煤矸石燃燒過程模型及其在CFB鍋爐設計中的應用

張建春黃逸群張 縵劉愛成楊海瑞呂俊復

(1.太原鍋爐集團有限公司,山西太原 030000;2.清華大學熱能動力工程與熱科學教育部重點實驗室,北京 100084)

0 引 言

煤炭是我國的主要能源,煤炭直接燃燒會造成嚴重的環境污染。分選、分質利用是控制煤炭利用污染的有效途徑[1]。我國的煤炭生產中,低熱值燃料占比較大。煤炭開采、分選過程中產生的大量煤矸石類劣質燃料,其大規模經濟利用方式主要是燃燒發電以及灰渣綜合利用[2-3]。煤礦開采多年遺留下煤矸石山,其自燃也成為礦區的重要污染源,因此國家積極提倡采用循環流化床(CFB)鍋爐燃燒煤矸石等劣質燃料發電的政策[4]。這是我國CFB燃燒技術近年來突飛猛進的根本驅動力,燃燒各種低熱值燃料的CFB鍋爐已經得到廣泛應用。出于技術上和經濟上的考慮,CFB鍋爐的典型燃料是摻燒煤矸石后混合而成的10.468～14.655 MJ/kg的低熱值燃料[5]。但對于8.374 MJ/kg以下的煤矸石,尤其是3.350～6.281 MJ/kg的煤矸石,利用仍然比較困難。

為此,在分析煤矸石的燃燒過程的基礎上,根據模型計算結果,研發了燃燒超低熱值煤矸石(3.350 ～6.281 MJ/kg)的 220 t/h CFB 鍋爐。 4 a的運行結果表明,本文研發的CFB鍋爐具有良好的可靠性和經濟性。

1 煤矸石燃燒過程理論分析

煤矸石灰分極高,當煤矸石顆粒進入爐膛加熱后,水分和揮發分先析出,之后顆粒表面揮發分燃燒,并逐漸點燃剩下的固體顆粒[6]。由于煤矸石的可燃質含量較低,揮發分燃燒釋放的熱量不足以點燃剩下的焦炭,因此超低熱值的煤矸石在一般條件下很難燃燒,只有在流化床條件下,利用大量的高溫床料實現穩定點燃、著火。

煤矸石著火后,燃料顆粒周圍的O2向顆粒的表面擴散,與可燃質反應釋放出熱量。隨著燃燒的不斷進行,灰分包裹在未燃部分(即可燃核)的表面,形成灰殼[7],這層灰殼阻礙了O2向可燃核的擴散以及燃燒反應生成物從可燃核表面向外部空間的擴散(圖1)。燃料熱值越高,通常所含的灰分越低,形成的灰殼結構越松散,灰層的傳質阻力越小。而煤矸石灰殼的結構致密,熱值越低,灰分越高,通過灰層的傳質阻力越大,導致煤矸石的燃燒反應速度很慢。這就是超低熱值煤矸石難以燃燒利用的根本原因。

流化床中煤矸石燃燒的另一個優勢是顆粒之間的碰撞在一定程度上能夠緩解灰殼問題。由于顆粒之間的碰撞、磨損,煤矸石顆粒表面的灰層部分脫落[8],這對燃燒反應必需的氣體擴散是有益的,但這不足以實現煤矸石顆粒的燃盡[9]。不同粒徑的煤矸石具有不同的燃盡時間[10]。因此煤矸石燃燒對粒度有一定的要求。

圖1 煤矸石燃燒形成灰殼結構Fig.1 Ash shell structure formed by gangue burning

假設煤矸石顆粒燃燒反應形成的灰殼不脫落,則可燃質燃燒速度由O2的擴散速率和化學反應動力學參數共同決定。O2擴散到可燃質表面前需要克服兩重阻力:從主流區向煤矸石顆粒外部包裹的灰層表面的擴散阻力以及從灰殼外表面到可燃核表面的擴散阻力[11]。煤矸石顆粒燃燒速率為

式中,Cg為主氣流中O2分壓,kPa;ha為O2在灰層中傳質速率,kg/(m2·kPa·s),根據文獻[12]方法處理;Rc為焦炭化學反應速率系數;hm為主流至煤矸石表面的O2傳質速率,kg/(m2·kPa·s)[13]。

式中,Tc為反應平均溫度,K;K為焦炭燃燒反應的頻率因子,kg/(m2·kPa·s);E為焦炭燃燒反應的活化能,kJ/kmol;Dox為 O2擴散系數,m2/s;Sh為Sherwood數,反映焦炭顆粒邊界層氣體傳質對燃燒的影響[14];φ為燃燒產物中CO和CO2的生成比例[15];dc為焦煤直徑,m;R為摩爾氣體常數。

