黃三 顧珊，2 劉茂省 何春曉 孫振龍

（1 浙江百能科技有限公司 浙江杭州 311121 2 浙江水利水電學院 浙江杭州 310018）

生物質(zhì)能是可再生的環(huán)境友好型能源，生物質(zhì)資源的合理化利用對于緩解日益嚴重的化石能源消耗和環(huán)境污染具有非常重要的意義。國內(nèi)對于生物質(zhì)能的利用技術(shù)研究起步較晚，經(jīng)過30 多年的發(fā)展，生物質(zhì)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用主要集中在生物質(zhì)直燃發(fā)電、小型氣化發(fā)電等方面，但普遍存在規(guī)模偏小、效率偏低、投資費用高、處理技術(shù)落后等各種問題，與發(fā)達國家相比仍存在一定的差距［1］。因此研究開發(fā)資源利用率高、經(jīng)濟及技術(shù)上可行的生物質(zhì)能利用技術(shù)對我國生物質(zhì)資源的高效利用具有特殊意義。本文介紹了1 種由生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化爐和燃氣蒸汽鍋爐搭建的20 t/h 生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化燃氣蒸汽鍋爐系統(tǒng)，系統(tǒng)產(chǎn)出飽和蒸汽和可利用生物質(zhì)灰，是生物質(zhì)利用在非發(fā)電領(lǐng)域的新探索，對我國生物質(zhì)利用技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。

1 生物質(zhì)氣化爐爐型比較

生物質(zhì)氣化爐通?？煞譃楣潭ù埠土骰? 種類型［2-7］。

1.1 固定床氣化爐

固定床氣化是1 種傳統(tǒng)的氣化方式，其氣化溫度在1 000 ℃左右。根據(jù)爐內(nèi)氣化劑的流動方向，可將固定床氣化爐分為4類：上吸式、下吸式、橫吸式和開心式，前2 種形式的固定床氣化爐最為常用。

固定床氣化爐中物料床層相對靜止，爐內(nèi)反應(yīng)速度較慢，原料適應(yīng)性廣，燃氣中灰分含量也低。固定床氣化爐氣化規(guī)模較小，因此結(jié)構(gòu)較為簡單、投資規(guī)模小，且經(jīng)過多年的發(fā)展，運行較為可靠、操作比較容易。但固定床氣化爐氣化規(guī)模受限，產(chǎn)氣量比較小，燃氣的熱值低，難以大型化，多用于小型氣化站、小型熱電聯(lián)產(chǎn)或戶用供氣，且運行不穩(wěn)定，碳轉(zhuǎn)化率低，焦油含量較大，難處理。

1.2 流化床氣化爐

流化床氣化是1 種先進的氣化方式，其氣化溫度一般在700 ℃～800 ℃。流化床爐體底部設(shè)有流化風室，與氣化室由布風板分隔開來，顆粒狀的物料從布風板上方送入爐內(nèi)，與床料（惰性材料，如海沙和橄欖石等）混合，氣化劑以較大壓力從爐體底部流化風室通入，物料和床料在氣化劑的作用下，翻涌、沸騰或呈鼓泡狀態(tài)，同時物料和氣化劑充分接觸，發(fā)生氣化反應(yīng)。

流化床氣化爐原料粒度較小，熱值低、著火困難、水分含量大的生物質(zhì)物料也可氣化。流化床氣化爐氣化能力大、轉(zhuǎn)化效率高、溫度穩(wěn)定均勻、適于連續(xù)運行，大型的工業(yè)供氣系統(tǒng)多數(shù)采用流化床氣化。按照氣固流動特性不同，流化床氣化爐分為鼓泡床、循環(huán)流化床、雙流化床和攜帶床。

經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，不同型式的生物質(zhì)氣化爐仍存在一定的問題尚待解決，因此可以根據(jù)生物質(zhì)原料特性、生產(chǎn)規(guī)模等合理選擇氣化爐型式。例如：下吸式固定床氣化爐內(nèi)原料雖易架橋和結(jié)渣，但結(jié)構(gòu)簡單、投資少，為小規(guī)模利用首選爐型；鼓泡床氣化爐中燃氣的焦油、灰含量偏高，且灰中含碳量較高，但生產(chǎn)強度是固定床的4 倍，中等規(guī)模利用條件下最合適；循環(huán)流化床存在腐蝕和磨損問題，但單位容積的生產(chǎn)能力最大，生產(chǎn)強度是固定床的8～10 倍、鼓泡床的2 倍，在大規(guī)模利用條件下最為可靠。

