降低燃用福建无烟煤CFB锅炉飞灰可燃物含量的措施

文章编号:100428774(2009)042302

06

作者简介:吴剑恒

(1975-),工程师,

河南省西华县人,

1997年毕业于中国

矿业大学机电学院,

获工学学士学位,福建省电力安全监管技术委员会专家,现任福建省石狮热电有限责任公司生产技术部主任,长期从事电厂生产运行和技术管理工作。

降低燃用福建无烟煤CFB 锅炉飞灰

可燃物含量的措施

收稿日期:2009205208

基金项目:福建省科技计划重点资助项目(2006H0088),福建省自然科学基金资助项目(E0740012)。

吴剑恒

(福建省石狮热电有限责任公司,石狮362700)

M easures for Reduc i n g the Co mbusti ble Flyi n g Ash i n C i rcul ati n g Flui di zed Bed Boiler Burn i n g Fuji a n Anthracite

WU J ian 2heng

(Fujian Shishi Heat &Power Cogenerati on Co .L td,Shishi 362700,China )

摘　要:煤质特性、燃料颗粒、总体设计和运行工况是影响福建无烟煤在CF B 锅炉中燃尽的主要因素。结合2台燃用福建无烟煤的××75/3.82—11型CF B 锅炉的运行情况,采用窄筛分偏粗颗粒入炉煤、提高分离器的分离效率、改造回料风系统、增强二次风的扰动穿透能力、维持较高的燃烧温度、保持适当的过量空气系数和料层厚度、提高二次风率等措施,促进福建无烟煤在CF B 锅炉中的燃尽,2台锅炉平均飞灰可燃物含量从2003年的22.17%降低到2009年第一季度的15.03%。

关键词:CF B 锅炉;福建无烟煤;飞灰可燃物;运行调整;燃烧效率中图分类号:TK227 文献标识码:B

0　前言

福建省已探明的煤炭储量达14.7亿t,其中

98.3%为无烟煤。然而,由于福建无烟煤[1]

属典型难燃煤种,具有挥发分极低、碳化程度高、煤质脆易爆裂、热稳定性差、着火和燃尽均十分困难等特点,并且灰熔点低、易结焦,链条炉和沸腾炉的燃烧效率普遍不高,煤粉炉还需掺油助燃和稳燃,这使福建无

烟煤作为动力用煤时有相当多难度。CF B 锅炉[2]

以其流化燃烧、物料循环的特点,燃料在炉内通过物料循环系统循环反复燃烧,使燃料颗粒在炉内滞留时间大大增加直至燃尽,燃烧效率显著提高,成为燃烧福建无烟煤的首选炉型,在福建省得到较广泛的应用。目前,福建省已有100多台CF B 锅炉在运行或建设中,总容量超过10000蒸吨,其中最大容量

为440t/h 。从已经投运的CF B 锅炉的运行实践[3]

来看,循环流化床燃烧技术对燃烧福建无烟煤来说

是比较适用的。

但是,燃烧福建无烟煤CF B 锅炉在实际运行中普遍存在飞灰可燃物含量偏高、燃烧效率偏低等问题。据了解,当前福建省实际运行的采用高温水冷旋风分离的大容量CF B 锅炉(Q ≥220t/h )的平均飞灰可燃物含量在10%～15%,运行好的中等容量CF B 锅炉(220t/h >Q ≥75t/h )的飞灰可燃物含量在15%～20%,运行一般的在25%左右,运行差的和小容量的CF B 锅炉飞灰可燃物含量在30%以上,

即使采用飞灰再循环燃烧技术后仍为18%左右[4]

,绝大部分CF B 锅炉的机械不完全燃烧损失q 4高于设计值,导致锅炉运行效率偏低,影响电厂的经济性。

造成燃用福建无烟煤CF B 锅炉飞灰可燃物含

量高的原因很复杂[4]

,既与煤质特性和燃料颗粒有关,也与CF B 锅炉的总体设计参数(如炉膛高度、流化速度、分离器形式和分离效率、物料循环倍率)有关,还与运行工况调整和操作人员技能水平等有关。如何降低飞灰可燃物含量,这是锅炉设计部门、使用单位和科研机构共同关注并深入研究的一大课题。本文结合2台燃用福建无烟煤的××75/3.82—11

