300 MW CFB鍋爐摻燒煤泥型煤對鍋爐熱效率的影響分析

胡金彪，李麗鋒

(1.山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 036800;2.中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051)

煤泥為煤炭洗選加工過程中排放出的廢棄物，其含水率高、粒度細(通常小于0.5 mm)、微粒含量多且粘結性較強，具有較高的熱值，其處理和利用比較困難，經常被堆放或填入廢棄礦井中，難以在工業上批量利用，造成資源浪費［1］。為了解決堆放的煤泥占用大量的土地資源，對環境造成較大的污染、工業利用率低的問題［2］，本文在山西某電廠300 MW等級的循環流化床(CFB)鍋爐上設計了一套摻燒煤泥型煤的系統，并對其摻燒比例及各熱效率影響進行了分析計算。

1 試驗機組簡介及其燃用煤種煤質分析

山西某電廠二期工程2×300 MW機組為SG－1060/17.5－M802型CFB鍋爐，采用自然循環、單汽包、單爐膛、雙布風板等形式，鍋爐BMCR工況設計參數如表1所示。

表1 鍋爐主要技術規范(BMCR)Tab.1 Boiler main technical specification

表2 入爐燃料煤質分析Tab.2 Analysis of coal into furnace

鍋爐由4個高溫絕熱旋風分離器、4個回料閥、4個外置式換熱器、尾部對流煙道、4臺滾筒冷渣器和1個4分倉回轉式空氣預熱器等組成，爐膛內蒸發受熱面采用膜式水冷壁及水冷壁延伸墻結構。布風板采用水冷結構，風帽為大直徑鐘罩式。每個回料閥一側與爐膛相連，另一側與1個外置式換熱器相連。分離器分離下來的物料一部分直接返回爐膛，另一部分進入外置式換熱器。外置式換熱器入口設有錐形閥，通過調整錐形閥的開度來控制循環物料的分配。在爐前的2個外置式換熱器內布置高溫再熱器和低溫過熱器，以調節再熱蒸汽溫度;在爐后的2個外置式換熱器內布置中溫過熱器，以調節床溫。

原燃用煤種(中煤與煤矸石的配煤)、相鄰煤礦洗選出的煤泥、制備的煤泥型煤、煤泥型煤與原燃用煤種按比例35%制備的混合燃料的元素分析和工業分析如表2所示。

2 制備煤泥型煤的工藝流程與型煤配比選定

2.1 制備煤泥型煤工藝流程與實現原理

制備煤泥型煤工藝流程如圖1所示。

圖1 制備煤泥型煤工藝流程Fig.1 Preparing slime briquette process

煤泥輸送設備選用寬皮帶(單條寬1.5 m)，采用雙皮帶聯倉設計，兩皮帶中間用倒V型犁料板連為一體，煤泥由卡車直接卸入，皮帶上部為敞口煤泥倉，皮帶倉進料端設有振動給料篩及磁鐵除雜設備，皮帶機整體置于地平以下方便卸料。

粉煤灰倉體位于皮帶機端上部，底部收口，通過星輪給料機供料。設計差速輪組(輪組由帶有翻料齒的齒盤和墊圈依次安裝構成，兩個差速輪組直徑不同且相互交錯，可將煤泥大體積結塊進行破碎、翻轉)為一級破碎攪拌干燥設備，煤泥與上部落下的粉煤灰粉混合攪拌且干燥煤泥。選取雙軸攪拌機為二級混合攪拌機構，讓煤泥與粉煤灰混合更加均勻，以實現將燃料輸送到下級皮帶的作用。

燃料經普通皮帶輸送從壓球機上部落料口落入，壓制成桃核狀型煤，最大外徑為30 mm，厚度為9 mm(便于從壓球機殼體脫落)，制成的成品煤泥型煤送入煤倉混合，最終與原燃料一同送入爐膛燃燒。

2.2 摻燒系統制備煤泥型煤組分配比選定

在型煤制備過程中，調整煤泥與粉煤灰的配比的比例過大，會使原料粘附于型煤機殼體，導致難以脫落，成型效果差;配比的比例過小則難以粘合、強度過低，成型效果差。經運行試驗，得到煤泥與粉煤灰的配比的比例3∶1和2∶1良好，含水率越低，鍋爐熱損失越小，鍋爐效率越高。根據型煤的含水量和成型效果，煤泥與粉煤灰最佳配比為2∶1。

2.3 摻燒系統煤泥型煤摻燒配比選定

選用煤泥與粉煤灰配比為2∶1制備煤泥型煤，投用300 MW循環流化床鍋爐進行燃燒實驗。選取150 MW、200 MW、300 MW負荷，測試床溫隨脫硫型煤摻燒量變化。在定負荷300 MW的情況下，隨煤泥型煤摻燒比例的增加，鍋爐床溫的變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著煤泥型煤摻燒比例的增加，由于煤泥型煤含水率較高，進入爐膛蒸發吸熱導致密相區下部床溫逐漸降低，摻燒比例超出40%后，水分帶入過多，床溫下降幅度加大，排煙損失加大，鍋爐效率降低。而煤泥熱值較原混矸煤熱值高，發熱量大，致使密相區中部床溫呈上升趨勢。密相區上部床溫在摻燒比例達到35%之前基本保持不變，摻燒比例超過35%，床溫出現滯后性下降。

