利用飛灰再燃技術優化循環流化床鍋爐運行的研究

蘇昌達

（大唐環境產業集團股份有限公司，北京100097）

0 引 言

五礦電廠拆除2號發電機組后，電廠日常運行方式將由兩爐三機運行方式進行調整，除冬季保證供暖外均為一爐一機方式運行，若對單臺鍋爐進行擴容改造以實現一爐兩機運行可獲得最佳經濟效益，但改造投資較大，而一爐一機運行方式經濟效益較差。在不對鍋爐進行大幅度改造前提下，如何提高單臺鍋爐負荷以滿足一爐兩機運行方式成為急需解決的問題。

五礦電廠2號鍋爐為無錫鍋爐廠生產的UG-75/3.82-M29型中溫中壓循環流化床鍋爐，鍋爐分離器為水冷方形旋風分離器，結構布置簡單、緊湊，但方形水冷分離器也存在分離效率差、飛灰含碳量高的問題。鍋爐日常生產運行中還存在為保證脫硫及脫硝數據穩定不超標而影響鍋爐負荷的問題。

1 飛灰再燃技術概述

飛灰再燃技術是將收集到的飛灰返送回爐膛，實現再次燃燒，延長飛灰中未燃顆粒在高溫區域的停留時間，以便提高其燃盡率，降低飛灰含碳量，從而減少鍋爐機械不完全燃燒熱損失，降低發電標煤耗，提高鍋爐效率。實現途徑主要有2種，一是將飛灰摻入爐膛給煤中，隨鍋爐給煤進入爐膛進行燃燒；二是通過氣力輸送方式直接打入爐膛進行燃燒，該項目采用第二種方式。

2 飛灰再燃技術難點

2.1 飛灰再燃技術解決的問題

（1）提高鍋爐穩定運行負荷。

飛灰再燃通過將收集的細灰再次返送回爐膛進行燃燒，提高了爐膛的物料濃度，增強爐膛上下的傳熱系數，從而提高鍋爐負荷。

循環流化床鍋爐傳熱系數對受熱面而言包括兩部分，即對流傳熱和輻射傳熱。爐膛內的物料濃度是傳熱系數最大影響因素，傳熱系數隨著物料濃度的增大而增大，如圖1所示。

圖1 爐膛內的物料濃度及傳熱系數關系Fig.1 Relationship between material concentration and heat transfer coefficient in furnace

同時，爐膛會濃度越大，則爐膛料層壓差越大（爐膛壓差即料層上部至爐膛出口的壓力差），爐膛差壓是表征流化床上部懸浮物料濃度的量，爐膛上部空間一定的物料濃度，對應一定的爐膛差壓，對于同一煤種爐膛上部物料濃度增加，爐膛差壓值越大，爐膛差壓與鍋爐循環灰量成正比。爐膛差壓與鍋爐負荷的關系如圖2所示。

圖2 爐膛差壓與鍋爐負荷的關系Fig.2 Relationship between furnace differential pressure and boiler load

通過采用飛灰再燃技術，使得循環流化床鍋爐爐膛內的灰濃度增大，傳熱系數提高，即受熱面吸收的熱量多，蒸汽產量就會提高，鍋爐負荷就會增加。

（2）降低飛灰含碳量。

降低飛灰含碳量是飛灰再燃技術的最主要特點，通過二次燃燒，飛灰中未燃盡的碳顆粒在爐膛停留時間延長，燃燒更加充分，從而降低飛灰的含碳量。

（3）實現穩定脫硫脫硝，利于達標排放。

鍋爐爐內噴鈣脫硫主要反應區域為爐膛下部，最佳溫度區為850～950℃，鍋爐日常運行中床溫經常超過950℃，甚至1 000℃，飛灰經爐膛后墻二次風管道返送爐膛正是位于爐膛底部濃相區，返送爐膛的飛灰溫度較低，約為40℃，通過調節返料灰開度大小，可有效控制床溫。同時飛灰再燃也將一部分未反應的脫硫劑粉末一同返送爐膛，確保脫硫效果的同時減少了脫硫劑的用量。