型CF B锅炉的运行情况,分析燃用福建无烟煤时飞灰可燃物含量高的原因,介绍所采用的降低飞灰可燃物含量的设备改造措施和运行工况调整措施及其效果。

1　××75/3.82—11型CFB锅炉的运行情况及存在问题

1.1　××75/3.82—11型CF B锅炉简介

××75/3.82—11型锅炉是为燃用福建龙岩无烟煤而设计的中温中压CF B锅炉,额定蒸发量75t/h,过热蒸汽压力3.82MPa、过热蒸汽温度450℃,设计热效率85%。该炉充分考虑福建无烟煤的特性,采用“高炉膛、低烟速、高炉膛燃烧温度、中温旋风绝热分离、中物料循环倍率”的设计方案。该炉针对福建无烟煤的特性提高了炉膛高度,即布风板至烟气出口转向室中心垂直高度为25.9m;布风板截面为2501mm×5905mm,布风板处设计风速318 m/s;炉膛横截面为4645mm×5905mm,炉膛设计烟速4.0m/s,实际运行烟速为3.8～4.0m/s;在炉膛标高+4700mm～+18500mm之间敷设70mm 厚的卫燃带,使燃料在密、稀相区处于近似绝热状态下燃烧,保证了炉膛内有分布均匀的950～1000℃燃烧温度。其燃烧空气包括有一次风、二次风和播煤风,其中一次风由炉膛燃烧室底部进入,发挥流化作用;二次风分为上下两层(标高10800mm、7140 mm)从前后墙高速射入炉膛,提高空气与煤粒的接触机率,强化稀相区细煤粒及可燃气体的燃烧;具有高速气流的播煤风作为给煤动力将松散燃煤送入炉膛,使煤均匀播散,有利于燃料的迅速加热和着火。

1.2　××75/3.82—11型CF B锅炉运行情况

2台××75/3.82—11型CF B锅炉以其多年的运行实践证明CF B锅炉能够高效燃用福建无烟煤,主要表现在以下几个方面。

(1)燃料适应性广,对低位发热量13.58～27.46 MJ/kg、含碳量35.8%～86.14%范围内的煤均能稳定燃烧并保持正常负荷。

(2)负荷调节性能好,最大出力超过90t/h,并能够安全、稳定、连续运行;最低出力小于40t/h,无需油助燃。

(3)燃烧效率高,2008年度锅炉平均热效率达到85.35%,比燃用福建无烟煤的同容量煤粉炉高出3%～5%以上。

(4)安全稳定运行性能好,年运行时间均在7800 h以上,连续运行时间超过4000h(无压火),创造了燃用纯福建无烟煤CF B锅炉连续、安全运行的最好成绩。

(5)大气污染物排放浓度较低,经市环保局数次实测,S O

2

排放浓度小于200mg/标准m3(标态,干

基,6%O

2

),NO

x

排放浓度均小于150mg/标准m3,粉尘排放浓度均小于30mg/标准m3,低于国家排放标准。

1.3　××75/3.82—11型CF B锅炉存在问题

但是,××75/3.82—11型CF B锅炉也存在一些问题,主要表现为煤粒的燃尽度不高、分离器的分离效率较低等。电除尘飞灰中粒径d≥98μm粒子重量百分比达到57.99%(见表1),而这部分粒子的一次燃尽度不高,且没有参与循环燃烧,使电除尘飞灰可燃物含量在22.5%左右,机械不完全燃烧损

失q

4

高达7.5%～8.5%,高于6.27%的设计值。这也是福建省CF B锅炉普遍存在的问题。对于分离器捕捉不到的煤粒的一次燃尽度、燃尽时间及其与沿炉膛高度温度分布的关系,目前仍缺乏能够遵循的较详细的定量描述。这是今后锅炉设计时应着重考虑的问题。若较大粒径(d≥50μm)的煤粒燃尽度提高了,锅炉热效率有望提高3～5个百分点,达到88%～91%。

