秸稈直燃鍋爐飛灰可燃物高的分析及對策

顧懷本

(江蘇國信泗陽生物質發電有限公司,江蘇 泗陽 223700)

秸稈直燃鍋爐飛灰可燃物高的分析及對策

顧懷本

(江蘇國信泗陽生物質發電有限公司,江蘇 泗陽 223700)

某秸稈電廠投產后,鍋爐飛灰可燃物一直處在 15%以上,甚至有相當長的一段時間高達 20%～25%,機組運行很不經濟。經過對該鍋爐本體系統布置及運行情況的詳細分析,通過運行調整和對系統不完善處進行改造,最終使飛灰可燃物降低到 10%左右,機組運行經濟性顯著提高。

秸稈鍋爐;飛灰可燃物;分析;對策

0 引 言

某秸稈發電廠 UG-75/3.82-J型鍋爐系直燃生物質秸稈、水冷振動爐排、中溫中壓、固態排渣、支撐式自然循環蒸汽鍋爐。鍋爐設計燃料主要是軟質秸稈,即稻、麥秸桿,也可適當摻燒稻殼、花生殼、樹皮等。該鍋爐是國內同類型鍋爐中首批產品,燃料適應性、受熱面防腐防磨、鍋爐防漏風等還需進一步研究和解決。由于種種原因,此類鍋爐不能實現按設計全燃軟質秸稈正常運行。從已投產的此類鍋爐的統計數據看,所用稻麥秸稈量大多在 20%左右,多的也就是 30%～40%,更多則是以稻殼、樹皮等其他生物質燃料為主。這就導致鍋爐的燃燒和傳熱特性發生很大變化,受熱面積灰、磨損和腐蝕、飛灰可燃物高等一系列異常現象隨之而來。該廠的飛灰可燃物自投產后一直在 15%以上,一度達到 25%左右,居高不下,該類鍋爐這一指標水平大致在 4%～8%左右較合理。參照原江蘇省電力局生技處印制的 《發電廠機組主要小指標耗差分析計算圖表》,飛灰可燃物每升高 1%則導致供電標煤耗上升1.85 g/kW?h,也就是說該機組僅受飛灰可燃物的影響,標煤耗增加至少 20 g/kW?h左右,折算成秸稈單耗增量超過 50 g/kW?h,經濟性很低。如何解決這一問題,成了該廠在節能降耗、降本增效方面的首要工作。

1 設備規范

UG-75/3.82-J秸稈直燃鍋爐的設計參數如下：蒸發量,75 t/h;主汽壓,3.82 MPa;主汽溫,450℃;給水溫度,150℃;排煙溫度,147℃;氧量,6%～8%;灰、渣比,4∶6;鍋爐效率,89%;燃料消耗量,16 891 kg/h;燃料水分要求,≯25%;燃料粒度要求,＜80mm;一次風量,51.6 kNm3/h;二次風量,34.4 kNm3/h;二次風壓 (爐膛入口),5 kPa;空預器出口煙氣量,103.5 kNm3/h;鍋爐本體煙氣阻力,1.85 kPa;一次風速,～25 m/s;二次風速, ～55 m/s;一、二次風溫, ～130℃;一二次風配比,6∶4;一次總風壓,1.8 kPa。表 1是該鍋爐設計燃料的成分和灰的特性數據。

該鍋爐主要有以下特點：

(1)該鍋爐是振動爐排爐,是層燃爐,絕大多數的燃燒過程在爐排上完成。

(2)秸稈的揮發分高,著火溫度低,燃燒迅速,若配供燃燒所需的一次風和二次風不及時,會產生揮發物裂解析出碳黑,碳黑不易燒燼。

(3)秸稈的灰熔點低,易在受熱面上結渣、積灰,需定期吹灰、除渣。

(4)秸稈在破碎和輸送過程中,會產生大量粉塵,秸稈粉塵既損害人健康,進入爐膛后還會產生爆燃,影響鍋爐及料倉的安全運行。

表 1 設計燃料的成分和灰的特性Tab.1 Composition o f designed fuel and characteristics of ash straw direct combustion boiler

2 原因分析

燃料在鍋爐內迅速而完全燃燒的必要條件是：有相當高的爐內溫度、合適的空氣量、燃料和空氣的良好混合和充足的燃燒時間。飛灰可燃物含量高低即取決于燃料完全燃燒程度。影響完全燃燒要素形成的原因很多,有設計缺陷造成的,也有運行調整因素,下面主要結合該秸稈鍋爐的結構特點和現場運行實際對其一一進行分析。圖 1為該鍋爐本體布置及煙氣流程。

