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摘要:生物质能是主要的可再生能源。分析了生物质发电现状,针对国能临沂生物质电厂秸秆锅炉的调试和运行研究,分析了锅炉点火条件、锅炉负荷控制方法、锅炉负压控制方法、蒸汽压力控制方法和锅炉停炉方法;讨论了设计参数和实际运行情况的差异，总结了调试过程中的技术改造和优化项目。为生物质锅炉设计、调试、改造和运行提供了参考。
关键词:生物质,锅炉,调试,运行
0前言
我国能源结构以煤炭为主,煤炭所占比重达70%左右。燃煤电厂要消耗大量不可再生能源,同时造成了严重大气污染。为保证我国经济持续、健康、快速、协调发展,必须大力发展可再生能源和提高能源用率。目前对可再生能源的大规模开发利用主要为风能、太阳能和生物质能。
生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物能再生的物质。生物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。生物质包括林木废弃物(木块、木片、木屑、树枝等)、农业废弃物、水生植物、油料植物、有机物加工废料、人畜粪便及城市生活垃圾等。在欧洲,尤其是北欧的一些国家利用秸秆发电已经有10余年的历史。世界上第1座生物质秸秆发电厂于1988年在丹麦投产(Haslev,5MW),如今丹麦已建成100多家秸秆发电厂,秸秆发电量占该国总发电量的24%。目前,世界上最大的秸秆发电厂是位于英国坎贝斯的Elyan生物质能发电厂,装机容量为38MW。生物质焚烧发电国际上技术比较成熟的为丹麦BWE公司。
目前,生物质能源的研究与开发已成为世界各国政府和科学家研究的诸多热门课题之一。将生物质能转化为高品位能源在国外已具有相当可观的规模,以美国、瑞典和奥地利三国为例,用生物质能转化为其他能已分别占该国一次能源消费量的4%,16%和10%,在美国,生物质发电的总装机容量已超过10000兆瓦,单机容量达10～25兆瓦。自1992年世界环境与发展大会后,欧美国家开始大力发展生物质能。欧盟规划2010年可再生能源比例达12%,每年可替代2000万t石油,其中成本较低的生物质能约占80%。美国1999年明确提出规划到2010年生物制品及生物质能的产量将为当时水平的3倍,生物质能比达10%。由此可见,生物质能在一些发达国家应用较为广泛。我国利用此项技术大力发展的公司为国能生物发电有限公司,其他如中国节能投资公司,江苏国信集团公司等也正寻求此类技术大力发展生物发电。中央企业“优质服务年”中,国家电网公司在向社会公开承诺的八项优质服务中,明确提出将向社会输送10.6亿kWh绿色电力。为实现承诺,国能生物发电有限公司正全力推进生物质发电项目开工投产步伐。目前,公司已有30个项目并网发电,10几个生物质发电项目得到核准或在建。
国能临沂生物发电有限公司是国能生物发电集团的第三代生物发电机组的样板示范工程。本文针对该厂生物质锅炉,进行了锅炉运行特性研究。
1锅炉设备简介
国能临沂生物发电机组#1锅炉是采用丹麦BWE公司生物质直燃技术。130t/h（YG-130/9.2-T2）振动炉排高温高压蒸汽锅炉，为自然循环、单汽包、单炉膛、平衡通风、室内布置、固态排渣、全钢构架、底部支撑结构型锅炉。