2 20 t/h 生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化燃氣蒸汽鍋爐系統(tǒng)

20 t/h 生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化燃氣蒸汽鍋爐系統(tǒng)選擇循環(huán)流化床作為氣化設(shè)備，主要由循環(huán)流化床氣化爐和燃氣蒸汽鍋爐及其尾部受熱面兩大系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 主要參數(shù)及性能指標

生物質(zhì)消耗量：5 t/h，額定蒸發(fā)量：20 t/h，額定蒸汽壓力：1.57 MPa，額定蒸汽溫度：201 ℃，給水溫度：105 ℃。

2.2 燃料及床料

該系統(tǒng)氣化爐的燃料采用該廠稻米加工廢棄物-稻殼，氣化爐床料采用石英砂，燃氣蒸汽鍋爐燃料采用氣化爐所產(chǎn)生物質(zhì)可燃氣。

2.3 鍋爐系統(tǒng)總體及工藝流程

（1）系統(tǒng)總體布置。稻殼原料經(jīng)氣化爐發(fā)生氣化反應(yīng)產(chǎn)生生物質(zhì)可燃氣，經(jīng)燃氣蒸汽鍋爐系統(tǒng)生產(chǎn)1.57 MPa 飽和蒸汽，氣化產(chǎn)生的高溫稻殼灰冷卻后回收利用。氣化爐和燃氣蒸汽鍋爐均為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，二者共用一個汽包，爐膛均采用懸吊結(jié)構(gòu)。旋風分離器、汽包、尾部受熱面等采用支撐結(jié)構(gòu)。

氣化爐與燃氣蒸汽鍋爐、對流豎井之間，布置有2 臺絕熱旋風分離器。一級旋風分離器下部布置返料器，使物料流化返回氣化爐爐膛。二級旋風分離器下部布置高溫灰回收系統(tǒng)，上部引出的高溫燃氣，經(jīng)高溫煙道送入燃氣蒸汽鍋爐燃燒。

燃氣蒸汽鍋爐為立式兩回程鍋爐，呈“U”型布置。第一回程布置有爐膛、蒸發(fā)受熱面、高溫省煤器和過熱器，爐膛采用膜式水冷壁，懸吊在對流受熱面上方。第二回程煙道布置有兩級低溫省煤器和高溫、低溫空氣預(yù)熱器。

（2）汽水系統(tǒng)。鍋爐系統(tǒng)為單母管供水方式，給水從省煤器進口集箱引入，向上經(jīng)低溫省煤器管組、省煤器中間集箱后引出，向下經(jīng)過高溫省煤器管組，進入省煤器出口集箱，通過連接管并分配至支管進入汽包。在汽包和低溫省煤器進口集箱之間設(shè)置了省煤器再循環(huán)管路，以防止省煤器內(nèi)的水汽化，確保啟動階段省煤器的安全。再循環(huán)管路流量按5%B-MCR設(shè)計。

鍋爐系統(tǒng)的汽水循環(huán)系統(tǒng)，從汽包底部引出大直徑集中下降管，通過分配管分別與氣化爐膛水冷壁下集箱、燃氣蒸汽鍋爐水冷壁下集箱、燃氣蒸汽鍋爐蒸發(fā)器進口集箱連接，組成循環(huán)回路。鍋水流經(jīng)爐膛水冷壁、蒸發(fā)受熱面吸熱后形成的汽水混合物匯于上集箱，然后通過汽水引出管進入汽包進行汽水分離，被分離出來的飽和蒸汽送至業(yè)主蒸汽管網(wǎng)和過熱器系統(tǒng)。20 t/h 的飽和蒸汽輸送至業(yè)主蒸汽管網(wǎng)，1 t/h 的飽和蒸汽經(jīng)過過熱器產(chǎn)生過熱蒸汽，用于氣化爐的返料和床溫控制。