圖2 床溫隨煤泥型煤摻燒量變化曲線Fig.2 Varying curve of bed temperature burning rate with slime briquette mixing

選取150 MW、200 MW、300 MW 負荷進行實驗，均得出煤泥型煤摻燒比例不得大于40%。床溫過低，會降低鍋爐燃燒效率，影響正常燃燒，甚至導致鍋爐熄火［3］。根據實驗可得，煤泥型煤摻燒比例小于40%可實現高效安全穩定運行，故煤泥型煤的投入量不宜超過入爐燃料總量的40%。

3 摻燒煤泥型煤鍋爐熱效率的分析計算

在熱平衡中，燃料的熱量等于鍋爐有效吸收的熱量與各種損失之和［4］，即

式中:η為鍋爐熱效率;q2為排煙熱損失;q3為固體不完全燃燒熱損失;q4為灰渣物理熱損失;q5為氣體不完全燃燒熱損失;q6為冷源損失;q7為脫硫熱損失。

3.1 輸入鍋爐熱量

1 kg燃料輸入鍋爐的熱量為

式中:Qar，net為燃料的收到基低位發熱量，kJ/kg;ir為燃料物理顯熱，kJ/kg;Cp，ar為燃料的收到基比定壓熱熔，kJ/(kg℃);Cdr為燃料干燥基比熱容，kJ/(kg℃);tr為燃料溫度，℃;t0為風機入口空氣溫度，℃。

3.2 鍋爐摻燒煤泥型煤對排煙損失影響計算分析鍋爐排煙損失為

式中:C為不同氣體由0℃到Tpy℃的平均熱容量，kJ/(kg℃)，可由鍋爐原理DIN標準計算得出;T0為送風溫度平均值，℃。

若一部分燃料未燃盡，則煙氣體積略小，所減小的體積一般不大，因此計算時不考慮C全部轉化為CO2，未燃盡碳引起的煙氣體積變化［5］，煙氣脫硫和脫硝后SO2和NOx在煙氣中的含量忽略不計。CO2體積(VCO2)包括燃料燃燒產生的CO2和石灰石熱解產生的CO2;N2體積(VN2)包括理論空氣量中N2和燃料中氮生成的N2;H2O的體積(VH2O)包括煤中的水分、空氣中的水分和燃料中H燃燒生成的水分。

3.3 鍋爐摻燒煤泥型煤對固體不完全燃燒熱損失影響計算分析

為保證鍋爐脫硫效率，鈣硫比為2.2投用石灰石(純度90%)。含碳量由燒失量法測得。底渣量由冷渣器排量換算得來，未然盡碳的發熱量選用Qw為32 700 kJ/kg。鍋爐固體不完全燃燒熱損失為

式中:ωfh、ωdz分別為鍋爐飛灰、底渣含碳量，%;Mdz為1 kg燃料產生底渣質量，g;MA為1 kg燃料灰分質量，g;MB為對應石灰石中灰分質量，g;MCaO為全部未反應氧化鈣質量，g;MCaSO4為生成全部硫酸鈣質量，g。

3.4 鍋爐摻燒煤泥型煤對灰渣物理熱損失影響計算分析

滾筒冷渣器加熱了凝結水，加熱的水送入低加后進入鍋爐，因此這部分熱量屬于系統內部熱量交換，不屬于熱量損失［6］。鍋爐灰渣物理熱損失為

式中:Cfh、Cdz分別為飛灰和底渣平均熱容量，kJ/(kg℃);Tfh、Tdz分別為飛灰、底渣出口溫度，℃;T0為環境溫度，℃。

3.5 鍋爐摻燒煤泥型煤對氣體未燃盡熱量損失的影響分析

當鍋爐摻燒煤泥型煤發生不完全燃燒時，煙氣的成分除了 CO2、SO2、N2、O2、H2O 外，還有不完全燃燒產物 CO、H2、CmHn等。其中 H2和 CmHn數量很少，忽略不計［7］。大部分未完全燃燒損失為CO為燃燒熱損失，取設計及值q5為0.5%。

3.6 鍋爐摻燒煤泥型煤對外部冷源損失的影響分析

鍋爐外部冷源損失較難在試驗張測定，鍋爐容量越大，與外界接觸的面積相對的變小，qlq越小。根據《鍋爐原理及設計》鍋爐蒸發量與外部冷源損失曲線可得1060 t/h循環流化床鍋爐對應外部冷源損失q6為0.18%。

表3 鍋爐不同工況運行試驗數據Tab.3 Test data of boiler under different condition

表4 按燃料元素組成計算燃燒數據Tab.4 Computational combustion data of fuel according to the elemental composition

