浅谈20 t/h 生物质循环流化床气化锅炉系统的设计

黄三 顾珊，2 刘茂省 何春晓 孙振龙

（1 浙江百能科技有限公司 浙江杭州 311121 2 浙江水利水电学院 浙江杭州 310018）

生物质能是可再生的环境友好型能源，生物质资源的合理化利用对于缓解日益严重的化石能源消耗和环境污染具有非常重要的意义。国内对于生物质能的利用技术研究起步较晚，经过30 多年的发展，生物质技术的工业应用主要集中在生物质直燃发电、小型气化发电等方面，但普遍存在规模偏小、效率偏低、投资费用高、处理技术落后等各种问题，与发达国家相比仍存在一定的差距［1］。因此研究开发资源利用率高、经济及技术上可行的生物质能利用技术对我国生物质资源的高效利用具有特殊意义。本文介绍了1 种由生物质循环流化床气化炉和燃气蒸汽锅炉搭建的20 t/h 生物质循环流化床气化燃气蒸汽锅炉系统，系统产出饱和蒸汽和可利用生物质灰，是生物质利用在非发电领域的新探索，对我国生物质利用技术的发展具有非常重要的意义。

1 生物质气化炉炉型比较

生物质气化炉通常可分为固定床和流化床2 种类型［2-7］。

1.1 固定床气化炉

固定床气化是1 种传统的气化方式，其气化温度在1 000 ℃左右。根据炉内气化剂的流动方向，可将固定床气化炉分为4类：上吸式、下吸式、横吸式和开心式，前2 种形式的固定床气化炉最为常用。

固定床气化炉中物料床层相对静止，炉内反应速度较慢，原料适应性广，燃气中灰分含量也低。固定床气化炉气化规模较小，因此结构较为简单、投资规模小，且经过多年的发展，运行较为可靠、操作比较容易。但固定床气化炉气化规模受限，产气量比较小，燃气的热值低，难以大型化，多用于小型气化站、小型热电联产或户用供气，且运行不稳定，碳转化率低，焦油含量较大，难处理。

1.2 流化床气化炉

流化床气化是1 种先进的气化方式，其气化温度一般在700 ℃～800 ℃。流化床炉体底部设有流化风室，与气化室由布风板分隔开来，颗粒状的物料从布风板上方送入炉内，与床料（惰性材料，如海沙和橄榄石等）混合，气化剂以较大压力从炉体底部流化风室通入，物料和床料在气化剂的作用下，翻涌、沸腾或呈鼓泡状态，同时物料和气化剂充分接触，发生气化反应。

流化床气化炉原料粒度较小，热值低、着火困难、水分含量大的生物质物料也可气化。流化床气化炉气化能力大、转化效率高、温度稳定均匀、适于连续运行，大型的工业供气系统多数采用流化床气化。按照气固流动特性不同，流化床气化炉分为鼓泡床、循环流化床、双流化床和携带床。

经过多年的研究与发展，不同型式的生物质气化炉仍存在一定的问题尚待解决，因此可以根据生物质原料特性、生产规模等合理选择气化炉型式。例如：下吸式固定床气化炉内原料虽易架桥和结渣，但结构简单、投资少，为小规模利用首选炉型；鼓泡床气化炉中燃气的焦油、灰含量偏高，且灰中含碳量较高，但生产强度是固定床的4 倍，中等规模利用条件下最合适；循环流化床存在腐蚀和磨损问题，但单位容积的生产能力最大，生产强度是固定床的8～10 倍、鼓泡床的2 倍，在大规模利用条件下最为可靠。

2 20 t/h 生物质循环流化床气化燃气蒸汽锅炉系统

20 t/h 生物质循环流化床气化燃气蒸汽锅炉系统选择循环流化床作为气化设备，主要由循环流化床气化炉和燃气蒸汽锅炉及其尾部受热面两大系统构成。

2.1 主要参数及性能指标

生物质消耗量：5 t/h，额定蒸发量：20 t/h，额定蒸汽压力：1.57 MPa，额定蒸汽温度：201 ℃，给水温度：105 ℃。

2.2 燃料及床料

该系统气化炉的燃料采用该厂稻米加工废弃物-稻壳，气化炉床料采用石英砂，燃气蒸汽锅炉燃料采用气化炉所产生物质可燃气。

2.3 锅炉系统总体及工艺流程

（1）系统总体布置。稻壳原料经气化炉发生气化反应产生生物质可燃气，经燃气蒸汽锅炉系统生产1.57 MPa 饱和蒸汽，气化产生的高温稻壳灰冷却后回收利用。气化炉和燃气蒸汽锅炉均为膜式水冷壁结构，二者共用一个汽包，炉膛均采用悬吊结构。旋风分离器、汽包、尾部受热面等采用支撑结构。

