生物质电厂原料自动化贮运系统

生物质电厂原料自动化贮运系统 张世荣 阳光凯迪新能源集团有限公司 武汉430223 摘要：应用技术经济分析的原理及方法，对秸杆包全自动去铁丝设备、卡车液压翻板卸车机等全自动贮 运设施在大型生物质电厂及生物质新能源项目中的应用进行了分析研究，对全自动化的圆形堆场、长条形堆场 与非自动化的散堆堆场进行了技术经济比较与分析。分析结果验证了生物质原料自动化贮运系统在我国大型生 物质能源项目及大型生物质电厂原料贮运系统中应用的可行性。与传统的生物质电厂原料贮运系统相比，生物 质原料自动化贮运系统技术先进、自动化程度高、工作环境好、运营成本及总投资低，是未来大型生物质电厂 及其他生物质新能源项目的必然选择。 关键词：生物质电厂；生物质原料贮运系统；自动化；圆形堆场；长条形堆场；去铁丝；卡车液压翻板卸 车机 中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：10010785(2014)08001008 Abstract：The paper presents analysis and mseareh concerning application of automatic straw bale dewiring equipment 1 and extended alTU truck dumper and other full-automatic storage facilities in the biomass power plant and biomass new-ener- sy projeets，wi technical and economic comparison among fullautomatic circular yard，bartype yard，and nonautomatic bulk yardThe analysis result verifies feasibility of application of biomass raw material automatic storage and transportation system in domestic large-scale biomass energy projeets and largescale biomass power plantsCompared to the traditional raw material handling system in biomass power plants，the automatic biomass handling system is provided with advanced teeh- nology，high-degree automation，excellent working environment，and low operation cost and total investment，which is the inevitable choice for future large-scale biomass power plant and other biomass newenergy projects Keywords：biomass power plant；biomass raw material handling system；automation；circular stockyard；bartype yard；straw bale dewiring；extended arm truck dumper 0 引言 生物质能源具有可再生、环保等优点，由于 原料来源广、碳的零排放以及循环经济体系等特 性，越来越被各国政府和企业所重视，开发生物 质能源已成为当今世界开源节流、化害为利和保 护环境的重要手段。在生物质能源的开发利用中， 生物质发电技术最为成熟，已在世界各国得到了 广泛的应用，但国内生物质电厂原料贮运系统存 在自动化程度低、劳动强度大、运行费用高、原 料易发热及散发恶臭、工作环境差等问题。