汪 寧

（大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春130102）

生物質(zhì)是我國潛在能源，開發(fā)利用生物質(zhì)能源具有深遠的戰(zhàn)略意義[1]。 全面加速發(fā)展生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)能有效化解煤電產(chǎn)能過剩、加快電力轉(zhuǎn)型升級、提高生物質(zhì)能綜合利用率、緩解生物質(zhì)環(huán)境污染。 截止至2019 年第一季度，我國累計裝機達到1 878 萬kW，而《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》目標(biāo)是2020 年生物質(zhì)發(fā)電總裝機容量達到3 000 萬kW。

在現(xiàn)有機組的基礎(chǔ)上， 生物質(zhì)氣化耦合燃煤機組發(fā)電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電，易于操作，對燃煤鍋爐的影響小[2]。 某國內(nèi)大型燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)改造示范點項目創(chuàng)新采用微正壓循環(huán)流化床氣化技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)負壓循環(huán)流化床爐，壓力水平的提高和氣化爐容量的增大提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度[3-4]。循環(huán)流化床氣化爐反應(yīng)速度快， 控制風(fēng)量是保證燃氣品質(zhì)和系統(tǒng)運行安全性的基礎(chǔ)， 因此準(zhǔn)確把握運行風(fēng)量是前提。 同時掌握系統(tǒng)阻力特性，有助于及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)焦、床料減少等異常情況的發(fā)生。 因此，本文充分利用該項目工程的生物質(zhì)微正壓循環(huán)流化床氣化爐，對其冷態(tài)運行特性進行研究，包括風(fēng)量標(biāo)定、布風(fēng)板阻力特性研究和料層阻力特性研究。

1 項目系統(tǒng)介紹

該循環(huán)流化床氣化爐耦合項目耦合對象為660 MW 超臨界機組，鍋爐為一次中間再熱、前后墻對沖燃燒直流爐。 前后墻分別布置4 層和3 層燃燒器，5只燃氣燃燒器布置在后墻燃燒器上方。 氣化爐主要設(shè)計參數(shù)見表1。 燃氣熱量折合發(fā)電量為20 MW，設(shè)計燃料為玉米秸稈壓塊。

氣化系統(tǒng)包括爐前給料系統(tǒng)、氣化爐本體、兩級分離器、導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)和燃氣輸送系統(tǒng)（見圖1）。

給料系統(tǒng)利用兩臺單螺旋給料機將爐前料倉燃料送入爐本體；爐前兩臺流化風(fēng)機，一備一用，整個系統(tǒng)阻力完全由流化風(fēng)機克服；氣化爐出口布置兩級分離器，一級分離器分離返回未燃盡物，二級分離器分離過濾燃氣內(nèi)飛灰；二級分離器后布置有導(dǎo)熱油換熱系統(tǒng)，控制燃氣溫度、防止焦油析出和保證燃氣計量；最后通過布置在后墻燃燒器上方的5 只燃氣燃燒器送入燃煤鍋爐[5]，此處仍保持著微正壓水平。

表1 氣化爐主要設(shè)計參數(shù)

圖1 生物質(zhì)氣化系統(tǒng)流程示意圖

2 風(fēng)量標(biāo)定試驗

標(biāo)定試驗的目的是根據(jù)就地測量結(jié)果， 對在線測量元件測量結(jié)果進行標(biāo)定和修正， 提高在線測量值的精準(zhǔn)度[6]。 對于兩臺流化風(fēng)機的流量測量元件，通過調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機頻率， 測量不同流量下的實際流量，并與在線測量流量值進行比較，得到結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)量測量標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)標(biāo)定結(jié)果可以看出，各工況下A/B 流化風(fēng)機風(fēng)量標(biāo)定系數(shù)穩(wěn)定，A/B 流化風(fēng)機平均偏差分別為19.24%和27.85%， 可以根據(jù)試驗結(jié)果對表盤風(fēng)量進行標(biāo)定， 平均標(biāo)定結(jié)果分別為0.839 和0.782。標(biāo)定系數(shù)比較穩(wěn)定，說明風(fēng)道流量有良好的線性關(guān)系，標(biāo)定系數(shù)準(zhǔn)確可靠，通過修正可以滿足現(xiàn)場使用要求。