本锅炉设计燃料为枝桠、树皮、木屑、木片灰色秸秆，辅助燃料为小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸杆等。采用前墙抛料形式给料，配有点火油系统。生物质燃料含有包括氯化物在内的多种盐，燃烧产生的烟气具有很强的腐蚀性。因此，在高温受热面的管系采用特殊的材料与结构，以及有效的除灰措施，防止腐蚀和大量渣层的产生。
锅炉燃烧设备与煤粉炉有较大的区别,它是由秸秆给料机、炉膛、水冷振动炉排、一、二次风管、抛料风管等设备组成。本锅炉采用水冷振动炉排加炉前气力给料的燃烧方式。锅炉汽水系统采用自然循环，炉膛外集中下降管结构。该锅炉采用“M”型布置，炉膛和过热器通道采用全封闭的膜式壁结构，保证锅炉的严密性能。过热蒸汽采用四级加热，三级喷水减温的方式，使过热蒸汽温度有很大的调节裕量。尾部竖井布置两级省煤器，一级高压烟气冷却器和三级低压烟气冷却器。空气预热器布置在烟道以外，采用水作为媒介的加热方式，有效避免了尾部烟道的低温腐蚀。经过烟气冷却器的烟气和飞灰，由引风机吸入布袋除尘器净化，最后经烟囱排入大气。
给料系统由中转料仓、取料机、落料斗、螺旋给料机、落料管、插板门以及膨胀节组成。炉前两个中转料仓用来接收和储存燃料系统传输来的燃料，燃料由中转料仓底部的螺旋收集机经落料斗输送到螺旋给料机，每个螺旋收集机对应3个螺旋给料机，燃料最终经过6个螺旋给料机由播料风吹入炉膛。播料风取自高压空气预热器后的热风。燃料由于强风的作用进入炉膛时被抛至炉排中、高端处，由于高温烟气和一次风的作用逐步预热、干燥、着火、燃烧。随着振动机构的工作，燃料边燃烧边向炉排低端运动，直至燃尽，最后灰渣落入炉前的出渣口。在排渣口下方设有捞渣机，能使灰渣安全有效地排出炉外。在二、三烟气通道下方设有一个落灰口，从过热器落下的灰渣坠落后进入下方的捞渣机，排出炉外。
振动炉排由振动机构、风室、支撑件和炉排水冷壁组成，炉排水冷壁由全膜式壁组成，其上开有很多ф4.5的小孔，作为一次风的通风口，炉排下部是风室。一次风进入炉底风室后再由水冷壁上的小孔进入炉膛，为燃烧提供所需的氧。在锅炉前后墙各布置有许多二次风口，这些二次风约占总风量的一半。二次风在锅炉的燃烧中起到十分关键的作用，二次风搅拌炉内气体使之混合，使炉内烟气产生漩涡，延长悬浮的飞灰及飞灰可燃物在炉内的行程，它的合理使用可以使飞灰量减少，使飞灰可燃物降低。另外对悬浮可燃物供给部分空气，有利于提高锅炉热效率，有利于降低锅炉初始排烟浓度，有利于锅炉的节能和环保。一、二次风量各约占总空气量的50%，调节一、二次风量、给料量，可以使锅炉负荷在40%--100%之间调节。
锅炉采用轻柴油点火启动，在炉膛右侧墙装有启动燃烧器。
2锅炉运行特性研究
2.1锅炉点火
锅炉冷态点火时,用燃烧器点燃燃料,炉排上布好一定厚度的燃料，由燃烧器逐步加热直至引燃。冷态启动时应严格控制汽包上、下壁温差在50℃内。根据点火以后炉膛温度、汽包上下壁温的变化,燃烧后锅炉排渣以及振动炉排的投入等情况,按照锅炉冷态启动升温升压曲线的控制要求,总结锅炉点火
过程为:当锅炉具备点火条件后,首先通过炉前上、给料系统炉在排上布好一定厚度的燃料，启动引风机,调整引风机入口档板,保持炉膛负压为-50Pa左右，点燃燃烧器由燃烧器逐步加热直至引燃燃料。在启动引风机,调整引风机入口档板,保持炉膛负压为-50Pa左右,根据燃料燃烧情况启动送风机调整炉膛负压加强燃烧,根据燃烧情况和炉排上存料实际，适时启动炉前给料系统和炉排振动装置。根据燃料量的多少调整振动炉排的振动时间、振动频率,点火成功后,按锅炉升温升压曲线控制燃烧速度。
