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摘 要：结合50 MW生物质锅炉的运行经验，通过对不同的生物质燃料进行分析，提出了实现生物质锅炉稳定运行的关键因素，总结了切实可行的生物质燃料配烧办法，并指出了不同的生物质燃料造成的问题及其解决办法，为生物质锅炉稳定运行提供了可借鉴的经验。
关键词：生物质燃料;生物质锅炉;稳定运行
0 引言
生物质是指来源于植物的有机物质，多为树头、树皮、树枝和木材行业的副产品。生物质燃料种类繁多、特性各异，给生物质发电厂锅炉的稳定运行带来了巨大的挑战。本文以50 MW生物质自燃发电锅炉为平台，研究生物质燃料特性对工业规模生物质锅炉稳定运行的影响。生物质发电厂可通过提高燃料品质和采用合理的配烧办法，使生物质锅炉保持在较为稳定的工况下运行，并创造可观的经济效益，实现安全和效益的双赢。
1 设备介绍
本文研究的50 MW生物质自燃发电锅炉为华西能源工业股份有限公司生产的型号为HX220-9.8-IV1的高温高压、单汽包、汽水自然循环、平衡通风的循环流化床锅炉。锅炉的额定蒸发量为220 t/h，额定蒸汽出口压力为9.8 MPa，额定蒸汽出口温度为540 ℃。设计燃料为桉树的皮、叶、根、枝，木材边角料，甘蔗渣和其他农林废弃物。燃料消耗量设计值为49 t/h，实际燃料消耗量為60 t/h。锅炉对燃料的颗粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm。
2 常用的生物质燃料
生物质燃料以树皮和木质材料为主，根据地理位置和区域的产业链有所不同。以广东省湛江市为例，常用的生物质燃料有以下品种：散树皮、碎树皮、树头、木尾、木边皮、建筑废料和木材加工副产品。此外，还有一些不常用的燃料品种：甘蔗渣、稻谷壳、肉桂枝叶、棕榈壳、花生壳等。常见生物质燃料的全水分和热值可参考表1。
3 生物质锅炉稳定运行的关键因素
生物质燃料因品种繁多和特性各异，在生产中对生物质锅炉稳定运行影响很大。生物质燃料构成多变，且燃料颗粒度从4 cm至30 cm不等，极端情况下甚至有50 cm长的燃料进入炉内，这就决定了生物质锅炉难以保持稳定运行。
然而，尽管燃料复杂多变，要实现生物质锅炉稳定运行，在燃料环节需要把控的只有两点：控制燃料水分和保持下料顺畅。
3.1 控制燃料水分
从表1可以看出，不同的生物质燃料水分和热值区别较大，且生物质锅炉一般都是小容量锅炉，其稳定性较差，所以当不同的生物质燃料进入炉内时，锅炉的工况马上会发生变化。当燃用热值高、水分低的燃料时，锅炉将快速升温升压，容易使汽轮机和发电机的出力达到最大限值，生产中可以采取运行调整措施避免此情况，如调节二次风量和下料量，进而降低机组出力。当燃用热值低、水分高的燃料时，除机组出力显著下降，还会引起一系列的问题。此类燃料将打破锅炉稳态，并快速消耗锅炉内的氧气，锅炉床温快速下降，燃烧工况变差，还会导致机组的环保参数异常。此时如运行人员干预调整，锅炉将在缺氧和富氧之间波动，导致氮氧化物和二氧化硫快速上升，存在环保参数超限的风险。针对此情况，除调整风量和下料量，还需要马上降低入炉燃料的水分，增加高热值、低水分且流动性好的燃料，使锅炉重新恢复稳态。
3.2 保持下料顺畅
