300MW循環流化床鍋爐摻燒固廢耦合發電運行技術探索

福建華電永安發電有限公司 許睿明

Y公司現有兩臺300MW循環流化床燃煤發電、供熱機組。其中，7、8號機組分別于2011年、2012年投產。鍋爐采用DG1025/17.4—Ⅱ18型鍋爐與300MW等級汽輪發電機組相匹配，可配合汽輪機定壓或滑壓啟動和運行。鍋爐為亞臨界參數循環流化床汽包爐，自然循環，單爐膛，一次中間再熱，汽冷式旋風分離器，平衡通風，露天布置，燃煤，固態排渣。其工業固廢摻燒項目生產線于2017年5月投入試運行，經系統調試及設備完善后，單條生產線出力可達20t/h，共兩條生產線。

圖1 固廢耦合發電系統流程示意圖

固廢儲存車間的存料通過叉車運輸至拆包區，由拆包人員進行解包；解包后的物料通過叉車進行打散，并由叉車并推至地溝中的鏈板機；鏈板機將物料送至破碎機，物料經過破碎機破碎后落至破碎機出口的出料皮帶；經過均料、除鐵后進入輸送皮帶；輸送皮帶將物料輸送至轉運站；由犁料器將物料犁至發送器內，與高壓輸送風混合后的物料被送入鍋爐旋風分離器J閥的返料腿處，進入爐膛內部燃燒。

1 摻燒固廢對鍋爐運行的影響

1.1 對機組效率的影響

通過機組摻燒固廢比對試驗的數據，發現在摻燒固廢時，機組能耗指標與不摻燒固廢的工況相比較，固廢在鍋爐內的燃燒對于鍋爐效率的影響不大，體現在相同工況下，摻燒與不摻燒固廢的煤耗指標基本接近。而廠用電率的變化較大，分析其原因是固廢系統所使用的氣力輸送，其風壓由高壓羅茨風機建立，輸送風系統壓損失，耗電量大，是摻燒固廢工況下廠用電率大的主要原因。

表1 摻燒固廢工況比對試驗數據

1.2 對煙氣排放的影響

通過進一步比對發現，在摻燒固廢的工況下，機組所使用的石灰石、生石灰、尿素的用量明顯大幅增加，分析是由于固廢輸送系統的穩定性不高，進入鍋爐內的燃料量頻繁大幅波動，導致爐內工況波動大，煙氣排放不達標，最終造成環保耗材的用量大幅增加。在試驗中對比固廢系統投入前后鍋爐煙氣SO2排放指標情況，固廢系統投入后SO2波動幅度及頻次顯著增加。

固廢系統投運前：SO2瞬時排放濃度在0～100mg/m3范圍波動，且SO2瞬時排放濃度超過50mg/m3的次數小于5次/天；固廢系統投運后：SO2瞬時排放濃度波動范圍擴大到0～400mg/m3，且SO2瞬時排放濃度超過50mg/m3的次數均值約在30次/天。分析機組運行歷史數據，發現Y公司自2020—2022年，煙氣排放指標共超國標30次，其中因固廢摻燒擾動造成煙氣排放指標超國標的共有11次，占比33.3%。在煙氣排放超標的小時段，采取停止固廢系統運行的方式來穩定鍋爐煙氣排放，一定程度上限制了固廢的摻燒量。

1.3 對機組設備運行的影響

固廢氣力輸送管道與鍋爐連接的位置在旋風分離器J閥回料腿上，即通過鍋爐的后墻進入爐內。因氣力輸送系統風壓高，折算固廢入爐初速度可達60m/s，對前墻澆注料及水冷壁的磨損明顯加劇。同時，因固廢入爐管的方向近乎垂直于熱一次風（流化風）的入爐方向，對循環流化床的流化狀態起到顯著的擾動，在低負荷、低熱一次風（流化風）量的運行工況下，固廢流量的大幅波動容易引發鍋爐“翻床”現象的發生，威脅機組運行安全。

