130 t/h直燃生物质高温超高压循环流化床锅炉运行优化

生物质是继煤、石油、天然气之后的第四大能源物质。中国的生物质资源丰富，利用潜力巨大。中国可转换的生物质储能约4.6亿吨标准煤，目前只利用2 200万吨标准煤，具有95%的转换利用潜能。生物质能将有机废弃物作为原料，能够兼顾供应清洁能源、实现环境治理和应对气候变化等要求，实现CO2零排放目标，是实现碳达峰碳中和的重要手段之一。生物质直燃发电技术作为生物质发电技术的主要手段之一，对原料的要求较低，系统简单，投资和运行成本低，在国家生物质发电产业中占据主导地位。循环流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)燃烧技术具有燃料适应性强、负荷调节范围广、污染物（NO x ，SO 2 等）排放量低等特点，能够适应生物质燃料的复杂性和多样性，有效控制生物质燃烧生成污染物的排放，有利于大规模开发生物质资源。国内外许多研究学者针对循环流化床生物质直燃技术开展了深入的研究，相关锅炉厂积极开展了生物质CFB锅炉的研发设计工作。以东方锅炉开发设计的130 t/h直燃生物质高温超高压CFB锅炉为例，对直燃生物质CFB锅炉运行中出现的问题展开分析，从燃料、设备、运行等多方面提出解决措施。

1 锅炉概述

130 t/h高温超高压生物质CFB锅炉（DG130/13.8- Ⅴ 3）采用单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架结构，高温冷却式旋风分离设计。锅炉主要设计参数如表1所示。

锅炉的设计燃料为60%玉米秸秆+25%糠醛渣+15%模板碎料。设计燃料成分分析如表2所示。

锅炉炉膛采用全膜式壁结构，四周水冷壁采用光管，水冷蒸发屏采用膜式管屏，有效避免炉膛内高浓度灰的磨损。中温过热器、高温过热器、高温再热器被布置于炉膛上部，通过炉内高浓度物料循环产生自清灰能力，有效避免受热面玷污腐蚀。给料口被布置于前墙水冷壁下部收缩段，沿宽度方向均匀布置，炉膛压力平衡点位于给料口区域，以防烟气反窜。排渣口被布置于前墙区域，布风板参考前低后高原则倾斜布置，保证底渣和生物质燃料带入炉内的杂物可及时排出。炉膛与尾部竖井之间布置2台冷却式旋风分离器，下部各布置1台U阀回料器，保证了沿炉膛宽度方向上回料的均匀性。尾部高烟温区域采用大节距的水冷管束以快速降低，使其低于等尾部受热面入口烟温，防止尾部受热面玷污腐蚀。

2 循环流化床锅炉运行问题与解决措施

2.1 运行床温偏低

锅炉设计床温792 ℃，启动运行后床温偏低，炉内燃烧不充分，飞灰可燃物含量偏高。

2.1.1 原因分析

通过分析入炉燃料特性和锅炉运行特性发现，生物质入炉燃料与设计燃料的参数具有较大偏差，设计燃料灰分8.6%，入炉燃料灰分30%~50%。入炉燃料的灰土含量高、粒径细、难排除、可分离，随着锅炉运行在炉内不断循环累积，使炉内灰浓度不断升高，循环倍率偏离设计值，从而导致运行床温低，炉内燃烧不充分。

2.1.2 解决措施

改善入炉燃料的品质，控制入炉燃料的灰分；加装冷灰器，改造回料器，通过回料器持续放灰控制炉内灰浓度。

2.2 给料不稳定

项目的生物质给料系统采用三级螺旋给料，分别为承载螺旋、一级螺旋、二级无轴螺旋。给料系统启动运行后存在承载效果差、承载前端塌料、两侧无料现象，引发中部一级给料卡涩，外侧一级给料空转等问题。

2.2.1 原因分析

（1）生物质燃料中夹杂石头、砖块、铁丝、铁钉等大块杂质，容易导致一级螺旋给料卡涩。

（2）给料系统的设计存在缺陷。项目给料系统的落料口正对承载螺旋中部，承载螺旋间距偏大，物料容易塌入中部一级给料；承载螺旋两侧螺旋叶片缺失，导致物料横向分配不均，出现两侧空料现象；靠炉侧一级料仓设计尺寸偏小，易聚集石块、砖头、铁丝等杂质，卡涩一级螺旋。

