300 MW循環(huán)流化床鍋爐煤泥摻燒研究

李仁川

摘 要：隨著流化床燃燒技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，循環(huán)流化床鍋爐能夠變廢為寶，實(shí)現(xiàn)煤泥摻燒，極大地提高煤炭資源的綜合利用率，同時(shí)減輕固廢物對(duì)環(huán)境的污染。文章以300 MW循環(huán)流化床鍋爐作為研究對(duì)象，簡(jiǎn)要介紹了其工作原理及燃燒特性，并研究了不同煤泥摻燒比例對(duì)鍋爐系統(tǒng)整體性能的影響，旨在摸索總結(jié)出一套煤泥摻燒的工藝數(shù)據(jù)，在保證鍋爐運(yùn)行參數(shù)的前提下，提升燃煤利用率，降低其對(duì)環(huán)境的污染。

關(guān)鍵詞：300 MW；循環(huán)流化床鍋爐；煤泥摻燒；研究

中圖分類號(hào)：TK229.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）20-0104-02

煤泥是煤礦經(jīng)洗選工序之后所排出的固體廢棄物，具有含水量高、粒度細(xì)以及粘度大等物理特性，遇到下雨或大風(fēng)天氣容易流失飛揚(yáng)，不僅對(duì)環(huán)境造成較大破壞，同時(shí)也浪費(fèi)了其中蘊(yùn)含的煤礦資源。隨著流化床燃燒技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)開始研究煤泥摻燒的可行性，例如四川永榮礦務(wù)局完成了20 t/h循環(huán)流化床鍋爐煤泥摻燒發(fā)電的工業(yè)試驗(yàn)，并取得了良好的成績(jī)。本文以300 MW循環(huán)流化床鍋爐作為研究對(duì)象，簡(jiǎn)要介紹了其工作原理及燃燒特性，并研究了不同給料位置、摻燒比例對(duì)鍋爐系統(tǒng)整體性能的影響，旨在摸索總結(jié)出一套煤泥摻燒的工藝數(shù)據(jù)，在保證鍋爐運(yùn)行參數(shù)的前提下，提升燃煤利用率，降低其對(duì)環(huán)境的污染。

1 循環(huán)流化床鍋爐的工作原理及燃燒特點(diǎn)

循環(huán)流化床鍋爐是基于鼓泡流化床鍋爐的前提下發(fā)展起來的，其基本原理是利用風(fēng)室空氣將燃料惰性顆粒吹起，然后在顆粒重力作用下沉降，在一升一降的過程中，燃料顆粒便如果液體沸騰一般進(jìn)入流化狀態(tài)[1]。由于固態(tài)燃料處于硫化狀態(tài)，鍋爐具備燃燒效率高、脫硫效果好等燃燒特點(diǎn)。

1.1 循環(huán)流化床鍋爐的工作原理

經(jīng)過洗選、破碎、篩分之后的細(xì)顆粒煤燃料由螺旋給料機(jī)輸送至爐膛之中，而煤泥燃料則從爐頂或者爐中進(jìn)入，從而形成固定床層。爐膛空氣由鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)經(jīng)布風(fēng)板后進(jìn)入爐膛之中，并作用于固定床層，將床層燃料向上吹起，由于料層阻力及燃料自身重力的影響，燃料顆粒被吹至一定高度時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)下落現(xiàn)象。當(dāng)空氣速率大于臨界風(fēng)速之后，床層物料便進(jìn)入流化狀態(tài)，由于運(yùn)動(dòng)速率加劇，床層內(nèi)大量的細(xì)小顆粒會(huì)迅速聚集成粒子團(tuán)，隨著粒子團(tuán)的不斷增長(zhǎng)，粒子團(tuán)趨于爐膛邊壁運(yùn)動(dòng)，而邊壁逆著氣流引帶著大團(tuán)粒子朝下運(yùn)動(dòng)，這使得粒子團(tuán)與上升氣流間形成了較大的相對(duì)速度，粒子團(tuán)被氣流重新打散，并隨著上升氣流來到爐膛中間，上升過程中再次形成粒子團(tuán)偏向爐膛內(nèi)部，從而形成團(tuán)聚、下沉、打散、上升的內(nèi)循環(huán)過程。燃燒過后的氣相隨風(fēng)道進(jìn)入旋風(fēng)分離器之中進(jìn)行氣固分離，分離出來的固體顆粒經(jīng)過返料管道再次回到爐膛進(jìn)行燃燒利用，進(jìn)而形成外循環(huán)，整個(gè)循環(huán)流化床鍋爐的工作原理，如圖1所示。在整個(gè)循環(huán)過程中，燃料在爐膛與空氣充分接觸，完全燃燒，整個(gè)爐膛溫度十分穩(wěn)定，極大地提高了鍋爐的燃燒效率。

1.2 燃燒特點(diǎn)

在循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中，由于燃料處于流化狀態(tài)，并且在爐膛內(nèi)、外部均形成循環(huán)，使得其燃燒主要具備以下特點(diǎn)。第一，燃燒效率高。由于煤粉燃料在爐膛中處于懸浮流化狀態(tài)，鼓風(fēng)機(jī)送入的空氣與燃料充分接觸，使其完全燃燒，在很大程度上提高了燃燒效率。一般來說，傳統(tǒng)的火床鍋爐燃燒效率大約在85%～88%之間，鼓泡流化床鍋爐燃燒效率可以達(dá)到90%～95%，而循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率高達(dá)97%以上，幾乎接近于煤粉爐的平均水平。第二，脫硫效果好。為了減少二氧化硫、三氧化硫等酸性氣體對(duì)環(huán)境的影響，鍋爐都會(huì)填充粉末狀的石灰石燃料脫硫劑。就一般鍋爐而言，脫硫劑在爐膛煙氣接觸時(shí)間僅為幾秒，并且脫硫溫度高達(dá)上千度，使得鍋爐脫硫效果欠佳。循環(huán)流化床鍋爐具有內(nèi)、外循環(huán)系統(tǒng)，增加了脫硫劑與煙氣的接觸時(shí)間和面積，并且外循環(huán)還將飛出爐膛的脫硫劑重新返料，進(jìn)一步提升了脫硫效果，實(shí)際可達(dá)80%以上。