（3）煙風系統(tǒng)。鍋爐系統(tǒng)采用平衡通風。氣化爐內(nèi)物料的循環(huán)由送風機（1# 鼓風機）、返料風或蒸汽和引風機來維持，爐膛出口壓力在（-100±50）Pa 左右。氣化爐的流化風由1# 鼓風機提供，從1# 鼓風機出來的空氣經(jīng)高溫空氣預(yù)熱器加熱后由流化風室進入爐膛；返料器冷態(tài)啟動的返料風由返料風機或過熱蒸汽管道提供，氣化爐冷態(tài)啟動時，返料器采用空氣鼓風，由單獨的返料風機提供；進入工作狀態(tài)后，切換至蒸汽返料。

燃氣蒸汽鍋爐的正常運行是由送風機（2# 鼓風機）和引風機來維持的。從2# 鼓風機出來的空氣經(jīng)低溫空氣預(yù)熱器加熱后進入燃氣蒸汽鍋爐燃燒器，與氣化爐燃氣燃燒后的煙氣依次流經(jīng)燃氣蒸汽鍋爐爐膛、尾部對流受熱面、脫硫塔、布袋除塵器，由引風機送入煙囪。引風機后的煙氣抽取部分引至燃氣蒸汽鍋爐送風機入口，用于降低系統(tǒng)NOx 排放濃度；部分引至氣化爐送風機入口，用于降低氣化爐入爐氧量。

2.4 關(guān)鍵設(shè)計

（1）氣化爐。氣化爐采用方形爐膛，爐膛由膜式水冷壁組成，水冷壁外襯澆注料。稀相區(qū)沿爐膛高度布置2 個稻殼給料口、1 個床料給料口。爐膛底部設(shè)有長方形流化風室，流化風經(jīng)風室、布風板風帽進入爐膛，啟動采用床下輕柴油點火方式。在布風板中心位置設(shè)置排渣管，當氣化爐床壓過高、流化狀態(tài)不穩(wěn)定時立即排渣。

氣化爐設(shè)計2 個絕熱高溫旋風分離器，第一級旋風分離器用于物料循環(huán)，分離循環(huán)床料采用流化床返料器回送爐膛；第二級旋風分離器用于高溫生物質(zhì)飛灰分離，高溫灰經(jīng)過冷卻后回收。

（2）燃氣蒸汽鍋爐。燃氣蒸汽鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)、低壓、立式兩回程鍋爐。爐膛頂部布置低氮燃燒器，燃燒器設(shè)有一次風、二次風和SOFA 風，一次風箱環(huán)燃燒器外部，二次風和SOFA 風從爐膛上部不同位置噴入。

爐膛采用膜式水冷壁，吊桿將水冷壁懸掛于鋼架上框架上。同時設(shè)置剛性梁和止晃裝置，保證爐膛露天布置的穩(wěn)定性。水冷壁上的最低點設(shè)置放水排污閥。

（3）氣化爐防磨措施。設(shè)計時控制爐膛上升煙氣速度約為3 m/s。較大的床面積可有效降低床內(nèi)大顆粒的初始拋起速度，減少磨損。爐膛膜式壁上焊有銷釘并搗打高強度耐磨耐火可塑料。在給料口、人孔、二次風口及熱工測點等讓管處采用補焊鰭片保證其平面度和密封性。風帽采用耐磨耐高溫合金，數(shù)量適中，由于風帽小孔直徑較小，單孔氣流動量較小，對相鄰風帽磨損較輕。爐膛出口周圍一定范圍內(nèi)焊有防磨銷釘并搗打高強度耐磨耐火可塑料。

（4）旋風分離器、返料器防結(jié)焦、防堵、防磨、密封等措施。點火前應(yīng)做好冷態(tài)流化試驗，保證爐內(nèi)空氣動力場流化正常，可避免燃燒室、旋風分離器、返料器的超溫結(jié)焦。啟爐前還應(yīng)確保返料系統(tǒng)運行正常，防止因返料故障而造成結(jié)焦。啟爐時還應(yīng)密切觀察返料器溫度、壓力的變化，防止低溫時的返料器堵灰現(xiàn)象發(fā)生；若返料器溫度變化不大，則應(yīng)適時對返料器進行吹掃流化，吹掃時應(yīng)注意防止返料器內(nèi)的物料突然大量返回爐膛影響燃燒。嚴格執(zhí)行運行規(guī)程，確保返料蒸汽管道系統(tǒng)安全運行，同時設(shè)計合理的返料蒸汽給入方式、位置和蒸汽量，以防返料器局部結(jié)渣。保證運行中的料位自平衡能力，防止壓力脈動時爐煙反竄，保證傳送物料穩(wěn)定。