2.2.2 解决措施

加强燃料前处理工艺，调整除铁器角度，改善入炉燃料质量。改造给料系统，落料口加装导向，确保左右侧料仓内均匀进料；承载螺旋两端加装螺旋叶片或拨齿，强化承载螺旋承载及匀料作用；炉侧一级料仓扩容，给料与密封系统在改造前后的结构改造前后示意图如图1所示。优化运行方式，加装摄像辅助控制料仓进料量，优化承载螺旋定期启停逻辑。

2.3 烟气反窜

为了提高锅炉运行可靠性，针对生物质燃料特性，设计时将锅炉压力平衡点降低至给料口区域，炉膛出口负压为-950~-700 Pa，协助给料密封系统对炉内高温烟气形成密封。实际运行的给料口区域背压为1 000~3 000 Pa，给料系统密封性较差，频繁出现烟气反窜现象，严重时可能导致二级料仓内的生物质燃料着火。

2.3.1 原因分析

（1）生物质入炉燃料的参数偏离设计燃料，灰分含量过高导致炉内炉灰浓度过高，致使给料口区域背压偏离设计，难以彻底密封。

（2） 给料系统的设计存在缺陷，导致给料不稳定，一级给料难以均匀填充，承载螺旋的承载效果差，料仓内难以堆积合理的料层高度，燃料形成物料密封，两侧给料易出现空转形成烟气通路。

（3）给料密封系统设计缺陷，密封风设计余量不足，密封效果差。

（4）运行方式不合理。启动试运初期观察进料情况，打开二级料仓上部人孔门，二级螺旋给料设计工频转动满足各负荷进料量，正常运行时无料封作用，人孔门打开易形成烟气通路。

2.3.2 解决措施

（1）强化燃料的采购管理，提高燃料品质；加强燃料前处理工艺，控制入炉燃料的灰分、杂质含量。

（2） 优化改造给料系统，保证系统均匀稳定给料，形成良好的物料密封条件。

（3）优化改造密封风系统，核算密封风量，加装密封风机，提高密封风量，并优化改造密封风的结构布置，强化密封风系统密封效果。

（4）加装冷灰器，通过回料器放灰控制炉内灰浓度，炉膛出口运行负压参照设计值 （-950~-700 Pa） 调节，以控制给料口背压为设计微负压状态。

（5）优化改造控制系统，二级料仓加装温度监测装置，优化防火门连跳和喷淋系统连跳逻辑。

（6） 运行方式优化，通过摄像辅助监控料仓物料，保证承载螺旋上方堆积物料的连续稳定，优化承载螺旋启停逻辑，与一级螺旋给料形成良好衔接，多级给料协同形成良好的物料密封条件。

3 优化改造效果分析

3.1 运行床温

项目针对试验期间出现的相关问题，采取措施进行系统改造与运行优化，机组运行稳定性得到明显改善，经济性大幅提升，锅炉在各负荷条件下均能够稳定运行，蒸汽参数满足设计要求，锅炉的运行床温和各级受热面运行烟温与设计值较吻合。额定工况下锅炉优化改造后实际运行烟温与设计值对比如图2所示。

3.2 给料与密封系统

针对给料系统卡涩问题，通过加强燃料前处理工艺改善入炉燃料品质，同时改造升级给料系统及优化运行方式。优化后的给料系统在不同负荷下均能够满足各种燃料的稳定、顺畅给料。针对烟气反窜问题，通过稳定给料建立良好的物料密封，优化改造密封系统，强化密封效果，同时通过实施给料口被压控制协助密封和运行方式优化等措施，给料密封效果的改善较明显，一级料仓监控画面清晰可见，二级料仓监测温度低于50 ℃。

3.3 锅炉效率

机组稳定运行后，项目邀请第三方对锅炉进行热工性能测试。考核工况锅炉的热损失及增益计算如表3所示。考核工况锅炉热效率 91.90%，优于性能保证效率91.20%，锅炉运行经济性优异。

4 结语

生物质燃料特性是生物质锅炉设计、运行的关键，生物质给料系统是生物质锅炉稳定运行的命脉，生物质给料密封系统是生物质锅炉安全运行的保障。为了提高生物质CFB锅炉运行的安全性、稳定性和经济性，应严格把控入炉燃料品质，从给料系统改造、密封风系统优化、控制逻辑强化、运行调整等多方面综合优化改进，以保证生物质CFB锅炉长周期安全稳定运行。