生物質鍋爐爐型淺析

郭會朋 鐘繼強

摘要：當前全世界的能源使用結構仍然是以石油、煤和天然氣三大傳統化石能源為主，尤其是我國，到2021年，我國的能源結構還是以煤為主，煤炭消費整體仍在61%左右。尋求一種可再生的清潔能源代替煤迫在眉睫。目前來看，風電、水電受地域影響較大，太陽能發電比重還相對較小，難以推廣。因此生物質能發電是目前唯一可低成本、快速利用的一種形式。根據國家能源局的最新消息，2021年，我國生物質發電新增裝機808萬千瓦，累計裝機達3798萬千瓦，生物質發電量1637億千瓦時。隨著生物質發電的興起，如何去選擇一種適合當地生物質燃料種類的爐型去最大化的利用當地的生物質資源是擺在使用單位可研階段的第一個問題。本文就目前為止市場占有率最大的三種生物質鍋爐爐型水冷振動爐排生物質鍋爐、聯合爐排生物質鍋爐和循環流化床生物質鍋爐的優劣展開分析，以便于使用單位根據當地燃料選擇合適的爐型。

關鍵詞：生物質鍋爐;水冷振動爐排鍋爐;聯合爐排鍋爐;循環流化床鍋爐

我國地域廣大，幅員遼闊，從北到南依次可劃分為寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶;從東到西橫跨5個時區，東西相差4個多個小時。如此之大的地域分布造就了我國生物植被分布的多樣性，不同地區的植被分布不同，甚至不同地區的同種植物的元素分析也差別較大。加上全國的森林分布、農作物種類分布甚至是木材加工企業的分布不平衡，造成每個地區可利用的生物質燃料種類、成分等也不盡相同。而生物質鍋爐發電的主要燃料就是這些農作物秸稈、樹枝樹皮等林業廢棄物和木材加工企業的下腳料等。這些不同性質的生物質燃料只有使用最合適的生物質鍋爐爐型去燃燒，才能使其達到最佳的利用狀態，達到最大化的利用。

本文就水冷振動爐排生物質鍋爐、聯合爐排生物質鍋爐和循環流化床生物質鍋爐這三種目前市場占有率最大的生物質鍋爐爐型的技術來源及其優缺點、生物質燃料的適應性、生物質鍋爐的結焦情況、生物質燃料的燃燒充分性、生物質鍋爐的設備磨損程度、生物質電廠的運行成本及生物質電廠自用電情況等方面進行分析。

1、水冷振動爐排生物質鍋爐

此技術為原北京龍基公司引進丹麥BWE公司的技術，由濟南鍋爐集團有限公司進行全部的本土化設計轉化和生產。該生物質燃燒技術已經過丹麥和國內近百臺工程實踐的驗證，是相對比較成熟的生物質直燃技術。該生物質燃燒技術的核心部件是振動爐排，其由振動機構、風室、支撐件和爐排水冷壁組成，爐排水冷壁由全膜式壁組成，其上開有很多小孔爐排底部的一次風經此小孔送入燃燒室內參與燃料的燃燒。爐排水冷壁傾斜布置，由支撐件支撐在鋼架上，其底部是風室;振動機構的基本原理的曲軸連桿結構，其通過傳動桿帶動爐排水冷壁快速振動，燃料在爐排水冷壁上邊燃燒邊隨水冷壁的振動向下運動，最后燃盡直至排入落渣口。

該技術燃料的燃燒方式為定向層燃燃燒，燃料適應性廣，能夠處理各種農作物秸稈（包括黃色秸稈和灰色秸稈）、樹皮、樹枝、樹墩、木材加工廠廢料、建筑模板等等，基本上所有生物質燃料均可燃燒，燃料收集范圍廣。該鍋爐技術對燃料預處理上要求較嚴格，需將燃料破碎至100mm以下，對木質燃料破碎至直徑50mm以下，燃料處理成本稍高。

該技術的優點是對單一種類的燃料或通過摻配后種類變化較小的燃料燃燒時非常穩定，且具有較高的燃燒效率。其缺點是燃燒調整手段比較單一，僅靠振動頻率和振動間隔來調整燃燒，對種類變化較大的燃料和高水分燃料適應性稍差。另外爐排上的風孔比較小，在雜質、灰份比較多時，特別是建筑模板比較多時，易堵塞風孔造成局部結焦，但得益于其爐排爐的形式，結焦產生的焦塊能夠很容易的隨爐排的振動排出爐外進入撈渣機撈走。

因為該技術屬于層燃，因此燃料對鍋爐設備的磨損較輕，僅需在鍋爐給料口及落渣口處澆筑少量耐磨澆注料。該技術鍋爐一次風壓較低，一般在7000Pa左右，沒有其他的非常規額外用電設備，因此電廠自用電率較低，一般在7%～9%左右。

2、聯合爐排生物質鍋爐

所謂的聯合爐排是指至少由兩種不同形式的爐排組合，該聯合爐排生物質鍋爐燃燒技術是由濟南鍋爐集團有限公司根據我國的基本國情及我國生物質燃料的現狀，吸收、借鑒水冷振動爐排技術、往復爐排技術及鏈條爐排技術等，完全獨立開發的專利技術。該燃燒技術成功繼承了水冷振動爐排技術的優點，并進一步改進優化了水冷振動爐排技術的不足，因此該技術是最適合我國生物質燃料現狀的一種燃燒技術。目前該技術主要有往復爐排+鏈條爐排或往復爐排+水冷振動爐排兩種形式，且這兩種聯合爐排技術在國內和國外均有成功運行的案例。