气化炉与燃气蒸汽锅炉、对流竖井之间，布置有2 台绝热旋风分离器。一级旋风分离器下部布置返料器，使物料流化返回气化炉炉膛。二级旋风分离器下部布置高温灰回收系统，上部引出的高温燃气，经高温烟道送入燃气蒸汽锅炉燃烧。

燃气蒸汽锅炉为立式两回程锅炉，呈“U”型布置。第一回程布置有炉膛、蒸发受热面、高温省煤器和过热器，炉膛采用膜式水冷壁，悬吊在对流受热面上方。第二回程烟道布置有两级低温省煤器和高温、低温空气预热器。

（2）汽水系统。锅炉系统为单母管供水方式，给水从省煤器进口集箱引入，向上经低温省煤器管组、省煤器中间集箱后引出，向下经过高温省煤器管组，进入省煤器出口集箱，通过连接管并分配至支管进入汽包。在汽包和低温省煤器进口集箱之间设置了省煤器再循环管路，以防止省煤器内的水汽化，确保启动阶段省煤器的安全。再循环管路流量按5%B-MCR设计。

锅炉系统的汽水循环系统，从汽包底部引出大直径集中下降管，通过分配管分别与气化炉膛水冷壁下集箱、燃气蒸汽锅炉水冷壁下集箱、燃气蒸汽锅炉蒸发器进口集箱连接，组成循环回路。锅水流经炉膛水冷壁、蒸发受热面吸热后形成的汽水混合物汇于上集箱，然后通过汽水引出管进入汽包进行汽水分离，被分离出来的饱和蒸汽送至业主蒸汽管网和过热器系统。20 t/h 的饱和蒸汽输送至业主蒸汽管网，1 t/h 的饱和蒸汽经过过热器产生过热蒸汽，用于气化炉的返料和床温控制。

（3）烟风系统。锅炉系统采用平衡通风。气化炉内物料的循环由送风机（1# 鼓风机）、返料风或蒸汽和引风机来维持，炉膛出口压力在（-100±50）Pa 左右。气化炉的流化风由1# 鼓风机提供，从1# 鼓风机出来的空气经高温空气预热器加热后由流化风室进入炉膛；返料器冷态启动的返料风由返料风机或过热蒸汽管道提供，气化炉冷态启动时，返料器采用空气鼓风，由单独的返料风机提供；进入工作状态后，切换至蒸汽返料。

燃气蒸汽锅炉的正常运行是由送风机（2# 鼓风机）和引风机来维持的。从2# 鼓风机出来的空气经低温空气预热器加热后进入燃气蒸汽锅炉燃烧器，与气化炉燃气燃烧后的烟气依次流经燃气蒸汽锅炉炉膛、尾部对流受热面、脱硫塔、布袋除尘器，由引风机送入烟囱。引风机后的烟气抽取部分引至燃气蒸汽锅炉送风机入口，用于降低系统NOx 排放浓度；部分引至气化炉送风机入口，用于降低气化炉入炉氧量。

2.4 关键设计

（1）气化炉。气化炉采用方形炉膛，炉膛由膜式水冷壁组成，水冷壁外衬浇注料。稀相区沿炉膛高度布置2 个稻壳给料口、1 个床料给料口。炉膛底部设有长方形流化风室，流化风经风室、布风板风帽进入炉膛，启动采用床下轻柴油点火方式。在布风板中心位置设置排渣管，当气化炉床压过高、流化状态不稳定时立即排渣。

气化炉设计2 个绝热高温旋风分离器，第一级旋风分离器用于物料循环，分离循环床料采用流化床返料器回送炉膛；第二级旋风分离器用于高温生物质飞灰分离，高温灰经过冷却后回收。

（2）燃气蒸汽锅炉。燃气蒸汽锅炉为单锅筒、自然循环、低压、立式两回程锅炉。炉膛顶部布置低氮燃烧器，燃烧器设有一次风、二次风和SOFA 风，一次风箱环燃烧器外部，二次风和SOFA 风从炉膛上部不同位置喷入。

