300MW循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)飛灰和灰渣特性的影響

王璽竣

摘 要： 循環(huán)流化床鍋爐是一種極具環(huán)保性的燃燒技術(shù)，在我國(guó)極具適用性。它采用高效、節(jié)能、環(huán)保的外循環(huán)流化床鍋爐燃煤新技術(shù)，應(yīng)用范圍比較廣，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，NOX排放低，能夠達(dá)到良好的燃燒效果。但是，受運(yùn)行參數(shù)的影響，它在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦、積灰或飛灰含碳量高等問(wèn)題。本文分別分析循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)飛灰和灰渣特性的影響，為其實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐 運(yùn)行參數(shù) 飛灰 灰渣

中圖分類(lèi)號(hào)：TK224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2016）10-0259-02

前言

循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展比較快，它屬于高效低污染清潔燃燒技術(shù)，主要被用以電站鍋爐、廢棄物處理和工業(yè)鍋爐等諸多領(lǐng)域。其應(yīng)用規(guī)模也日漸擴(kuò)大。當(dāng)前，我國(guó)部分火電廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始對(duì)循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，為火電廠(chǎng)工作開(kāi)展提供了技術(shù)支持。研究循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)飛灰和灰渣特性的影響，需先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐概況進(jìn)行明確了解，再?gòu)亩鄠€(gè)層面闡釋具體影響因素，以達(dá)到良好的研究效果，為火電廠(chǎng)后續(xù)各項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性工作的開(kāi)展提供輔助。

一、循環(huán)流化床鍋爐概況

以某火電廠(chǎng)300MW循環(huán)流化床鍋爐為例，它主要由以下三個(gè)部分構(gòu)成：

1.爐膛、汽包和冷渣器。爐膛內(nèi)部包含雙面水冷壁，結(jié)構(gòu)為全膜式。另包括水冷屏、屏式中溫過(guò)熱器、屏式高溫過(guò)熱器和屏式高溫再熱器。爐膛底部是由水冷壁管彎制圍成的水冷風(fēng)室，水冷風(fēng)室底部布置有一次熱風(fēng)道，進(jìn)風(fēng)型式為底部進(jìn)風(fēng)。本爐采用床上點(diǎn)火方式，一共設(shè)置了八支床上點(diǎn)火大功率油槍?zhuān)笥覀?cè)墻各布置2臺(tái)，前墻布置4臺(tái)。主要功能是在鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行點(diǎn)火和低負(fù)荷穩(wěn)燃。鍋爐采用固態(tài)排渣，爐膛底部布置有4臺(tái)滾筒冷渣器，冷渣器冷卻后的爐渣由兩條排渣線(xiàn)排至渣倉(cāng)。

2.水冷式旋風(fēng)分離器和回料閥。3臺(tái)水冷式旋風(fēng)分離器位置在爐膛和尾部煙道之間。3臺(tái)非機(jī)械型回料裝置分別布置在分離器下部。旋風(fēng)分離器的作用是收集隨煙氣流出的飛灰顆粒，在回料裝置中對(duì)其進(jìn)行放置，并在尾部對(duì)流煙道中對(duì)顆粒燃燒形成的煙氣進(jìn)行引入。經(jīng)收集到的固體顆粒會(huì)返回爐膛，再次燃燒。固體顆粒循環(huán)燃燒中離不開(kāi)回料裝置和氣固分離裝置的作用[1]。

3.尾部煙道及受熱面。尾部豎井采用雙煙道結(jié)構(gòu)，前煙道布置有低溫再熱器，后煙道由上至下順序布置有低溫過(guò)熱器和高溫省煤器，向下雙煙道合并，依次布置有低溫省煤器和一臺(tái)四分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出的煙氣經(jīng)過(guò)尾部受熱面和空預(yù)器后，進(jìn)入電除塵裝置進(jìn)行煙氣飛灰分離，飛灰收集在電除塵底部，經(jīng)氣力排灰至灰?guī)?，煙氣?jīng)過(guò)引風(fēng)機(jī)、煙囪排至大氣。

二、循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)飛灰特性的影響

飛灰的孔隙特征比較復(fù)雜，包含表面積、比體積和孔隙率等各項(xiàng)指標(biāo)，與運(yùn)行參數(shù)具有直接相關(guān)性。研究人員可采用分形理論對(duì)它的變化規(guī)律進(jìn)行闡釋。處于循環(huán)流化床鍋爐燃燒背景下的煤會(huì)經(jīng)歷一個(gè)分形維數(shù)變化過(guò)程。它的變化趨勢(shì)是從煤到灰這一過(guò)程中，分形維數(shù)經(jīng)歷著先增長(zhǎng)再降低的變化。它的主要影響因素是煤的揮發(fā)過(guò)程、燃燒過(guò)程和燃盡過(guò)程等。故而，對(duì)飛灰的分形特性和運(yùn)行參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行探討，能夠?qū)唧w燃燒情況進(jìn)行判定，使后期運(yùn)行調(diào)試工作更加科學(xué)、合理。

