≥600 Pa，延時3 s，聯鎖關閉所有給料機出口氣動閘板門，停運給料機。②給料機出口氣動閘板門關閉15 s后，且爐膛出口壓力≥800 Pa時，聯鎖跳閘一次風機、二次風機。③使爐膛出口壓力≥600 Pa，且使空預器出口壓力≥0 Pa，延時10 s，聯鎖跳閘一次風機、二次風機。

5? 結束語

隨著循環流化床技術的進一步發展，循環流化床鍋爐已進入大容量、高參數的時代，而與之相應的大容量CFB鍋爐自動控制問題也成為了業內討論、研究的重點。目前，生物質循環流化床的燃燒技術還不夠完善，爐膛負壓控制受燃燒工況的影響較大。我們只有通過測試、研究生物質循環流化床鍋爐各控制對象的特性，逐步掌握其基本規律和特點，并經過不斷的提高和改進，逐步滿足生物質循環流化床鍋爐的各項控制要求。

〔編輯：張思楠〕

Biomass Circulating Fluidized Bed Furnace Pressure Fluctuations Anomaly Analysis

Yi Xiaojian

Abstract： By analyzing the impact of biomass circulating fluidized bed boiler combustion conditions on furnace pressure， made a number of targeted solutions.

Key words： biomass fuels; circulating fluidized bed boiler; furnace pressure; combustion conditions

1. -05-22

1. -05-23

1. -05-24

3.3? 生物質燃料顆粒度的均勻性較低

生物質燃料顆粒度的均勻性較低，導致燃燒工況不穩定，進而影響了爐膛負壓的穩定。顆粒度直接影響著生物質燃料揮發分的析出速率和析出量。揮發分的析出會受到溫度、停留時間、壓力、水分和原料種類的影響。其中，顆粒度對揮發分析出的影響較大——在其他條件相同的情況下，揮發分析出與顆粒度的關系為顆粒度越大，揮發分析出的速率越低;顆粒度越小，揮發分析出速率越高，析出量也越大。從隆回工程機組運行的情況看，其使用的燃料大部分以樹皮、木材等加工業廢棄品為主，并摻入了一定比例的鋸木屑或稻殼，這導致燃料的均一性極差，進而造成流化風的強度難以控制。當風壓較大時，較輕的燃料在爐膛內停留的時間較短，無法充分燃燒，導致尾部煙溫升高、風壓減小;較重的燃料不易被吹起，會在鍋爐的密相區燃燒，進而造成結焦的情況。結焦會導致爐膛內的空氣阻力增大，進而導致爐膛負壓增大。

3.4? 爐前給料系統故障

爐前給料系統故障會導致燃料中斷，進而引起爐膛負壓波動增大。從生物質電廠工程鍋爐點火沖管階段到72+24小時試運行階段，因業主方對料場管理不力，生物質燃料中摻含了鋼絲繩、水泥板和角鋼等雜物，導致經常性地發生輸料皮帶停運和堵料現象，這會使機組燃燒工況極不穩定，負荷波動大，進而導致爐膛負壓波動增大。

3.5? 負壓控制系統中的總風量測量偏差大

負壓控制系統中的總風量測量偏差大，影響了爐膛負壓控制。在爐膛壓力調節系統中，爐膛負壓測量值經過慣性延滯處理后，與給定值一起送入PID中運算，運算結果會引導風機靜葉執行動作，從而控制爐膛負壓滿足機組運行的要求。當一次風量和二次風量發生變化時，需經過一段時間爐膛負壓才會發生變化。因此，可將總風量的微分量作為前饋信號，從而提高一、二次風量變化時控制系統響應的速度。

在爐膛負壓調節系統中，總風量是引起爐膛負壓變化的主要因素之一。因此，取總風量為爐膛負壓自動調節的前饋信號，在調節回路中引入總風量的微分導前信號，經死區處理消除信號中的噪聲波動后，加入調節偏差中。這樣可以在一、二次風量發生變化時及時調整引風量，從而盡可能地減小爐膛壓力變化。但機組在安裝階段對各風量測點的把關不嚴，一些風量測量裝置沒有按照廠家資料和驗評規范的要求安裝，導致風量測量不準，進而影響了爐膛負壓控制系統的調節品質。

4? 調試過程的邏輯修改

為了防止爆燃引起爐膛負壓波動增大，進而點燃給料系統的輸料皮帶，我們采取以下3種方式改善風機和給料系統：①使爐膛出口壓力≥600 Pa，延時3 s，聯鎖關閉所有給料機出口氣動閘板門，停運給料機。②給料機出口氣動閘板門關閉15 s后，且爐膛出口壓力≥800 Pa時，聯鎖跳閘一次風機、二次風機。③使爐膛出口壓力≥600 Pa，且使空預器出口壓力≥0 Pa，延時10 s，聯鎖跳閘一次風機、二次風機。

5? 結束語

隨著循環流化床技術的進一步發展，循環流化床鍋爐已進入大容量、高參數的時代，而與之相應的大容量CFB鍋爐自動控制問題也成為了業內討論、研究的重點。目前，生物質循環流化床的燃燒技術還不夠完善，爐膛負壓控制受燃燒工況的影響較大。我們只有通過測試、研究生物質循環流化床鍋爐各控制對象的特性，逐步掌握其基本規律和特點，并經過不斷的提高和改進，逐步滿足生物質循環流化床鍋爐的各項控制要求。

〔編輯：張思楠〕

Biomass Circulating Fluidized Bed Furnace Pressure Fluctuations Anomaly Analysis

Yi Xiaojian

Abstract： By analyzing the impact of biomass circulating fluidized bed boiler combustion conditions on furnace pressure， made a number of targeted solutions.

Key words： biomass fuels; circulating fluidized bed boiler; furnace pressure; combustion conditions