120t/h高温超高压循环流化床生物质锅炉大比例掺烧农作物秸秆初探
120t/h高温超高压循环流化床生物质锅炉大比例掺烧农作物秸秆初探
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自2006年12月我国第一座农林生物质直燃发电厂并网发电以来，国内生物质直燃发电行业得到了蓬勃发展。循环流化床锅炉具有燃烧充分、热效率高、污染排放量低、生物质燃料适应性广、燃烧调节性能好等优点，是合理利用生物质燃料的有效设备。由于生物质燃料，尤其是小麦秸秆等农作物秸秆，碱金属、氯元素含量高，灰熔点低，生物质锅炉受热面易积灰、结焦、腐蚀。特别是当提高参数、扩大容量后，原有影响锅炉稳定运行的问题更加突出。另外，小麦秸秆、水稻秸秆难收集、韧性大等问题，进一步限制了其在大容量循环流化床锅炉 中的大量应用。
阜南齐耀新能源有限公司(以下简称阜南齐耀公司) 是由中国船舶集团有限公司第七一一研究所投资的，建有一座30MW高温超高压农林生物质直燃发电厂，采用1台120t/h的高温超高压循环流化床锅炉。自2016年底投产以来，阜南齐耀公司在小麦秸秆、水稻秸秆及玉米秸秆等农作物秸秆大比例掺烧方面做了大量探索工作。
1 燃料掺配
生物质燃料品种具有多样性，燃料热值和颗粒度差异较大。燃料输入量和热值不稳定，会严重影响锅炉的燃烧工况，需要对燃料进行均匀掺配。阜南齐耀公司大量使用的小麦秸杆、水稻秸杆韧性大，很难直接与其它燃料品种均匀掺配。为解决此问 题，阜南齐耀公司投入二百多万元引进秸秆高效破碎机，将秸秆大捆破碎至设计尺寸。根据秸秆、木片、树皮、花生壳等燃料的特性，将入炉燃料分为13～17层进行配料和掺拌，并严格规定每层燃料的品种及具体数量，确保入炉燃料掺配均匀、输入量及热值稳定，从而稳定了锅炉运行工况，以减缓受热面腐蚀、结焦和磨损。
2 设备改造及强化生产管理
该锅炉是参考早期的国产循环流化床炉型设计的，结构如图1所示。从上料口至锅炉前设置了双路带式输送机，炉前给料采用双轴和无轴螺旋两级输送的方式。锅炉采用炉内脱硫、脱硝的烟气处理方式，自然循环单汽包，平衡通风，固态排渣。烟气经炉外分离器出口烟道进入尾部烟道，依次流经布置在尾部第1烟道内的低温屏式过热器和第2烟道内的高温与低温过热器后，再进入省煤器和烟冷器。第1和第2烟道布置的包墙过热器均为膜式壁结构。
投产初期，大量使用秸秆燃料直接导致输送系统堵料频次高、设备故障频繁。为实现入炉燃料的稳定连续输送，在原输送系统的基础上做了多次改进。具体做法有以下几点: (1)对输送辊式给料机结构进行改造; (2)对炉前双轴螺旋输料机螺旋叶片做加高防磨处理; (3)针对炉前给料机双螺旋落料口易堵料、疏通费时费力的缺陷，在落料口加装堵料信号开关; (4)对炉前无轴螺旋给料机易断裂部位做了刚性加固，加大了给料机出料口箱体空间，增加了燃料的流动性。逐步消除了燃料输送系统易堵料、断料的问题，提高了可靠性。
2.2 锅炉受热面技术改造
原锅炉高温省煤器设计为H型鳍片、管节距80mm的蛇形管受热面，二级高温过热器设计材质为12Cr1MoVG。秸秆燃料掺烧比例提高到30%以后，烟道各段受热面的烟气温度开始出现升高问题。通过技术探讨、热力计算，对锅炉首先出现结焦现象的高温省煤器实施改造。把原设计的H型鳍片结构改造为光管蛇形管受热面，改造前后的结构对比见图2。并把第2烟道内的二级高温过热器受热面材质更换为TP347H，减缓了高温省煤器结焦及二级高温过热器受热面腐蚀。
2.3 锅炉吹灰系统改造与吹灰管理
农作物秸秆掺烧比例提高后，锅炉受热面结焦主要表现部位是高温省煤器、一级高温过热器和二级高温过热器、第1烟道包墙过热器、低温屏式过热器。原设计的锅炉吹灰系统全部采用燃气脉冲激波吹灰技术，气源采取乙炔气体。原设计的吹灰器分布为: 高温过热器区域4组，低温过热器区域6组，省煤器区域6组，烟冷器区域8组。高温省煤器出现结焦现象后，在高温省煤器处增加安装了3组脉冲激波吹灰器。随着锅炉低温屏式过热器和高温过热器也先后出现明显结焦现象，分别在低温屏式过热器处增加了4组脉冲激波吹灰器，一级高温过热器下部增加了3组脉冲激波吹灰器。运行中比对发现:原设计的脉冲激波吹灰器在烟气温度400℃以上的环境工作效果不好。特别是高温过热器，进出口压差随运行时间增加而呈现明显逐步升高的趋势，持续运行500小时左右，压差就达到1200Pa。 当压差超过1500Pa时，因积灰严重则需要停机清理，运行时间很难超过一个月。陆续拆除高温过热器区域原激波吹灰器并改造成蒸汽吹灰方式后，高温过热器进出口压差保持在220Pa以下(测试数据见图3) ，管束积灰明显改善，实现了131天持续稳定运行。高温过热器吹灰方式改造前后积灰消除效 果对比见图4。但蒸汽吹灰方式易对受热面管发生吹损，根据各受热面具体烟气温度、压差变化制定了相适合的蒸汽吹灰周期。因改造空间受限，且对机组长周期运行不存在致命影响，对第1烟道包墙过热器顶部和低温屏式过热器受热面加强激波吹灰管理。