1.氧量參數(shù)

確定負(fù)荷、一次風(fēng)量和水冷風(fēng)室壓力等指標(biāo)，單獨(dú)變量為氧量，那么氧量增加，飛灰含碳量減少，分形維數(shù)降低。氧量界面內(nèi)，飛灰含碳量和氧量呈線(xiàn)性關(guān)系，假定氧量增加，飛灰含碳量會(huì)呈線(xiàn)性降低。分形維數(shù)和氧量呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系，隨氧量增加而降低。因而，氧量直接影響了峰值區(qū)飛灰含碳量和分形特性。燃燒背景下，可對(duì)二次風(fēng)進(jìn)行改進(jìn)，以調(diào)整氧量[2]。

二次風(fēng)的作用包含兩個(gè)方面：（1）提供充足的氧量，為燃料的后期燃燒提供助力；（2）借助空氣和物料摻混，對(duì)爐內(nèi)稀相區(qū)燃燒情況進(jìn)行控制。飛灰分形維數(shù)表明，飛灰處于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)狀態(tài)，且其結(jié)構(gòu)特性受未燃盡殘?zhí)冀Y(jié)構(gòu)和無(wú)機(jī)質(zhì)晶體機(jī)構(gòu)復(fù)雜性影響。增加氧量，使二次風(fēng)更具穿透性。二次風(fēng)使氧量與煤炭顆粒碰撞加劇，增加煤炭顆粒表面和內(nèi)部燃燒的充分性及均勻性，使飛灰含碳量和分形維數(shù)降低，孔隙更加均勻。

2.一次風(fēng)量

分形維數(shù)隨一次風(fēng)量的增大而降低，飛灰含碳量和床溫則分別呈現(xiàn)增加和升高趨勢(shì)。燃燒過(guò)程中，受一次風(fēng)量影響，物料流化狀態(tài)、密相區(qū)和稀相區(qū)燃燒份額、煤炭顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間發(fā)生改變。增加一次風(fēng)量會(huì)使顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間縮短。如果加強(qiáng)主流物料剛性，物料中心區(qū)域?qū)⒉粫?huì)被二次風(fēng)穿透，以增加飛灰含碳量。反之，增加一次風(fēng)量，會(huì)加快焦炭顆粒燃燒初期的孔隙擴(kuò)張速度。既定尺度界面內(nèi)，煤炭顆粒呈現(xiàn)均勻的孔隙結(jié)構(gòu)狀態(tài)。增加一次風(fēng)量會(huì)對(duì)煤炭顆粒流化性能產(chǎn)生影響，降低飛灰分形維數(shù)，對(duì)顆粒團(tuán)混情況進(jìn)行控制。表明，分形維數(shù)與氧量、一次風(fēng)量和含碳量具有耦合關(guān)系[3]。

3.水冷風(fēng)室壓力

假定工況背景是負(fù)荷200MW、一次風(fēng)量220KNm3/h、含氧量3.5%，對(duì)水冷風(fēng)室壓力進(jìn)行更改，明確水冷風(fēng)室壓力背景下分形維數(shù)和含碳量的具體變化情況。結(jié)果表明，分形維數(shù)和水冷風(fēng)室壓力二者的變化趨勢(shì)是拋物線(xiàn)型，如果增加水冷風(fēng)室壓力，分形維數(shù)會(huì)先降低，繼而升高，拋物線(xiàn)開(kāi)口向上，極值所處位置在10KPa附近。可合理選擇一次風(fēng)量和氧量，以有效控制水冷風(fēng)室壓力對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒的影響。如果一次風(fēng)量和氧量比較低，可選擇高水冷風(fēng)室壓力，故而，特定背景下，含碳量與水冷風(fēng)室壓力成反比。假定水冷風(fēng)室壓力從8KPa增加到10KPa，會(huì)增加煤炭顆粒燃燒程度，孔隙處于良好發(fā)育狀態(tài)，分形維數(shù)降低。水冷風(fēng)室壓力繼續(xù)增加直至12KPa，低一次風(fēng)量和高風(fēng)壓會(huì)增加飛灰內(nèi)循環(huán)。如果飛灰處于爐內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間，燃燒也會(huì)更加充分。但是，一旦機(jī)質(zhì)碳燃盡，品格結(jié)構(gòu)坍塌，受無(wú)機(jī)質(zhì)填充和塑形形變影響，孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，而分形維數(shù)也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)[4]。