生物质锅炉的给料系统采用螺旋式给料机，因燃料的颗粒度差别较大且燃料中含有杂质，要实现燃料顺畅进入锅炉并不容易。如果能保持燃料的颗粒度在10 cm以内，且燃料的流动性较好，实现顺畅给料不成问题。但在实际生产中，因为燃料是由颗粒度4～30 cm的不同生物质燃料混合而成，所以经常出现燃料流动性变差和给料机故障等问题，不仅给运行调整带来了困难，而且很大程度上破坏了生物质锅炉的稳态。出现此问题时，运行调整需要更换燃料，尽快处理给料机异常，调整燃烧参数。比起处理办法，更重要的是如何防范问题发生。生物质锅炉可从以下几方面防范下料不畅的问题：
（1）控制燃料的颗粒度。燃料颗粒度越大，其流动性越差，越难顺畅下料。在燃料进厂环节，通过质检控制生物质燃料的颗粒度，保证进厂燃料颗粒度在合格范围内。在上配料环节，需要合理使用破碎机和成品给料机。对于颗粒度大的燃料，必须使用破碎机进行破碎。同时，要关注破碎机的设备状况，及时修复磨损的破碎机刀轴，以免破碎效果差导致下料不畅的问题。
（2）控制燃料的杂质。生物质燃料一般在山地、田地、木材加工场等易携带杂质的场所进行收集，这决定了生物质燃料含有较多的杂质。虽然供应商会在收集燃料时清除杂质，但因为燃料需求量大，往往难以清除全部杂质。在燃料进厂环节，通过质检控制燃料杂质，防止杂质多的燃料入厂。在厂内环节，通过人工清除杂质和上配料时避开大块杂质的办法，减少入炉的杂质。此外，在上料皮带处增设除铁器，及时清除燃料内的铁块和铁钉等金属杂质，也能有效减少随燃料进入炉内的杂质。
（3）入炉燃料预混合。由于每种燃料的颗粒度不同，将粗细不同的燃料混合后，能有效改善燃料的流动性，实现下料顺畅。在燃料进入上料系统前，通过预混合不同的燃料，使某一时段的燃料品质稳定且具有适中的流动性，对保持生物质锅炉稳定运行具有显著的帮助。在实际生产中，人工使用机械混合燃料的效果较差，波动性较大;而通过机械式的拨料器能较好地混合不同品种的生物质燃料。
4 适合生物质锅炉的配烧办法
每种生物质燃料热值、水分、颗粒度和价格各不相同，对生物质发电厂运营的影响自然也不同。一般而言，树皮类燃料水分高、热值低，但其价格低廉，合理使用将为生物质电厂带来不错的经济效益。干燃料类（如建筑废料、木材加工副产品等）属于水分低、热值高的燃料，虽然其价格较高，但其易燃烧且流动性好，在处理异常工况和维持机组良好出力方面具有明显的优势。由此可见，使用单一的生物质燃料难以满足生产需要，将不同的生物质燃料混合，能实现锅炉稳定和经济效益之间良好的平衡。 基于广东省湛江市生物质燃料供应市场的实际情况，并结合长周期的试验，对于50 MW的生物质锅炉，树皮：干燃料=4：6是较好的配烧办法。其中，树皮类燃料由散树皮和碎树皮组成，干燃料由木尾、木边皮、建筑废料、木材加工副产品组成。干燃料根据市场变化和季节变更而有所不同，但只要保持干燃料的比例并和树皮类燃料混合均匀，锅炉便能较为平稳地运行。实际生产中，燃料的水分和热值还会受到天气影响。在雨季，生物质燃料在源头处就已增加了水分，更容易出现燃料整体含水偏高导致燃烧工况变差的问题。在干燥季节，所有燃料的含水量都比雨季低，生物质锅炉运行工况较好，较少发生问题。所以，树皮：干燃料=4：6不是一成不变的配烧办法，需要根据当时的燃料品质进行调整。如果燃料水分较高，则适当增加干燃料的比例;如果燃料水分較低，则适当增加树皮类燃料。这样才能在保持锅炉稳定运行的同时，创造良好的经济效益。
5 燃用某些生物质燃料的常见问题
生物质燃料特性各不相同，在生产中将产生不同的问题，对生物质锅炉造成不同影响。在曾使用的30多种生物质燃料中，以下燃料容易出现一些问题：