模型計算中,反應活化能E按照文獻[11]的結果選取,取可燃質反應比例達到99.6%對應的時間為燃盡時間。不同灰層條件下,燃盡時間的模型計算結果如圖2所示,隨著入爐煤矸石顆粒粒徑的增大,燃盡時間顯著增加。灰層的影響非常顯著,對于灰層不太致密的煤矸石顆粒(10 mm),當其停留時間較長時,比如超過104s,基本上能夠燃盡。但當灰層比較致密時,104s內只有粒徑1 mm以下的煤矸石顆粒才能燃盡。因此,CFB鍋爐循環系統的設計中,必須保證顆粒在主循環回路中的停留時間至少不低于圖2中的燃盡時間,才有可能燃盡。

圖2 不同灰層結構各粒徑煤矸石顆粒的燃盡時間Fig.2 Burnout time of gangue in different gray layer structure and particle size

根據設計對象的成灰及磨耗特性[16],采用物料平衡模型可以預測入爐煤矸石不同粒度分布條件下的各粒徑在主循環回路的停留時間[17],進而優化入爐煤矸石粒度分布,對停留時間的影響如圖3所示,優化的入爐煤矸石粒度分布如圖4所示。可見,床存量的提高,利于延長顆粒的停留時間,尤其是粗顆粒的停留時間明顯延長;通過優化入爐煤矸石粒度分布,提高分離器的效率,煤矸石的停留時間得到顯著改善,為純燃超低熱值煤矸石的分離器設計、床存量及一次風機壓頭的選擇、煤矸石破碎入爐粒度的要求提供了依據。由圖2、3可以獲得入爐煤矸石的最大直徑。

圖3 入爐煤矸石粒度、分離器和床存量對停留時間的影響Fig.3 Effect of gangue size,separator and bed inventory on residence time

圖4 入爐煤矸石粒度優化結果和運行實際分布Fig.4 Gangue size optimization and actual operation distribution

2 燃用超低熱值煤矸石的220 t/h循環流化床鍋爐開發

煤矸石的熱值較低(表1),而220 t/h高溫高壓CFB鍋爐的燃料消耗量高達128.24 t/h,鍋爐輸煤系統和排渣系統遠大于同類燃煤機組。若排渣溫度以850℃計,底渣的物理熱損失高達13.6%,因此底渣的熱回收非常重要。由于燃料熱值超低,導致排煙熱損失在排煙溫度135℃時已達9.7%,為了提高熱效率,排煙溫度設計在131℃。鍋爐設計熱效率75%。

表1 煤矸石成分分析結果Table 1 Analysis results of gangue component

為了盡量提高燃燒效率并兼顧低氮排放,床溫設計為886℃。與純燃超低熱值煤矸石的小型鼓泡床鍋爐不同,CFB燃燒的特點集中表現在主循環回路的物料循環上。煤矸石以一定的粒徑分布送入爐膛,細顆粒和惰性床料一同被高溫煙氣攜帶進入分離器進行氣固分離,其中分離出的顆粒通過返料系統送回爐膛,不能被分離器有效捕捉的顆粒以飛灰的形式進入尾部煙道,粗顆粒則以灰渣形式通過排渣系統進入冷渣器。設計燃料下排渣量約65 t/h,配置5臺出力為20 t/h的滾筒冷渣器。CFB的典型流程是主循環回路溫度比較均勻的運行在850～890℃,因此需要根據燃料熱值的差異,調整主循環回路的吸熱份額,設計受熱面,其整體布置示意如圖5所示。

為便于啟動,在爐前煤倉分倉存儲,其中一個煤倉常年存有一定量的熱值為17.573 MJ/kg左右的煙煤,用于啟動或穩定燃燒。煤矸石的破碎按照優化的粒度分布要求進行系統設計和設備選擇,燃料由5個給料管依靠重力落入爐膛。

CFB著火條件優越的原因是爐內存有大量的高溫床料,能夠為煤矸石的著火及時提供所需的著火熱。根據模型計算結果,為了確保床溫的穩定性,在一次風壓頭沒有顯著增加的條件下,采用較大的面積布風板[18](為稀相區界面的80%[15])。為了緩解爐膛受熱面的磨損及延長顆粒在主循環回路中的停留時間,爐膛截面積按額定負荷下流化速度設計為4.4 m/s。布風板到爐膛頂棚的凈距離為29.5 m,顆粒一次停留時間＞6 s。二次風采用大動量設計,前后墻單層布置,利于穿透、強化混合,降低飛灰含碳量。

