生物质气化耦合发电给料系统优化设计及应用

邱韬，徐亚南，刘俊，王琦瑞，温小萍，王发辉，陈国艳

（1.湖北华电襄阳发电有限公司，湖北 襄阳 441141；2. 河南理工大学机械与动力工程学院，河南 焦作 454003）

近年来，随着煤炭、石油等传统能源的逐渐消耗及其利用过程中带来的环境污染等问题日趋加重，生物质能源逐渐受到研究人员的高度关注。在众多生物质能源利用技术中，生物质气化耦合发电技术将秸秆等原料气化为可燃气后送至燃煤锅炉中进行耦合燃烧发电，被认为是未来的主要应用技术之一。

目前国内生物质气化所采用的炉型一般包括固定床气化炉和流化床气化炉。但是固定床气化炉由于生产能力小、焦油产量大、气化效率低并且不能进行大规模的工业化生产等缺点并未得到大规模的应用。而流化床气化炉由于气化效率高、原料适应范围广、合成气焦油含量低并可以大规模工业化应用等优点成为气化的首选方式。在生物质气化过程中，必须确保原料输送的密封性、连续性。

然而，由于秸秆原料结构疏松、水份含量高、纤维韧性高，容易出现物料堵塞，无法实现秸秆原料的稳定进料，而且在给料过程中容易出现缝隙致使密封性下降，尤其当系统处于负压运行时，会导致空气通过进料器进入燃烧装置或气化装置，影响燃烧装置或气化装置内部的整个流场，导致气化炉偏离设计方向运行，气化炉密封性不好炉内容易发生爆炸，产生安全隐患。在很大程度上限制了生物质气化方面的应用，严重时由于气化炉密封性不好容易使炉内发生爆燃，引发严重的安全事故。

本文针对生物质气化耦合发电给料系统存在的容易堵塞、启动困难、密封不严、容易回火等技术难题，设计和改进了生物质给料系统的技术工艺，并在湖北华电襄阳发电有限公司进行了成功应用。

1 问题提出

湖北华电襄阳发电有限公司生物质气化炉设计容量为8t/h生物质原料，其中50%为稻壳，50%为成型燃料（原料为农业废弃物和林业废弃物）。给料系统设计为双上料系统：一条给料系统为稻壳给料，一条给料系统为秸秆给料。本次改造的项目是秸秆给料系统。由于现有秸秆给料系统容易出现物料堵塞现象，无法实现多样性生物质原料的稳定给料。即使单一的成型给料，其均匀性和线性度偏差较大，而且料位缺乏监控，造成给料量及负荷波动大。另外，由于秸秆生物质物料流动性差,空隙率大,螺旋输送机采用传统等螺距结构且水平布置，造成螺旋输送机存在漏空气、叶片本身卡塞问题，致使给料系统运行不稳定、密封不严，而且由于原电机选型力矩较小，在运行中易卡死,难以满足生物质气化炉稳定经济运行。

鉴于秸秆给料系统存在上述的多个严重问题，同时考虑到目前襄阳及周边地区的稻壳市场价格较高、而其它生物质原料的成型压块成本也较高等突出问题，为了切实提高生物质气化耦合发电的经济性，必须对生物质气化炉秸秆给料系统进行改造。结合襄阳公司现场实际情况，拟将原有的1台生物质气化炉秸秆给料系统改造为1台多样性生物质给料系统，最大连续给料量不低于4.0t/h，能够适用秸秆、木片、玉米芯等多种不成型生物质原料，即实现多样性生物质给料。

2 技术工艺改进

2.1 给料螺距结构优化

输送机是靠旋转的螺旋叶片推移滑行进行物料输送的。传统生物质进料装置往往采用等螺旋进料机，如图1（a）所示，这种结构设计不合理，容易出现物料堵塞现象，而且物料与螺旋叶片之间的摩擦力较大，如果采用变频电机，在启动时启动力矩过小,无法完成正常启动,严重影响生物质气化炉的启动和调整,难以满足生物质气化炉安全经济运行。为了有效防止进料发生堵塞现象，本文创新性地将传统等螺旋进料机进行结构优化设计，即采用导程为递加渐进式的螺旋输送机，如图1（b）。

图1 给料螺旋的结构优化

此外，采用变频恒矩调速电机替代原有的螺旋输送电机，配套摆针轮式减速器和联轴器，可以有效解决启动力矩过小造成无法正常启动的问题；螺旋输送机支撑方式由单端轴承支撑改为两端轴承支撑。螺旋输送机加工及安装精度需确保足够的同心度，以确保螺旋输送机的运行可靠性。采用变频恒矩调速电机替代原有的螺旋输送电机，配摆针轮式减速器1台和联轴器成套，进一步保障生物质进料运行稳定性保障气化炉进料的连续性和均匀性。