2侢飞灰可燃物含量高的原因分析及其对策造成燃用福建无烟煤的CF B锅炉飞灰可燃物含量高的原因是多方面的。其中,致密的颗粒内部结构、迟缓的反应性和强烈的热破碎性等煤质特性和燃烧特性是导致福建无烟煤颗粒在CF B锅炉中难于被燃尽的内因[4],是无法改变的因素。在实际运行中,我们通过认真分析飞灰可燃物的形成机理与影响因素,从改善燃料颗粒、改进部件设计和优化运行工况等方面着手,采取了一系列有利于福建无烟煤在CF B锅炉中燃尽的技术改造和运行工况调整措施,取得了明显的效果,2台锅炉平均飞灰可燃物含量从2003年的22.17%降低到2009年第一季度的15.03%。

2.1　改善燃料配比,采用窄筛分偏粗颗粒入炉煤

燃料的粒径对锅炉的正常燃烧及其经济性运行极其重要,每种燃煤锅炉对所用燃料的粒径及其筛分特性都有明确的要求,CF B锅炉也不例外。研究[5]证明,在一定的温度下,碳颗粒的燃尽时间随粒径的增大而延长。对单位质量燃料而言,粒径减小,粒子数增加,碳粒的总表面积增加,碳粒的燃烧速度增加,燃尽时间缩短。运行实践也表明,入炉煤

颗粒过大,一方面料层流化不好,一次风量偏大,以扬析形式离开床层的细颗粒增多,尤其旋风分离器无法分离下的细颗粒没有充分燃尽,并使燃烧强度下降,影响碳颗粒的燃尽;另一方面,碳粒总表面积减少,煤粒的扩散阻力大,导致反应面积小,延长了颗粒燃尽时间,颗粒中心的碳粒无法燃尽而出现黑芯,降低了燃烧效率;同时造成循环灰量不足,稀相区燃烧不充分,出力下降;另外,大块沉积造成流化不畅,增大局部结焦的可能性,排渣困难。入炉煤颗粒过小,料层膨胀高,易燃烧,但是易造成烟气夹带,不能被分离器捕捉分离而逃逸出去的细颗粒多,煤粉在炉内停留时间过短,飞灰可燃物含量高,并且造成炉膛密、稀相区的燃烧份额较难控制,易出现床温及炉膛温度的波动,影响燃烧的稳定性。

由于福建无烟煤细粉含量所占比例过大(粒径小于0.9mm粒子重量百分比为44.68%),加上煤粒在挥发分析出阶段热爆和燃烧过程磨损又产生大量细粉。为降低飞灰可燃物含量,应尽可能提高煤粒的一次燃尽率,尤其提高分离器不能捕捉下来的细小煤粒的燃尽度,在采购燃料时要尽量配备一些块煤,做到粗细搭配;采用窄筛分偏粗颗粒入炉煤,在制备燃料过程中优化筛分破碎系统,确保煤的粒度分布符合设计要求,即使达不到设计要求,也应保证小于10mm通过率达到99%以上,小于1 mm的通过率也不宜超过50%。同时,调整播煤风量,利用播煤风量控制燃煤在炉内撒播的均匀度,避免部分给煤口附近煤量过于集中而形成缺氧区,保证炉内温度场的均匀。这些措施对降低飞灰可燃物含量、提高燃烧效率至关重要。

