生物質氣化耦合發電給料系統優化設計及應用

邱韜，徐亞南，劉俊，王琦瑞，溫小萍，王發輝，陳國艷

（1.湖北華電襄陽發電有限公司，湖北 襄陽 441141；2. 河南理工大學機械與動力工程學院，河南 焦作 454003）

近年來，隨著煤炭、石油等傳統能源的逐漸消耗及其利用過程中帶來的環境污染等問題日趨加重，生物質能源逐漸受到研究人員的高度關注。在眾多生物質能源利用技術中，生物質氣化耦合發電技術將秸稈等原料氣化為可燃氣后送至燃煤鍋爐中進行耦合燃燒發電，被認為是未來的主要應用技術之一。

目前國內生物質氣化所采用的爐型一般包括固定床氣化爐和流化床氣化爐。但是固定床氣化爐由于生產能力小、焦油產量大、氣化效率低并且不能進行大規模的工業化生產等缺點并未得到大規模的應用。而流化床氣化爐由于氣化效率高、原料適應范圍廣、合成氣焦油含量低并可以大規模工業化應用等優點成為氣化的首選方式。在生物質氣化過程中，必須確保原料輸送的密封性、連續性。

然而，由于秸稈原料結構疏松、水份含量高、纖維韌性高，容易出現物料堵塞，無法實現秸稈原料的穩定進料，而且在給料過程中容易出現縫隙致使密封性下降，尤其當系統處于負壓運行時，會導致空氣通過進料器進入燃燒裝置或氣化裝置，影響燃燒裝置或氣化裝置內部的整個流場，導致氣化爐偏離設計方向運行，氣化爐密封性不好爐內容易發生爆炸，產生安全隱患。在很大程度上限制了生物質氣化方面的應用，嚴重時由于氣化爐密封性不好容易使爐內發生爆燃，引發嚴重的安全事故。

本文針對生物質氣化耦合發電給料系統存在的容易堵塞、啟動困難、密封不嚴、容易回火等技術難題，設計和改進了生物質給料系統的技術工藝，并在湖北華電襄陽發電有限公司進行了成功應用。

1 問題提出

湖北華電襄陽發電有限公司生物質氣化爐設計容量為8t/h生物質原料，其中50%為稻殼，50%為成型燃料（原料為農業廢棄物和林業廢棄物）。給料系統設計為雙上料系統：一條給料系統為稻殼給料，一條給料系統為秸稈給料。本次改造的項目是秸稈給料系統。由于現有秸稈給料系統容易出現物料堵塞現象，無法實現多樣性生物質原料的穩定給料。即使單一的成型給料，其均勻性和線性度偏差較大，而且料位缺乏監控，造成給料量及負荷波動大。另外，由于秸稈生物質物料流動性差,空隙率大,螺旋輸送機采用傳統等螺距結構且水平布置，造成螺旋輸送機存在漏空氣、葉片本身卡塞問題，致使給料系統運行不穩定、密封不嚴，而且由于原電機選型力矩較小，在運行中易卡死,難以滿足生物質氣化爐穩定經濟運行。

鑒于秸稈給料系統存在上述的多個嚴重問題，同時考慮到目前襄陽及周邊地區的稻殼市場價格較高、而其它生物質原料的成型壓塊成本也較高等突出問題，為了切實提高生物質氣化耦合發電的經濟性，必須對生物質氣化爐秸稈給料系統進行改造。結合襄陽公司現場實際情況，擬將原有的1臺生物質氣化爐秸稈給料系統改造為1臺多樣性生物質給料系統，最大連續給料量不低于4.0t/h，能夠適用秸稈、木片、玉米芯等多種不成型生物質原料，即實現多樣性生物質給料。

2 技術工藝改進

2.1 給料螺距結構優化

輸送機是靠旋轉的螺旋葉片推移滑行進行物料輸送的。傳統生物質進料裝置往往采用等螺旋進料機，如圖1（a）所示，這種結構設計不合理，容易出現物料堵塞現象，而且物料與螺旋葉片之間的摩擦力較大，如果采用變頻電機，在啟動時啟動力矩過小,無法完成正常啟動,嚴重影響生物質氣化爐的啟動和調整,難以滿足生物質氣化爐安全經濟運行。為了有效防止進料發生堵塞現象，本文創新性地將傳統等螺旋進料機進行結構優化設計，即采用導程為遞加漸進式的螺旋輸送機，如圖1（b）。

圖1 給料螺旋的結構優化

此外，采用變頻恒矩調速電機替代原有的螺旋輸送電機，配套擺針輪式減速器和聯軸器，可以有效解決啟動力矩過小造成無法正常啟動的問題；螺旋輸送機支撐方式由單端軸承支撐改為兩端軸承支撐。螺旋輸送機加工及安裝精度需確保足夠的同心度，以確保螺旋輸送機的運行可靠性。采用變頻恒矩調速電機替代原有的螺旋輸送電機，配擺針輪式減速器1臺和聯軸器成套，進一步保障生物質進料運行穩定性保障氣化爐進料的連續性和均勻性。