尿素脫硝系統主要反映區域為爐膛中上部，最佳溫度區為850～1 100℃，鍋爐運行中存在反應溫度偏低，煙氣含氧量偏高的現象。采用飛灰再燃技術改造后，通過提高爐膛灰濃度，提高了爐膛頂部的溫度至890℃，較之前平均提高約35℃，提高爐膛灰濃度在總進風量不變前提下降低了爐膛煙氣含氧量，保證了煙氣排放NOX指標合格。

鍋爐脫硫脫硝系統的正常運行，煙氣達標排放，也避免了鍋爐運行中的頻繁調整，更有利于鍋爐穩定運行。

2.2 2號鍋爐方形水冷分離器優缺點分析

（1）分離效率能夠滿足鍋爐運行的需要，鍋爐最高負荷可達75 t/h。

（2）避免了高溫旋風筒的三大問題，高溫結焦、分離器體積大、大量使用耐火材料導致熱慣性大。①筒內承擔一定負荷，高溫物料在分離器雖有二次燃燒，但物料溫度仍降低，不會結焦，分離器工作穩定。②大大簡化結構設計，并使分離器與鍋爐本體很協調的組合在一起，鍋爐極其緊湊。③旋風筒里只敷較薄一層耐火材料，重量輕，能縮短啟動時間。

（3）無高溫連接煙道、密封性能好。

（4）解決了分離器的磨損問題，水冷分離器內的防磨層很薄，又被水冷壁冷卻，耐火材料在較低溫度下抗磨強度提高，其潛在優勢在于局部磨損后，維修極其簡單。

（5）分離器捕捉效率低，導致飛灰含碳量高，最高達21%。較大顆粒隨煙氣進入尾部加劇后部低溫過熱器、省煤器、空預器磨損。

（6）結構簡單尺寸緊湊，鍋爐改造難度大，改造后效果不確定。

2.3 鍋爐擴容改造與飛灰再燃技術比較

針對五礦電廠鍋爐爐型結構，將75 t/h鍋爐擴容為90 t/h，需增加受熱面，并更換效率更高的旋風分離器，改造費用約800萬元。五礦電廠2臺鍋爐型號均為UG75/3.82-M29，爐膛頂部現已布置有高過吊掛屏，再增加受熱面則需將汽包提高，爐膛水冷壁加高。

方形水冷分離器為無錫鍋爐廠與清華大學共同研發設計，年代較早，投產鍋爐數量少，其結構緊湊，鍋爐爐膛與尾部豎直煙道間水平距離窄，將之改為高溫水（汽）冷旋風分離器尚無成熟可參考的案例，改造難度非常大，投資較高且無法保證改造后鍋爐實際運行效果。

飛灰再燃改造則工藝成熟、系統運行安全可靠，維護方便，一次投資費用約80萬元，鍋爐本體及輔機不作任何變動，只占用爐膛后墻1根二次風管道（設有旁路，關閉返送灰時打開，可恢復原狀態）。通過運行試驗，2號鍋爐最高穩定負荷可達82 t/h。

與鍋爐擴容改造相比，飛灰再燃技術投資小，改造效果明顯，達到預期目標，且存在進一步挖潛可能性，優勢明顯。

3 現場實施方案及步驟

3.1 飛灰再燃系統工藝流程

除塵器積灰漏斗底部為灰庫輸灰用料封泵，料封泵出口管道增設輸灰管及切換閥門至儲灰倉,根據灰倉料位計由自動控制系統控制進灰啟停。灰倉出口與給料裝置相連接，利用羅茨風機氣源經輸送管道至鍋爐后墻下二次風口處，進入爐膛內燃燒。飛灰再燃系統設置PLC控制模塊和現場手動控制箱。

