生物質微正壓循環流化床氣化爐冷態運行特性研究

汪 寧

（大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春130102）

生物質是我國潛在能源，開發利用生物質能源具有深遠的戰略意義[1]。 全面加速發展生物質能發電技術產業能有效化解煤電產能過剩、加快電力轉型升級、提高生物質能綜合利用率、緩解生物質環境污染。 截止至2019 年第一季度，我國累計裝機達到1 878 萬kW，而《可再生能源中長期發展規劃》目標是2020 年生物質發電總裝機容量達到3 000 萬kW。

在現有機組的基礎上， 生物質氣化耦合燃煤機組發電技術能夠實現高效發電，易于操作，對燃煤鍋爐的影響小[2]。 某國內大型燃煤耦合生物質氣化發電技術改造示范點項目創新采用微正壓循環流化床氣化技術，區別于傳統負壓循環流化床爐，壓力水平的提高和氣化爐容量的增大提高了系統的反應速度[3-4]。循環流化床氣化爐反應速度快， 控制風量是保證燃氣品質和系統運行安全性的基礎， 因此準確把握運行風量是前提。 同時掌握系統阻力特性，有助于及時發現系統結焦、床料減少等異常情況的發生。 因此，本文充分利用該項目工程的生物質微正壓循環流化床氣化爐，對其冷態運行特性進行研究，包括風量標定、布風板阻力特性研究和料層阻力特性研究。

1 項目系統介紹

該循環流化床氣化爐耦合項目耦合對象為660 MW 超臨界機組，鍋爐為一次中間再熱、前后墻對沖燃燒直流爐。 前后墻分別布置4 層和3 層燃燒器，5只燃氣燃燒器布置在后墻燃燒器上方。 氣化爐主要設計參數見表1。 燃氣熱量折合發電量為20 MW，設計燃料為玉米秸稈壓塊。

氣化系統包括爐前給料系統、氣化爐本體、兩級分離器、導熱油冷卻系統和燃氣輸送系統（見圖1）。

給料系統利用兩臺單螺旋給料機將爐前料倉燃料送入爐本體；爐前兩臺流化風機，一備一用，整個系統阻力完全由流化風機克服；氣化爐出口布置兩級分離器，一級分離器分離返回未燃盡物，二級分離器分離過濾燃氣內飛灰；二級分離器后布置有導熱油換熱系統，控制燃氣溫度、防止焦油析出和保證燃氣計量；最后通過布置在后墻燃燒器上方的5 只燃氣燃燒器送入燃煤鍋爐[5]，此處仍保持著微正壓水平。

表1 氣化爐主要設計參數

圖1 生物質氣化系統流程示意圖

2 風量標定試驗

標定試驗的目的是根據就地測量結果， 對在線測量元件測量結果進行標定和修正， 提高在線測量值的精準度[6]。 對于兩臺流化風機的流量測量元件，通過調節變頻風機頻率， 測量不同流量下的實際流量，并與在線測量流量值進行比較，得到結果見表2。

表2 風量測量標定結果

根據標定結果可以看出，各工況下A/B 流化風機風量標定系數穩定，A/B 流化風機平均偏差分別為19.24%和27.85%， 可以根據試驗結果對表盤風量進行標定， 平均標定結果分別為0.839 和0.782。標定系數比較穩定，說明風道流量有良好的線性關系，標定系數準確可靠，通過修正可以滿足現場使用要求。

3 布風板阻力特性研究

布風板阻力特性試驗是在布風板上部不鋪設床料的情況下進行的，測量流化風通過布風板形成的壓力損失，即布風板阻力。 設計風量為16 000 m3/h，其中包括部分返料風約2 000 m3/h， 因此選取11 000 m3/h、12 000 m3/h、13 000 m3/h、14 000 m3/h 和15 000 m3/h 五個試驗工況點進行研究。

不同工況下布風板阻力如圖2 所示。 可以看出，布風板阻力與風量之間擁有良好的線性關系， 同時根據試驗結果擬合出布風板阻力與運行風量的數學關系式，如式（1）所示。 實際熱態運行時，可根據壓力、溫度和流量的關系，推導出熱態運行時布風板阻力，以便指導運行。

Q—流化風量，m3/h

圖2 布風板阻力與風量關系曲線圖

4 料層阻力特性研究

該微正壓循環流化床氣化爐床料選取的是5 mm以下的河砂，為了驗證床料高度對流化狀態的影響，選擇一個合適的床料層高度。 本試驗選取了600 mm、700 mm 及800 mm 三種料層高度進行了料層阻力特性試驗的測定，即在不同料層高度下，增加流化風量，觀察并記錄流化情況、料層壓降及流化風速[7]。

采用爾根公式[8]和質量守恒公式對不同料層高度下最小流化風量進行計算， 并與試驗結果進行比較（見表3），不同料層高度阻力特性曲線見圖3。

爾根公式：

式中：ε—床料的空隙程度

u—臨界流化風速，m/s

μ—流化介質的動力黏度，Pa·s

h—床料層高度，m

d—床料平均粒徑，m

ρ—空氣密度，kg/m3

質量公式：

式中：W—床料重量，N

A—爐內流通面積，m2

ρ′—床料堆積密度，kg/m3

表3 不同料層厚度下的計算

由試驗結果可以看出， 三種料層高度情況下最小流化風速均處于0.308 m/s 左右，與理論計算值最小流化風速0.313 m/s 基本一致。 同時由阻力曲線可以看出微正壓循環流化床氣化爐最小流化風速同樣基本不受料層高度影響。

圖3 不同料層高度阻力特性曲線圖

該微正壓循環流化床氣化爐設計燃料量是16.12 t/h，燃料灰分物重阻力達到1 508 Pa。 考慮到800 mm 料層高度下料層阻力高，平均阻力達到4 819 Pa，對風機壓頭要求較高。600 mm 料層高度時阻力小，平均值阻力為3 524 Pa。 由于原料密度比較低，料層高度低時，蓄熱量不足，物料流化不充分。 因此選擇700 mm 層高作為床料高度。

5 結論

（1）該生物質微正壓循環流化床氣化爐風量標定結果顯示，在線流量顯示值標定系數穩定，說明通過標定可以顯示實際風量。

（2）布風板阻力特性試驗結果顯示，布風板阻力與風量具有良好的線性特性，并提出阻力擬合公式，指導不同工況下運行調整。

（3）料層阻力特性研究試驗結果顯示，700 mm高床料厚度能滿足系統運行需求， 最小流量風量約為11 900 m/h，正常運行料層阻力為4 212 Pa，此時布風板阻力為2 633 Pa。