因固廢物料形狀多呈5cm×10cm左右的長條狀，當前系統中的除鐵器對于物料中夾帶的鐵件處理效果不理想。鍋爐在摻燒固廢長周期運行后，停爐檢修時可清理出1t以上的鐵件，大部分鐵件尺寸呈長條狀，類似于鋼筋，與長條狀的物料纏繞在一起被送進鍋爐后，難以通過鍋爐后墻排渣口排出，從而在密相區變成床料的一部分；部分鐵件纏繞在布風板風帽的孔洞上，對爐內流化產生不良影響。在固廢流量大幅波動時，因鍋爐密相區燃燒減弱，低氮分級燃燒效果變差，空氣過量系數上升，煙氣中NOx的數值明顯增加；為控制NOx排放，SNCR系統的尿素噴槍出力增加的同時，氨逃逸率也顯著增大，從旋風分離器逃逸走的氨分子在空氣預熱器中形成硫酸氫銨，進而造成了嚴重的板結灰[1]。

此外，邱國華、徐鵬志等對該電站鍋爐爐后的板結灰、銹樣進行SEM掃描、能譜分析，研究發現，該電站鍋爐引風機動葉的嚴重的腐蝕來自Cl腐蝕，空預器中的板結灰、脫硫塔后布袋除塵捕集的脫硫灰也出現了Cl元素富集的現象[2]；而煤炭中的含Cl量極其稀少；現場調查發現，固廢中夾帶了很多塑料件，塑料中的聚氯乙烯在高溫燃燒下會分解為HCl，嚴重腐蝕設備，即說明固廢的摻燒加劇了爐后設備的腐蝕。

2 適應摻燒固廢的運行方式探索

從DCS歷史數據可以發現，固廢系統單路運行時，因系統堵塞等因素造成的物料中斷，頻次可達15次/小時；固廢單路運行的皮帶秤瞬時流量在0～60t/h波動。固廢中大部分成分以紡織業邊角料為主，其燃料特性與類似于高熱值的低硫褐煤，其低位發熱量普遍在5000大卡以上，揮發分普遍在80%以上，灰分普遍在10%左右，含硫量在0.1%以下；在實際運行中，相比于鍋爐的設計煤種無煙煤，固廢的燃燒速度極快。

以300MW循環流化床機組帶80%負荷為例，240MW負荷下機組給煤量約120t/h，在固廢系統全出力摻燒的工況下，給煤量最低可減少至60～80t/h，若出現雙路固廢同時斷料的情況，沒有及時補充燃煤，或補充進去的燃煤無法快速燃燒，鍋爐能產生近似與MFT（主燃料跳閘）一樣的現象，嚴重威脅機組安全穩定運行。因此提升固廢系統運行穩定性和優化鍋爐燃燒控制的邏輯成為摻燒固廢運行管理的重點。

2.1 提升固廢系統運行的穩定性

源頭采購方面。目前，市場上固廢供應商大多提供5cm×10cm尺寸的二道破碎料，經廠內破碎機破碎后，固廢尺寸仍不理想。固廢尺寸偏大體現在發送器頻繁堵塞、破碎機入口倉體偶發搭橋的現象上。因此，可從源頭進行改善，通過減小入廠固廢的尺寸，使其盡可能達到5cm×5cm，將對固廢系統運行穩定性有較大的提升。當地河道的水葫蘆、林業產業的廢棄筍殼因尺寸小，摻燒產量也十分可觀。此外，收購尺寸更小的成型燃料棒（RDF）也是一個可選項，但目前市面上RDF的價格高昂，比起燃煤不存在太大價格優勢。

入廠驗收方面。確定來車身份固廢燃料具備合格的轉運單，來源地與聯單所登記的保持一致；來料到廠后，驗收人員應對整車物料進行外觀檢查，料包表面不得夾帶皮、革、塑料等危險廢物，不得出現惡意灌水，來料尺寸、單包重量應符合合同約定標準等。每車進行解包抽查，檢查是否含有金屬類物質、非金屬類硬質材料、易燃易爆、輻射、醫療廢棄物等其他有毒有害物質等；通過完善的固廢驗收管理辦法，保證入廠固廢尺寸合格，品質符合標準。

