降低燃用福建无烟煤CFB锅炉飞灰可燃物含量的措施.pdf

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1、文章编号:1004?8774(2009)04?30?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:2009?05?08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 forReducing the Comb

2、ustible Flying Ash inCirculating Fluidized Bed Boiler Burning Fujian AnthraciteWU Jian?heng(Fujian ShishiH eat&Power Cogeneration Co.Ltd,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 CFB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 CFB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

3、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 CFB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:CFB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:B0?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

4、难度。CFB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 CFB锅炉在运行或建设中,总容量超过 10 000蒸吨,其中最大容量为 440 t/h。从已经投运的 CFB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 CFB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 CFB锅炉(Q!220 t/h

5、)的平均飞灰可燃物含量在 10%15%,运行好的中等容量CFB锅炉(220 t/h Q!75 t/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 CFB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 CFB锅炉的机械不完全燃烧损失 q4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 CFB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 CFB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。

6、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 1130?工?业?锅?炉?2009年第 4期(总第 116期)型 CFB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 CFB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 CFB锅炉,额定蒸发量 75 t/h,过热蒸汽压力 3.82MPa、过热蒸汽温度 45

7、0 ,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 25.9 m;布风板截面为 2 501mm?5 905 mm,布风板处设计风速 3?8m/s;炉膛横截面为 4 645 mm?5 905 mm,炉膛设计烟速 4.0 m/s,实际运行烟速为 3.8 4.0 m/s;在炉膛标高+4 700 mm+18 500 mm 之间敷设 70 mm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 1 000

8、 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 10 800 mm、7 140mm)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 CFB锅炉运行情况2台?75/3.82 11型 CFB锅炉以其多年的运行实践证明 CFB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 27.46M J/kg、含碳量 35.8%86

9、.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 90 t/h,并能够安全、稳定、连续运行;最低出力小于 40 t/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 7 800h以上,连续运行时间超过 4 000 h(无压火),创造了燃用纯福建无烟煤 CFB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,SO2排放浓度小于 200 mg/标准 m3(标态,干基,6%O2),NOx排放浓度均小于 150mg/标准

10、 m3,粉尘排放浓度均小于 30 mg/标准 m3,低于国家排放标准。1.3?75/3.82 11型 CFB锅炉存在问题但是,?75/3.82 11型 CFB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!98?m 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 q4高达 7.5%8.5%,高于 6.27%的设计值。这也是福建省 CFB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

11、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!50?m)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 CFB 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 CFB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 CFB锅炉中燃尽的技术改造和

12、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,CFB 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31%运行管理%?降低燃用福建无烟煤 CFB锅炉飞灰可燃物含量的措施颗粒过大,一方面料层流化不好,一次风量

13、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

14、烟煤细粉含量所占比例过大(粒径小于 0.9 mm 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。因此,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 10 mm 通过率达到 99%以上,小于 1mm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

15、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,CFB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 CFB锅炉的关键部件之一,分离器性能直接影响整个 CFB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,

16、飞灰可燃物含量高。从理论 2上讲,小直径旋风分离器对 100?m 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 98?m 的粒子所占比例达到 57.99%;从表 2看出,回料灰中 d&125?m的粒子所占比例仅为 24.63%。分离器对 98?m&d 0.12521.628.071.816.460.125 0.09836.3716.5331.4713.660.098 0.05338.3618.8352.8515.77 0.451.5415.60.737.950.45 0.3028.464.0119.562.750.30 0.12545.373.0536.484.240.12

17、5 0.08813.226.0631.445.78 98?m的粒子含量由 57.99%降低到 33.28%,降低了24?71个百分点;回料灰中 d 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 CFB锅炉的炉床料层温度一般维持在 960 1 020 (最低运行炉床温度为 930 ),炉膛出口温度控制在 1 000 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 CFB锅炉的飞灰可燃物含量有影响。运行中适

18、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

19、可燃物的含量。?75/3.82 11型 CFB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

20、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 CFB锅炉一次风室压力控制在 10 11 kPa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CFB锅炉平均飞灰可燃物含量

21、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(CFB-BCS),实现了 CFB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 CFB锅炉的运行情况,分析 CFB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、

22、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 CFB锅炉的运行经济性,提高了企业的市场竞争力。参考文献 1蒋吕盛.燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉之设计问题34?工?业?锅?炉?2009年第 4期(总第 116期)A.洁净煤技术国际研讨会论文集 C.北京:煤炭工业出版社,1997:195-200.2 岑可法,倪明江,骆仲泱,等.循环流化床锅炉理论设计与运行 M.北京:中国电力出版社,1998.3 吴剑恒.燃用福建无烟煤之 DG75/3.82 11型循环流化床锅炉设

23、计特点与优化改进 J.工业锅炉,2004(4):1-5.4 何宏舟.CFB锅炉洁净燃烧福建无烟煤的理论与试验研究 D.杭州:浙江大学,2005.5 黎 永,岳光溪,吕俊复,等.循环流化床锅炉飞灰碳损失研究 J.热电技术,2002(3):3-6.6 吴剑恒.CFB锅炉旋风分离器的磨损分析及解决措施 J.工业锅炉,2003(5):50-53.7 Lu jun-fu,Jin xiao-zhong,Yue Guang-x,i et a.l Gasconcentration profiles in the furnace of large CFB boilerswithwater cooled squa

24、reseparator A.In:T ien C L,CaiR.Xu J eds,Proceedings of the 1st International Con?ference on Engineering The malphysics C.Beijing,Inter?nationalA cade m ic Publishers,1999:767-774.(上接第 29页)从表 2数据分析,烟气 SO2排放量在 400 mg/标准 m3左右,完全达到我市环保局的要求(700mg/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

25、证了我公司锅炉正常运行,降低 SO2排放量 0.32 t/h,年减排量达到 2 560,t 按每排放 1 kg SO2交纳排污费 0.2元计算,则每年为公司节约 SO2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。35%运行管理%?降低燃用福建无烟煤 CFB锅炉飞灰可燃物含量的措施