2.2 進料密封優化

生物質氣化爐產生燃氣的物料顆粒度較大，且質地疏松，存在很大的間隙，使氣化裝置和進料器之間的氣密性差，影響進料器的正常工作。進料器和氣化裝置之間密封不好會引起一系列的問題：當系統處于負壓運行時，會導致空氣通過進料器進入燃燒裝置或氣化裝置，影響燃燒裝置或氣化裝置內部的整個流場，嚴重時會引起爆燃、爆炸。當系統處于正壓運行時，燃燒裝置或氣化裝置的氣體會通過進料器逸出，使物料難以進入氣化爐，嚴重時有可能引燃物料，給氣化爐安全生產帶來極大的安全隱患。由于生物質物料流變性能低、空隙率大，螺旋輸送機如果采用傳統的水平布置，如圖2（a），將造成螺旋輸送機上部空間不能充滿物料，造成漏空氣，致使進料系統密封不嚴，影響氣化爐內的氧氣分布，嚴重的還將引發回火，甚至生物質氣體爆燃事故。為了解決給料密封問題，項目組將螺旋給料機采用負傾角度布置方式替代原來的水平布置方式，即螺旋輸送電機垂直位置下移、靠近氣化爐側的螺旋輸送機適當上移。給料系統如果采用負傾角布置，將有效解決給料系統密封不嚴、容易回火等問題，進而保障給料系統的安全穩定運行。

圖2 給料螺旋的不同布置方法

2.3 原料倉結構改造

生物質料倉底部一般為四角錐結構，底部出口面積較小，而且由于生物質原料纖維較多、濕度較大，容易出現搭橋起拱，料倉出現堵料現象。為了防止料倉發生堵塞，將原料倉底部進行局部切除，以增加給料口橫截面面積和垂直空間，保證下料運行順暢，生物質原料倉改造前后結構如圖3所示。

圖3 原料倉結構改進

此外，給料系統在長期連續給料過程中，料倉里的物料由于積壓而起拱，經常會堵住料倉底部的出口。因此，采用穩定可靠的料倉破拱裝置對保證料倉粉末物料的連續穩定的出料非常重要。料倉物料的破拱方法主要有激振器、敲擊錘、空氣泡等。但常用激振器、敲擊錘，經常會造成料倉內物料進一步壓實，料倉內物料起拱可能有時反而加大；空氣炮則需要配置專門的壓縮空氣裝備。綜合考慮，本文給料系統采用機械式擾動破拱裝置，即在料倉斜面、電動閘板閥上、下三個位置分別安裝擾動裝置（共三個擾動裝置），并在料倉的錐形板上加裝振動器，防止出現原料內部搭橋現象。它由帶減速器的電動機及其支架、帶支座的軸承、聯軸器、驅動軸及交叉或垂直固定在驅動軸上的攪動桿組成，攪動桿上焊有撥料板，驅動軸水平設置在料倉錐體橫截面長軸方向的對稱中心線上，其一端由聯軸器與電動機減速器的輸出端同軸線聯接。

3 改進效果及應用情況

3.1 改進效果

將傳統等螺旋進料機進行了結構優化，即采用導程為遞加漸進式的螺旋輸送機替代原有的等螺距螺旋輸送機，并采用變頻恒矩調速電機替代原有的螺旋輸送電機，有效解決了進料系統堵塞問題，同時避免了啟動力矩過小造成無法正常啟動的問題，保障氣化爐進料的連續性和均勻性。

螺旋進料機采用負傾角度布置方式替代原來的水平布置方式，即螺旋輸送電機垂直位置下移、靠近氣化爐側的螺旋輸送機適當上移；進料系統后續改造如果采用負傾角布置，有效解決了進料系統密封不嚴、容易回火等問題。

3.2 應用情況

改進后的生物質氣化耦合發電給料系統物料在湖北華電襄陽發電有限公司進行了應用。應用結果表明，改進后的生物質氣化發電系統，解決了生物質原料單一問題，秸稈原料無需壓塊，每噸原料可節省進料成本280元及壓塊電費、人工費40元，每年節約生物質原料成本約640萬元，每年消納秸稈約2萬噸，有效解決了秸稈禁燒問題，保護了資源環境，取得了顯著社會效益和經濟效益。

4 結語

（1）從優化生物質給料螺距、負傾角螺旋布置、原料倉結構優化等方面，對生物質氣化耦合發電給料系統進行了技術工藝改進，解決了生物質給料系統存在的容易堵塞、啟動困難、密封不嚴、容易回火等技術難題。

（2）改造后生物質給料系統能夠適用秸稈、木片、玉米芯等多樣性生物質原料，而且生物質原料不需要成型壓塊，只需進行初級切割處理，解決了生物質原料單一問題，節省了生物質進料成本、壓塊電費及人工費用，社會和經濟效益顯著。