保證合格的爐內(nèi)澆注料及耐火耐磨材料質(zhì)量及施工質(zhì)量，防止因澆注料等材料塌落而引起結(jié)焦。旋風分離器、返料閥、立管等部位內(nèi)壁采用耐磨澆注料、輕質(zhì)保溫澆注料、輕質(zhì)保溫磚三層組成。最內(nèi)層的耐磨澆注料主要用于防磨，利用抓釘進行固定。輕質(zhì)保溫澆注料和輕質(zhì)保溫磚主要用于隔熱和減輕耐火材料重量。中間層采用輕質(zhì)保溫澆注料起密封作用。

（5）燃氣蒸汽鍋爐及尾部受熱面防積灰、結(jié)焦措施。燃氣蒸汽鍋爐爐膛需設(shè)置壓縮空氣吹灰裝置，在對流管束、省煤器、空預(yù)器等部位需設(shè)置乙炔弱爆吹灰裝置。即使經(jīng)過旋風分離器的氣固分離，氣化燃氣中仍然攜帶一定量的稻殼灰，而稻殼的熔點較低，因此鍋爐系統(tǒng)運行過程中應(yīng)將氣化燃氣的燃燒溫度控制在900 ℃左右，盡可能避免因稻殼灰熔融導致的爐膛結(jié)焦現(xiàn)象。爐膛下方的受熱面需順列布置，受熱面管間距在合理的范圍內(nèi)盡量加大，防止上方焦塊掉落造成該受熱面積灰。

（6）防爆及安全措施。氣化爐和燃氣爐均為負壓運行，保證燃氣不外泄，防止燃氣向車間泄露導致爆炸。在氣化爐爐頂、分離器和燃氣燃燒爐膛均設(shè)置防爆門，保證設(shè)備安全。生物質(zhì)給料管上部設(shè)置自動緊急關(guān)閉閥，一旦發(fā)生煤氣反燒事故，自動緊急關(guān)閉給料管。

為了保證系統(tǒng)運行安全，在各可能泄漏點上方安裝煤氣泄漏探測報警裝置，并與鍋爐儀控室的DCS 監(jiān)控系統(tǒng)連鎖。出現(xiàn)報警器超限報警時，DCS 系統(tǒng)聲音報警，并啟動鍋爐房軸通風，運行人員可根據(jù)各報警器顯示的數(shù)值在短時間內(nèi)查找泄漏點。如果泄漏濃度超過國家標準，則要緊急停爐，停止給料，保持風機運行，氣化爐進入燃燒狀態(tài)。

3 試運行情況

經(jīng)過幾個月的調(diào)試，上述20 t/h 生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化燃氣蒸汽鍋爐系統(tǒng)已成功通過72 h 連續(xù)試運行，系統(tǒng)主要試運結(jié)果如表1 所示。根據(jù)鍋爐系統(tǒng)實際運行結(jié)果，鍋爐系統(tǒng)的各項參數(shù)已經(jīng)基本達到設(shè)計要求。

表1 系統(tǒng)主要試運指標

4 結(jié)論

本文選取循環(huán)流化床氣化爐和燃氣蒸汽鍋爐搭建20 t/h生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化燃氣蒸汽鍋爐系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、關(guān)鍵設(shè)計準則。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項參數(shù)已基本達到設(shè)計要求。該鍋爐系統(tǒng)是我國首臺生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化爐在生物質(zhì)發(fā)電以外領(lǐng)域的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。該鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)定運行證明了生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化爐大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的可行性，推動了生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，對國內(nèi)同類氣化爐的設(shè)計、調(diào)試及運行等具有一定的參考價值和指導作用。