超低熱值煤矸石發電技術研究

葉培祥，陳渝飛

四川華鎣山廣能集團四方電力有限責任公司

超低熱值煤矸石發電技術研究

葉培祥，陳渝飛

四川華鎣山廣能集團四方電力有限責任公司

通過對超低熱值煤矸石入爐燃燒發電技術的研究，運用高低差速燃燒技術，采用超大的爐床面積、爐拱的結構優化、新型的防磨措施、全澆筑的水冷壁設計改造低倍率循環流化床鍋爐；能夠穩定燃燒800-1000kcal/kg超低熱值煤矸石，并產生足夠的蒸汽，滿足發電要求。

超低熱值；發電；混合流速；改造

引言

煤矸石是在煤炭開采和加工過程中產生的，是目前我國排放量最大的固體廢棄物，占全國工業固體廢棄物的20%以上。現在全國煤礦和選煤廠出產的發熱量低于1200kcal∕kg的煤矸石，因為熱值過低，絕大部分是作為廢棄物放置于煤矸石堆放場，揚塵污染環境，自燃污染環境，浪費國家土地資源。若能直接利用煤礦、選煤廠廢棄不用的超低熱值煤矸石燃燒發電或產汽供熱，不僅減少了煤矸石堆積對環境的污染還實現資源回收利用。

1 、循環硫化床技術研究

1.1 、循環流化床鍋爐

用低熱值煤矸石發電，首先要解決的就是低熱值煤矸石進入鍋爐后的燃燒問題。在這方面，循環流化床鍋爐性能無疑是最佳。

各種入爐燃燒顆粒狀煤矸石的流化床鍋爐，差別主要是燃燒系統，其爐膛結構布置、氣固分離機理、返料系統設置是核心，而鍋爐尾部對流受熱面部分與常規鍋爐沒有根本的不同。循環流化床燃燒系統主要包括在爐膛、氣固分離器和返料器這三個關鍵部件，體現了其優越性。爐膛下部燃燒室料層較厚，客觀上具備了較強的蓄熱功能，利于低熱值的煤矸石著火燃燒，是密相區，爐膛上部為稀相區；氣固分離機理主要靠煙氣流程擴徑降速和煙氣轉向撞壁失去動能完成分離，含碳顆粒落入返料器內；繼續被煙氣攜帶出爐膛的物料被尾部低溫分離器再分離后經返料器返回爐膛，物料如此循環返復燃燒；排出鍋爐的灰、渣含碳量較低，鍋爐燃燒效率和熱效率較高、煤耗較低。

1.2 、循環流化床鍋爐常見設計難點及解決措施

循環流化床鍋爐設計中需要考慮的幾個主要問題：

（1）鍋爐額定蒸發量需要從受熱面富裕系數取偏大值來滿足要求；

（2）爐膛密相區流化效果需要從爐膛布風板出風壓頭提高和變化風速以及減小入爐燃料粒徑來達到；

（3）爐膛高溫段氣固分離器結構要有利于煙氣降速和轉向，促進粗顆粒靜止，床內粒子循環流量不足時，可提高飛灰回收裝置的效率，或將鍋爐尾部過濾灰投入再循環燃燒，或從系統外補充細灰等以避免物料在返送器內結焦；

（4）耐火材料性能和受熱面防磨損措施必須周全。

2 、高、低差速燃燒技術

高低差速燃燒技術其要點是改變現有常規流化床爐膛內風速基本一樣，采用不同流化風速的多層床面“差速流化床結構”，這種結構將流化床面分成高速床和低速床，在高速床內不布置受熱面，在低速床內均布置埋管受熱面，由于其床面的高低差異及不同的流化速度，使物料在爐內形成有序的循環。高低差速燃燒技術與一般流化床相比有以下幾方面特點：

（1）磨損小：

高、低混合循環流速流化床鍋爐的易損部份是密相區的埋管受熱面，根據磨損公式：

△∝c?d1.5?ω2.3

式中△：磨損量，c：材料耐磨系數，d：顆粒直徑，ω：煙氣沖刷速度。

由磨損公式可知，降低磨損的三個要素是：降低煙速，減小粒徑，選用優質耐熱耐磨材料。而且粒徑是1.5次方關系，煙氣速度是2.3次方關系。煙氣速度影響磨損最大。

從高低差速床鍋爐結構上看，在高速床內煙氣的速度較高，一般W1＜4米∕秒左右，煤的顆粒度也較大，一般為0～10mm左右，但在此區域沒有布置受熱面，所以不存在磨損問題。在低速床內煙氣的速度較低，一般W2＜2米∕秒左右，煤的顆粒度也較小，一般在2mm以下。因此埋管受熱面布置在此區域從上面磨損公式中可看出，埋管的磨損將大大降低。

粗的顆粒集中在低層的主床上，細的部分趨于上副床內，由于分離后的副床上床料平均顆徑比給料的平均粒徑小，因此副床的流化風速可比主床小很多，細的床料和低的流化風速使設置在此處的埋管受熱面磨損程度顯著減輕，壽命由一般8000小時增加到30000小時以上，很好地解決了中小容量FB和低倍率CFB鍋爐的安全可靠性問題。

（2）燃燒效率和脫硫效率高

高、低床之間的不同流化風速，形成了床料的有序內循環，強化了床物料橫向混合，同時，由于高速床物料較厚，延長了給料和脫硫劑在床內的停留時間，且蓄熱溫度場穩定在900Co左右，提高了鍋爐的燃燒效率和脫硫效率。通過運行和熱工試驗表明,飛灰含碳量可降到5%以下，爐渣的含碳量為1.5%以下。