随着 技术的发展，生物质电厂及其他生物质新能源项 目的装置规模越来越大，对生物质原料的需求量 也越来越大，这对生物质原料的装卸、转运、贮 存带来了很大的压力，对生物质原料贮运系统的 自动化水平要求越来越高，现有低自动化程度的 一10一 生物质原料贮运工艺已不能满足大规模原料贮运 系统的需要，开发自动化程度高的大规模生物质 原料贮运系统意义重大。 生物质电厂原料贮运系统看似与燃煤电厂原 料贮运系统相似，但生物质种类繁多，特性繁杂， 尺寸规格分布范围广，流动性很差，水分差异大， 易自燃，是难以处理的物料，对于不同种类物料， 其特性千差万别，流动性差别很大，即使同种类 的生物质原料，对于不同的规格及等级，其流动 性等特性也差别很大，处理工艺会不同，自动化 程度高的煤炭贮运工艺及设备不能适应生物质原 料贮运系统的要求。造纸制浆原料与生物质电厂 原料较接近，但浆纸原料主要为木片、苇草等单 一原料，原料特性比较均匀，而生物质电厂原料 种类繁多，特性多变，尺寸规格分布范围广泛， 对水分要求不同，其流动性也差别很大，因此， 起重运输机械 2014(8) 生物质电厂原料贮运技术与浆纸原料贮运技术也 有各自的特点，其处理工艺也不一样。 文献2对大型生物质电厂原料贮运系统的 设计注意事项进行了论述，对大型生物质电厂原 料贮运系统存在的问题进行了研究。文中指出： 美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)对2O 个典型的生物质电厂的调研表明，大多数生物质 电厂因为对生物质原料的特性没有充分的认识， 在生物质原料贮运系统的设计及运行中缺少经验， 得到了非常大的教训，在最初的几年均付出了巨 大代价，花费大量的金钱及时间去解决诸如原料 堆的发热散发恶臭、设备磨损严重、原料架桥、 堵塞、水分波动范围大等问题。NREL的调研对我 国开发生物质原料自动化贮运系统具有非常重要 的借鉴意义。 为了少走弯路，借鉴国外生物质原料贮运系 统的先进技术与经验，提高我国生物质原料贮运 系统自动化水平与装置规模，本文在文献12 所做研究的基础上，广泛调研国外全自动化浆纸 原料贮运工艺及设施，与多家核心设备知名国外 供应商进行广泛的技术沟通与交流，对秸杆包全 自动去铁丝设备、卡车液压翻板卸车机等全自动 贮运设施在大型生物质电厂及生物质新能源项目 中的应用进行了分析研究，并应用技术经济分析 的原理及方法，对全自动圆形堆场、长条形堆场 与非自动化的散堆堆场进行了技术经济比较与分 析。分析结果验证了生物质原料自动化贮运系统 在我国大型生物质能源项目及大型生物质电厂原 料贮运系统中应用的可行性。并在此基础上，提 出了适合我国大型生物质原料贮运系统特点、自 动化程度高的生物质原料贮运工艺，以解决国内 生物质电厂原料贮运系统自动化程度低、劳动强 度大、运行费用高、工作环境差等问题，满足生 物质电厂及其他生物质新能源项目的技术发展对 生物质原料贮运系统的新要求 1 现有生物质电厂原料贮运系统典型工艺 及主要问题 生物质种类很多，林业剩余物、秸杆、稻壳、 芦苇、城市固体废弃物等均可作为生物质发电厂 的原料，生物质特性繁杂，流动性差，易搭桥、 缠绕、引起堵塞，易变质散发恶臭，这些特性使 起重运输机械 2014(8) 生物质原料的运输、贮存、转运、给料等工艺与 煤等原料有很大区别，处理较困难。 目前国内生物质电厂的原料一般采用汽车运 输进厂，在工厂设置干料棚与露天堆场，采用装 载机等自动化程度较低的倒运设备进行倒运、给 料操作。 11 现有生物质电厂原料贮运系统的典型工艺 1)散装灰秸杆典型卸料、贮运工艺(见图1)； 2)打包黄秸杆典型卸料、贮运工艺(见图 2)； 3)未破碎的灰秸杆典型卸料、贮运工艺(见 图3)。 