循環流化床鍋爐經濟穩定運行探討

李 星

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱龍宇煤化工)共有6臺高溫高壓循環流化床鍋爐(一期3臺130t/h、二期3臺220t/h)。其中，5臺鍋爐是采用高溫分離、高倍率循環流化床鍋爐技術的循環流化床燃煤鍋爐，1臺鍋爐是采用中溫分離、低倍率循環流化床鍋爐技術的循環流化床燃煤鍋爐，且6臺鍋爐設計煤種全部為本地無煙煤(公司用煤設計指標見表1)。但本地煤炭量供應不足，企業不得不采用外地煤，目前用煤主要有永城城郊煤和順河煤、焦煤的趙固煤、晉煤的寺河礦煤，為了節約成本，也曾摻燒約10%的高硫陽泉煤。在燃煤緊張的情況下，會短期使用新橋煤或者彬縣煤代替。

表1 設計燃煤煤質指標

由于本地無煙煤供應量不足，外地無煙煤采購價格過高，龍宇煤化工為保證鍋爐安全穩定運行，降低鍋爐運行成本，煤炭摻燒實施勢在必得。目前，國內大部分的循環流化床鍋爐降低煤炭消耗在運行過程中采取的一種措施是添加矸石，另一種措施是進行不同等級的煤炭摻燒。國內于20世紀70年代初已經開始混煤嘗試，并取得了良好的經濟效益。

由于燃煤價格約650元/t，低位發熱量約23.027MJ/kg，折算后約0.028元/MJ；矸石價格約160元/t，如果按照0.024元/MJ折算(見表2)，在不考慮其他影響因素的情況下，矸石的低位發熱量在5.65MJ/kg以上，確實具有節約成本的作用。

表2 燃料煤發熱量及價格

也正是基于此，龍宇煤化工近年來不斷嘗試矸石摻燒。

1 燃煤摻燒矸石的實施現狀

為降低燃煤成本，自2018年以來，龍宇煤化工開始嘗試燃煤摻燒矸石，且矸石摻燒量長期保持在20%以上，同時燃煤顆粒度保持在0～40mm。雖然成本有所降低，但是矸石摻燒也帶來了較多問題。

1.1 灰渣含碳量大幅升高

矸石添加后，灰渣含碳量大幅升高，增加約50%(見表3)。由于煤矸石自身密度大、發熱量低(長期在6.28～7.54MJ/kg)、灰分高的特性，大量添加后鍋爐床料厚度增長較快、爐渣排放量加快，導致燃料未來得及燃燒即被排出，同時為保證鍋爐正常流化，勢必提高一次風量；灰分的大量增加又導致床溫下降、爐膛內燃料不能充分燃燒。最終導致鍋爐灰渣含碳量大幅升高、單耗高，鍋爐運行的經濟性較差。

表3 添加煤矸石前后含碳量對比

1.2 設備磨損問題突出

由于煤矸石的高硬度特性，摻燒后風帽、受熱面及耐火材料層的磨損嚴重。

(1)風帽的磨損。風帽磨損主要集中在風帽周邊區域及風帽孔擴孔兩個位置(見圖1)。

圖1 風帽周邊區域及風帽孔擴孔磨損

(2)受熱面及耐火材料磨損。鍋爐受熱面磨損嚴重，特別是一期鍋爐密相區和稀相區交匯的導流板區域沖刷磨損嚴重，100mm長的導流板運行110d左右，磨損至15mm左右(見圖2)，管壁也存在不同程度的磨損。鍋爐受熱面磨損見圖3，鍋爐耐火材料磨損情況見圖4。

圖2 一期鍋爐導流板區域磨損情況

圖3 鍋爐受熱面磨損情況

圖4 鍋爐耐火材料磨損情況

(3)影響鍋爐長周期運行。由于煤矸石硬度大，運行期間受熱面磨損嚴重，導致鍋爐運行周期變短。據統計，9個月內，龍宇煤化工鍋爐運行周期超過100d的僅有3次，最長連續運行周期僅有116d(見表4)。

表4 矸石添加期間鍋爐運行時間表(1～9月)