3 布風(fēng)板阻力特性研究

布風(fēng)板阻力特性試驗是在布風(fēng)板上部不鋪設(shè)床料的情況下進行的，測量流化風(fēng)通過布風(fēng)板形成的壓力損失，即布風(fēng)板阻力。 設(shè)計風(fēng)量為16 000 m3/h，其中包括部分返料風(fēng)約2 000 m3/h， 因此選取11 000 m3/h、12 000 m3/h、13 000 m3/h、14 000 m3/h 和15 000 m3/h 五個試驗工況點進行研究。

不同工況下布風(fēng)板阻力如圖2 所示。 可以看出，布風(fēng)板阻力與風(fēng)量之間擁有良好的線性關(guān)系， 同時根據(jù)試驗結(jié)果擬合出布風(fēng)板阻力與運行風(fēng)量的數(shù)學(xué)關(guān)系式，如式（1）所示。 實際熱態(tài)運行時，可根據(jù)壓力、溫度和流量的關(guān)系，推導(dǎo)出熱態(tài)運行時布風(fēng)板阻力，以便指導(dǎo)運行。

Q—流化風(fēng)量，m3/h

圖2 布風(fēng)板阻力與風(fēng)量關(guān)系曲線圖

4 料層阻力特性研究

該微正壓循環(huán)流化床氣化爐床料選取的是5 mm以下的河砂，為了驗證床料高度對流化狀態(tài)的影響，選擇一個合適的床料層高度。 本試驗選取了600 mm、700 mm 及800 mm 三種料層高度進行了料層阻力特性試驗的測定，即在不同料層高度下，增加流化風(fēng)量，觀察并記錄流化情況、料層壓降及流化風(fēng)速[7]。

采用爾根公式[8]和質(zhì)量守恒公式對不同料層高度下最小流化風(fēng)量進行計算， 并與試驗結(jié)果進行比較（見表3），不同料層高度阻力特性曲線見圖3。

爾根公式：

式中：ε—床料的空隙程度

u—臨界流化風(fēng)速，m/s

μ—流化介質(zhì)的動力黏度，Pa·s

h—床料層高度，m

d—床料平均粒徑，m

ρ—空氣密度，kg/m3

質(zhì)量公式：

式中：W—床料重量，N

A—爐內(nèi)流通面積，m2

ρ′—床料堆積密度，kg/m3

表3 不同料層厚度下的計算

由試驗結(jié)果可以看出， 三種料層高度情況下最小流化風(fēng)速均處于0.308 m/s 左右，與理論計算值最小流化風(fēng)速0.313 m/s 基本一致。 同時由阻力曲線可以看出微正壓循環(huán)流化床氣化爐最小流化風(fēng)速同樣基本不受料層高度影響。

圖3 不同料層高度阻力特性曲線圖

該微正壓循環(huán)流化床氣化爐設(shè)計燃料量是16.12 t/h，燃料灰分物重阻力達到1 508 Pa。 考慮到800 mm 料層高度下料層阻力高，平均阻力達到4 819 Pa，對風(fēng)機壓頭要求較高。600 mm 料層高度時阻力小，平均值阻力為3 524 Pa。 由于原料密度比較低，料層高度低時，蓄熱量不足，物料流化不充分。 因此選擇700 mm 層高作為床料高度。

5 結(jié)論

（1）該生物質(zhì)微正壓循環(huán)流化床氣化爐風(fēng)量標(biāo)定結(jié)果顯示，在線流量顯示值標(biāo)定系數(shù)穩(wěn)定，說明通過標(biāo)定可以顯示實際風(fēng)量。

（2）布風(fēng)板阻力特性試驗結(jié)果顯示，布風(fēng)板阻力與風(fēng)量具有良好的線性特性，并提出阻力擬合公式，指導(dǎo)不同工況下運行調(diào)整。

（3）料層阻力特性研究試驗結(jié)果顯示，700 mm高床料厚度能滿足系統(tǒng)運行需求， 最小流量風(fēng)量約為11 900 m/h，正常運行料層阻力為4 212 Pa，此時布風(fēng)板阻力為2 633 Pa。