影響循環流化床鍋爐飛灰中碳未燃盡損失因素的探討

福斯特惠勒能源管理（上海）公司 肖明洋

0 前言

經過近幾十年探索與發展，循環流化床技術已經成為很有競爭力的潔凈煤技術，目前循環流化床鍋爐技術已趨于成熟,鍋爐的單機容量已經達到600MW。全球在建的最大的超臨界600MW循環流化床鍋爐已于2012年7月在四川白馬電廠工地完成了水壓試驗；在國際方面，由FW(Foster Wheeler)公司設計并提供設備，安裝在波蘭的460MW超臨界CFB鍋爐已經進入了商業運行，安裝在韓國的4臺550MW超臨界CFB也以完成了設計，正在進行設備制造，預計在2015年試運行。

1 問題的提出

由于循環流化床鍋爐潔凈燃燒技術發展時間相對較短，雖然國內在循環流化床鍋爐設計、安裝、調試、運行及維護、改造中積累了大量的經驗，對于CFB鍋爐的一些具體的概念的認識或者探討，會有利于CFB將來更大的發展。本文試圖對中小型CFB鍋爐中飛灰中碳未燃盡損失（UBC）進行分析，并希望能夠對該項技術的發展起到一點作用。

國外大量的燃燒褐煤等高反應性燃料的實踐表明，循環流化床鍋爐飛灰含碳量非常低，但實際上我國絕大多數循環流化床鍋爐多燃用低反應活性的煙煤、貧煤、無煙煤以及矸石等劣質燃料，飛灰含碳量比期望值要高出許多，尤其是低揮發高熱值燃料，燃燒率更低。高飛灰含碳量使得循環流化床鍋爐的市場競爭力下降。

資料表明[1][2]，中小型循環流化床鍋爐飛灰含碳量是一個比較普遍的問題,燃用無煙煤的循環流化床鍋爐，飛灰含碳量可高達20%左右，遠高于飛灰綜合利用的要求（要求飛灰含碳量不大于7%）。因此對于中小型循環流化床鍋爐飛灰中未燃碳損失的探討，具有一定的現實意義。

2 CFB鍋爐燃燒的具體特點及控制和優化

同煤粉鍋爐一樣，CFB鍋爐內的燃燒過程是一個較為復雜的過程，中間所涉及的因素較多，對爐膛內的燃燒進行研究，對飛灰粒徑的分布探討，有助于飛灰中UBC的控制以及燃燒效率提高。

2.1 CFB鍋爐燃料燃燒的特點

一定寬度篩分的煤進入流化床中燃燒，是一個復雜的過程，除了受燃料本性如揮發分含量、反應活性、顆粒粒度分布影響外，還受到流化狀態、氧氣擴散條件、溫度等眾多因素的影響。

最新的研究表明[3][2]，循環流化床中的單顆粒與鼓泡床燃燒過程沒有太大的差異。但對于整體而言，燃燒顆粒并非獨立燃燒，而是與床料形成群體，這種氣固兩相流的燃燒與氣固兩相流流動具有明顯的關系，亦即事實上循環流化床與鼓泡流化床燃燒過程和機理是截然不同的兩種行為。

分析燃料的燃燒過程，煤粒子進入燃燒室中，經歷了如下一個連續過程:

1）加熱和烘干（準備過程）；

2）揮發分析出和揮發分燃燒；

3）膨脹和一次破裂（某些類型的煤）

4）焦炭燃燒、二次破裂和磨耗。

實際上煤在流化床中的燃燒過程并不簡單地以上述幾個步驟地劃分為幾個階段，而是幾個過程會同時進行，例如揮發份和焦碳的燃燒階段存在著明顯的重疊現象。

2.2 燃燒的控制和優化

目前對于CFB鍋爐運行燃燒優化調整，主要從以下幾個方面入手：

○燃煤粒徑分布；

○風量（氧量）控制；

○一、二次風比例；二次風穿透能力；

○運行料層（風室壓力），床壓、床溫的控制；

○提高分離器分離效率

○飛灰再循環系統

1）燃煤粒徑分布

雖然CFB具有燃料適應性廣的特點，對于特定的CFB鍋爐其對燃料的粒徑分布是有一定要求的，CFB鍋爐對入爐煤的粒徑要求視煤種而異。一般來說低揮發份的煤粒徑應小，高揮發份煤粒徑應粗些，因為高揮發份煤在爐內燃燒時更容易爆裂和破碎成細顆粒,且相對更容易燃盡。因此應根據煤種不同對煤的粒徑分布提出不同的要求。