高温省煤器运行情况与高温过热器相似。不同点是因小麦秸秆灰熔点低等特性，当小麦秸秆掺烧比例提升时，省煤器入口管束积灰速度加快，烟气温度加速上升并伴有结焦现象。最初通过提高蒸汽吹灰压力和频次、加强低温屏式过热器在线清灰以及人工清焦等措施，维持省煤器烟气压差的相对稳 定。当小麦秸秆的掺烧比例达到62%～70%时，60多天的时间高温省煤器烟气压差即逐步升高至1200Pa。综合分析后，又在后墙增设了一组长伸缩式旋转蒸汽吹灰器。改造全部完成后，高温省煤器管束积灰基本稳定，压差可控，一直维持在600～700Pa，可实现超过百日连续稳定运行。高温省煤 器吹灰方式改造前后清灰效果对比见图5。改造后基本消除了大量掺烧农作物秸秆所引起的锅炉受热 面结焦问题，为机组长周期运行奠定了基础。
2.4 运行参数优化调整
大量农作物秸秆与其它燃料品种混合后，燃料的复杂性决定了循环流化床锅炉的运行调整是一项综合性调整，不是单一运行参数的控制。阜南齐耀公司强化锅炉运行调整控制、维护，在燃料、风量、烟气温度及管内介质温度等控制调整方面做了大量分析与总结工作。根据锅炉燃烧工况，结合密相区动力场、各受热段烟气温度及灰熔点温度，通过实时跟踪，优化风料配比，对料层差压、炉底流化风、上一次风及上下二次风等进行优化调整，降低了受热面的磨损速率，并确保了燃料在锅炉内充分燃烧。优化控制各受热段烟气及灰熔点温度，避免了各受热段的结焦和腐蚀，消除了大比例掺烧农作物秸秆时对机组长周期运行的制约。
2.5 加强锅炉检修和维护管理
针对生物质循环流化床锅炉大比例掺烧农作物秸秆时出现的易腐蚀、易磨损、易结焦问题，推行实施锅炉状态检修模式。本着应修必修、修必修好的原则，在停机检修过程中进行全方位检查诊断。探 索受热面易磨损部位的处理方法，对锅炉水冷蒸发屏磨损严重部位增加熔覆焊工艺并进行防磨处理，对蒸汽吹灰器喷射汽流较近的管排增设了防磨护瓦。通过锅炉四管测厚，全面掌控受热面磨损和腐蚀速率，并将检查诊断情况与运行调整相结合。对水冷蒸发屏、高温屏过热器等制订了有针对性的运行调整技术措施，从而攻克了锅炉四管泄漏对机组长周期运行的制约。
3 农作物秸秆掺烧效果分析
经过一系列技术改造，阜南齐耀公司修补了原设计存在的部分不足，基本消除了大量掺烧农作物秸秆引起的锅炉受热面结焦及腐蚀问题，摸索总结出了多套与燃料结构相对应的最佳运行调整方案，逐步由以树皮等林业废弃物为主燃料过渡到大比例掺烧农作物秸秆。农作物秸秆掺烧比例由最初的20%提高至 75%。循环流化床炉型较难利用的小麦秸杆，该锅炉在62%～70%的掺烧比例工况下，能维持负荷率96．5%以上的稳定运行，初步测试的部分运行数据见表 1。
2021年以煤炭代表的燃料市场价格全面上涨，农林生物质直燃电厂也普遍因燃料竞争激烈问题出现亏损。2021年阜南齐耀公司全年利用农作物秸秆总量达21万t，其中较低灰熔点的小麦秸秆利用量接近10万t，如图6所示。依靠扎实的农作物秸秆收集加工存储运输体系的成本优势和生产经营管理，阜南齐耀公司依旧实现了既定的效益目标。
4 结论
经过5年的探索、分析与总结，阜南齐耀公司农作物秸秆大比例均匀掺配工作已趋于成熟。燃料输送系统能够满足生产的需求，实现连续、均匀地输送燃料。一系列技术改造与生产强化管理措施的实 施，基本上消除了大比例掺烧农作物秸秆引起的锅炉受热面结焦与腐蚀问题。形成了多套有针对性的入炉燃料结构与锅炉调整相应的操作控制方案，锅炉运行调整及各参数控制达到了优化组合状态，各受热段烟气温度有效控制在设计范围内。在大量掺烧农作物秸秆的工况下，120t/h高温超高压循环流化床生物质锅炉实现了超过百日的连续稳定运行。
文献信息
侯鹏,吕胜建,王联民,于尊明,李笋,韩兆勋.120 t/h高温超高压循环流化床生物质锅炉大比例掺烧农作物秸秆初探[J].工业锅炉,2022(04):43-47.DOI:10.16558/j.cnki.issn1004-8774.2022.04.009.
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