图1散装灰秸杆典型卸料、贮运工艺流程 卜恽 HH H H邈 图2打包黄秸杆典型卸料、贮运工艺流程 图3 未破碎的灰秸杆典型卸料、贮运工艺流程 12 国内现有生物质电厂原料贮运系统存在的主 要问题 1)原料贮运系统自动化程度低，劳动强 度大； 2)大型运输车辆缺乏； 3)卸车设施处理量小； 4)规模较小，堆场容量小； 5)堆场单位面积贮量小，占地面积大； 6)堆场自动化程度低，操作劳动强度大，运 行费用高，效率低； 7)堆场运行费用高，运行人员多； 一1 1 8)为节约投资， 般采用小型干料棚+露天 堆场， 露天堆场存在如F问题： 露天堆场的原料水分无法控制，对锅炉的 稳定运行将造成不利影响，需耗费大量的能量进 行汽化，如40的水分(湿基)造成的热损失约 t 生物质原料总热值的12，热值损失较大； 露天堆场的原料冈雨水等浸湿后容易冈微 乍物活动引起发酵、变质，原料贮存耗损大 、据 研究，对于小片堆而青一般每贮存1个月，其 小质损失量平均约为1 j，树皮、黄杆类等原 料损失更大，水分越大，原料损失越大； 露天堆场的高水分含量原料将加速微生物 活动，原料易发酵、变质，产生恶臭，对环境卒 气产生影响； 露天堆场的高水分含量原料将加速微生物 活动引起原料发热升温，增加了火灾风险； 露天堆场对天气的适应性差，大风易引起 生物质 扬，严寒灭气F堆场会冻住，影响正常 佳产： 露人堆场容易引起粉尘飞扬，对环境带来 利影响 、 2 自动化生物质贮运设施的应用研究 要提高生物质原料 运系统的自动化水平， 蔷要仃满足生物质原料 运系统，T 艺要求的自动 化设施，卜面对卸料、堆取料、_卜料系统门动化 程度影响较大的承要设施进行应用研究与分析。 21卸车设备 生物质电厂散装原料主要采用汽车运输进厂 卸乍系统一般采JJ侧翻式或后翻式普通自卸卡车 将原料白：接卸 卸料坑或卸料槽，这是种比较 高效的卸车方式，也是一种比较典型的卸车工艺， u1 4所示。对于非I-I卸 ，往往采用人T卸料， 卸车效牢低，一f 作强度大。随着生物质运输规模 的增大，仪靠普通自卸乍难以满足运输要求，大 非r1卸 也将成为主要的运输力量，对这些大 型非r1卸 的r1动化、高效卸车技术的研究将成 为新的课题。 1)卡车液 翻板卸车机 在同外，大型非r1卸乍在原料运输方面承担 荷重要的作川，这些大型非f1卸书车采用 液 翻板卸1|机卸车方式卸车自动化程度高，卸 一l 2一 罔4后翻自卸 1 车速度快。非自卸卡车可直接停放在 乍倾卸液 翻板【 ， 车倾卸翻板可将 倾翻75。，物料 从运输卡车尾部直接卸至卸料坑，如 5所永 国外 顷卸翻板设有限制运输 后退的挡板 操作简 快捷，适川于各种j 型，其主要jl-艺参 数如下： 图5 r：液原翻板卸印机 可卸最大车长： 可卸车宽： 可卸运输车最大容量： 卡车倾卸翻板承载最大荷载： 每bH,可卸车辆数： 22 m 25 m 1 30 Eli 60 t 810辆 2)白带卸车系统的专用自卸车 在 外，大型专用自卸运输车已得到， 泛心 川这 门卸运输车配有链板式卸乍系统等n卸 设备，卸乍时运输车无需侧翻或后翻 也无需液 翻板等卸_!系统，车内物料可通过运输乍门身 的门卸设备自动卸至卸料坑或卸料槽，如I 6 所示 随着技术的发展，生物质原料的耗 将越来 越大， 运输车及卸车设施难以满足生产及运 起重运输机械 2014(8) 输要求，多种类运输车联合运输、多工艺组合卸 车厅式将成为生物质电厂原料贮运系统的选择。 图6链板式自卸车 22原料堆场 221原料贮存周期 对于大规模连续生产企业，为保证生产的连 续性和改善原料质量，一般贮存期为36个月， 厂内贮场一般按2个月以上贮量设计，最少贮存 量l2个月。因生物质原料收集的季节性较强， 需要较大的贮存场地。为减少二次倒运成本，保 障生产原料供给，生物质电厂原料贮存周期宜在1 个月以上。对于一个130 MW的生物质电厂，原 料耗量约700 td，需贮存原料21 000 t以上，但 也有些生物质电厂为了减少厂内原料贮存及消防 压力，设置了二级料场，厂内贮场原料贮存周期 为515 d。 222原料堆场方案 目前生物质电厂一般采用自动化程度很低的 小型散堆堆场，生产效率低，运行成本高，劳动 强度大。