由于循環流化床具有燃料適性廣，穩燃負荷相對較低，并易于燃燒劣質或難燃燒的煤種的特點，因此在實際中，人們往往忽略了燃料粒的控制。雖然CFB鍋爐具有燃料適應性廣的特點，但對于按照某一煤種設計的鍋爐，其燃料的粒徑范圍應是一定的，偏離設計范圍的入爐燃料肯定會對鍋爐的正常運行造成一定的影響。

化石，是指在一定地質歷史時期形成的、保存完好的、具有一定科研價值和觀賞價值的、被石化的古生物遺骸，如貴州龍化石、海百合化石、珊瑚化石、恐龍蛋化石等。

資料表明，由于設計理念的差異和對鍋爐燃燒控制的不同，世界上各公司對同一煤種設計的粒徑分布也是有一定差異的。經驗表明，合理控制煤的粒徑分布，對提高燃燒效率，降低UBC是起到關鍵作用的。

2）運行風量與一、二次風比例調整

風量及一二次風比例的調整可以有效地改善爐內風、煤、灰的混合程度，提供最佳的燃料、供風混合方式。如果配風比例不當，二次風的穿透能力不夠會導致爐膛二次風上部有一個貧氧核心區，這是由于擴散效果不佳而使氧氣不能到達爐膛中部的結果，這對于核心區細顆粒的燃燒產生了負面影響。分析認為，目前國內100MW及135MWCFB鍋爐存在的飛灰可燃物含量高，部分原因應該是由于二次風穿透能力不足引起的。燃燒調整優化運行參數，二次風的調整是一個重要手段。

目前國內135MWCFB鍋爐一般情況下一次風占55%～65%之間，二次風（包括播煤風和上二次風）占45%～35%左右，具體的一二次風的分配要結合具體的煤種及鍋爐的結構設計和燃燒的實際控制來確定，但二次風口的布置及同給煤口的配合對UBC的影響還需進一步研究。

3）床壓及床溫的控制

降低爐膛壓降運行[4]，可以降低底部密相區和過渡區物料濃度，增加二次風的穿透能力，使得更多氧氣進入中央貧氧區，加強氣固混合并提高碳的燃燒效率，進而降低了飛灰中的含碳量。

較高的床層溫度及較高的爐膛高度無疑有助于降低飛灰含碳量，改善氣固混合（二次風布置和穿透能力），有助于提高爐膛核心貧氧區的氧量，從而提高燃燒效率。但是考慮到SOX/NOX對床溫的要求和限制，提高床溫不應作為降低UBC的主要手段。

4）飛灰粒徑分布的影響

到目前為止，已有許多關于循環流化床中碳顆粒燃盡問題的報道，主要集中在實驗模擬煤在爐內燃燒過程中其反應活性隨燃燒時間和燃燒溫度的變化過程。利用單顆粒等徑縮核模型計算出，焦炭粒子的燃盡時間隨粒徑變化曲線呈峰值特征，40-50um的顆粒相對難燃盡。燃料本身燃燒反應活性對飛灰含碳量有重要影響，不同煤種對應的飛灰含碳量分布有差異。較高的床層溫度及較高的爐膛高度無疑有助于降低飛灰含碳量，改善氣固混合（二次風布置和穿透能力），有助于提高爐膛核心貧氧區的氧量，從而提高燃燒效率。