3.2 飛灰再燃系統的主要設備

灰倉：即儲灰罐，將收集到的細灰儲存在灰倉中，以保證系統穩定運行，輸灰開度大小可調。

輸灰設備：給料機，設備安裝在灰倉下部，通過調節閥門開度控制飛灰輸送量的變化。

風機：采用變頻羅茨風機作為氣源設備，具有風壓穩定，省電節能的優點。

輸灰管道：包括自除塵器積灰漏斗至儲灰罐，儲灰罐至爐膛的輸灰管道及附屬閥門。根據現場實際，分設A、B兩路輸灰管道，分別連接1號、2號灰斗和3號灰斗，兩路輸灰管道可自由切換。

控制系統：包括PLC控制模塊和就地控制柜，利用儲灰罐料位計可實現自動切換補倉，輸灰管道閥門自動切換箱灰倉進灰或向電廠灰庫輸灰。鍋爐運行人員可在控制室內通過手操器控制飛灰開度大?。▓D3）。

圖3 飛灰再燃系統主要設備示意Fig.3 Main equipment of fly ash re-burning system

灰含碳量平均為12.22%；鍋爐高負荷（穩定80 t/h）時沸中溫度約890～900℃，爐膛出口處溫度約860～880℃，爐膛上下溫差縮小，爐膛上下溫度分布更加均衡，有利于SNCR脫硝。

4 實施效果

改造前后鍋爐運行參數對比，包括固定給煤機轉速狀態下飛灰投/停鍋爐累計蒸汽產量對比表、飛灰投/停飛灰含碳量對比表及飛灰投/停爐膛各部位溫度變化對比表（表1～表3）。

表1 固定給煤機轉速對比試驗Table 1 Comparison test of speed of fixed coal feeder

表3 鍋爐爐膛各溫度變化對比Table 3 Comparison of temperature changes in boiler furnace

在鍋爐3臺給煤機保持穩定轉速前提下，投入飛灰再燃系統后鍋爐每班次鍋爐累計蒸發量增漲明顯，較不投情況下每班（8 h）平均多產蒸汽31.75 t，相當于鍋爐負荷增漲3.97 t/h，增長率為5.44%。

表2 鍋爐飛灰含碳量降低變化Table 2 Change of carbon content reduction in boiler fly ash

投運飛灰再燃系統后飛灰含碳量平均為12.22%，而不投情況下飛灰含碳量平均為13.91%，飛灰含碳量降低比率為12.15%。

根據飛灰再燃系統投運情況，爐膛各部位溫度隨之變化，通過每班各項數據的平均值可得出各部位溫度大致變化趨勢，當投入飛灰再燃系統后，返料溫度上升，沸下溫度略有下降，沸中溫度下降，溫度波動變得更加穩定，整體處于890～920℃。爐膛出口溫度上升明顯，平均升溫33.7℃。

5 效益分析

（1）經濟效益。

飛灰再燃系統投運后，飛灰含碳量降低12.15%，噸標煤產汽量增加6.36%，年節約燃料成本112.4萬元。若后期繼續挖潛改造，能夠實現一爐兩機運行，則經濟效益更加明顯。

（2）環保效益。

飛灰再燃系統投運后，爐膛床溫波動平緩，最高不超910℃，爐膛出口溫度提高，爐膛上下溫度分布更加均衡，有利于鍋爐脫硫脫硝，保證了環保達標排放。

6 結 語

五礦電廠2號鍋爐飛灰再燃項目投資較小，改造效果明顯，鍋爐飛灰含碳量下降，噸標煤產汽量增漲，且爐膛溫度變化更適宜脫硫脫硝反應，有力保證了環保達標排放，降低環保風險。飛灰再燃系統自動化程度高，人員操作簡單，運行可靠，且存在進一步挖潛可能性，具有顯著的直接經濟效益和環保效益。