往復爐排是由固定爐排片和活動爐排片組成，這兩種爐排片各占一半，交替放置，從側面形成一個自高到低的階梯狀。往復爐排的固定爐排片和活動爐排片上均開有一次風孔，燃料從給料口送入后落到往復爐排的高端，隨著爐排驅動部件的運動，推動著活動爐排片做周期性的水平往復運動，加之一次風的烘干作用，燃料在爐排上從高端邊翻滾邊烘干，同時對抱團的燃料進行打散，使燃料在爐排上的分布更均勻，最終經過烘干的燃料均勻的落入下一個爐排上進行燃燒。在該技術中，往復爐排的作用并不是燃燒，而是對水分較大的燃料起到烘干預熱的作用，同時打散抱團的燃料，增加燃料在爐排上的均勻性，為下一步燃料落到主燃燒區進行燃燒做好充分的準備。

燃料從往復爐排上落下來后會有一個高度差，然后才落到主燃燒爐排上，正式這個高度差的加入，更能增加燃料的透氣性，以保證其充分燃燒。主燃燒爐排目前有兩種：鏈條爐排或水冷振動爐排。水冷振動爐排的一些特點前面已經論述，在此不再重復論述，主要論述鏈條爐排。鏈條爐排是由鏈條及附著其上的爐排片組成，鏈條在下部，爐排片在上部。鏈條爐排的主動鏈輪通過電機和減速機的配合驅動，拖拽著鏈條運動，從而帶動爐排片運動。爐排片上也分布有許多一次風孔，因爐排片不受什么條件制約，因此其上的開孔要遠大于水冷振動爐排上的開孔，因此該爐排對燃料中的雜質適應能力要比水冷振動爐排強，雜質能夠更容易的漏下去，不容易堵塞風孔造成局部結焦。燃料落到鏈條爐排片上后，隨鏈條的運動，邊燃燒邊向后部運動，直至燃盡后排出鍋爐外。

相對于水冷振動爐排，其優點明顯：因為采用了兩種爐排的組合形式（往復爐排+鏈條爐排或往復爐排+水冷振動爐排），兩種爐排可分別調控，調控手段多，因此對燃料的適應能力要比水冷振動爐排強，可適應水分相對較高或雜質較多的燃料，且相較于單類型爐排的鍋爐，其燃料的燃盡率更高，鍋爐效率也較高。因聯合爐排也是層燃爐的一種，因此鍋爐設備磨損較輕、電廠自用電率低的優點也得到了繼承。其缺點是因為是兩種爐排的組合，機械傳動部件較多，受制于國內爐排片加工工藝的水平，爐排的機械故障率比單一爐排稍高，但如果提高爐排片的加工精度，嚴格按照圖紙要求精度加工與驗收，聯合爐排也能夠達到年運行小時數8000以上。

3、循環流化床生物質鍋爐

循環流化床鍋爐原是一種國內使用非常廣的燃煤鍋爐，該爐型具有較高的燃燒效率，運行穩定可靠。隨著國內生物質發電行業的興起，各大循環流化床鍋爐設計研發廠家也開始研究用流化床鍋爐來燃生物質燃料。但國內生物質燃料的特性與煤的性質差別較大，因此前期運行的流化床生物質鍋爐都有帶負荷能力差，連續運行時間短的問題。這是因為我國國內的生物質燃料普遍水分較大，熱值較低，且泥沙、石塊等雜物含量高的特點，生物質燃燒產生的煙氣量大、灰分高，但燃料本身熱值較低，而前期運行的循環流化床生物質鍋爐往往是在燃煤循環流化床鍋爐的基礎上經過簡單的改造而來，其不能很好的適應熱值低但煙氣量大的生物質燃料。最近幾年，經過各個研發廠家的不斷摸索并收集使用單位的反饋意見，目前一些對生物質鍋爐性質認識深刻的廠家已經掌握了燃生物流化床在設計及結構上的一些問題。

不考慮國家的補貼政策，單純從技術角度講，用循環流化床鍋爐燒生物質燃料，最適合摻燒。70%的生物質+30%的煤，這個適合新上的電廠;或70%的煤+30%的生物質，這個適合舊鍋爐的改造。且循環流化床技術特別適合燃料空隙率較小，難以采用爐排燃燒的燃料，如稻殼，棕櫚殼、木質素、中藥渣、糠醛渣、木糖渣、污泥、泥煤等，使用循環流化床鍋爐燃這種燃料時具有燒燒效率高、運行調整相對穩定的優點。

但如果使用循環流化床鍋爐純燃生物質燃料其缺點也非常明顯：一般需要添加適當的惰性床料，加入的惰性物料不參與燒燒，僅用于維持物料的循環;一、二次風機的壓頭較高，功率需選的很大，廠耗電比較高;對農作物秸桿、建筑模板等須進行較小尺寸的粉碎;因為正壓燃燒，給料不易徹底解決，影響長期穩定運行;生物質料（特別是建筑模板）中鐵質雜質不易排出，嚴重影響運行周期。從運行情況看，金屬材料的中心筒的高溫腐蝕不可避免;旋風分離器的直段和錐段在運行中掛焦現象經常發生;返料器處時常有掛焦和結焦現象;床溫不易控制等。

綜上，水冷振動爐排生物質鍋爐、聯合爐排生物質鍋爐和循環流化床生物質鍋爐這三種類型的生物質鍋爐都有其各自的優缺點，其適應的燃料種類也各有不同。并沒有哪一種技術是一定優于其他兩種，只有根據當地生物質燃料的種類與特性，去選擇最合適的燃燒方式，這才是最優選擇。

參考文獻：

[1]黃長華，程永霞.生物質直燃發電廠鍋爐爐型選擇探討[J].南方能源建設，2015，2（02）：70-75.

作者簡介：郭會朋（1987.9-）男，漢;山東青州人，大學本科，工程師，研究方向：工程設計