秸秆焚烧发电燃料系统成套技术探讨

张志洪，包立炯

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

生物质秸秆包括玉米秸秆、小麦秆、稻草、油料作物秸秆、豆麦作物秸秆、杂粮秸秆、棉花秆等，是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，在世界能源总消费量中占14%［1］。国际能源机构的有关研究表明：农作物秸秆为低碳燃料，且硫含量、灰含量均比目前大量使用的煤炭低，是一种很好的清洁可再生能源。每两吨秸秆的热值相当于一吨标煤，而且其平均含硫量只有0．38%，远远低于煤1%的平均含硫量。

目前秸秆焚烧发电的燃料系统主要存在几个问题：一是秸秆收集与贮存；二是秸秆预处理和厂内输送；三是炉前给料方式。

本文结合中电洪泽生物质发电厂的燃料系统设计和运行经验，对解决燃料系统的一系列问题进行了探讨。

1 秸秆收集和贮存

中电洪泽生物质发电厂规模为1台75t／h振动炉排生物质锅炉，配1台15MW汽轮发电机组。锅炉每小时秸秆消耗量约18t，每天消耗超出400t，按年运行6 000h计算，年耗秸秆总量在10×104t左右。主要燃料为当地稻秆、麦秆、稻壳、杨柳树修剪枝条、棉秆等。

我国农业生产以家庭承包为主，户均种植面积小，作物秸秆分布分散；同时由于秸秆密度低、体积大，收获季节性强，秸秆收集、储存和运输成为制约其大规模利用的主要瓶颈；因此，如何建立合理、高效的秸秆收储运体系是秸秆生物质能产业发展必须解决的关键问题［2］。

根据洪泽县的地理特征和工程的具体特点，为保证电厂的燃料供应充分以及收购价格的平稳，在黄集镇、仁和镇、共和镇、老子山镇、岔河镇建立了五个收购站，并在电厂旁建立一个中心收购站，即在厂外建设五个普通收购站和一个中心收购站。

电厂负责收购站的管理工作，各秸秆收购站是收购网络中心结点，负责秸秆收购的具体事务，包括收购、打包、储存、发运，以及组织协调农村秸秆经纪人的秸秆收集，完成主要的秸秆收购工作。

中心收购站以存储季节性收购的秸秆和各普通收购站收集的秸秆为主，保证燃料的充足供应和价格的稳定。

发电厂内空间有限，要存储大量的燃料是不现实的，所以厂内秸秆库主要用于储存处理后的碎秸秆和稻壳等，可存储5天左右的燃料量，以便秸秆破碎区设备发生故障时，不影响锅炉运行。

2 秸秆的预处理和输送

中电洪泽生物质发电厂的燃料主要为稻草、麦草、稻壳以及硬枝条等，考虑到秸秆燃料的多样性，必须设计出适合多种燃料的秸秆处理和输送系统。

中电洪泽生物质发电厂的秸秆预处理和输送系统流程见图1。

图1 秸秆预处理和输送系统流程

2．1 秸秆的破碎

为了满足锅炉对燃料粒度的要求，需要对软质秸秆和硬质秸秆进行破碎。秸秆的破碎区设在中心收购站内。

不同的秸秆应采用不同的破碎方式：稻秆、麦秆等软质秸秆可采用切草机；枝条、棉秆等硬质秸秆可采用鼓式削片机。

软质秸秆捆由卡车运送到中心收购站后，由铲运机或起重机负责上料。铲运机或起重机将秸秆捆直接放到倾斜的链板输送机上。铲运机或起重机一次可输送多个秸秆包，如果直接放在切草机上，易引起秸秆包在进料皮带上搭桥，而造成秸秆输送中断，燃料供应不足。为此，可采用链板输送机作为缓冲机构。

