CFB機(jī)組高效燃燒技術(shù)應(yīng)用研究

文/賈堂剛 周文濤

CFB機(jī)組高效燃燒技術(shù)應(yīng)用研究

文/賈堂剛 周文濤

我國(guó)是富煤貧油的國(guó)家，煤炭在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將是主要的電力燃料來源。為防止污染環(huán)境，煤炭洗選過程中所產(chǎn)生的大量煤泥、洗中煤必須要就地處理，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的梯級(jí)利用。在利用這些劣質(zhì)燃料方面，作為清潔燃燒重要技術(shù)手段的循環(huán)流化床鍋爐（CFB）具有先天的優(yōu)勢(shì)。

山東能源集團(tuán)所有電廠均為煤炭坑口資源綜合利用電廠。為優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，挖掘節(jié)能環(huán)保潛力，提高電廠效益，從2001年起就開始在循環(huán)流化床鍋爐上開展煤泥的摻燒工作，并充分利用循環(huán)流化床特點(diǎn)，逐步摸索出以爐內(nèi)煤泥混合電石泥（石屑）固硫，爐外簡(jiǎn)易濕法脫硫相結(jié)合的脫硫方式，在降低電廠污染物排放的同時(shí)有效降低了環(huán)保成本。

一、技術(shù)研究背景

我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐燃用低熱值燃料發(fā)電始于上世紀(jì)90年代初，但根據(jù)已有流化床鍋爐的應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)，無論是采用何種燃料，常用入爐燃料的熱值一般需在12000kJ/kg以上，方可滿足穩(wěn)定、高效燃燒的技術(shù)要求。隨著煤炭洗選工藝的不斷提高，煤泥、煤矸石熱值在逐步下降，洗矸除了作為循環(huán)流化床鍋爐床料的補(bǔ)充外，幾乎沒有利用價(jià)值。

煤泥、煤矸石熱值的不斷降低造成不少資源綜合利用企業(yè)又重回“混燒”的老路上，采用優(yōu)質(zhì)煤與煤矸石、煤泥混合以達(dá)到穩(wěn)定和優(yōu)化燃燒工況的目的。然而，以燃用低熱值煤為目的設(shè)計(jì)的CFB鍋爐，無論其蒸發(fā)量、蒸汽參數(shù)還是與之相匹配的汽水系統(tǒng)，其熱力過程的完善程度都無法與高參數(shù)的常規(guī)電站鍋爐相比，因此將優(yōu)質(zhì)煤用于CFB鍋爐實(shí)質(zhì)上是一種浪費(fèi)。此外，從監(jiān)管角度講，在國(guó)家資源綜合利用政策帶來的利益驅(qū)動(dòng)下，一味追求發(fā)電量的最大化，從而使煤泥、煤矸石與優(yōu)質(zhì)煤混燒的比例嚴(yán)重失調(diào)，最終使資源綜合利用名不副實(shí)，而對(duì)于“摻燒比”的全程監(jiān)管很難做到。

因此，在不斷進(jìn)步的洗煤工藝背景下，資源綜合利用電廠在拋棄熱值偏低的煤矸石的同時(shí)，確保充分燃用煤泥發(fā)電，避免煤泥污染，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源梯級(jí)綜合利用的最佳手段，也是煤礦坑口資源綜合利用電廠賴以生存和發(fā)展的必由出路。

二、CFB鍋爐濕煤泥、干化煤泥與矸石合理配比燃燒試驗(yàn)及分析

鑒于煤泥與矸石熱值的不斷降低造成鍋爐穩(wěn)定燃燒困難，負(fù)荷下降明顯的實(shí)際，山東能源集團(tuán)于2010年著手嘗試對(duì)煤泥進(jìn)行干化預(yù)混提質(zhì)，干化煤泥以傳統(tǒng)給煤方式送入鍋爐進(jìn)行燃燒。通過嘗試泵送煤泥、干化煤泥和煤矸石等劣質(zhì)煤搭配使用，使矸石熱量得到充分利用。

為驗(yàn)證干化煤泥、熟化濕煤泥（煤泥與水添加電石泥攪拌均勻后的煤泥）混合高效環(huán)保清潔燃燒技術(shù)，2014年5月，按干、濕煤泥的不同比例進(jìn)行了三個(gè)工況的工業(yè)性試驗(yàn)檢測(cè)。試驗(yàn)選擇鍋爐額定蒸發(fā)量 130t/h， 額定蒸汽壓力3.82MPa，額定蒸汽溫度450℃，給水溫度150℃，一、二次風(fēng)預(yù)熱溫度150℃，排煙溫度140℃。鍋爐采用爐頂、密相區(qū)兩路同時(shí)給料的方式；其中濕煤泥與電石泥混合熟化后通過煤泥泵送至爐頂入爐，干化煤泥及脫硫劑（石屑）按4∶1預(yù)混后通過皮帶給料機(jī)送至密相區(qū)。