（3）負荷調節性能好

多床面的結構，使鍋爐具有良好負荷調節性能，特別是改善了單一流化床低負荷時因流化風速低，結焦和過剩空氣較高的不足，使之可在40%負荷下可靠運行。高低差速流化床鍋爐其高、低流化床燃燒時是獨立配風，因此負荷調節范圍較大，一般在40%～105%。

（4）環保性能好

①SO2：流化床鍋爐的低溫燃燒特性——爐膛溫度控制在900℃左右，是爐內噴鈣脫硫的最佳溫度，可以采用添加石灰石這一簡單的方法達到固硫脫硫目的，當鈣硫比為Ca∕s=2時,爐內固硫脫硫效率可達到70%以上。

②NOX：高低差速循環流化床的低溫燃燒和分段供風兩大特點，可以顯著地降低NOX排放量。

通過對高、低混合流速流化床的技術特點分析，改進高、低混合流速流化床鍋爐燃燒超低熱值煤矸石是目前國內最理想的選擇。

3 、改造低倍率硫化床鍋爐

廣能集團綠水洞電廠現有兩臺東方鍋爐廠生產的低倍率中溫分離循環流化床鍋爐，其入爐燃燒值為2000kcal∕kg。為了使煤礦所排放的超低熱煤矸石（發熱量800-1200kcal∕kg）回收利用，廣能集團綠水洞電廠決定對現有的鍋爐進行改造以實現超低熱值煤矸石燃燒發電。經過對高、低差速混合流化床技術的研究和對穩定鍋爐燃燒，提高鍋爐效率，防止鍋爐磨損等關鍵技術的理論分析研究。電廠提出一系列能燃燒800-1200kcal∕kg超低熱值煤矸石的鍋爐改造技術方案。

（1）采用較大的床面積和適當的風帽小孔流速

床面積大，床內熱容積大，大量的低熱值煤的加入不至于對溫床造成較大的影響，保證了劣質煤的著火。由于矸石、石煤比重較大，適當的風帽小孔流速既滿足燃燒的需要，同時也滿足爐內正常流化的需要。

（2）合理布置埋管

布置埋管是低速床保證床內不超溫的有效手段，燃用劣質煤的流化床，既要保證鍋爐負荷，又要保證床溫，故埋管受熱面的布置成為技術的關鍵之一。

（3）采用新型的防磨措施

鍋爐非順流受熱面的磨損會嚴重影響鍋爐的安全運行，造成的直接危害是使承壓的金屬管子壁厚減薄直至爆管停爐。為了解決鍋爐受熱面磨損，電廠擬對改造的鍋爐燃燒室內受熱面全部使用高鋁質掛磚防磨，鍋爐埋管采用鐵鋁瓷護瓦防磨。

（4）合理布置水冷壁受熱面

爐膛內水冷壁布置得多，煙氣溫度下降得快，不利于細顆粒的燃燒；布置得少，大量的飛灰燃燒可能使煙氣超溫，導致爐內掛焦，電廠擬采用膜式水冷壁加敷設澆注料的方式進行水冷壁受熱面的設計，運行實踐中可以調整，能合理的解決這一問題。

（5）合理布置尾部受熱面

由于燃用劣質煤的鍋爐煙氣量及飛灰量較大，而爐膛內吸熱量少，尾部受熱面須布置較少的過熱器受熱面和較多的蒸發受熱面，這與常規煤種鍋爐是不一樣的，這也是劣質煤燃燒的關鍵技術之一。

（6）爐拱的結構優化

采用重型爐墻，用兩扇膜式壁將爐膛分為三回程。使改造后的鍋爐具備高、低混合流速流化床內的高、中溫兩級分離，兩級回送的功能。

另外電廠還提出一系列配套技術方案來保證超低熱值煤矸石在改造的鍋爐中高效、穩定燃燒。

（1）采用負壓給煤技術替代正壓給煤，解決螺旋給煤機堵煤和給煤不暢問題；

（2）配套改造煙風系統，擴大引送風機能力，保證鍋爐燃燒和鍋爐負壓運行；

（3）利用高含鈣煤矸石進行爐內固硫，降低過路出口煙氣中二氧化硫的濃度，在鍋爐尾部加裝不銹鋼空氣預熱；

（4）利用汽輪發電機冷凝水冷卻鍋爐灰渣，回收鍋爐灰渣余熱，并解決鍋爐間斷人工排渣導致渣管故障頻繁，排渣困難等問題。

綠水洞電廠根據超低熱值煤矸石入爐燃燒發電的實際情況決定根據上述改造技術方案對原鍋爐在利舊原則的基礎上進行改造。改造后的鍋爐保留了原有的汽包、鋼架、減速器、過熱器等設施，擁有高低差速燃燒技術和低磨損的特點。為了保證鍋爐燃燒和鍋爐負壓運行，配套改造煙風系統，擴大引送風機能力；為了回收爐渣余熱，配套改造鍋爐除渣系統。為了解決鍋爐給煤機堵、堵煤的老大難問題，將原來鍋爐的正壓給煤方式改為負壓給煤。

改造后的鍋爐經多次試運行后得出結論：800kcal∕kg煤矸石能夠在鍋爐中燃燒、入爐燃料為1000kcal∕kg的煤矸石時鍋爐能夠滿負荷出力，入爐燃料為1200kcal∕kg的煤矸石時能夠達到經濟效率。經實踐證明改造后的鍋爐能夠穩定、高效燃燒超低熱煤矸石發電。

5.結論

廣能集團綠水洞電廠通過對現有的循化硫化床技術研究，運用高低差速燃燒技術成功的改造了低倍率鍋爐，實現了超低熱煤矸石直接入爐燃燒發電。它不僅提供了一種超低熱值煤矸石發電方式，節約了發電成本還解決了超低熱煤矸石綜合利用問題，具有顯著的經濟效益和社會效益，是小型煤矸石發電技術的重大突破。