2 鍋爐經濟運行采取的新措施

矸石摻燒雖然有一定的經濟性，但帶來的后果較為嚴重。龍宇煤化工不得不對煤炭摻燒方式進行優化，并立足園區實際生產情況進行了鍋爐經濟運行的研究攻關。

2.1 用煙煤替代無煙煤

為降低煤炭消耗成本，龍宇煤化工開始嘗試摻燒煙煤。煙煤相較于無煙煤，其發熱量有明顯下降，煤中含碳量少，揮發分多，燃點低。因此，無煙煤中摻燒煙煤會使得床溫升高，可能導致鍋爐超溫結焦。由于原來用的是當地的無煙煤三級末煤，燃煤的顆粒度較小，而摻燒煙煤后煤中可能存在較大的顆粒矸石，導致鍋爐渣管堵塞，床面流化不好，鍋爐結焦。且煙煤較無煙煤灰分增大，煤中的水分增大，也可能導致鍋爐給煤系統異常，鍋爐滅火。具體實施下列優化措施。

(1)優化設備，對鍋爐排渣口進行改造，對冷渣機進口進行密封。升級篩破一體機，保證鍋爐給煤系統穩定運行，煤炭顆粒度要控制在0～10mm。篩破一體機升級后，不僅在煙煤摻燒中起到巨大的作用，還可實現鍋爐小顆粒的矸石添加，經濟效益顯著。

(2)控制鍋爐給煤量上限，不能超過正常給煤量的110%，如果需要加大給煤量，則有兩個要求：第一，一次風機電流在135～140A之間；第二，在2臺冷渣機正常運轉的情況下，鍋爐料層不能超過13kPa。正常應該保持在11.5～12 kPa之間。

(3)鍋爐煙氣再循環要根據鍋爐床溫和NOx指標投入。正常情況下，當鍋爐床溫高于950℃，且氧量超過6%(φ)時，聯系投入煙氣再循環。煙氣再循環調節閥要少量多次調節，鍋爐主操密切監視床溫變化情況，并根據鍋爐煙氣氧含量變化對二次風進行調節。如果床溫下降過快，而蒸汽母管壓力又低，則要增加鍋爐給煤量，并增大二次風量。將床溫穩定在890～920℃；當鍋爐床溫低于900℃，且有繼續下降的趨勢時，要聯系脫硫裝置，逐步關小煙氣再循環，將床溫穩定在890～920℃，退出煙氣再循環時，要調整二次風量，保證煙氣氧含量在4%～6%(φ)。

(4)鍋爐正常運行期間，風室壓力要保持在11.5～12 kPa，不能超過12 kPa。一次風機電流不能低于130A，防止鍋爐床面分層。返料器床上壓力控制在3～5kPa。

(5)鍋爐摻燒煙煤后，煙氣氧體積分數要控制在4%～6%之間。不能低于4%，如果太低，可能會造成渣管口缺氧結焦，影響鍋爐排渣；不能太高，否則不僅不經濟，環保指標也不容易控制。通過逐步提升煙煤摻燒比例，最終煙煤摻燒量達到30%，同時灰渣含碳量也在正常范圍內(飛灰含碳量8.4%左右，渣的含碳量3.6%左右)，達到預期目標。

2.2 尾氣摻燒

目前，廠區有大量尾氣進入火炬系統進行放空燃燒：一是工藝尾氣，如醋酸高壓 CO尾氣和乙二醇 PSA 解吸氣，約5 000Nm3/h，浪費較嚴重；二是氨汽提塔尾氣，約300Nm3/h，此尾氣進入酸火炬燃燒，因為裝置運行負荷的不斷提升，酸火炬處理負荷居高不下，其處理能力有限，隨時都可能影響環保指標。在當前環保政策日益收緊的情況下，對尾氣摻燒進行改造勢在必行。工藝尾氣相關參數見表5，氨氣提塔尾氣相關參數見表6。

表5 工藝尾氣相關參數

表6 氨氣提塔尾氣相關參數

將約5 300Nm3/h尾氣送入220t/h循環流化床鍋爐中進行摻燒，充分利用尾氣的熱量，為企業節約能源，不僅減少資源的浪費，還能促進節能減排目標的實現。

增加兩套尾氣摻燒系統(氨汽提塔尾氣與工藝尾氣分開)，尾氣摻燒系統主要包括摻燒燒嘴、工藝管線、控制系統及連鎖保護系統等。

原本設計控制摻燒系統穩壓閥前尾氣壓力約為200kPa，穩壓閥后尾氣壓力約為60kPa，調節閥后即尾氣氣槍槍前壓力約為30kPa。而在實際運行過程中發現，由于尾氣壓力不穩定，穩壓閥前尾氣壓力約5～30kPa，導致尾氣氣槍槍前壓力過低(最低時只有1kPa)，遠低于設計值，且低于爐膛煙氣壓力。