由圖3可知,提高分離器效率利于延長顆粒在主循環回路中的停留時間,因此設計中采用高效分離器,實現從分離器逃逸顆粒的d50=10～12 μm、d90=50～60 μm。飛灰顆粒較細,可以有效防止對流受熱面的磨損,并結合較低的煙速設計,確保對流受熱面的使用壽命[19]。

CFB鍋爐具有爐內脫硫低成本控制SO2的優勢,前后墻二次風口設置脫硫用石灰石粉噴口。采用低氮設計后,鍋爐排放的NOx大大降低[20],為了保證更大范圍內的達標排放,在分離器入口處設置了選擇性非催化還原(SNCR)裝置,當原始排放超標時,適當噴入尿素溶液,降低NOx濃度。

3 燃用超低熱值煤矸石的220 t/h循環流化床鍋爐運行

燃用超低熱值煤矸石的220 t/h CFB鍋爐搭配50 MW汽輪發電機組,于2013年6月17日通過72 h試驗后投入商業運行。

鍋爐額定負荷下運行風室風壓在10～12 kPa,床溫890℃左右。通過冷渣器的運行方式改變,實現對床溫的控制:加大靠近返料點的冷渣機出力,通過強化排渣排掉一部分細顆粒的存量,達到降低循環量的目的。爐膛出口煙溫、分離器返料溫度和分離器出口溫度均在910℃左右,如圖6所示。

4 a的運行燃料通常為5.652 ～6.700 MJ/kg,是真正燃燒煤矸石的CFB鍋爐(表1)。而且當熱值降低至 3.350～4.187 MJ/kg時,鍋爐仍能穩定運行。運行中,需要嚴格控制入爐矸石的粒徑,但實際粒度控制比較困難,比設計值略粗(圖4)。

經檢驗發現,煤矸石中 Ca含量很高,達26.44%,實驗室試驗表明,其自脫硫效率可達38%;運行中還投入少量石灰石脫硫,實際運行的SO2和NOx排放濃度均滿足當地環保要求。實測鍋爐效率為79.37%,除塵器下飛灰d50＜11 μm、d90＜50 μm,且細顆粒通過排渣排出,反映出分離器的分離效率非常高。排煙溫度122～128℃,尾部豎井過熱器包墻出口處煙氣氧含量為3%～5%,空氣預熱器出口煙氣氧含量為4% ～6%,漏風很小,密封性能較佳。多次取樣分析,底渣的燒失量為1.1% ～2.9%,飛灰的燒失量為1.4% ～2.7%,燃燒效率比較理想。底渣燒失量偏高,與入爐煤矸石中大顆粒的含量偏高有關(圖4)。鍋爐連續運行時間超過3個月,其可靠性甚至優于一些燃煤機組[5]。這是超低熱值煤矸石的經濟規模化消納的有益嘗試,為煤炭的綠色開采和煤矸石資源化提供了支持。

4 結 論

1)煤矸石燃燒過程的模型計算,可以獲得不同粒徑和灰性質煤矸石的燃盡時間,灰分和直徑對燃盡時間影響大;根據成灰特性和物料平衡模型,預測了不同粒徑煤矸石顆粒在CFB中的停留時間,入爐煤矸石粒度分布對停留時間有重要影響;比較燃盡時間及停留時間,獲得了入爐煤矸石的最大直徑和相應的床存量、一次風機壓頭要求,用于220 t/h純燃超低熱值煤矸石的CFB工程。

2)根據模型計算結果,確定了220 t/h純燃超低熱值煤矸石的CFB鍋爐關鍵爐膛參數:流化速度4.4 m/s、布風板深度為爐膛深度的80%、爐膛凈高度29.5 m、大動量二次風、高效分離器等;4 a的運行實踐表明,這些技術措施是有效的,實現了熱值為6.281 MJ/kg左右煤矸石的穩定燃燒和鍋爐帶負荷能力;額定負荷下風室風壓11 kPa,床溫890℃,分離器進出口和返料溫度均在910℃左右;入爐煤矸石熱值甚至降低至3.350 MJ/kg也能穩定運行;實測鍋爐效率為79.37%,主要損失是底渣和排煙損失,底渣和飛灰的燒失量均小于3%;爐內脫硫、低氮設計使SO2和NOx排放量均達到當地排放要求。

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