生物质发电锅炉选型

张志亚

中国电建集团江西省电力设计院有限公司 江西南昌 330096

摘要：本文从燃料适应性、设备可靠性、运行经济性、环保特性、灰渣综合利用、工程造价及收益等方面对炉排炉和循环流化床锅炉进行了对比分析，为生物质锅炉选型提供参考。

关键词：炉排炉 循环流化床锅炉

0 引言

影响生物质电厂运行性能的关键设备是锅炉，本文通过对国内多个生物质直燃发电厂、锅炉厂调研，进行技术经济对比和论证，对生物质锅炉进行选型分析。

1 生物质锅炉简介

目前，生物质直燃锅炉分为两大类型，炉排炉（水冷振动炉排锅炉、联合炉排锅炉、悬浮燃烧炉排锅炉等）和循环流化床锅炉。市场上商业运行的炉型主要有如下两种：

1.1水冷振动炉排燃烧技术

水冷振动炉排是国外纯然生物质燃料锅炉应用最多、技术最成熟的炉排，锅炉为单锅筒、膜式水冷壁、自然循环、平衡通风的锅炉。锅炉本体布置前吊后支，在炉膛底部布置了水冷振动炉排。

秸秆平铺在炉排上形成一定厚度的燃料层，进行干燥、干馏、燃烧及还原过程。空气（一次配风）从下部通过燃料层为燃烧提供氧气，燃料与二次配风在炉排上方的空间充分混合燃烧。

1.2循环流化床燃烧技术

循环流化床锅炉采用循环流化床燃烧方式和高温分离循环返料的燃烧系统，该系统由炉膛、物料分离收集器和返料器三部分组成。

循环流化床锅炉燃料适应范围宽、适应性强，同时保证低污染物排放。石灰石作为脱硫剂，被送入炉膛；炉内温维持在815℃-925℃之间，有利于热量被换热面吸收。整个燃烧、循环过程具有以下特点：

（1）燃料适用范围广——炉温基本低于所有燃料的灰分软化温度。基于这一特征，炉膛的设计不受灰分特性的影响，锅炉能适应燃料的多样性。

石灰石是一种高效的脱硫剂石灰石是一种高效的脱硫剂，运行业绩证明石灰石炉内脱硫效率达到95%以上。.

（2）低NO_X排放——815℃-925℃的低炉温，以及空气的分层分阶段送入，可以促成低NOX排放。

（3）燃烧效率高——固体燃料在炉膛的停留时间长，通过旋风分离器的收集循环回收和再燃烧，加上由于流化扰动作用使空气和燃料的充分接触，促成燃烧效率高，即使是难燃的劣质燃烧仍然适用。通常碳未完全燃烧损失能控制在1%到2%范围内。

循环流化床燃烧的特点是：物料处于非常强烈的扰动、混合状态，固体物料内外部的再循环，物料高速循环且在炉膛停留时间较长，所有这些状态会导致快速化学反应和热交换；燃烧过程的灵活性，决定了燃料可选范围较宽。

2炉型比较

水冷振动炉排炉和循环流化床锅炉对比如下。

2.1燃料的适应性

炉排炉属于层燃炉、流化床属于悬浮燃烧。在生物质直燃锅炉的起源地丹麦，炉排炉分为黄秆锅炉和灰秆锅炉，是专门针对生物质燃料研发的。其中，黄秆锅炉主要是针对100%燃烧软质秸秆，如果掺烧灰秆，只需稍微延长燃料在炉排的停留时间，没有任何性能的问题。

循环流化床是从煤粉炉演化而来的一种炉型，原始的设计模型是针对煤矸石等劣质燃料研发而来的锅炉，其燃烧方式属于流化燃烧，针对一些密度大、难以燃尽的燃料特别适合。秸秆一般都是密度轻、热值低的燃料，因为流化床的流化速度大，轻质的燃料很容易随着烟气飘走，容易造成尾部二次燃烧、积灰等一系列问题。

炉排炉对燃料尺寸的要求要比循环流化床锅炉好。炉排炉对燃料的尺寸要求比较低，而流化床因进料口的局限及流化燃烧的需要，对燃料尺寸要求比较高。

2.2设备可靠性

（1）积灰问题：由于CFB锅炉流化燃烧的方式，流化床内的流化速度高，细小的颗粒会随着流化风一齐飘至尾部，流化床烟道尾部的积灰要高于炉排炉。

（2）结焦问题：水冷振动炉排炉，炉排是水冷壁的一部分，炉排管内有水的冷却，同时炉排底部有一次风冷却，从而有效地避免炉排上结焦。炉排管内的水温只有300℃，一次风温度只有190℃，远低于灰的熔点。流化床属于无冷却固定床模式，仅靠风的冷却，结焦的可能性远高于水冷振动炉排炉。