圖1 UG-75/3.82-J秸桿直燃鍋爐本體布置及煙氣流程Fig.1 Device arrangem ent and flue gas flow o f the UG-75/3.82-J straw direct combustion boiler

2.1 燃燒區溫度和燃燼時間

相同粒徑,溫度越高,燃燼時間越短。當顆粒達到0.7mm時,在 950℃的條件下燃燼時間為10.5 s,而在 800℃時燃燼時間為 71.5 s,兩者相差非常明顯[1]。但是受灰熔點限制,過高爐溫易產生結焦、結渣現象。

2.1.1 燃料質量與顆粒度

該鍋爐實際燃料構成為破碎樹皮、花生殼和稻殼、稻麥秸稈等,配比 6∶2∶2,有時樹皮比例超過 70%。設計燃料水分要求是≯25%,可品質好的樹皮水分也在 40%～45%以上。燃料中水分增大,進入爐膛后首先吸熱,進行加熱蒸發水分,導致爐排燃燒區溫度下降,燃料揮發分析出緩慢,著火延遲;燃料水分增加,大大增加煙氣容積,使爐膛內煙氣流速增加迅速,縮短了燃料顆粒在爐膛內停留時間;水分增加,還會降低料層的松散透氣性,增加通風阻力,使得燃燒需氧量得不到及時補充;另外,料層過厚,部分燃料揮發分和水分得不到很好揮發,延遲著火、延長燃燼等,這些都直接導致了飛灰可燃物的增加。

設計燃料粒度要求是小于 80 mm,實際運行中有一部分樹皮長達 300 mm,減慢了燃燒速度。一些殼類散料細顆粒過多,還未燃燼就被高速煙氣流帶走,這些也將導致飛灰可燃物增加。

2.1.2 爐底漏風和空預器積灰、漏風

燃料給料口和爐底出渣口處的介質充滿系數均不高,外部冷風的漏入直接降低了爐膛燃燒區溫度;另外秸稈鍋爐受熱面積灰現象普遍嚴重,尤其是空氣預熱器,該廠兩臺爐的空預器幾乎每個月都要停爐人工清理一次 (之前該廠蒸汽吹灰裝置未能正常投用,但是投用后也效果也不明顯),加之煙道有漏風,導致一、二次風風溫偏低(只有 90～100℃左右,比設計值低 30～40℃),間接降低了爐膛溫度。

2.1.3 過熱器放灰門處煙氣短路

過熱器放灰門是多片鑄鐵板串聯組裝而成,由于缺少間隙余度和長期處于高溫環境,經常發生卡澀、轉軸變形和斷軸。卡在關閉狀態,放灰門上部轉向室內會堆積大量飛灰,易發生二次燃燒和大面積結焦現象,所以運行中放灰門故障后只能設法使其處于開啟狀態。該放灰門與爐膛出渣為同一通道 (見圖 1),轉向室與爐膛有壓差,打開的放灰門使爐膛和轉向室煙氣發生短路,大量未燃燼顆粒失去了在爐膛的充足燃燼時間而直接進入煙道,導致飛灰可燃物增加。

2.2 過量空氣系數

隨著空氣量增大,介質之間接觸和傳熱系數增大,燃燒速度即增大,但當空氣量增大到某一值后,燃燒速度達到極限。而空氣量過多則降低了細顆粒在爐膛內的停留時間。實際運行中控制爐膛出口過量空氣系數在一定水平,既能保證碳粒子的充分燃燒,又可防止截面流速過大[2]。該鍋爐設計過量空氣系數是 1.4～1.6。反映過量空氣系數的參數是煙氣含氧量,測點設在過熱器后煙道中。過熱器放灰門故障后漏入煙道的有部分是低溫新風,除導致受熱面熱交換量減少、增加引風機電耗等之外,還引起氧量 “虛高”,給運行人員錯誤的信息反饋,運行人員發現 “氧量較高”,減少送風,實際造成爐膛供氧不足,直接增加飛灰可燃物含量。

給料量控制不好,造成料層過厚或者爐排布料不均勻,一次風不能很好地穿透助燃,形成局部缺氧。還有,空預器區積灰增加了煙氣阻力,受引風機出力的影響,送風量不能充足供應,也導致爐膛缺氧燃燒。