随着技术的发展，对生物质原料堆场的 自动化水平的要求越来越高。下面对几种自动化 程度不同的堆场设施进行研究、分析与比较。 1)大型长条形堆场 大型长条形堆场是一种自动化程度很高的堆 场，堆场顶部设有带式输送机，并配有可纵向行 走堆料的卸料车，物料可由顶部沿纵向自动堆料； 底部设有可纵向行走的螺旋取料机，取料干净无 死角。堆料、取料可同时全自动运行，互不干涉。 图7为长条形堆场示意图。 大型长条形堆场每堆堆高可达25 m，料堆截 面积达500 m ，每堆配置1或2台长螺旋取料机， 取料能力1001 000 m h。 起重运输机械 2014(8) 图7长条形堆场示意图 2)圆形堆场 圆形堆场是一种全自动化的堆场，配置了集 堆料、出料功能为一体的堆存出料装置，该装置 为一可旋转抛料的塔式结构，上部堆料装置为一 悬臂式带式输送机，水平方向可旋转360。，原料 通过堆料装置均匀地抛料堆垛，最终形成一圆环 状料堆，下部出料装置为一刮板取料机或螺旋取 料机，螺旋取料机配有料耙，料耙可沿料堆径向 运动，并可俯仰调整角度，将料堆物料耙至下部 的取料机，取料机将物料送至中心料斗，料斗中 的物料再通过地下带式输送机送出料堆，可根据 原料出料量调整取料机运行速度。 该堆场能较好地满足“先进先出”的工艺要 求，在原料堆外部分层建垛的同时，先存的原料 由出料器连续均匀地取出，并且起到搅拌混合的 作用，出料原料分布的均匀度和水分稳定性较好， 对流动性相对较好的灰杆物料有很好的适应性。 该堆场也可实现分区建垛，圆形料堆形式见图8。 图8圆形堆场示意图 该圆形堆场设施的主要参数为 旋转堆料机堆料能力：3 700 m h，堆料机 倾角8。，旋转速度9 mmin 一13 取料机取料能力： 总装机功率： 100 1 000 m h 200 kW 运行功率： 135 kW 国际上木片圆形堆场主要规格及参数见表1。 表1圆形堆场主要规格及参数 料堆直径 料堆高度 堆料机伸缩 容积 m m 距离m m 58 125 0 14 000 66 145 0 22 00o 74 165 O 31 0o0 82 185 O 43 000 90 205 0 58 000 10o 23 0 80 000 110 255 O 107 000 120 28 O 140 0oO 130 28 5 178 0oO 140 28 1O 220 000 15O 28 15 266 000 16O 28 20 315 000 3)原料料堆方案比较 将两种全自动大型料堆与生物质电厂常用小 型散堆料堆进行比较，堆场容量按30 MW生物质 电厂贮存15 d原料计算，原料贮量约10 500 t，原 料堆积密度按012 tm 计算，堆场贮量不小于 87 500 m ，见表2。 综合分析：对于大规模生物质原料贮运系统， 圆形料堆与大型长条形料堆自动化程度高，占地 面积少，总投资少，运行费用低，封闭料棚投资 较低，具有比较明显的优势，特别是在干燥生物 质原料贮存方面更具有优势，可解决露天堆场原 料水分不易控制，水分含量高，热效率低，原料 易发酵、变质，降低热值，大风引起生物质飞扬 而影响环境等问题，堆场规模越大，圆形料堆占 地越少，优势越突出，对于超过10万m 的堆场， 推荐选用圆形堆场；对于中型规模生物质原料贮 运系统，长条形料堆自动化程度高，设备可国产 一14一 表2生物质原料堆方案技术经济比较 圆形料堆 长条形料堆 散堆料堆方案 项 目 方案 方案 (设2 m挡墙) 原料堆 直径高 长宽高 长宽高 尺寸m as1lO255 20o44825 100305 原料堆 l 1 8 垛个数 原料堆 1107 0oo 1O4 500 8l2 700 场容积m =101 6O0 占地面积 (含安全间 19 600 19 1OO 47 800 距等)rn2 堆取料 11 12 33 机台数 自动化 高 高 低 程度 土建投 资(地坪、 基础、地 230 5oo 760 下设施) 万元 设备投 1 800 1 500 220 资万元 料棚投 760 81O 1 680 资页元 占地投 470 458 1 147 资万元 总投资 3 260 3 268 3 807 万元 总投资 一547 539 0 差额万元 126 450 能耗费 76 (按堆取料机 (折算成4台 用万元 各1台运行 设备24 h运 计算) 行计算) 维修费 用(万元 31 90 20 年 ) 总运营 费用(万 1o7 216 470 元年 ) 注：电厂年运行小时数：7 500 h；征地平地费用：240tm。