2．1．1 鼓式削片机

枝条、棉秆等硬质秸秆可由人工散捆后用铲运机或起重机送到鼓式削片机进料皮带，进入鼓式削片机。鼓式削片机可将原木、小径木、木材采伐剩余物（枝桠、枝条等）、木材加工剩余物（板条、板皮、圆木芯、废单板等）、竹、棉杆等切削成一定规格的片料，是较为成熟的林木业机械设备，可直接运用于秸秆电厂的硬质秸秆预处理。中电洪泽生物质发电厂选用的BX218（改进型）鼓式削片机，最大进料直径为160mm，最大出料长度为30mm，能够满足秸秆锅炉对燃料粒度的要求。

经鼓式削片机切碎后的碎秸秆落到带式输送机上，送入厂内秸秆库储存或直接入炉燃烧。

2．1．2 链板输送机

链板输送机（图2）的作用有：

（1）缓冲作用。如果直接将秸秆捆放到切草机的进料皮带上，可能造成进料皮带机构的冲击损伤。

（2）均布作用。将秸秆捆放到倾斜的链板输送机上时，秸秆捆会排列不齐，甚至有些秸秆捆会叠在上层，在链板输送带倾斜上升时，叠在上层的秸秆捆会在自重的作用下翻落到下层，使得秸秆捆一层层输送到切草机的进料皮带上，然后进入切草机。

图2 链板输送机B3000

为了找到链板输送机的最佳倾斜角度，进行了现场试验，现场有两种不同的秸秆捆，一种为1 000mm×800mm×600mm，一种为600mm×450mm×380mm，在15°、30°、45°、60°的情况下进行了试验，具体的试验结果见图3。

由图3可以看出：

（1）随着角度的增加，秸秆捆堆叠的可能性减小。

（2）大捆的翻滚性要强于小捆的。

（3）在45°时，比较适合上述的两种秸秆捆。

2．1．3 切草机

软秸秆包送入切草机后被切成长约50mm的碎秸秆，由切草机的出料皮带机送到带式输送机，最终送入炉前料仓。

国外生物质电厂所用的切草机，一般都有直径比较大的圆形料口，切碎的料是从其底部出来的；其进料方式比较多，可用链板输送机输送秸秆捆，散包后直接进入圆形的料口；或用抓具将散料直接放入圆形的料口；但是其成型产品出力较小、功率较大、价格相对较高。

国产切草机以前主要用在造纸行业，其燃料的适应性比较好，可以切碎稻草、麦草，还可以切比较小的树枝条；但是还需要对国产切草机进行一些改造后才能用于秸秆电厂，如：进料口侧面安装进料辊，可以让秸秆捆更好地进入；进料口上面有压料辊，用来压实要切的秸秆；将刀辊模式改为斜面刀辊，使得秸秆包切削起来比较省力，同时也减少了对刀辊的冲击。在对改进前后的切草机进行了秸秆捆的切削试验后，得出了改造前后的出料粒度对比情况，见图4。

图4 切草机改进前后出料粒度对比

由此可以得出结论：改进后的切草机破碎粒度更小，相对比较均匀，能更好地满足锅炉对燃料的粒度要求，并且为后面的输送更能创造良好的条件。

2．2 秸秆的输送

破碎后的秸秆和稻壳的输送可采用带式输送机。水平输送时采用普通平皮带；抬升输送时，为避免物料出现物料打滑现象，可采用花纹皮带，且输送机倾角应小于16°。由于碎秸秆密度小、易飞扬的特点，带式输送机的带速不宜过大，应控制在小于1．25m／s［3］。

破碎后的秸秆通过带式输送机一部分送入厂内秸秆库储存，一部分直接送入锅炉燃烧。

3 炉前给料系统

3．1 炉前料仓

原设计一台锅炉设有2座炉前料仓，每座容积约为200m3，可供锅炉满负荷运行约2h。实际运行中，大料仓基本起不到存料的作用，反而容易引起搭桥。

为降低料仓内搭桥的风险，炉前料仓不宜过大，仅作为燃料缓冲仓，其有效容积应结合燃料系统和设备的可靠性进行设计，一般按不大于0．5h所需的燃料量设计。对于上料系统的故障，小的故障宜在0．5h内消除，大的故障只能停炉，不能靠料仓的容积解决。