2.3 燃料與空氣混合程度

燃料與空氣的混合程度取決于燃燒調整的好壞。圖 2是常規爐排鍋爐的爐排上沿爐排長度方向的煙氣成分構成圖 (不含水汽)[1]。爐排下方 6個風室之間的風量配比不當,引起前后兩端風量過剩、中間出現燃燒缺氧的情況,使飛灰可燃物上升。當部分揮發分和碳粒等可燃物顆粒隨煙氣進入爐排上部空間,布置在爐膛前后拱喉部的二次風風壓過低,不能使可燃物質與空氣很好的混合,也會影響燃料的完全燃燼。另外一、二次風的配供不當、不及時,揮發物裂解析出碳黑,不易燒燼的碳黑也增加了飛灰可燃物含量。

圖2 沿爐排長度方向煙氣成分構成Fig.2 Flue gas com positions along the grate longitudinal direction

3 解決措施

針對上述分析,從改善燃料質量、運行調整和設備改造等方面入手,進行逐一嘗試和解決,最終實現降低該秸稈鍋爐飛灰可燃物的目的。

3.1 提高燃料質量

加強秸稈采購環節、料場管理和摻配比例等方面的管理,嚴格控制入爐燃料的質量,尤其是秸稈的水分控制,減少高水分、大粒度的秸稈直接進入爐膛。秸稈水分高,不僅造成飛灰可燃物含量居高不下,還會引起后續受熱面及其他設備的腐蝕、排煙損失增大和除塵器布袋氧化損壞等現象,在儲存環節也會產生霉變、損耗,增加成本,甚至引起自燃等火災事故,故降低秸稈水分是首要解決的問題。

3.2 加強運行調整

及時掌握入爐燃料的特性和配比情況,在這些因素發生變化包括負荷發生變化時及時做出調整,并保證調整操作平穩,避免參數大幅度波動。

爐排下的 6個一次風門,根據負荷和秸稈水分的多少,中間風室開大直至全開,前后段則不宜過大,而是根據需要決定開度的大小。高速二次風的使用,旨在形成強烈擾動、提高擴散速度、加深混合程度,使燃燒速度加快,同時補充燃燒不足的空氣量[2]。但是爐排爐是層燃爐,絕大部分燃燒是在爐排上完成的,所以當鍋爐負荷為 50%以下時,應關閉上層二次風,開啟或少開下層二次風,主要目的是降低二次風的比例,增加一次風的比例,減少爐膛的過度擾動,有利于燃燒。過量空氣系數的調整,針對本鍋爐主要是要確認氧表的準確度,區別真假后再進行有針對性的調節,否則會造成反向調整、惡性循環的后果。另外,定期吹灰和查漏堵漏也很重要,能有效增加傳熱效果、提高熱風溫度、提高爐膛溫度,也能減少煙氣阻力、增加爐膛燃燒供氧量,進而降低飛灰可燃物。關于爐膛負壓的調整,秸稈鍋爐尤顯重要。由于秸稈燃料易燃易爆的特性,在爐膛燃燒過程中極易發生爆燃,爆燃不僅威脅鍋爐爐膛安全,還直接影響到爐前秸稈料倉的安全,在秸稈電廠中爐膛正壓回火使得爐前料倉發生爆炸的事件屢有發生。所以運行人員在運行調整中,為避免發生爐膛及料倉爆燃威脅到主設備安全,常常將爐膛負壓控制較大,這樣不僅增大了引風機的電耗和鍋爐漏風,關鍵是將增加爐膛截面煙氣流速,縮短可燃物顆粒在爐膛內的燃燼時間,增加了飛灰可燃物。所以控制合適的爐膛負壓才能保證鍋爐既安全又經濟運行。

3.3 深化設備改造

3.3.1 爐前料倉防爆燃裝置的改造

爐膛微負壓或者微正壓燃燒,有利于燃料和空氣的良好混合以及燃料的快速燃燼,可以有效降低飛灰可燃物。前提是先要解決好料倉防爆的問題。圖 3是該鍋爐后期加裝的料倉防爆燃裝置。給料機出口設計了密封風,用高壓風簾擋住部分高溫煙氣甚至明火倒入料管。針對下料管是斜管(傾斜 700)、其內秸稈充滿度不高的實際,在下料管中加裝了一塊大約 2 m長、同料管寬度的鎖氣擋板,上部鉸鏈連接,利用重力自然下垂。當爐膛正壓時,煙氣首先從擋板下部進入,并將擋板向上吹起,剛好關住回火向上的通道,有效的阻止回火繼續向上蔓延,也就切斷了料倉爆燃的點火能量源。經過實踐檢驗,效果非常明顯,雖然沒有完全杜絕鍋爐正壓,但是回火和爆燃現象基本得到控制。而且爐膛正常運行時,防爆燃鎖氣擋板還能很好的減少料管內未充滿空間向爐膛漏風,提高了爐效。