如图1所示。
锅炉冷态启动饱和蒸汽温度与温升率曲线
Drumsaturatedsteamtemperature[℃]汽包饱和蒸汽温度[℃]
Drumsteamtemperaturegradient[℃/min]汽包蒸汽温度升高速率[℃/分钟]
2.2锅炉负荷控制
锅炉正常运行时,对负荷的调整要靠改变燃料入炉量来完成。一次风量用于保证炉排面上燃料着火燃烧,二次风量用于加强燃料着火后的烟气扰动,及时补充燃烧所需氧量,使秸秆燃烧完全,提高锅炉热效率。负荷控制操作时,应通过调节中转料仓内的取料机转速来控制锅炉负荷,炉前给料量的给料能力必须始终大于取料机的给料量,防止秸秆在给料机中堵塞。进行锅炉负荷调整时需加强锅炉燃烧状况监视,同步调整锅炉配风及炉排工作状况,确保锅炉燃烧稳定、充分。
锅炉运行时,过热器后烟气中氧量理论上控制在3%～5%,低负荷时氧量可高些,高负荷时氧量低些。实际运行中氧量可稍大一些以保证燃烧充分，锅炉在80%～100%负荷运行时,氧量宜控制在4-6%左右。由于锅炉存在大量漏风,燃烧区域集中在炉膛前部,火焰充满度很差,导致燃烧区域氧量供应不足,后部的氧量不能补充到燃烧区域,就被抽出炉膛,造成了氧气的浪费。炉膛前部的漏风虽然能起助燃作用,但是以牺牲了送风机的热空气为代价调整时只能根据炉膛温度的变化进行调整,所以调整负荷时要充分考虑一、二次风的配比与燃料的进料量相适应，保持最佳过量空气系数。
机组增长负荷时,先增加送风量,在增加燃料量,降负荷时应反向操作。根据负荷高低调整好一、二次风门的大小、炉排的振动时间和频率等。
2.3炉膛负压控制
本锅炉燃烧时平衡通风。锅炉说明书规定:锅炉运行时,炉膛出口烟气压力控制在-50Pa～-100Pa为宜。此时燃烧效率高,炉膛不向外冒烟,锅炉房卫生环境状况好。
但是在运行时发现,炉膛负压波动比较大,一般波动范围为-800Pa～400Pa,尤其炉排振动时波动更大。由于燃料着火点低,又容易燃烧,为防止炉膛产生正压,引起火灾或影响锅炉房的卫生,设定最高值不超过0Pa；为了保证燃烧经济,减小漏风、减小热损失及保护炉墙等,设定炉膛负压最大不超过-1200Pa,当超过200Pa或-2000Pa时延时5s时,锅炉联锁保护动作,送风机以后的设备全部跳闸,切断燃料供应,紧急停炉,待排除故障后,才可重新点火运行。因此设定负压波动范围比较大,由于负压的大幅摆动,使负压值常常超出设定范围,后改为-2000Pa～400Pa。为使负压波动时能及时调整,避免炉膛产生正压和较大的负压,正常时负压保持在-100Pa左右运行。如果要保持较小的负压,增加锅炉效率,必须减小炉膛漏风,调整炉排的振动幅度。
2.4蒸汽压力控制
通过控制燃料量及风量的大小进行压力调整,调整时要注意掌握超前量。
由于炉前给料系统输送燃料量无法精确计量,调整时以炉膛出口烟温的变化和烟气含氧量的变化趋势为参照点,进行锅炉出力及汽压调整时具有较大的时间延迟,为防止锅炉超压,锅炉正常运行期间汽包压力维持在额定压力稍低一点的水平。
由于汽轮机、发电机最大出力可至33MW,故在锅炉正常运行中,过热蒸汽压力可通过调整机组发电功率来控制,而不采用对空排汽阀或安全阀进行压力调整,以减少机组热损失。
事故情况下,通过调整机组出力压力仍控制不住时可开启对空排汽阀泄压。同时进行调整,降低送风量及入炉燃料量,降低燃烧强度。