2.2　降低飞灰可燃物含量所采取的技术改造措施2.2.1　提高分离器的分离效率

由于炉膛温度较低,CF B锅炉焦碳的燃烧速率比煤粉炉低,细颗粒焦碳所需燃尽时间长,从密相区扬析出来的细焦碳颗粒是飞灰未燃碳的主要来源[5],因此提高分离器性能是减少飞灰可燃物含量的关键。分离器是CF B锅炉的关键部件之一,分离器性能直接影响整个CF B锅炉的总体设计、系统布置及锅炉运行性能。分离器分离效率高,切割粒径小,保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应,才有可能达到理想的燃烧效率和脱硫效率,飞灰可燃物含量低;相反,分离器分离效率低,切割粒径大,飞灰可燃物含量高。从理论[2]上讲,小直径旋风分离器对100μm左右的粒子应有非常高的分离效率。但从表1看出,电除尘飞灰中d>98μm的粒子所占比例达到57.99%;从表2看出,回料灰中d ≤125μm的粒子所占比例仅为24.63%。分离器对98μm≤d<125μm粒子的分离效率较低,减少了这部分颗粒在炉内的停留时间,不仅造成飞灰可燃物含量偏高,降低了锅炉运行效率,而且提高了分离器后的飞灰浓度,加剧了分离器中心筒和转向室以及省煤器的磨损。

表1　改造前后电除尘飞灰筛分特性

粒径范围/mm

改造前改造后

重量百分率/%飞灰可燃物含量/%重量百分率/%飞灰可燃物含量/%

>0.12521.628.071.816.46 0.125～0.09836.3716.5331.4713.66 0.098～0.05338.3618.8352.8515.77

<0.0533.6534.5413.8730.06

表2　改造前后回料灰筛分特性

粒径范围/mm

改造前改造后

重量百分率/%飞灰可燃物含量/%重量百分率/%飞灰可燃物含量/%

>0.451.5415.60.737.95 0.45～0.3028.464.0119.562.75 0.30～0.12545.373.0536.484.24 0.125～0.08813.226.0631.445.78

<0.08811.4112.0811.7912.59

公司在充分调研的基础上,采用“龟甲网+纯刚玉耐磨耐火可塑料”对旋风分离器进行技术改造[6]:打掉分离器入口处、筒体内壁敷设的耐磨可塑料表面层,露出销钉,在销钉上焊接规格为20mm

×2mm 的龟甲网,再敷设一层厚度为25mm 的纯刚玉耐磨耐火可塑料;对中心筒磨位进行修补,然后在其内壁焊接龟甲网,再敷设25mm 厚的纯刚玉耐磨耐火可塑料(中心筒金属部分仅起支架作用)。通过比较表1与表2可知,电除尘飞灰中d >98μm 的粒子含量由57.99%降低到33.28%,降低了24171个百分点;回料灰中d <125μm 的粒子含量由24.63%增加到43.23%,增加了18.6个百分点。这表明,旋风分离器的分离效率有所提高,降低了分离器后的飞灰浓度和颗粒度,不仅降低了飞灰可燃物含量,还减小了分离器的磨损率。2.2.2　在确保回料畅通方面采取的措施

CF B 锅炉的最基本特点之一是大量固体颗粒在燃烧室、分离机构和回送装置所组成的固体颗粒循环回路中循环。固体颗粒循环量决定着床内固体颗粒浓度,固体颗粒浓度对CF B 锅炉的燃烧、传热和脱硫起很大的作用,所以保证循环物料的稳定流动是CF B 锅炉正常运行的基础。

2台××75/3.82—11型CF B 锅炉采用的“U ”型返料器(通常称为“J ”阀),由一个带溢流管的鼓泡流化床和分离器立管组成,返送物料的动能来源于回料器上升段和下降段的料位差。回料器由2台高压J 阀风机提供流化风,正常1台运行,1台备用。J 阀风分别通过36个Г形风帽(松动风)和四层冲气口(返料风)进入两侧J 阀回料器,对固体物料进行流化,确保建立良好的物料循环。从理论上,具有自动调节料位的功能,立管中固体颗粒的粒位高度会自动调节,从而使其压力与通过流动密封阀的压降及驱动固体颗粒流过阀所需的压头相平衡。但是在实际运行中,存在返料偏流现象,主要表现在:停炉时分离器两侧料位偏差较大;运行中炉膛左右侧存在热偏差,有时超过80℃;两侧立管中的返料温度差有时超过60℃;两侧旋风分离器中心筒磨损情况有较大差别。在调整中2台回料阀风量无法达到相对平衡的情况下,将左右侧回料阀进风采用母管制并由单台回料风机供风,改造为左右侧回料阀进风分别采用单台回料风机供风并设置回料阀母管的联络阀门(见图1)