圖3 料倉防爆燃裝置Fig.3 Explosion-proo f device o f the fuel bunker

3.3.2 鍋爐本體設備漏風的改造

圖4 過熱器放灰門改造前后示意圖Fig.4 Schem atic diagram before and after transform ation of superheater discharge ash door

鍋爐本體漏風直接影響爐膛燃燒和受熱面的熱交換效率。給料機處的漏風已在 “3.3.1”中解決,碎渣機和冷渣機處的不嚴密漏風,通過改進檢修工藝和提高檢修質量進行消除。前文提到,過熱器放灰門經常故障導致煙氣短路和漏風對飛灰可燃物含量影響較大。針對這一問題,該廠同生產廠家一起,對放灰門處的布置結構進行了改造 (見圖 4)。將原爐膛后墻下聯箱正下方的互通空間用鐵板隔離 (隔板經防磨處理),使出渣口和過熱器放灰通道相互獨立開,杜絕氣流短路。再將故障率高、易漏風的過熱器放灰門取消,在灰斗下方加裝兩臺星型卸灰器定時或連續進行放灰,既防止漏風又及時的將轉向室的灰排出。改造后,能克服過熱器區漏風的影響,轉向室后各級煙溫得到提升,提高了后續各級過熱器的換熱效率,同時也因控制了爐膛煙氣短路,爐膛供氧量也得到保證,進而有效降低鍋爐飛灰可燃物含量。

3.3.3 爐排上焊裝抓釘

秸稈水分高時,密實度大、透氣性差,爐排下的一次風不能順利加熱燃料和為揮發分燃燒提供氧量,嚴重影響爐膛燃燒效率。在爐排振動時,由于燃料中憋住的水蒸汽、揮發分等氣體突然釋放和一次風突然暢通,會使爐膛壓力波動很大,危及安全。通過降低爐排振動頻率和縮短振動周期,可以縮短燃料靜止時間,促進燃料與空氣良好混合以及水分和揮發分的及時排出,使得燃料在爐排上快速燃燒。但這會就導致燃料在爐排上停留的時間大為縮短,大幅度增加爐渣可燃物含量。為此,在爐排上沿爐排長度方向的不同位置焊接高 20 cm左右的φ10耐熱鋼條 (抓釘),左右間距 30～50 cm、前后間距 60～80 cm左右,在爐排振動時,減緩燃料下滑速度,進而延長燃料在爐排上的停留時間。經過一段時間的試驗,有效果,但是抓釘的使用壽命還需進一步試驗和改進。

4 結 語

通過對制約飛灰可燃物含量的設備、運行調整和燃料質量等因素進行逐一攻關,該廠的鍋爐飛灰可燃物含量大為降低,已由改造、調整前的20～25%,降低到目前的 10%左右。同時,由于改善了爐底的漏風,大大降低了煙氣量,使得引風機等設備的電耗也有所下降。僅飛灰可燃物下降到正常值一項每年就可節約秸稈燃料約 8 000 t,降低直接生產成本 200余萬元。

[1]遼寧省電力工業局.鍋爐運行 [M].北京：中國電力出版社,1995.

[2]曾緯西.鍋爐設備及運行 (第二版)[M].北京：中國電力出版社,1996.

Analysis and Countermeasures of High Combustible Matter in Fly Ash of Straw Direct Combustion Boiler

Gu Huaiben
(JSGXSiyang Biomass Power Generation Co.Ltd.,Siyang 223700;China)

Since a straw power plant put into operation,combustibles rate is often more than 15%in the boiler fly ash,or even quite a long period of time upto 20～25%,unit runs very uneconomical.After detailed ly analyzed the boiler system layoutand operation situation through positiveoperation adjustmentand rebuilding the system,the fly ash combustibles rate eventually down to 10%and the running economy improved significantly.

straw boiler;combustible in the fly ash;analysis;countermeasures

TK 229.91

A

2010-05-21。

顧懷本 (1976-),男,總工程師,E-mail：hydcghb@163.com。