這種情況下，可能會造成爐膛內高溫煙氣倒灌至摻燒系統，損壞該系統。因此，為保證摻燒系統的安全，嚴格要求操作過程中槍前壓力不能低于6kPa，最終系統平穩運行至今。

項目實施后，0.2MPa約5 000Nm3/h的醋酸和乙二醇尾氣以及300Nm3/h氨汽提塔尾氣實現了完全回收。

2.3 鍋爐燃煤摻燒污泥、矸石

經過前幾年的矸石摻燒經驗，龍宇煤化工對矸石摻燒方案進行了優化。同時隨著該公司園區化管理日益精細，區域污水廠及二期污水站因污泥含水率較高(80%～85%)，原外部污泥處置合作單位不能繼續接收處理。如何有效處理尾廢，既能達到無害化、穩定化以及減量化的目標，又能產生一定經濟效益，是企業思考的方向。

而結合燃料煤、水廠污泥、脫硫壓濾泥和矸石的特性，將其摻燒到鍋爐內部的方法，無疑成為解決企業當前污泥處理與環保達標排放的重要手段。

2.3.1 矸石摻燒

鍋爐所需矸石發熱量不得低于7.54MJ/kg，僅添加5%～10%，同時，篩破一體機投入運行后，鍋爐燃煤顆粒度下降明顯(基本保證在0～15mm左右)，通過優化矸石摻燒方案，目前1#、3#鍋爐運行周期已突破180d，2#鍋爐由于設備故障停運(運行120d)，5#鍋爐已運行超過130d，6#鍋爐已突破160d，這也是近兩年來多臺鍋爐同時實現長周期運行的項目。

2.3.2 污泥摻燒

由于污泥的含水量較高(80%～85%)，直接摻入燃料煤種(煤粒度小)易結塊，造成鍋爐堵煤。

經測算，以煤矸石的發熱量為7.54MJ/kg、脫硫污泥和水處理污泥無發熱量分析，按20∶1∶1比例均勻摻和進行破碎，破碎后混合物的發熱量確保在6.7MJ/kg以上。將鍋爐燃料煤、矸石污泥混合物按照10∶1的比例均勻摻配，確保入爐煤的發熱量在19.68MJ/kg左右。通過以上配比，入爐煤中矸石占總比例約8%、兩種污泥共占比例1%、煤占比例約91%，發熱量可達19.68MJ/kg左右。

因此，污泥可先與煤矸石摻配后再與燃煤摻燒，且添加的煤矸石(含二級末矸)發熱量不應低于8.37MJ/kg，粒度控制在0～8mm之間，添加量不宜超過10%(如燃煤發熱量低于20.1MJ/kg，建議不再添加矸石)，否則會造成設備磨損和單耗高。

若污泥直接摻配到燃煤當中，一是要控制煤泥的含水率不高于85%，二是摻配比例不高于1%，否則燃煤易結快，有堵煤的風險。目前采取的即為這種措施。

3 產生的效益

(1)煙煤摻燒后，每天可節約無煙煤100t，按照無煙煤600元/t計算，每年運行300d，僅此一項可節約1 800萬/a。

(2)尾氣摻燒后，經計算可節約燃煤1.128t/h(低位熱值按19.608MJ/kg)，則每年可節約9 024t煤(8 000h計)，煤按 600元/t計算，此項可節約節約541萬元/a。

(3)原煤發熱量22.61MJ/kg，單價600元/t，煤矸石發熱量8.37MJ/kg，單價40元/t，摻燒矸石后，按照矸石摻燒量15%計算，折算出煤的價格為516元/t，煤能節約28元/t。鍋爐日常消耗燃料煤約1 050t/d。運行300d計算，每年可節約882萬元/a。

(4)污泥摻燒后，環保效益顯著，大大降低了污泥處理的費用。

綜上所述，鍋爐經濟運行研究項目可為企業降低成本超過3 200萬元/a，效益顯著。

4 結語

龍宇煤化工在鍋爐經濟運行方面進行了大量的實驗操作，獲得了較大的成功，同時摻燒煙煤的成功經驗更是在園區內部氣化爐中進行了實施，成效顯著。