4.床溫

在單個(gè)運(yùn)行參數(shù)背景下，分析其對(duì)分形特性的影響，會(huì)呈現(xiàn)一定的趨勢(shì)，但是無(wú)規(guī)律可循。分別類(lèi)舉氧量和一次風(fēng)量對(duì)飛灰分形維數(shù)的影響，前者接近拋物線(xiàn)關(guān)系，后者呈反比例關(guān)系。故而，需以中間變量為依據(jù)，對(duì)受多變量綜合影響的飛灰分形特性進(jìn)行考量。實(shí)踐證實(shí)，床溫即為該中間變量，以此為依據(jù)，采用線(xiàn)性回歸方法對(duì)分形和運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行歸納和總結(jié)。

三、循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)灰渣特性的影響

對(duì)300MW 負(fù)荷以下，不同運(yùn)行工況背景的灰渣樣品進(jìn)行擇取。借助壓汞實(shí)驗(yàn)，對(duì)灰渣分形特征進(jìn)行明確。研究結(jié)果表明，灰渣的分形維數(shù)與3趨近，而飛灰分形維數(shù)則與2趨近，闡明了鍋爐內(nèi)煤循環(huán)燃燒背景下，燃燒產(chǎn)物的微觀(guān)特性會(huì)發(fā)生突變。研究飛灰分形特性表明，峰值區(qū)含碳量與飛灰分形維數(shù)呈反比，即飛灰分形維數(shù)隨著其在爐內(nèi)停留時(shí)間的增加而增大。假定灰渣背景為大顆?；遥中尉S數(shù)會(huì)隨灰渣在爐內(nèi)停留時(shí)間延長(zhǎng)而增加。

負(fù)荷200MW、一次風(fēng)量200KNm3/h背景下，更改氧量和水冷風(fēng)室壓力對(duì)灰渣分形特性的影響。氧量增加背景下，灰渣分形維數(shù)變化背景是先減小后增大。變化特性與水冷風(fēng)室壓力剛好相反。3.5%-4.0%氧量區(qū)間內(nèi)，增加氧量，爐膛稀相區(qū)氧氣濃度和擴(kuò)散能力也會(huì)隨之提高，使細(xì)顆粒燃燒加劇，細(xì)小顆粒飛灰返料量降低。故而，爐膛底部不經(jīng)過(guò)外循環(huán)即進(jìn)行排渣，爐內(nèi)溫度不會(huì)有太大變化，微觀(guān)結(jié)構(gòu)比較均勻，降低了分形維數(shù)。如果氧量增加到4.5%，總風(fēng)量、過(guò)量空氣系數(shù)和爐膛運(yùn)行煙速等指標(biāo)也會(huì)增加，使分離器顆粒逐漸增多，對(duì)外循環(huán)顆粒產(chǎn)生影響，加劇微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化程度，分形維數(shù)也逐漸變大[5]。

特定一次風(fēng)量和氧量環(huán)境下，物料流態(tài)化和物料沿爐膛高度分別會(huì)受水冷風(fēng)室壓力影響。假定水冷風(fēng)室壓力從8KPa增加到10KPa，一次風(fēng)攜帶能力降低，增加內(nèi)循環(huán)，并因稀相區(qū)和密相區(qū)燃燒環(huán)境差異因素，使灰渣微觀(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，增大分形維數(shù)。繼而對(duì)水冷風(fēng)室壓力進(jìn)行增加，使其達(dá)到12KPa，該情況下風(fēng)室壓力比較高，使物料在稀相區(qū)的燃燒呈降低趨勢(shì)，密相區(qū)背景下，焦炭顆粒的燃燒份額增加，環(huán)境并無(wú)太大變化，灰渣微觀(guān)結(jié)構(gòu)差異也不太明顯，降低分形維數(shù)。

溫度處于不斷升高狀態(tài)，分形維數(shù)和灰渣含碳量的變化趨勢(shì)相同。但是，氧量和風(fēng)室壓力的差異性，使分形維數(shù)和含碳量的變化趨勢(shì)相反。由此得出，灰渣含碳量和分形維數(shù)受溫度影響，并且與氧量和風(fēng)室壓力耦合作用具有相關(guān)性[6]。

綜合具體研究背景，對(duì)溫度、氧量、風(fēng)室壓力等指標(biāo)對(duì)灰渣含碳量和分形維數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行考量。耦合作用對(duì)灰渣含碳量的影響程度取決于氧量和床壓，而灰渣含碳量受床溫影響。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用分形維數(shù)描述循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)飛灰和灰渣特性的影響，能夠達(dá)到良好的研究效果。本文著重研究煤、飛灰和灰渣的微觀(guān)特性，繼而對(duì)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)煤的燃燒情況進(jìn)行反應(yīng)，為火電廠(chǎng)各項(xiàng)工作的開(kāi)展奠定良好的基礎(chǔ)，推進(jìn)火電廠(chǎng)內(nèi)部各項(xiàng)工作的順利開(kāi)展。

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