。

图1　改造前后回料阀进风系统示意图

改造后,方便了回料风量和循环灰量的调节,改善了燃烧状况。正常运行时,回料装置的配风严格按照要求,回料温度维持在540～580℃(设计值552℃),与分离器进口烟温基本同步,从而保证炉内有较高的物料浓度和燃烧强度。2.2.3　增强二次风的穿透能力

文献[7]在1台75t/h 工业CF B 锅炉(炉膛横截面5.93m ×2.93m ,燃烧室高18.2m )测量炉膛内氧浓度的分布过程中发现,随着炉膛高度上升,氧浓度不断减少;在不同炉膛高度截面处,从炉墙壁面附近到炉膛中心,氧浓度先增加后减少,在离炉膛壁面约1m 左右处达到最大值,而在炉膛中心的流动核心区域则存在一个“贫氧区”,见图2。这表明二次风的穿透能力并没有达到炉膛中央,贫氧区的存在显然使得炉膛中央的焦碳颗粒燃尽变得困难,是造成目前燃烧无烟煤CF B 锅炉飞灰碳含量偏高的原因之一。为了增强二次风的混和,提高了二次风的速度,结果飞灰可燃物含量明显减少

。

图2　CF B 锅炉沿炉膛高度氧浓度分布

为此,公司更换二次风机,将叶轮直径由<1250mm 放大为<1440mm ,提高了二次风压;采用弯曲型导叶轴向导向器取代原直板型风门挡板,对进出口风道进行改造,减低了挡板节流损失和管道阻力;同时,对二次风喷嘴进行改造,减小了二次风喷嘴截面面积。这些改造措施提高了二次风出口速度,增强了二次风的穿透能力和穿透深度,使二次风基本能达到炉膛中心的缺氧区域,可以保证颗粒经过该区域能够正常燃烧,并加剧了炉内物料的扰动和气固两相的混合,强化稀相区细煤粒及可燃气体的燃烧,改变炉内物料浓度的分布,有利于颗粒的燃尽。测试结果表明,在同等负荷、风煤配比、一二次风配比等条件下,飞灰平均可燃物含量由改造前的23%左右降低到改造后不到20%。2.3　在运行操作方面采取的调整措施2.3.1　维持较高的炉床温度

CF B锅炉的运行温度对无烟煤焦的燃尽有重要影响[4]。提高燃烧温度,一是可以直接提高焦炭的反应速度,减少细颗粒煤焦的燃尽时间;二是可以增加颗粒破碎的剧烈程度,从而增加颗粒燃烧的表面积,加快颗粒的燃烧速度和燃尽程度。××75/ 3182—11型CF B锅炉的性能测试结果发现,当炉床温度在920～960℃时,燃烧效率随炉床温度的增加而缓慢增加;当炉床温度较高时(>960℃),燃烧效率随炉床温度的增加而明显提高。所以,燃用福建无烟煤的CF B锅炉的炉床料层温度一般维持在960～1020℃(最低运行炉床温度为930℃),炉膛出口温度控制在1000℃左右,整个炉膛维持均衡的高温,能加大挥发分的析出速度,加快煤粒的着火及燃烧,提高煤粒在整个炉膛内的燃烧强度,有利于无烟煤焦的燃尽,从而达到较高的燃烧效率。

2.3.2　适当的过量空气系数和一二次风配比

燃烧空气的总量对CF B锅炉的飞灰可燃物含量有影响。运行中适当提高过量空气系数,增加燃烧区的平均氧浓度,有助于碳颗粒的燃尽和提高燃烧效率;但炉膛出口过量空气系数超过一定数值,将造成床温和炉膛温度下降,降低细煤粒在床内的停留时间,排烟损失增高,使燃烧效率下降,同时还增大了风机电耗。

一次风的作用是保证锅炉密相区料层的流化与燃烧,二次风则是补充密相区出口和稀相区的氧浓度,同时能加剧炉内物料的扰动,增加煤粒在炉内的停留时间,强化稀相区细煤粒及可燃气体的燃烧。因无烟煤的后燃性,其后期燃烧需要有更多的氧;但事实上因燃烧消耗的原因,氧的浓度随炉膛高度增加却是不断减少,这就使得后期焦炭的燃烧变得困难。因此,在保证正常流化的情况下适当提高二次风的比率有助于降低锅炉飞灰碳可燃物的含量。