2.2 进料密封优化

生物质气化炉产生燃气的物料颗粒度较大，且质地疏松，存在很大的间隙，使气化装置和进料器之间的气密性差，影响进料器的正常工作。进料器和气化装置之间密封不好会引起一系列的问题：当系统处于负压运行时，会导致空气通过进料器进入燃烧装置或气化装置，影响燃烧装置或气化装置内部的整个流场，严重时会引起爆燃、爆炸。当系统处于正压运行时，燃烧装置或气化装置的气体会通过进料器逸出，使物料难以进入气化炉，严重时有可能引燃物料，给气化炉安全生产带来极大的安全隐患。由于生物质物料流变性能低、空隙率大，螺旋输送机如果采用传统的水平布置，如图2（a），将造成螺旋输送机上部空间不能充满物料，造成漏空气，致使进料系统密封不严，影响气化炉内的氧气分布，严重的还将引发回火，甚至生物质气体爆燃事故。为了解决给料密封问题，项目组将螺旋给料机采用负倾角度布置方式替代原来的水平布置方式，即螺旋输送电机垂直位置下移、靠近气化炉侧的螺旋输送机适当上移。给料系统如果采用负倾角布置，将有效解决给料系统密封不严、容易回火等问题，进而保障给料系统的安全稳定运行。

图2 给料螺旋的不同布置方法

2.3 原料仓结构改造

生物质料仓底部一般为四角锥结构，底部出口面积较小，而且由于生物质原料纤维较多、湿度较大，容易出现搭桥起拱，料仓出现堵料现象。为了防止料仓发生堵塞，将原料仓底部进行局部切除，以增加给料口横截面面积和垂直空间，保证下料运行顺畅，生物质原料仓改造前后结构如图3所示。

图3 原料仓结构改进

此外，给料系统在长期连续给料过程中，料仓里的物料由于积压而起拱，经常会堵住料仓底部的出口。因此，采用稳定可靠的料仓破拱装置对保证料仓粉末物料的连续稳定的出料非常重要。料仓物料的破拱方法主要有激振器、敲击锤、空气泡等。但常用激振器、敲击锤，经常会造成料仓内物料进一步压实，料仓内物料起拱可能有时反而加大；空气炮则需要配置专门的压缩空气装备。综合考虑，本文给料系统采用机械式扰动破拱装置，即在料仓斜面、电动闸板阀上、下三个位置分别安装扰动装置（共三个扰动装置），并在料仓的锥形板上加装振动器，防止出现原料内部搭桥现象。它由带减速器的电动机及其支架、带支座的轴承、联轴器、驱动轴及交叉或垂直固定在驱动轴上的搅动杆组成，搅动杆上焊有拨料板，驱动轴水平设置在料仓锥体横截面长轴方向的对称中心线上，其一端由联轴器与电动机减速器的输出端同轴线联接。

3 改进效果及应用情况

3.1 改进效果

将传统等螺旋进料机进行了结构优化，即采用导程为递加渐进式的螺旋输送机替代原有的等螺距螺旋输送机，并采用变频恒矩调速电机替代原有的螺旋输送电机，有效解决了进料系统堵塞问题，同时避免了启动力矩过小造成无法正常启动的问题，保障气化炉进料的连续性和均匀性。

螺旋进料机采用负倾角度布置方式替代原来的水平布置方式，即螺旋输送电机垂直位置下移、靠近气化炉侧的螺旋输送机适当上移；进料系统后续改造如果采用负倾角布置，有效解决了进料系统密封不严、容易回火等问题。

3.2 应用情况

改进后的生物质气化耦合发电给料系统物料在湖北华电襄阳发电有限公司进行了应用。应用结果表明，改进后的生物质气化发电系统，解决了生物质原料单一问题，秸秆原料无需压块，每吨原料可节省进料成本280元及压块电费、人工费40元，每年节约生物质原料成本约640万元，每年消纳秸秆约2万吨，有效解决了秸秆禁烧问题，保护了资源环境，取得了显著社会效益和经济效益。

4 结语

（1）从优化生物质给料螺距、负倾角螺旋布置、原料仓结构优化等方面，对生物质气化耦合发电给料系统进行了技术工艺改进，解决了生物质给料系统存在的容易堵塞、启动困难、密封不严、容易回火等技术难题。

（2）改造后生物质给料系统能够适用秸秆、木片、玉米芯等多样性生物质原料，而且生物质原料不需要成型压块，只需进行初级切割处理，解决了生物质原料单一问题，节省了生物质进料成本、压块电费及人工费用，社会和经济效益显著。