（3）腐蚀问题：生物质锅炉燃烧腐蚀分为高温腐蚀和低温腐蚀。流化床的高温腐蚀相对较低，由于流化床采用的是传统上的管式空预器，冷端的介质是20-30度的空气，机组启停及低负荷运行时无法避开烟气的露点温度，造成流化床的低温腐蚀比炉排炉严重。

炉排炉采用水加热空预器+烟冷器的模式，空预器置于锅炉外部，基本无低温腐蚀问题。高温腐蚀和燃料有很大的关系，如果掺烧建筑模板比例过高，无论是流化床和炉排炉，一定程度上都存在高温腐蚀。针对因燃料质量问题造成锅炉腐蚀现象，通过采取熔敷技术，可以有效避免腐蚀问题。

（4）运行操作问题：水冷振动炉排炉运行操作简单，可靠性较高。循环流化床锅炉运行操作较为复杂，运行可靠性较低。

2.3运行经济性

（1）锅炉效率：水冷振动炉排炉与CFB锅炉的效率基本相同。炉排炉的锅炉效率大约为89%左右，循环流化床的锅炉效率大约为90%左右，并会随着运行时间的累积逐年降低。

（2）厂用电率及风机电耗：水冷振动炉排炉的厂用电率均在10%以下，部分新建项目的厂用电率不到 7%。循环流化床机组的厂用电率均在10%以上。炉排炉的风机电耗比循环流化床锅炉的电耗低。

（3） 运行维护费用：流化床锅炉需要对燃料进行严格地预处理，运行成本需要考虑预处理部分。运行过程中需要根据床压来添加床料，增加了运行成本。

炉排炉可以做到长时间连续稳定的运行，停炉少，检修时间短，维护费用低，循环流化床炉容易出现结焦和堵塞等问题，停炉次数较多，检修周期较长，维护费用相对偏高。

（4）设备利用小时数：水冷振动炉排炉年运行小时数大都在 7000～8000小时，而循环流化床机组年运行小时数平均在6000～7200小时。

2.4环保特性

（1）NOx 排放：循环流化床的炉膛内温度低是NOx排放低的主要因素，所以流化床NOx排放处理费用要低于炉排炉。

（2）烟气含尘浓度：从电厂的运行数据看，流化床的飞灰比例要高于炉排炉。由于CFB锅炉流化燃烧的方式，流化床内的流化速度高，细小的颗粒会随着流化风一齐飘至尾部，所以流化床的积灰要高于炉排炉。

2.5灰渣综合利用

循环流化床锅炉产生的灰渣量小于水冷振动炉排炉，因而在灰渣的处理问题上，工作量相对较小，水冷振动炉排炉的底渣相对较多，便于其他行业回收再利用。

2.6工程造价及收益

2.6.1工程造价对比

高温高压炉排炉本体比循环流化床锅炉造价高，辅机比循环流化床造价低，炉排炉一般需要设置炉外干法脱硫，增加工程投资。总体上采用炉排炉方案的工程造价比循环流化床锅炉高约2612万元。

2.6.2运营成本对比

1. 循环流床锅炉比炉排炉需要增加运行人员约10人，增加人工成本约100万。

2. 水冷振动炉排炉与循环流化床锅炉的效率基本相同。初期流化床略高，随着运行时间的累积逐年降低。

3. 循环流化床脱硫脱硝成本比炉排炉低。循环流化床采用炉内喷钙，脱硫剂采用石灰石；炉排炉采用炉外干法脱硫，脱硫剂采用价格更高的消石灰。循环流化床NOx原始排放120mg/Nm3，炉排炉原始排放为220mg/Nm3，130t/h高温高压循环流化床脱硫脱硝每小时运行成本比炉排炉低约103元。

4. 根据国内生物质发电企业整体情况看，炉排炉年运行小时数平均在 7000～8000小时左右，而循环流化床机组年运行小时数平均在6000～7200小时左右。

5. 炉排炉厂用电率比循环流化床低约1.5%左右。

经测算，水冷振动炉排炉比循环流化床增加投资2612万元，但每年可增加收益836万元，3.13年即可收回投资，经济效益很好。

3 结论

通过以上分析对比可见，水冷振动炉排炉在设备可靠性、厂用电率、年利用小时数、燃料适应能力和带负荷能力、锅炉本体的文明卫生以及后期运行维护方面，优于循环流化床。循环流化床锅炉在环保排放、工程造价方面由于炉排炉。

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