料仓内壁应光滑，最好上小下大，防止秸秆粘在料仓四壁或搭桥。

3．2 螺旋给料机

秸秆的炉前给料方式，国内外有几种不同的模式，国外一般采取用秸秆不破碎，解包后直接由双辊螺旋机直接输送到炉膛内；也有采用气力输送到炉膛内；还有一种模式就是采用螺旋给料机送入炉膛内。中电洪泽生物质发电厂采用的是螺旋给料机的送料方式，料仓底部用螺旋给料机将燃料送入锅炉的给料口。

为避免碎秸秆缠绕在螺旋给料机的中心轴上，造成给料机堵塞，采用了无轴螺旋给料机（图5）。

图5 螺旋给料机和料仓拨料器

无轴螺旋给料机采用无中心轴设计，利用具有一定柔性的整体钢制螺旋推送物料，有下列特性：

（1）无中心轴，抗缠绕性强，对于输送带状、易缠绕物料有特殊的优越性。

（2）输送量大，其输送量是相同外径的有心轴螺旋输送机的1．5倍左右。

（3）由于螺旋无轴，无中间轴承，槽体与无轴螺旋之间无物料回流，输送流畅，可以低速运行，能耗低。

为了避免给料机堵塞时电流过大而烧坏电机，设计了过电流保护，当电流超过一定值后，电机反转，从而避免了电机的损坏。

3．3 料仓拨料器

当炉前料仓装满后，碎秸秆对螺旋给料机的压力相对较大，会造成螺旋给料机的阻力增大，严重阻扰螺旋给料机的运行。

针对以上问题，可在螺旋给料机上部约1m处安装若干个电动拨料器（图5），有两个作用：一是可以防止料仓内秸秆直接压在螺旋给料机上；二是可以将秸秆均匀地拨到螺旋给料机的槽中，实现均匀给料。

拨料器是在钢管外表焊接上棘刺的一种装置，在拨料器不动作的情况下，拨料器上的秸秆不会自动落入下面的螺旋输送机内。

4 结语

通过上述各节的介绍和分析，对秸秆焚烧发电燃料系统成套技术的实施可得出以下结论：

（1）硬质秸秆的破碎，可采用鼓式削片机；在对国产切草机进行局部改造后，能够用于软质秸秆的成捆破碎，其出料粒度能够满足秸秆锅炉的需要。

（2）使用链板输送机为切草机给料时，如果角度太小，会引起秸秆捆堆叠，造成切草机进口堵塞。增加链板输送机的倾斜角度到45°左右可以解决这一问题。

（3）在使用螺旋给料机给料时，有轴螺旋给料机易造成碎秸秆缠绕、堵塞，选用无轴螺旋给料机可减少秸秆在给料机内的堵塞。

（4）当炉前料仓装满后，秸秆对螺旋给料机的压力很大，造成螺旋给料机的阻力增大，严重阻扰螺旋给料机的运行。在螺旋给料机上方设置一排电动拨料器，缓解给料机压力，实现均匀给料，可以有效地解决此问题。

（5）秸秆料仓因软质秸秆易搭桥，在实际运行中基本起不到存料的作用，仅起到过渡作用；所以，对于燃用软质秸秆的秸秆电厂，炉前料仓容积不宜很大，或可以取消料仓。

［1］汝守华．生物质能产业发展综述［EB／OL］．［2009－06－23］，http：／／www．mdjkjj．gov．cn／szkj／ShowArticle．asp？Article ID＝1603．

［2］张艳丽，王飞，赵立欣，等．我国秸秆收储运系统的运营模式、存在问题及发展对策［J］．可再生能源，2009，27（1）：1－5．

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部．秸秆发电厂设计规范［M］．北京：中国计划出版社，2012．