顧 珊，劉茂省，黃 三，劉鵬暉，謝 亮

1.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018；2.浙江百能科技有限公司，浙江 杭州 311121；3.益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司，上海 200126

生物質氣化技術被認為是最潔凈的生物質利用技術之一。常見的生物質氣化爐可分為固定床氣化爐和流化床氣化爐兩大類。相比于固定床氣化爐，流化床氣化爐尤其是循環(huán)流化床（CFB）氣化爐的氣化能力大，轉化效率高，燃氣熱值高，適于連續(xù)運行，也更適合大型化應用，是未來發(fā)展的方向[1]。

國外的生物質CFB 氣化爐商業(yè)化發(fā)展較為成熟，已有20 多年的運行經(jīng)驗，多數(shù)應用于燃煤間接耦合生物質發(fā)電系統(tǒng)[2-5]，也有部分生物質CFB 氣化爐被用于生物質氣化熱電聯(lián)產系統(tǒng)[6]。目前，國內生物質CFB 氣化爐仍處于研究階段，該爐型氣化爐的工業(yè)應用較少，基本都應用于氣化耦合發(fā)電系統(tǒng)。國電長源電廠10.8×106W 循環(huán)流化床生物質氣化再燃系統(tǒng)，是生物質循環(huán)流化床氣化爐在我國大型燃煤電廠的首次成功應用[7]。大唐長山熱電廠20×106W 間接耦合發(fā)電項目采用微正壓CFB 空氣氣化，是目前國內投運的容量最大的生物質循環(huán)流化床氣化爐[8]。王一坤等[9]以某330×106W 機組建設20×106W 生物質氣化耦合發(fā)電項目為例，分析了生物質氣化耦合發(fā)電對燃煤機組鍋爐效率、受熱面安全、催化劑性能和煙氣脫硫系統(tǒng)等的影響，建議根據(jù)生物質堿金屬量將生物質的熱量輸入比例控制在10%以下。

上述報道主要對氣化耦合發(fā)電系統(tǒng)工藝流程、投資成本以及耦合系統(tǒng)對電站鍋爐的影響等方面進行分析，而對生物質CFB 氣化爐這一關鍵設備的設計、調試和運行控制特點的研究未見報道。因此，研究生物質CFB 氣化爐的運行特性和控制方法對該爐型氣化爐的商業(yè)化發(fā)展具有重大意義。江蘇某米廠5 t/h 生物質CFB 氣化爐是我國首個生物質CFB 氣化爐在發(fā)電系統(tǒng)以外的商業(yè)化應用，本工作以該生物質CFB 氣化爐為例，對其運行過程中不同階段的床層壓降、床層溫度、流化風量和返料風及返料蒸汽量等關鍵參數(shù)的變化規(guī)律及控制方法進行深入分析。

1 設備概況

江蘇某米廠氣化爐采用循環(huán)流化床型式（見圖1），半露天布置。氣化爐以該廠稻米加工廢棄物-稻殼為原料，采用螺旋給料機爐前連續(xù)給料，氣化爐下部密相區(qū)截面尺寸為1.2 m×1.2 m，爐壁向外30°傾斜逐漸過渡至稀相區(qū)，稀相區(qū)截面尺寸為1.8 m×1.8 m，氣化爐總高為18 m，其他主要設計參數(shù)詳見表1。床料采用石英砂，爐前給料。爐膛采用膜式水冷壁，水冷壁外襯澆注料，爐膛底部設有流化風室，啟動采用0#輕柴油床下點火方式。采用兩級絕熱旋風分離器進行氣固分離，一級旋風分離器下部布置返料器進行物料循環(huán)。二級旋風分離器下部布置高溫灰回收系統(tǒng)將稻殼灰回收利用，頂部排出管連接高溫煙道，將高溫生物質燃氣送入燃氣蒸汽鍋爐燃燒產生飽和蒸汽。表2 為稻殼的元素分析和工業(yè)分析。表3 為石英砂床料的物性參數(shù)。

表1 生物質循環(huán)流化床氣化爐主要設計參數(shù)Table 1 Main design parameters of biomass circulating fluidized bed gasifier

圖1 生物質循環(huán)流化床氣化爐系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of biomass circulating fluidized bed gasifier system