； 油价按75元升计算；装载机平均油耗：20 Lh(来自 生产统计数据)；电费按075元(kWh)计算。 起重运输机械 2014(8) 化，设备价格可大大降低，具有相对优势，推荐 选川K条形堆场；对于小型规模生物质原料贮运 系统，虽然散堆方案自动化程度低、劳动强度大、 运行费用高，但低廉的投资具有很大的竞争力， 如考虑部分原料采用露天散堆方案，可进一步节 省投资，大1此，现有的小规模生物质原料贮运系 统 般考虑散堆方案。 23打包捆扎铁丝自动去除设备 大j黄杆类生物原料的密度很轻，一般采用打 包运输进厂方式，国内打包尺寸可为400 mm左右 的 彤小包，也可为l 800 mm X 1 200 mm900 mrtl左朽的大包，单包质量400 kg以上。对于大机 组，原料耗量大，小包难以满足生产要求，一般 需打成大包。对于打包铁丝的去除，国内现有的 T艺技术主要有以下几种： 1)人工剪断去除捆绑铁丝工艺 该工艺系统 简单，投资低，很多浆纸厂采用这种工艺，但该 T艺自动化程度低，劳动强度大，效率低，对于 大型原料包，人_T去除铁丝比较困难； 2)散包机去铁丝 打包原料送进散包机，铁 丝在散包机内去除。该T艺存在铁丝易缠绕的 问题。 国内打包原料铁丝去除技术存在自动化程 度低、可靠性不高的问题，开发高自动化程度及 高可靠性的铁丝去除工艺技术及设备十分重要。 国外某公司采用铁丝去除与散包分开进行的工艺 技术，铁丝去除得干净，自动化程度高，可避免 铁丝对散包机及后续设施的干扰。 该打包原料铁丝自动去除设备由进包机构、 翻包机构、铁丝剪切机构、铁丝去除机构等构成， 如 9和图l0所示 工作原理：当原料包被送进 除铁丝机后，除铁丝辊压住原料包，在原料包底 部的铁丝被旋转的刀盘剪断，剪断的铁丝在料包 顶部被摘取并缠绕到转筒上，然后自动卸至弃铁 箱内。原料包可在除铁丝机上翻转，以去除原料 包各表面的铁丝，去除铁丝后的原料被直接送到 一F一级输送设备。 全自动去铁丝机的特点及主要工艺参数如下： 整个除铁丝过程全自动，无需人工干预；能自动 去除各种标准尺寸原料包的捆扎铁丝；原料包的 铁丝去除与原料包的散包处理分步连续进行；可 起重运输机械 20l4(8) 图9全自动打包铁丝去除机 图lO铁丝抽取卷筒(上)与铁丝切割刀盘(F) 在输送线上同向布置或90。垂直布置，如图11所 示；最大产量140包h；每f：t最大处理量2 000 t； 可处理最大包的尺寸2 400 mm；去除铁丝直径 西2535 mm：铁丝去除率I97。 3生物质电厂高自动化原料贮运系统工艺 研究 因国内现有生物质电厂原料贮运系统自动化 程度较低，与国外生物质原料贮运系统的自动化 程度有一定差距。随着技术的发展、装置规模的 扩大，对原料的需求量也越来越大，使生物质电 厂原料贮运系统自动化、大型化成为技术发展的 趋势。本文结合全自动化生物质原料贮运设备及 一1 5 3 900 嘲 l 0 ，l l 客提供 i II l 、 韵 曩 ； r00( l II P巷 顾客提供 B&岬l 合适的输送机 嘲嘲黼热 |L| (b) (a)与输送线垂直布置 (b)与输送线在同一中心线布置 图I1全自动除铁丝机典型布置方案 国际上全自动化原料贮运工艺，提出了一个自动 化程度较高的生物质原料贮运工艺，为我国大型 生物质能源项目及生物质电厂原料贮运系统的自 动化技术开发提供借鉴。散装灰秸杆自动化卸料、 贮运工艺见图I2；打包黄秸杆卸料、贮运工艺见 图I3。 