2.5正常停炉
正常停炉时应缓慢进行,正常停炉的次序是逐渐减少燃料的供应量,同时先逐渐减小送风机的转速,再减小引风机的转速,以保持适当的炉膛负压。视炉膛出口烟温及汽温状况关闭一、二级减温水调整门前后手动门,停止使用减温水。但是,送风机的开度不能迅速关小,应使燃料燃烧充分，保持好炉膛负压,防止秸秆被抽吸到尾部烟道产生二次燃烧。
停炉过程中不能迅速降低锅筒内压力,降压过程同常规锅炉。同时控制锅筒上、下壁温差不得超过50℃。
汽温降至汽机运行规程规定打闸温度后汽机打闸,锅炉通过对空排汽门控制汽包压力,全开疏水门。停炉过程中,应将料仓中的燃料烧完。对炉前料仓层、取、给料机附近的散落燃料全部送入炉内烧尽,并走空给料机内的燃料。当所有的燃料烧完毕、炉排上没有燃料后,仍应使引风机运行不少于5min对炉膛进行吹扫,彻底排除炉内存在可燃气体。但是由于秸秆燃烧时间比较长,停止供料后,锅炉内的燃料还要燃烧很长时间,时间的长短要看燃料的性质、炉内堆积燃烧的程度等情况,直到炉膛温度下降至200℃时,才认为燃料已燃尽,才能停止送、引风机。经过运行调整,生物质锅炉能够满负荷稳定运行。
满负荷时运行参数如表3所示。
负荷MW主汽压力MPa主汽温度℃主汽流量t/h给水流量t/h总风量T/h预热器后风温℃
31.69.1531132138130.196.5
炉膛温度℃炉膛负压Pa排烟温度℃烟气含氧量%汽包水位mm送风机电流A引风机电流A
930-100132483442
3.调试中的优化改造
3.1振动炉排间隙
振动炉排在锅炉吹管时就经常振不起来，后发现炉排两侧外侧间隙不够，扩大间隙，并检查扩大4片炉排之间的间隙于10月10日点火，12日校安全门时发现仍然振不起来，停炉处理，经检查发现炉排两侧高度间隙不够，应为13.5mm,并扩大炉排4片之间的间隙由2mm至4mm，处理后冷态试运正常，100%负荷，启动电流79A，50%负荷，电流55A,于13日点火，炉排联锁投入，振动正常，有时出现不振的现象，经改变频率手动进行正常，建议以后的操作发现不振，改手动，正常后投入联锁。
改造前
改造后
改造垂直间隙至13mm
3.2落料管拨料板改造
落料管内的三通拨料板为机翼式，两片尾翼设计为等距，存在的问题是等距尾翼左右摆动#1-6给料机平均给料机会，但是因#1、6号靠近水冷壁（水冷壁吸热）且在炉排边缘（风压低缺氧），造成此处的燃烧不充分出生料。通过将拨料板外侧尾翼板截短的办法减少#1、6给料机的料量，从而使得整个炉排上的#2、3、4、5给料机对应的区域相对于#1、6给料机对应的炉排区域燃料厚一点，保证了燃烧温度场的稳定和燃烧充分。
3.3引、送风机耦合器初始转速校订
引、送风机液力耦合器输出初始转速高，吸风机最低转速为827r/min,送风机457r/min，造成带负荷启动，造成厂用电的浪费且存在安全隐患，联系厂家来人调整零位，发现引风机液力耦合器勺管装错方向，调整后吸风机最低转速为364r/min,送风机141r/min，达到了预期目的。
4结论
秸秆燃料为低碳燃料,且硫含量、灰含量均比目前大量使用的煤炭低,是一种较为“清洁”的燃料,在有效的排污保护措施下发展秸秆发电,会大大地改善环境质量,对环境保护非常有利。生物质锅炉通过调试和满负荷试运的考验，经改造和优化后能满出力运行。运行调整过程中,应根据设备具体情况,同时兼顾燃料特性,不断总结经验,保证机组的安全经济运行。