表2 稻殼的元素分析和工業(yè)分析Table 2 Proximate and ultimate analysis of rice husk

表3 石英砂床料物性參數(shù)Table 3 Physical parameters of quartz sand

2 關鍵參數(shù)控制

2.1 床層壓降控制

床層壓降是反應流化床爐料層厚度的一個重要參數(shù)，料層厚度大小直接影響氣化爐運行中的流化質量。料層厚度過大，容易引起流化不好造成爐膛結焦或滅火[10]；料層厚度過小，可能引起布風板流化不均。實際運行中料層厚度主要通過監(jiān)視密相區(qū)床層壓降值來判斷，正常運行時密相區(qū)床層壓降值隨著料層厚度的升高而升高。密相區(qū)床層壓降值過高時，需適當排底渣以降低料層厚度；密相區(qū)床層壓降值過低時，則考慮是料層厚度過低，或者是布風不均勻、布風板局部區(qū)域形成氣流通路導致布風板局部區(qū)域料層厚度過低。

根據(jù)實際試運行情況，確定氣化爐正常運行過程中密相區(qū)床層壓降控制在(7 500±500) Pa。氣化爐啟動前，料層厚度控制在400～500 mm，啟動前的靜止料層厚度可通過在床料中垂直插入標尺直接測量。氣化爐啟動運行后，逐漸補充床料并觀察密相區(qū)床層壓降值，每次補充床壓為500 Pa 左右，待床層壓降升至7 500 Pa 左右停止補充床料。

氣化爐床層壓降快速增加，通常表現(xiàn)為風室靜壓明顯持續(xù)增加、而爐膛出口壓力基本不變，這主要是氣化爐流向出口的物料量明顯減少甚至停止引起的，應及時檢查返料裝置運行情況，并適當通過布風板中心排渣管排底渣，控制床層壓降。一般不會出現(xiàn)風室靜壓明顯持續(xù)增加、而氣化爐爐膛出口壓力明顯降低的現(xiàn)象，除非氣化爐爐膛搭橋，導致爐膛流通截面降低。此時可以考慮暫時增大流化風量，如較長時間不能恢復，則需停爐檢修。

氣化爐床層壓降快速降低，通常表現(xiàn)為風室靜壓明顯持續(xù)下降。如果氣化爐爐膛出口壓力基本不變，則說明氣化爐料層厚度降低。如果爐膛出口壓力明顯降低，則可能是引風機開度增加，此時應調整引風機開度，調整爐膛出口壓力。當床層壓降低于4 000 Pa 時應暫停氣化爐給料，氣化爐轉直燃狀態(tài)運行。

若出現(xiàn)氣化爐床層壓降沒有明顯變化或稍有增加，但風室靜壓明顯持續(xù)增加、且爐膛出口壓力也持續(xù)增加的情況，可能原因是引風機故障或者氣化爐出口后的某部分出現(xiàn)堵塞。此時應檢查引風機運行是否正常；依據(jù)氣化爐后各壓力測點的數(shù)據(jù)，判定一級旋風分離器、返料管、返料器、二級旋風分離器是否堵塞。

2.2 床層溫度控制

試運行過程中，氣化爐床層溫度一般控制在700～800 ℃。床層溫度過低，則降低氣化效果，影響氣化爐燃燒和氣化穩(wěn)定性；床層溫度過高，則容易出現(xiàn)床料結渣，流化不均，床壓波動大等問題。氣化爐入爐稻殼600 ℃低溫灰的主要成分分析如表4 所示，可以看出入爐稻殼的堿金屬含量較高。根據(jù)公式（1）計算的稻殼的堿性指數(shù)為 6×10-3kg/kJ，遠高于0.34×10-3kg/kJ（當堿性指數(shù)大于0.34×10-3kg/kJ 時，發(fā)生結渣），因此稻殼灰的結渣特性為嚴重結渣，氣化爐運行的床層溫度應控制在稻殼的結渣溫度以下，防止稻殼灰熔融使得床料粘結結渣。根據(jù)公式（2）計算稻殼的理論結渣溫度為899 ℃，而實際調試過程中，當床層溫度高于850 ℃時，已開始出現(xiàn)床料結渣的現(xiàn)象，若不及時采取措施降低床層溫度，氣化爐床層壓降會出現(xiàn)劇烈波動，嚴重時甚至會出現(xiàn)床層壓降突降的現(xiàn)象（見圖2）。因此氣化爐直燃和氣化狀態(tài)運行，床層溫度均應控制在850 ℃以下。

圖2 結渣過程床層壓降變化曲線Fig.2 Characteristic variation of bed pressure drop during slagging

表4 600 ℃低溫稻殼灰主要成分分析（除碳外）Table 4 Main composition analysis of rice husk ash carbonized at 600 ℃（except of carbon）