炉膛采用膜式水冷壁，吊杆将水冷壁悬挂于钢架上框架上。同时设置刚性梁和止晃装置，保证炉膛露天布置的稳定性。水冷壁上的最低点设置放水排污阀。

（3）气化炉防磨措施。设计时控制炉膛上升烟气速度约为3 m/s。较大的床面积可有效降低床内大颗粒的初始抛起速度，减少磨损。炉膛膜式壁上焊有销钉并捣打高强度耐磨耐火可塑料。在给料口、人孔、二次风口及热工测点等让管处采用补焊鳍片保证其平面度和密封性。风帽采用耐磨耐高温合金，数量适中，由于风帽小孔直径较小，单孔气流动量较小，对相邻风帽磨损较轻。炉膛出口周围一定范围内焊有防磨销钉并捣打高强度耐磨耐火可塑料。

（4）旋风分离器、返料器防结焦、防堵、防磨、密封等措施。点火前应做好冷态流化试验，保证炉内空气动力场流化正常，可避免燃烧室、旋风分离器、返料器的超温结焦。启炉前还应确保返料系统运行正常，防止因返料故障而造成结焦。启炉时还应密切观察返料器温度、压力的变化，防止低温时的返料器堵灰现象发生；若返料器温度变化不大，则应适时对返料器进行吹扫流化，吹扫时应注意防止返料器内的物料突然大量返回炉膛影响燃烧。严格执行运行规程，确保返料蒸汽管道系统安全运行，同时设计合理的返料蒸汽给入方式、位置和蒸汽量，以防返料器局部结渣。保证运行中的料位自平衡能力，防止压力脉动时炉烟反窜，保证传送物料稳定。

保证合格的炉内浇注料及耐火耐磨材料质量及施工质量，防止因浇注料等材料塌落而引起结焦。旋风分离器、返料阀、立管等部位内壁采用耐磨浇注料、轻质保温浇注料、轻质保温砖三层组成。最内层的耐磨浇注料主要用于防磨，利用抓钉进行固定。轻质保温浇注料和轻质保温砖主要用于隔热和减轻耐火材料重量。中间层采用轻质保温浇注料起密封作用。

（5）燃气蒸汽锅炉及尾部受热面防积灰、结焦措施。燃气蒸汽锅炉炉膛需设置压缩空气吹灰装置，在对流管束、省煤器、空预器等部位需设置乙炔弱爆吹灰装置。即使经过旋风分离器的气固分离，气化燃气中仍然携带一定量的稻壳灰，而稻壳的熔点较低，因此锅炉系统运行过程中应将气化燃气的燃烧温度控制在900 ℃左右，尽可能避免因稻壳灰熔融导致的炉膛结焦现象。炉膛下方的受热面需顺列布置，受热面管间距在合理的范围内尽量加大，防止上方焦块掉落造成该受热面积灰。

（6）防爆及安全措施。气化炉和燃气炉均为负压运行，保证燃气不外泄，防止燃气向车间泄露导致爆炸。在气化炉炉顶、分离器和燃气燃烧炉膛均设置防爆门，保证设备安全。生物质给料管上部设置自动紧急关闭阀，一旦发生煤气反烧事故，自动紧急关闭给料管。

为了保证系统运行安全，在各可能泄漏点上方安装煤气泄漏探测报警装置，并与锅炉仪控室的DCS 监控系统连锁。出现报警器超限报警时，DCS 系统声音报警，并启动锅炉房轴通风，运行人员可根据各报警器显示的数值在短时间内查找泄漏点。如果泄漏浓度超过国家标准，则要紧急停炉，停止给料，保持风机运行，气化炉进入燃烧状态。

3 试运行情况

经过几个月的调试，上述20 t/h 生物质循环流化床气化燃气蒸汽锅炉系统已成功通过72 h 连续试运行，系统主要试运结果如表1 所示。根据锅炉系统实际运行结果，锅炉系统的各项参数已经基本达到设计要求。

表1 系统主要试运指标

4 结论

本文选取循环流化床气化炉和燃气蒸汽锅炉搭建20 t/h生物质循环流化床气化燃气蒸汽锅炉系统，阐述了该系统关键设备的结构特点、关键设计准则。系统运行稳定，各项参数已基本达到设计要求。该锅炉系统是我国首台生物质循环流化床气化炉在生物质发电以外领域的大规模工业化应用。该锅炉系统的稳定运行证明了生物质循环流化床气化炉大规模工业化应用的可行性，推动了生物质循环流化床气化技术的发展及应用，对国内同类气化炉的设计、调试及运行等具有一定的参考价值和指导作用。