××75/3.82—11型CF B锅炉调整试验表明,飞灰可燃物含量随二次风率增加而降低,上层二次风对降低飞灰可燃物含量有显著的作用。一二次风的配比与锅炉负荷、煤种等有关。额定负荷时,一次风率控制在55%～60%,以保证良好的流化效果,上下层二次风比为5.5:4.5～6:4,省煤器后烟气含氧量控制在4%～5%,可达到较佳的燃尽效果。在负荷变化和煤种变化不大时,一次风量尽量稳定在一个较合适的数值上,少作调整,主要靠调整二次风比例来控制密相区出口和稀相区的氧浓度;一次风量大时,少用下二次风;一次风量小时,应多用上层二次风。2.3.3　合理的料层厚度

密相区料层厚度对燃烧的稳定性和燃烧效率有很大关系。维持恰当的料层高度,炉床蓄热量较大,床温相对稳定,煤粒和回料灰能迅速加热和燃烧。若料层太厚,不仅会增大风机电耗,还会增大气泡尺寸和扬析损失,甚至造成局部燃烧区域的氧量不足,影响流化效果和燃烧效率;料层过薄,会导致燃烧工况不稳定,燃料在床内的停留时间缩短。多年的运行实践证明,××75/3.82—11型CF B锅炉一次风室压力控制在10～11kPa时燃烧效果较为理想。2.4　取得的成效

运行实践证明,经过采取上述措施后,锅炉飞灰可燃物含量大幅下降(见图3),保证了锅炉运行的

经济性和飞灰的综合利用。

图3　2003～2009年度2台××75/3.82—11型

CF B锅炉平均飞灰可燃物含量趋势图

说明:(1)2004年初进行二次风机和二次风喷嘴改造;

(2)2008年度煤种较多且煤质变化大,大部分燃用挥发分低于3%的天湖山无烟煤;(3)2009年元月,4号锅炉应用循环流化床锅炉燃烧优化控制技术(CF B-BCS),实现了CF B锅炉全自动燃烧优化运行。

3　结束语

针对福建无烟煤的固有特性,结合2台燃用福建无烟煤的××75/3.82—11型CF B锅炉的运行情况,分析CF B锅炉飞灰可燃物含量高的原因,在优化燃料配比方面采用窄筛分偏粗颗粒入炉煤,采取改造分离器以提高分离器的分离效率、改造回料风系统以改善燃烧状况、增强二次风的扰动穿透能力等改造措施,在运行调整方面采取维持较高的燃烧温度、保持适当的过量空气系数和料层厚度、提高二次风率等措施,取得了良好的效果,2台锅炉平均飞灰可燃物含量从2003年的22.17%降低到2009年第一季度的15.03%,提高了CF B锅炉的运行经济性,提高了企业的市场竞争力。

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(上接第29页)

从表2数据分析,烟气S O

2

排放量在400mg/标准m3左右,完全达到我市环保局的要求(<700 mg/标准m3),基本实现了达标排放。运行近三年来,效果良好。目前装置运行正常。

5　技术经济及社会效益

该项目的实施,保证了我公司锅炉正常运行,降

低S O

2

排放量0.32t/h,年减排量达到2560t,按每

排放1kg S O

2

交纳排污费0.2元计算,则每年为公

司节约S O

2

排放收费50余万元,且取得了显著的社会、环保效益。6　存在的问题及下一步改进措施

(1)为了进一步降低脱硫成本,计划试用氯碱公司压滤、晾干后的电石渣代替石灰石加入燃煤中进行炉内固硫,既实现废电石渣再利用,又减少了石灰石的用量及采购费用。

(2)技术改造实施后,虽然取得了明显的脱硫效果,达到了环保要求的短期治理目标,为了实现长期达标排放及更好的环境效益,目前正在进行干法、湿法结合的脱硫技术方案论证工作

。