堿性指數(shù)（AI）：

式中：Qdb為燃料在干燥基和定容條件下的高位發(fā)熱量，kJ/kg；Adb為干燥基灰分含量，%；和分別為生物質灰中的K2O 和Na2O 含量，%。

若運行中氣化爐床層溫度快速下降，可能是因為進入氣化爐的高溫循環(huán)灰流量減少，此時應適當增加返料器閥門開度來增加進入氣化爐的循環(huán)物料量。當氣化爐床層溫度下降至560 ℃時，應暫時停止氣化爐給料，氣化爐轉直燃狀態(tài)運行。

若氣化爐床層溫度快速上升，則可能是氣化爐的給料管堵塞或給料機停止運行，無法給料至爐膛，而流化風仍在正常給入，使得部分物料由氣化轉為燃燒，導致氣化爐爐溫上升，此時應觀察給料機的運行情況，及時疏通或維修，必要時停爐搶修。當氣化爐床層溫度增加至900 ℃時，通過降低流化風量、增加冷床料或爐內噴蒸汽等手段控制溫度。

若出現(xiàn)氣化爐密相區(qū)下部溫度明顯降低，而上部溫度變化不明顯的現(xiàn)象，這主要原因可能是氣化爐爐內粗顆粒沉積導致顆粒分層，從而影響氣化爐正常流化。此時應及時排底渣，適當增加流化風量，補充合適粒徑的床料以促進原料顆粒的流化。

2.3 流化風量調整

在循環(huán)流化床氣化爐中，流化風系統(tǒng)承擔著支撐床料和保證其均勻流化的重要任務。流化風布風不均將導致爐內流化質量變差，甚至出現(xiàn)結焦、死床及漏渣等問題，嚴重影響鍋爐機組的安全與經(jīng)濟運行[11]。流化風量過低不足以使爐內物料完全流化，將造成部分床體溫度過高，導致爐內局部結焦；流化風量過高，將導致氣化爐床層溫度過高，降低氣化效率，流化風阻力增大，爐膛磨損加劇[12]。

在試運過程中，氣化爐床層壓降應穩(wěn)定維持在(7 500±500) Pa 左右，爐膛出口負壓保持在(-200±50) Pa 左右，初始流化風速控制在1.9 m/s 左右，后續(xù)流化風量的增減隨給料量的增減而調整，以保持床層溫度穩(wěn)定為原則。氣化爐流化風量的調整對氣化爐床層溫度的影響較大，尤其是氣化狀態(tài)過程中，減小一定的流化風量可降低氣化爐床層溫度；增加一定量的流化風量可使氣化爐床層溫度明顯增加。圖3 為給料量一定時，床層溫度隨流化風速的變化曲線。可以看出，隨著流化風速的增加，床層溫度基本呈升高趨勢。流化風速每升高0.1 m/s（約合標況流化風量500 m3/h），床層溫度升高5～7 ℃?？梢?，流化風量的調整對床層溫度的影響較為明顯。實際運行時，還應注意給料量和流化風量的配合調節(jié)，以保持氣化爐床層溫度穩(wěn)定。

圖3 床層溫度隨流化風速變化曲線Fig.3 Variation of bed temperature with fluidizing velocity

2.4 返料器返料風及返料蒸汽調整

返料器返料風量的控制對于流化床爐內灰濃度和灰平衡的建立具有相當重要的意義。返料風量過小，將引起爐內灰濃度偏低，返料不暢，影響氣化效率；返料風量過大，將造成返料風沿立管反竄至旋風分離器下部，影響分離器分離效率，甚至造成分離器堵塞[13]。試運過程中，氣化爐在直燃狀態(tài)時采用空氣作為流化返料介質，在氣化狀態(tài)時采用高溫過熱蒸汽作為流化介質。返料空氣或蒸汽總量控制在300 m3/h 左右，進料室松動風控制在100 m3/h 左右，返料蒸汽壓力控制在(0.4～0.5)×103kPa。

返料器運行不正常，最易被察覺的現(xiàn)象是返料器返料室溫度不穩(wěn)定，同時進入返料裝置的蒸汽流量或空氣量發(fā)生波動，說明該返料裝置流通物料快速減少，其原因有：

（1）返料停止，此時進料室及立管仍然有大量的灰渣，可以增加返料裝置進料室和返料室的風量，同時觀察返料室溫度能否恢復正常?；蛲ㄟ^進料室下排灰管排出少量的灰，使返料裝置恢復正常。