（1）散树皮。散树皮是散装的树皮，燃料长度30～80 cm，质地较韧，需要破碎才能使用。增加散树皮的用量将使燃料的流动性明显变差，容易造成炉前给料机堵料和卡涩的问题。解决办法：控制散树皮用量不超过燃料总量的20%，且要求散树皮的破碎效果良好，并与其他碎料混合均匀后再供应到给料系统。
（2）碎树皮。碎树皮是已经破碎至直径0.5～6 cm的树皮，这种燃料的全水分高达50%，品质较为一般。增加碎树皮的比例将使入炉燃料的水分显著提高，机组出力明显下降，燃烧工况变差。解决办法：控制碎树皮用量不超过燃料总量的20%，且碎树皮到厂后可放置一段时间再使用，以降低其含水量。使用碎树皮要与干燃料混合均匀，避免短时间内大量的碎树皮入炉，破坏锅炉运行的稳态。
（3）建筑废料。建筑废料是建筑行业用完的边角材料，热值特别高，但常含有铁钉和水泥块等杂质。一旦建筑废料用量增大至燃料总量的10%以上，排渣系统将无法有效排出所有杂质，进而导致锅炉流化不良。解决办法：提高除铁器的除铁效率，并控制建筑废料的用量。如锅炉出现流化不良的情况，可通过置换床料和加大一次风量进行扰动的办法改善锅炉工况。
（4）树头。树头是树木的根部，热值较高，但含泥量高，且常存在规格严重超标的情况。树头常导致生物质锅炉床压快速升高进而流化不良的现象，同时块状的树头会引起给料机卡涩和跳闸的问题。解决办法：控制树头用量，并对树头进行充分破碎，再供应到给料系统。
6 结语
本文立足于50 MW生物质自燃发电锅炉，分析了在燃料方面影响生物质锅炉稳定运行的因素，提出了控制燃料水分和保持下料顺畅两点关键因素，总结了树皮：干燃料=4：6这个适用于生物质锅炉的配烧办法，并指出了某些生物质燃料易引起的问题及其解决办法，可供工业生产的生物质锅炉借鉴。生物质发电作为新能源和环保能源，为国家节能减排做出了巨大贡献，生物质电厂可以通过控制燃料质量和合理配烧燃料，实现生物质锅炉稳定运行和生物质发电盈利的双赢局面。
收稿日期：2021-05-10
作者简介：麦晓峰（1988—），男，广东湛江人，电力运行工程师，研究方向：生物质发电。
关键词：生物质燃料;生物质锅炉;稳定运行
0 引言
生物质是指来源于植物的有机物质，多为树头、树皮、树枝和木材行业的副产品。生物质燃料种类繁多、特性各异，给生物质发电厂锅炉的稳定运行带来了巨大的挑战。本文以50 MW生物质自燃发电锅炉为平台，研究生物质燃料特性对工业规模生物质锅炉稳定运行的影响。生物质发电厂可通过提高燃料品质和采用合理的配烧办法，使生物质锅炉保持在较为稳定的工况下运行，并创造可观的经济效益，实现安全和效益的双赢。
1 设备介绍
本文研究的50 MW生物质自燃发电锅炉为华西能源工业股份有限公司生产的型号为HX220-9.8-IV1的高温高压、单汽包、汽水自然循环、平衡通风的循环流化床锅炉。锅炉的额定蒸发量为220 t/h，额定蒸汽出口压力为9.8 MPa，额定蒸汽出口温度为540 ℃。设计燃料为桉树的皮、叶、根、枝，木材边角料，甘蔗渣和其他农林废弃物。燃料消耗量设计值为49 t/h，实际燃料消耗量為60 t/h。锅炉对燃料的颗粒度要求小于150 mm×80 mm×50 mm。
2 常用的生物质燃料
生物质燃料以树皮和木质材料为主，根据地理位置和区域的产业链有所不同。以广东省湛江市为例，常用的生物质燃料有以下品种：散树皮、碎树皮、树头、木尾、木边皮、建筑废料和木材加工副产品。此外，还有一些不常用的燃料品种：甘蔗渣、稻谷壳、肉桂枝叶、棕榈壳、花生壳等。常见生物质燃料的全水分和热值可参考表1。
3 生物质锅炉稳定运行的关键因素