非自卸汽车H液压翻板卸车机H卸料坑卜叫链板给料机 自卸汽车H卸料坑H链板蛤料机H带式输送机 生产装置卜叫带式输送机卜一 取料机H厂内堆场I一堆料机 图l2散装灰秸杆自动化卸料、贮运T艺流程 4消防问题 生物质原料是可燃固体，其火灾危险性为丙 类。GB 50016-2006建筑设计防火规范第 一16一 图13打包黄秸杆卸料、贮运工艺流程图 451条规定，木材堆场每堆最大储量为25 000 m 。 为适应生产规模的需要，在大规模生物质原 料贮运系统中，大型圆形堆场及长条形原料堆场 均明显超出建筑设计防火规范的规定，如果 严格按照建筑设计防火规范的要求，每 25 000 m 设1个堆垛，将大大增加资金投入及占 地面积。 为解决生产需求与消防安全要求间的矛盾， 在原料堆场的防火设计、审核中，可参考借鉴国 内外工程经验：国外最大木片堆场的规模已达到 315 000 m。；山东日照木浆有限责任公司堆场规模 l25 000 in 3；福建青州造纸厂堆场规模为 50 000 m 2；佳木斯造纸厂原料露天堆场规模 为160 000 m 1。上述原料堆场容积均超过建 筑设计防火规范要求。 如何切实解决原料堆场的消防安全问题，按 照公安部30号令第17条规定：“对于我国消防 技术标准尚未规定的新材料、新技术带来的消防 安全的新问题，应由省一级公安消防监督机构或 者公安部消防局会同同级建筑主管部门组织设 计、施工、科研等部门的专家论证，提出意见， 作为消防设计审核的依据”。因此，大型生物质 原料堆场的消防设计与审核参考了国际及国内已 有类似工程，并经过专家组的论证，既保证了原 料堆场的消防安全，又保证了生产工艺的需要。 5 结语 生物质原料贮运系统是生物质电厂及生物质 新能源项目非常重要的环节，生物质原料种类繁 多，特性繁杂，尺寸规格分布范围广，流动性很 差，水分差异大，易自燃，是较难处理的物料， 不同种类原料的流动性往往差别很大，即使同种 类的生物质原料，不同的规格及等级，其流动性 等特性也差别很大，处理工艺也就不同，对于大 型生物质原料自动化贮运系统，需要注意以下几 起重运输机械 2014(8) 方面： 1)为满足连续化大规模生产企业的生产需 要，生物质堆场原料贮存天数不宜小于15 d。大 型堆场提高了单位面积的原料堆存量，降低了堆 场总投资成本，缓和了堆场容量与投资的矛盾， 降低了二次倒运的成本。 2)对于超过1O万m 的堆场，推荐选用圆形 堆场；对于中型规模生物质原料贮运系统，推荐 选用长条形堆场。 3)生物质原料不宜长时间堆存，否则原料会 变质，造成很大损失，也易发热引起火灾。先进 先出是十分重要原则，大型圆形堆场能较好地满 足“先进先出”的要求，在这方面具有突出的 优势。 4)生物质原料尽量贮存干原料，这样可很大 程度地降低微生物活动引起的原料变质程度，降 低火灾风险。 5)堆场内原料尽量按不同种类原料分区堆 放，以便特性差别较大的原料分别匹配各自合适 的处理系统，降低处理难度。 6)大型防雨封闭圆形堆场使原料单位贮存量 造价有了较大幅度的降低，为大型生物质电厂及 其他生物质新能源项目采用封闭堆场提供了可 行性。 7)尽量采用防雨封闭堆场，以避免雨水对原 料的浸湿，这样不仅能降低微生物活动引起的原 料变质损失，更重要的是可提高锅炉或气化装置 的效率，可产生明显的经济效果。 8)圆形封闭堆场可防止粉尘外泄，改善工作 环境，具有很好的环保效果。 9)与传统的生物质发电厂原料贮运系统相 比，生物质原料自动化贮运系统技术先进，自动 化程度高，工作环境好，运营成本及总投资较低， 是未来大型生物质电厂及其他生物质新能源项目 的必然选择。 3毕武林，何荣，陈洪世50 MW生物质锅炉给料系统 研究及应用J中国科技博览，2013 4刘燕秋大型PK浆厂的木片露天堆场J中国造 纸，2003 5高志远，翟荣生日照木浆工程木片露天堆场消防设 计J中国造纸，2004 6张国晨孙飞刘胜男生物质原料运输成本分析与 物流网络设计J科学技术与工程，2011