（2）若進料室排灰管不能排出大量灰，說明進入返料裝置的物料量快速減少，這是由于氣化爐料層厚度較低或流化不良，導致能進入返料裝置的物料很少。此時只需增加氣化爐料層厚度即可。

3 運行中的調節(jié)與控制要點

3.1 氣化爐直燃狀態(tài)運行

氣化爐啟動點火后，保持氣化爐爐膛出口壓力在(–200±50) Pa 左右，通過調整流化風量、返料風量和油槍流量等，使氣化爐溫度逐漸上升，控制氣化爐床層溫度升溫速率在100 ℃/h 左右。當氣化爐密相區(qū)溫度達到500 ℃以上時，可投稻殼。由于低負荷下給料機的給料均勻性較差，采用單側稻殼給料方式，起始給料量控制在5%，待床溫穩(wěn)定后增加給料量至10%～12%。視運行情況進行給料量及一次風量的配合調節(jié)，保持氣化爐床層溫度穩(wěn)定。投運稻殼后的爐膛溫度需控制在650～700 ℃，爐膛床層壓降應保持在(7 500±500) Pa 左右，二級旋風分離器出口煙氣含氧量控制在4%～6%。

氣化爐在完全燃燒狀態(tài)，在需要提高負荷時，風料比的調整按照“少量多次”的原則，以避免氣化爐床層溫度的波動，此時，采用先加風后加料的方式；在需要降低負荷時，采用先減料后減風方式。運行人員要對風料進行協(xié)調控制，保持床層溫度的穩(wěn)定。表5 為氣化爐燃燒態(tài)運行時提高負荷過程中，各運行參數(shù)的調整示例?？梢钥闯觯镔|單次加料量在100～150 kg/h，標況流化風量單次增量在100 m3/h 左右，生物質和流化風量的調整都遵循“少量多次”的原則。提高負荷的調整過程為：工況1～2，增加流化風量，生物質不加量，即先加風；工況2～3，增加生物質給料量，流化風量不增加，即再加料；后續(xù)運行調整繼續(xù)上述先加風（工況3～4）后加料（工況4～5）的過程。

表5 氣化爐燃燒態(tài)運行調整示例Table 5 Example of operation adjustment of gasifier in combustion state

3.2 氣化爐直燃態(tài)轉氣化態(tài)運行

當氣化爐進行直燃態(tài)轉氣化態(tài)運行前，需保證氣化爐密相區(qū)溫度穩(wěn)定維持在650～700 ℃，床層壓降和爐膛出口負壓穩(wěn)定，一級旋風分離器下灰管溫度維持在600 ℃以上，二級旋風分離器出口煙氣氧量逐漸降低到4%左右。氣化爐轉氣化操作時，應快速加大給料量，直接給料20%，快速降低煙氣中氧含量，使氣化爐進入氣化狀態(tài)；同時，根據(jù)氣化爐的氣化情況，適時按5%的幅度增加給料量，并適量增加流化風量，以保持床層溫度穩(wěn)定。

圖4 為氣化爐在不同運行階段的溫度、煙氣氧量變化曲線，其中虛線框所示區(qū)域為氣化爐直燃態(tài)轉氣化態(tài)運行過程?？梢钥闯?，氣化爐轉氣化過程中，床層溫度會有短暫的下降，爐膛出口溫度有短暫的升高，煙氣中氧量迅速從4%左右降至0。這是因為給料量的快速加大使得布風板區(qū)域的空氣當量比迅速降低，空氣中的氧量迅速消耗殆盡；同時布風板區(qū)域物料迅速從直燃狀態(tài)變?yōu)闅饣癄顟B(tài)，導致床層溫度快速下降，而爐膛出口仍保持一定的熱慣性，出口溫度出現(xiàn)短暫的升高再降低。

圖4 生物質循環(huán)流化床氣化爐運行特性曲線Fig.4 Operating curves of biomass circulating fluidized bed

3.3 氣化爐氣化狀態(tài)運行

氣化爐氣化狀態(tài)下的爐膛壓力調節(jié)，可以通過調節(jié)料層厚度、流化風量、給料量和返料量等多種手段實現(xiàn)。圖5 為床層壓降運行控制曲線。圖中①區(qū)域，增加流化風速，給料量減少，床層壓降升高；②區(qū)域，流化風速基本不變，給料量增加，床層壓降降低；③區(qū)域，給料量基本不變，床層壓降基本隨流化風速的增加而降低，隨流化風速的減小而升高；④區(qū)域，降低流化風速的同時，補充床料，床層壓降快速升高。