生物质燃料因品种繁多和特性各异，在生产中对生物质锅炉稳定运行影响很大。生物质燃料构成多变，且燃料颗粒度从4 cm至30 cm不等，极端情况下甚至有50 cm长的燃料进入炉内，这就决定了生物质锅炉难以保持稳定运行。
然而，尽管燃料复杂多变，要实现生物质锅炉稳定运行，在燃料环节需要把控的只有两点：控制燃料水分和保持下料顺畅。
3.1 控制燃料水分
从表1可以看出，不同的生物质燃料水分和热值区别较大，且生物质锅炉一般都是小容量锅炉，其稳定性较差，所以当不同的生物质燃料进入炉内时，锅炉的工况马上会发生变化。当燃用热值高、水分低的燃料时，锅炉将快速升温升压，容易使汽轮机和发电机的出力达到最大限值，生产中可以采取运行调整措施避免此情况，如调节二次风量和下料量，进而降低机组出力。当燃用热值低、水分高的燃料时，除机组出力显著下降，还会引起一系列的问题。此类燃料将打破锅炉稳态，并快速消耗锅炉内的氧气，锅炉床温快速下降，燃烧工况变差，还会导致机组的环保参数异常。此时如运行人员干预调整，锅炉将在缺氧和富氧之间波动，导致氮氧化物和二氧化硫快速上升，存在环保参数超限的风险。针对此情况，除调整风量和下料量，还需要马上降低入炉燃料的水分，增加高热值、低水分且流动性好的燃料，使锅炉重新恢复稳态。
3.2 保持下料顺畅
生物质锅炉的给料系统采用螺旋式给料机，因燃料的颗粒度差别较大且燃料中含有杂质，要实现燃料顺畅进入锅炉并不容易。如果能保持燃料的颗粒度在10 cm以内，且燃料的流动性较好，实现顺畅给料不成问题。但在实际生产中，因为燃料是由颗粒度4～30 cm的不同生物质燃料混合而成，所以经常出现燃料流动性变差和给料机故障等问题，不仅给运行调整带来了困难，而且很大程度上破坏了生物质锅炉的稳态。出现此问题时，运行调整需要更换燃料，尽快处理给料机异常，调整燃烧参数。比起处理办法，更重要的是如何防范问题发生。生物质锅炉可从以下几方面防范下料不畅的问题：
（1）控制燃料的颗粒度。燃料颗粒度越大，其流动性越差，越难顺畅下料。在燃料进厂环节，通过质检控制生物质燃料的颗粒度，保证进厂燃料颗粒度在合格范围内。在上配料环节，需要合理使用破碎机和成品给料机。对于颗粒度大的燃料，必须使用破碎机进行破碎。同时，要关注破碎机的设备状况，及时修复磨损的破碎机刀轴，以免破碎效果差导致下料不畅的问题。
（2）控制燃料的杂质。生物质燃料一般在山地、田地、木材加工场等易携带杂质的场所进行收集，这决定了生物质燃料含有较多的杂质。虽然供应商会在收集燃料时清除杂质，但因为燃料需求量大，往往难以清除全部杂质。在燃料进厂环节，通过质检控制燃料杂质，防止杂质多的燃料入厂。在厂内环节，通过人工清除杂质和上配料时避开大块杂质的办法，减少入炉的杂质。此外，在上料皮带处增设除铁器，及时清除燃料内的铁块和铁钉等金属杂质，也能有效减少随燃料进入炉内的杂质。
（3）入炉燃料预混合。由于每种燃料的颗粒度不同，将粗细不同的燃料混合后，能有效改善燃料的流动性，实现下料顺畅。在燃料进入上料系统前，通过预混合不同的燃料，使某一时段的燃料品质稳定且具有适中的流动性，对保持生物质锅炉稳定运行具有显著的帮助。在实际生产中，人工使用机械混合燃料的效果较差，波动性较大;而通过机械式的拨料器能较好地混合不同品种的生物质燃料。
4 适合生物质锅炉的配烧办法