3.7 鍋爐摻燒煤泥型煤對脫硫熱損失的計算分析

CFB鍋爐脫硫用石灰石，投入爐膛后進行煅燒分解反應時，要從爐內吸取一定熱量，而燃煤產生的SO2氣體與分解產生的CaO固體粒子進行氣固硫化反應時又要釋放出一定熱量。循環流化床干法脫硫采用脫硫劑石灰石(CaCO3)，石灰石進入爐膛吸熱裂解，1 kg CaCO3裂解需吸熱1830 kJ，裂解后的CaO又與SO2反應生成CaSO4，此過程放熱15 141 kJ/kg。脫硫反應式為

鍋爐摻燒煤泥型煤對脫硫熱損失為

4 鍋爐摻燒煤泥型煤熱損失計算

4.1 鍋爐不同工況下各熱損失計算分析

按煤泥型煤摻燒比例35%進行試驗，選取150 MW、200 MW、300 MW負荷進行運行分析，試驗盡量保證床壓穩定，鈣硫比選用2.2，試驗數據如表3所示。

1 kg混合燃料及對應投入石灰石脫硫劑進入爐膛的化學反應計算得如表4所示。

經計算，可得投用1 kg原燃料與煤泥型煤的混合燃料理論需氧量為28.51 mol，理論煙氣量為40.12 mol。同理計算表2中原燃用煤種，可得理論需氧量為29.58 mol，理論煙氣量為41.56 mol。對比可知，投用原燃料與投用混合燃料(煤泥型煤與原燃料的混合燃料)理論需氧量數值、理論空氣量接近。

由式(2)、式(3)計算，得到 ir=19.59 kJ/kg、Qr=11 330 kJ/kg。實際運行數據計算150 MW、200 MW、300 MW負荷下的各項熱損失與鍋爐效率如表5所示。

表5 鍋爐不同工況熱損失數據Tab.5 Boiler heat loss data under different conditions

由表5可知，300 MW循環流化床鍋爐按比例35%摻燒煤泥型煤，150 MW負荷以上鍋爐效率均大于88%，低于設計值2.5% ～3.0%。

表6 燃用不同煤種機組運行數據Tab.6 Operation data of unit burning different kinds of coal

4.2 鍋爐額定工況下燃用不同煤種熱損失計算分析

在300 MW負荷下比較摻燒煤泥型煤與不摻燒煤泥型煤的各項熱損失、鍋爐效率如表6所示。試驗基本保證床壓、環境溫度、排煙溫度相同。

計算300 MW負荷下摻燒煤泥型煤與不摻燒煤泥型煤熱效率對比如表7所示。

表7 燃用不同煤種鍋爐熱損失數據Tab.7 Heat loss data of boiler burning different kinds of coal

由表7可知，摻燒煤泥型煤的排煙熱損失q2高于不摻燒煤泥型煤1.25%，所占比重較大。由表4可知，燃燒1 kg混合煤與燃燒1 kg原燃料所需理論空氣量和生成理論煙氣量相近，但摻燒煤泥型煤的型煤粒徑偏大，為保證鍋爐正常燃燒，提高了一次風壓與流量，使過量空氣系數增大，導致鍋爐排煙熱損失增大。

摻燒煤泥型煤的機械不完全燃燒熱損失q3高于不摻燒煤泥型煤0.57%，煤泥與粉煤灰攪拌干燥，雖經壓球機擠壓，但其粒度較細，夾帶、揚析問題導致飛灰含碳量升高;落煤口與排渣口距離較近，煤泥型煤體積較大，部分燃料還未完全燃燒就被排出，導致底渣含碳量升高。摻燒煤泥型煤的灰渣物理熱損失q4低于不摻燒煤泥型煤0.02%，主要是由于原燃料灰分低于混合后燃料。因此，300 MW循環流化床鍋爐摻燒煤泥型煤BMCR工況下熱效率降低1.79%。

5 結論

1)設計的摻燒煤泥型煤系統能夠安全運行，實現了煤泥與粉煤灰的資源綜合利用。

2)型煤中煤泥與粉煤灰的最佳制備配比為2∶1，煤泥型煤的摻燒比例在35%及以下可實現穩定燃燒。

3)該電廠機組摻燒煤泥型煤后，煤泥顆粒細，飛灰比重加大，煙氣熱容升高，導致排煙溫度升高，排煙熱損失在300 MW負荷下增加1.25%;飛灰含碳量略有升高，底渣含碳量升高明顯，機械不完全燃燒熱損失在300 MW負荷下升高0.57%。摻燒煤泥型煤后，飛灰比重增加，飛灰溫度高于冷渣器出口溫度，灰渣物理熱損失增加0.02%。

4)摻燒煤泥型煤鍋爐熱效率均值為88.36%，比鍋爐設計值低2.64%;300 MW工況下摻燒煤泥型煤的鍋爐熱效率比不摻燒煤泥型煤下降1.79%。

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