圖5 床層壓降運行特性曲線Fig.5 Characteristic operating curve of bed pressure drop

隨著運行時間的延長，氣化爐容易出現(xiàn)稀相區(qū)壓力高或者返料管料位不斷增加的現(xiàn)象，此時氣化爐負壓波動較大，可通過補充細床料，增加床層壓降或返料器放灰等措施進行調節(jié)。若氣化爐床層壓降下降，應降低流化風量，并及時補充床料，保持床層壓降和床層溫度穩(wěn)定。若氣化爐風室靜壓突然下降，應盡快補充床料，降低床層溫度。同時，返料器放灰，直至床層壓降恢復。如果發(fā)現(xiàn)床層壓降不可控時（發(fā)生震蕩），可直接切斷給料，轉為直燃狀態(tài)，同時要控制床層溫度下降，待床層溫度降低到650 ℃左右，且床層壓降恢復到(7 500±500) Pa 左右、床層壓降震蕩消失時，可再進行轉氣化操作。氣化后的生物質燃氣主要成分示例詳見表6。

表6 生物質氣化可燃氣主要成分示例Table 6 Main composition analysis of biogas

氣化爐氣化狀態(tài)下的床層溫度主要通過流化風量和給料量來調節(jié)。減小流化風量，增加給料量可以降低床層溫度；增加流化風量，減少給料量可以提高床層溫度。運行時要注意流化風量和給料量的配合調節(jié)，以保持床層溫度穩(wěn)定。由于在給料量增減的過程中，床層溫度的變化有一個滯后的過程，因此給料量調節(jié)過程中，應密切觀察床層溫度變化率[14]，若溫升較快，說明減料量過多，則需適當增加給料量；反之，若床層溫度快速下降，說明給料量過多，應適當減少給料量。

氣化爐進入氣化狀態(tài)后，當返料器回料管溫度上升至550 ℃時，調整返料蒸汽閥門，將返料空氣切換至返料蒸汽作為返料閥的流化介質。待氣化穩(wěn)定后，返料器回料管溫度應維持在600～700 ℃，不宜低于550 ℃。如果在氣化狀態(tài)發(fā)生返料蒸汽突然降到0.2 MPa 以下，應立即關閉蒸汽管路閥門，防止返料器內發(fā)生半焦燃燒結塊造成返料器堵塞。

3.4 正常停爐

常規(guī)生物質鍋爐正常停爐時，應逐漸減少燃料，減小送風機開度，緩慢進入停爐過程[15]。而氣化爐正常停爐時，多半處在氣化狀態(tài)，爐內存有大量的生物質可燃氣，為保障運行安全，需從氣化狀態(tài)轉至直燃狀態(tài)停爐。氣化爐正常停爐時，應先將流化風速降至1.9 m/s 左右，然后快速減少或切斷氣化爐給料，氣化爐的床層溫度會有短暫快速上升，此時應相應減少流化風量，必要時少量加料，維持氣化爐床層溫度不超過800 ℃。若氣化爐床層溫度上升過快，超過900 ℃時，可向氣化爐加冷床料降溫。待氣化爐內溫度不再上升后，降低給料，緩慢降低氣化爐溫度，逐漸將二級分離器出口煙氣氧量控制在3%～4%，再按常規(guī)鍋爐進行停爐。

4 結論

以江蘇某米廠5 t/h 生物質CFB 氣化爐為例，對其運行特性和控制方法進行了深入分析。通過對氣化爐運行過程中不同階段關鍵參數(shù)和運行調節(jié)措施的控制，該氣化爐已基本能按預定程序進行試運行。結果表明：床層壓降的調控主要靠給料量和返料量的協(xié)調控制，床層溫度的控制主要靠給料量和流化風量的配合調整；氣化爐在直燃和氣化階段的運行時風料調整遵循少量多次的原則；在直燃轉氣化時，應快速給料，快速降低煙氣中氧含量，快速轉氣化；正常停爐時，應快速減料，先轉至直燃狀態(tài)。后續(xù)同類型生物質循環(huán)流化床氣化爐運行調試中，應注意給料量與返料量、流化風量與給料量等的平衡關系，通過對床料、給料、給風和返料等的協(xié)調控制，實現(xiàn)對氣化爐床層溫度、床層壓降、可燃氣成分的有效調控，以保證機組的安全穩(wěn)定運行。