試驗表明[4]，在40-50um區域含碳量出現峰值，這是由爐膛內燃燒過程中傳熱，傳質及灰殼形成及分離效率決定的。在100um附近飛灰含碳量最低。這是由于在工業循環流化床中，固體可以在床內的停留時間呈峰值分布，峰值主要由分離效率和排渣效率決定，100um顆粒停留時間最長，因此區域的碳顆粒燃盡程度最低，導致此種分布的原因還包括不同粒徑碳顆粒的燃盡時間的不同。

結果表明[5]:循環流化床鍋爐燃燒過程中焦炭反應性逐漸下降;焦炭燃燒過程中發生的爆裂、磨損、失活等行為與煤種有關,對循環流化床鍋爐飛灰碳燃盡有很大影響.氣固混和不均勻是導致較高的飛灰含碳量的原因之一。

3 旋風分離器分離效率

目前分離器直徑一般在6.5～9m之間。影響分離效率的主要因素包括切向進口風速、煙氣溫度和粘度、灰粒徑、進口顆粒濃度以及分離器自身的結構尺寸等等[6][7][8]。上述因素在理論方面已有較多研究，這里不再贅述。

很容易理解，高的分離器效率是對降低UBC有幫助的，資料表明[3]多數循環流化床鍋爐飛灰可燃質集中在20-70um的細顆粒中，這個基本事實必然使人們認為分離器的臨界粒徑d100最好能推進到20um左右，從而獲得較高的燃燒效率。事實上，循環流化床鍋爐用大型分離器的臨界粒徑d100是難以達到這個指標的，許多國外循環流化床鍋爐飛灰含碳量很低的原因不能完全用分離器解釋。

4 飛灰再循環系統

所謂的飛灰再循環系統是把鍋爐尾部電除塵器一電場收集的飛灰再送入鍋爐的爐膛密相區進行燃燒，設計使用飛灰再循環系統是降低UBC的手段之一。燃燒石油焦的鍋爐一般都設計有飛灰再循環系統，據國內某煉化企業資料[9]，投用該系統后，鍋爐效率從89.67%提高到92.37%，每年節約石油焦的費用約135.6萬元（約2004年價格水平）。

5 結語

1）影響飛灰中UBC的因素較多,在進行鍋爐設計、計算時要把床溫、燃料粒徑、分離器的選型及布置、各種風的布置和分配以及飛灰再循環的設計等因素進行優化，才有可能使UBC得以降低。

2）對燃燒過程的進一步研究，尤其是對循環流化床鍋爐內燃料燃燒的動態研究將會有助于循環流化床鍋爐設計的優化，對進一步飛灰中UBC的降低，CFB鍋爐燃燒效率的提高會有更大的促進作用。

參考資料：

[1]李軍 盧嘯風 大型循環流化床燃燒技術的最新進展 電站系統工程 2004（9）Vol 20 No.5 1～4

[2]劉德昌等 循環流化床鍋爐運行及事故處理 中國電力出版社 2006

[3]馮俊凱等 循環流化床燃燒鍋爐 中國電力出版社 2003

[4]楊海瑞等 循環流化床壓降對飛灰含碳量的影響 電站系統工程第21卷3期2005年5月VOL21 NO.3 1005-006X(2005)03-0013-02

[5]呂俊復等 循環流化床鍋爐的飛灰含碳量問題 《動力工程》2004,?24(2)

[6]駱仲泱等 循環流化床鍋爐技術的現狀及發展前景 動力工程 2004(12)Vol 24 No.6 763-767.

[7]蘇虎等 循環流化床鍋爐旋風分離器內氣固兩相流動的數值模擬 東方電氣評論 2004（12）Vol 18 No4 179～184

[8]錢付平等 溫度對旋風分離器分離數值性能影響的數值研究 動力工程 2006（4）Vol 26 No.253～256.

[9]鄭偉軍等 飛灰密相底飼技術在全燒石油焦CFB 鍋爐中的應用 《循環流化床（CFB）機組技術交流論文集》2004