2 煤泥摻燒對(duì)鍋爐整體性能影響的研究

常規(guī)的循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)燃料大多為燃煤和煤矸石，此次在床層中摻燒水分含量高、灰度大、粒度細(xì)的煤泥，這對(duì)鍋爐系統(tǒng)的整體性能或多或少會(huì)產(chǎn)生一定影響。在保證爐膛出口負(fù)壓、氧含量以及床壓等條件情況下，現(xiàn)就研究煤泥投入量對(duì)鍋爐各參數(shù)的具體影響。

2.1 對(duì)床溫的影響

在300 MW負(fù)荷條件下，循環(huán)流化床逐步增大煤泥的摻燒比例，同時(shí)對(duì)鍋爐密相區(qū)上、中、下部的床溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所得到的數(shù)據(jù)，見表1。從表1可以看出，在煤泥摻入量逐漸增大的過程中，無論床層哪個(gè)部位的溫度都會(huì)下降，以床層中部溫度為例，摻燒30%的煤泥與不摻燒相比床溫由890 ℃降至850 ℃。當(dāng)爐膛溫度較低時(shí)，煤泥不容易發(fā)生爆裂反而容易團(tuán)聚，最終增加底渣的碳含量，因此往鍋爐爐膛摻燒煤泥時(shí)，要時(shí)刻調(diào)整錐形閥開度來控制床溫處于正常范圍。

2.2 對(duì)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的影響

由于煤泥中水分含量較高，進(jìn)入爐膛燃燒時(shí)，水分迅速汽化，在一定程度上增加了煙氣總量，從而加大引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，其電流也會(huì)相應(yīng)增加。通過對(duì)300 MW循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)驗(yàn)研究，其引風(fēng)機(jī)電流與煤泥摻入量的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)床溫控制在880℃左右時(shí)，未摻燒煤泥的引風(fēng)機(jī)電流為190 A，而煤泥摻燒量達(dá)到30%時(shí)，引風(fēng)機(jī)的電流增長(zhǎng)到205 A，可以看出，引風(fēng)機(jī)的電流隨煤泥摻燒量呈線性關(guān)系。如果循環(huán)流化床鍋爐要進(jìn)行煤泥摻燒，那么在引風(fēng)機(jī)選型上一定要預(yù)留相應(yīng)的裕量。

2.3 對(duì)底渣含碳量的影響

當(dāng)水分含量高的煤泥進(jìn)入爐膛時(shí)，由于爐膛溫度高達(dá)850 ℃以上，煤泥中的水分迅速被蒸發(fā)，煤泥團(tuán)脫水后爆裂，并經(jīng)歷流化燃燒過程[2]。隨著煤泥摻燒比例的不斷加重，部分煤泥團(tuán)并未脫水爆裂參與燃燒，而是從冷渣器排出爐膛，因此使得底渣含碳量上升。煤泥摻燒比例同底渣含碳量之間的關(guān)系，如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)煤泥摻燒比例低于20%時(shí)，此時(shí)爐膛溫度能夠?qū)⒚耗嗝撍眩骰紵自剂繋缀醪蛔儭ｋS著煤泥摻燒比例的不斷升高，越來越多的煤泥來不及爆裂燃燒，便通過冷渣器排出，從而提升了底渣含碳量。

2.4 對(duì)排煙溫度的影響

煤泥的粒徑通常較小，僅有0.2 mm左右，其灰分含量相對(duì)較高，當(dāng)煤泥投入鍋爐爐膛之中后，爐膛整體的灰分將會(huì)大大增加。由于灰分中攜帶著較多熱量，并且粘度較大，進(jìn)入到煙道之后容易積灰，阻礙熱量傳遞交換，從而致使排煙溫度升高。隨著煤泥摻燒比例的不斷加大，鍋爐排煙溫度將會(huì)逐步上升，在吹灰頻率保持一致的前提下，未投入摻燒煤泥的煙道溫度與投入30%摻燒煤泥的煙道溫度之間的溫度相差5～10℃。排煙溫度的不斷上升使得煙氣帶走了大量熱量，直接地降低了鍋爐的燃燒效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

總而言之，隨著節(jié)能減排力度的不斷加大，循環(huán)流化床鍋爐中摻燒煤泥不僅將廢棄資源回收利用，而且減輕其對(duì)環(huán)境的污染，這毫無疑問將會(huì)成為未來發(fā)展的趨勢(shì)。煤泥摻燒對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐的整體性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響，特別是當(dāng)煤泥摻燒達(dá)到一定比例時(shí)，爐膛床溫明顯下降了40 ℃、底渣含碳量增加了一倍多、煙道排溫上升5～10 ℃，這些影響都會(huì)降低鍋爐的燃燒效率。目前我國(guó)中小型循環(huán)流化床鍋爐煤泥摻燒比例可達(dá)50%以上，但是300 MW以上的大型鍋爐的摻燒比例仍不足30%，如何提高大型循環(huán)流化床鍋爐的摻燒比例，提高燃燒穩(wěn)定性，這將是未來發(fā)電領(lǐng)域的重點(diǎn)方向。

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