1．石灰?guī)r“異比重流化床”協(xié)同解決脫硫及聚團(tuán)燃燒問題

在試驗(yàn)過程中，根據(jù)煤泥的硫分結(jié)合爐內(nèi)攙加石屑即石灰石（主要成分CaCO3）脫硫的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，石屑以1∶4的比例與干化煤泥混合后入爐。燃燒過程中，一部分石屑在高溫下破碎成小顆粒，成為了主要的床料成分從而形成了 “異比重流化床”，有效避免了煤泥聚團(tuán)燃燒可能造成的“沉底”問題，有利于煤泥聚團(tuán)的燃盡。如圖1所示，就所測(cè)三個(gè)工況而言，燃料中40%～60%的灰分最終以飛灰形式排出，飛灰、爐渣及返料灰的可燃物含量分別為7%～10%、小于1%及3%～5%。爐渣份額與石灰石給入量成正比，而其可燃物含量始終在1%以下，“異比重流化床”的燃燒方式提高了煤泥燃燒效率，在干煤泥適當(dāng)配比的情況下可有效控制飛灰量，在最佳工況（工況1）時(shí)可成功控制飛灰可燃物含量。由此可見，采用“石灰石脫硫配燒干化煤泥”的技術(shù)方案在燃用低熱值煤泥時(shí)是可行的。

圖1 不同工況下的灰渣分布及可燃物含量

2．優(yōu)化干、濕煤泥配比獲得最佳鍋爐效率

從鍋爐反平衡測(cè)試角度看，與常規(guī)流化床鍋爐一樣，燃用干化配制煤泥的循環(huán)流化床其主要的熱損失為固體不完全燃燒損失q4與排煙損失q2。

煤泥經(jīng)干化后形成粒徑5～20mm的小顆粒，在入爐后進(jìn)一步破碎，絕大部分形成飛灰，因此干化煤泥含量增大會(huì)增大燃燒產(chǎn)物中飛灰的含量有利于固體不完全燃燒損失q4的降低；同時(shí)，濕煤泥中的大量水分蒸發(fā)后大幅增加煙氣量，而使得爐膛中的煙氣流速大大增加，從而增加了飛灰的攜帶量，也有利于固體不完全燃燒損失（q4）降低，但是煙氣量的加大會(huì)使排煙損失（q2）增加；另一方面，干煤泥的加入必然減少濕煤泥的投入，有助于排煙損失q2的降低。因此適量添加干化煤泥有利于降低固體不完全燃燒損失q4和控制排煙損失q2。試驗(yàn)顯示干化煤泥的最佳添加比例在50%左右。

圖2 不同工況下的排煙溫度及q2、q4

圖2所示，對(duì)比所測(cè)三個(gè)工況，工況1在實(shí)際煙氣量與排煙溫度均較為合適時(shí)排煙熱損失最低。

3.配燒干化煤泥穩(wěn)定床層溫度提高鍋爐負(fù)荷率

與濕煤泥相比，干化煤泥燃燒所需的著火熱大幅下降，有助于提高和穩(wěn)定床層溫度。對(duì)比三個(gè)工況，床層溫度與干化煤泥的添加量成正相關(guān)，當(dāng)干化煤泥（混合25%石屑）占入爐燃料總重65%時(shí)，床層平均溫度穩(wěn)定在約860℃；隨著干化煤泥量提高到78%，床層平均溫度增至約880℃；而當(dāng)干化煤泥比例降低至56%時(shí)，床層平均溫度降至約820℃，如圖3所示。相應(yīng)地，由于床層溫度及濕煤泥著火熱的限制，當(dāng)入爐燃料中濕煤泥含量較高時(shí)，床溫較低，從而影響鍋爐出力。為維持合理的床層溫度，當(dāng)干煤泥含量為56%時(shí)，鍋爐負(fù)荷率僅為額定負(fù)荷的75%；而在干煤泥含量為78%時(shí)，鍋爐負(fù)荷可達(dá)額定負(fù)荷的96%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明，配燒干化煤泥可以有效提升床層溫度，減緩由低熱值、高含水煤泥引起的負(fù)荷率低下的問題。

圖3 燃料配比對(duì)床溫及負(fù)荷率的影響

三、結(jié)論

綜上所述，采用濕煤泥、干化煤泥與矸石合理配比燃燒可以提高CFB燃燒效率,解決低熱值濕煤泥燃燒效率低的問題，探索出一條循環(huán)流化床鍋爐燃用低熱值煤泥、高效環(huán)保運(yùn)行的新途徑。

（作者單位：山東能源集團(tuán)有限公司）

（責(zé)任編輯：龐永厚）