每种生物质燃料热值、水分、颗粒度和价格各不相同，对生物质发电厂运营的影响自然也不同。一般而言，树皮类燃料水分高、热值低，但其价格低廉，合理使用将为生物质电厂带来不错的经济效益。干燃料类（如建筑废料、木材加工副产品等）属于水分低、热值高的燃料，虽然其价格较高，但其易燃烧且流动性好，在处理异常工况和维持机组良好出力方面具有明显的优势。由此可见，使用单一的生物质燃料难以满足生产需要，将不同的生物质燃料混合，能实现锅炉稳定和经济效益之间良好的平衡。 基于广东省湛江市生物质燃料供应市场的实际情况，并结合长周期的试验，对于50 MW的生物质锅炉，树皮：干燃料=4：6是较好的配烧办法。其中，树皮类燃料由散树皮和碎树皮组成，干燃料由木尾、木边皮、建筑废料、木材加工副产品组成。干燃料根据市场变化和季节变更而有所不同，但只要保持干燃料的比例并和树皮类燃料混合均匀，锅炉便能较为平稳地运行。实际生产中，燃料的水分和热值还会受到天气影响。在雨季，生物质燃料在源头处就已增加了水分，更容易出现燃料整体含水偏高导致燃烧工况变差的问题。在干燥季节，所有燃料的含水量都比雨季低，生物质锅炉运行工况较好，较少发生问题。所以，树皮：干燃料=4：6不是一成不变的配烧办法，需要根据当时的燃料品质进行调整。如果燃料水分较高，则适当增加干燃料的比例;如果燃料水分較低，则适当增加树皮类燃料。这样才能在保持锅炉稳定运行的同时，创造良好的经济效益。
5 燃用某些生物质燃料的常见问题
生物质燃料特性各不相同，在生产中将产生不同的问题，对生物质锅炉造成不同影响。在曾使用的30多种生物质燃料中，以下燃料容易出现一些问题：
（1）散树皮。散树皮是散装的树皮，燃料长度30～80 cm，质地较韧，需要破碎才能使用。增加散树皮的用量将使燃料的流动性明显变差，容易造成炉前给料机堵料和卡涩的问题。解决办法：控制散树皮用量不超过燃料总量的20%，且要求散树皮的破碎效果良好，并与其他碎料混合均匀后再供应到给料系统。
（2）碎树皮。碎树皮是已经破碎至直径0.5～6 cm的树皮，这种燃料的全水分高达50%，品质较为一般。增加碎树皮的比例将使入炉燃料的水分显著提高，机组出力明显下降，燃烧工况变差。解决办法：控制碎树皮用量不超过燃料总量的20%，且碎树皮到厂后可放置一段时间再使用，以降低其含水量。使用碎树皮要与干燃料混合均匀，避免短时间内大量的碎树皮入炉，破坏锅炉运行的稳态。
（3）建筑废料。建筑废料是建筑行业用完的边角材料，热值特别高，但常含有铁钉和水泥块等杂质。一旦建筑废料用量增大至燃料总量的10%以上，排渣系统将无法有效排出所有杂质，进而导致锅炉流化不良。解决办法：提高除铁器的除铁效率，并控制建筑废料的用量。如锅炉出现流化不良的情况，可通过置换床料和加大一次风量进行扰动的办法改善锅炉工况。
（4）树头。树头是树木的根部，热值较高，但含泥量高，且常存在规格严重超标的情况。树头常导致生物质锅炉床压快速升高进而流化不良的现象，同时块状的树头会引起给料机卡涩和跳闸的问题。解决办法：控制树头用量，并对树头进行充分破碎，再供应到给料系统。
6 结语
本文立足于50 MW生物质自燃发电锅炉，分析了在燃料方面影响生物质锅炉稳定运行的因素，提出了控制燃料水分和保持下料顺畅两点关键因素，总结了树皮：干燃料=4：6这个适用于生物质锅炉的配烧办法，并指出了某些生物质燃料易引起的问题及其解决办法，可供工业生产的生物质锅炉借鉴。生物质发电作为新能源和环保能源，为国家节能减排做出了巨大贡献，生物质电厂可以通过控制燃料质量和合理配烧燃料，实现生物质锅炉稳定运行和生物质发电盈利的双赢局面。
收稿日期：2021-05-10
作者简介：麦晓峰（1988—），男，广东湛江人，电力运行工程师，研究方向：生物质发电。