現場人員方面。現場應規范上料的標準，制定人員行為規范。規定現場叉車推料必須將物料厚度控制在一定范圍，防止破碎機入口搭橋；拆包后的長繩不得直接送入鏈板機，應現場另行破碎后再送入鏈板機，防止出現長繩與物料纏繞發生團聚，在氣力輸送管道中發生堵塞的現象；遇物料有板結或結團時，堆放在專門區域，使用抓車進行抓散后再進行上料作業。

庫存管理方面。與火電廠的煤場管理類似，固廢庫存管理也應遵循“分堆存放，燒舊存新”的原則。現場長期運行發現，堆放時間超過1個月的固廢，其中含有的工業膠水等物質發生性質變化，出現物料板結的現象，曾出現尺寸100cm×50cm以上的板結物料，對現場破碎工作非常不利。同時，對應不同的固廢供應商，對其入廠物料進行分堆存放；可在日后進行物料抽檢，對其含鐵件率、含塑料率進行考核，以約束供應商行為。

2.2 優化鍋爐燃燒控制

2.2.1 燃料配置方面

循環流化床鍋爐的燃料適應范圍廣，但其運行過程中須一定量的循環灰；摻燒固廢運行，應考慮配合燃用高灰分的煙煤、無煙煤。Y公司300MW循環流化床鍋爐配備四個煤倉，每個煤倉對應兩臺給煤機，前墻給煤。摻燒固廢工況下，現場將中間兩個煤倉使用高灰分的煤種如無煙煤，邊上兩個煤倉使用褐煤，主要考慮通過高灰分的無煙煤補充循環灰，同時鍋爐中間區域床溫比兩邊區域高，有利于難燃煤種燃燒；高揮發分的褐煤的使用有利于在固廢流量大幅減少時，入爐后快速燃燒。當煤場庫存缺少高灰分的煤種時，現場不具備燃用高灰分煤種的條件，應視運行工況；若床壓不能維持，循環灰量大幅減少，應投入啟動床料系統進行床料添加。

2.2.2 運行調整方面

摻燒固廢對集控監盤人員的操作要求較高；由于燃煤燃燒時間與固廢燃燒時間存在較大差距，在固廢系統投入運行前，監盤人員需提前減少燃煤入爐量，避免出現固廢與未燃盡的大量燃煤集中燃燒，發生局部“爆燃”現象。由于固廢輸送風從后墻返料腿進入，相應減小后墻的下二次風量，全開前墻下二次風各支管就地手動門，盡量使鍋爐內部風場接近原始設計狀態。上層二次風門根據氧量和床溫情況以及鍋爐負荷盡量開大或全開，以達到循環流化床分級配風燃燒降低NOx產生量。

2.2.3 熱工邏輯方面

Y公司的熱工人員針對摻燒固廢工況改進了機爐協調控制系統，但機組AGC功能在摻燒固廢工況下難以適應。機組協調控制模式下，燃燒自動控制系統主要依據機組汽壓、氧量的同時參考固廢輸送皮帶秤3min流量均值來進行增、減煤操作；存在以下問題。

循環流化床熱容量大，當固廢系統流量大時，汽壓升高，氧量降低，此時燃燒自動控制系統自動減少給煤量，而后固廢系統發生斷料，短時汽壓還處在高位，氧量仍處于低位狀態，固廢輸送皮帶秤均值計算中仍有數值，燃燒自動控制系統并不會增加給煤量，待汽壓下降，氧量回升時，煙氣NOx排放值已大幅超標，此時燃燒自動控制系統逐漸將給煤量增加到超過當前鍋爐負荷所需要的數值。若無人為進行干預，當固廢系統疏通恢復運行后，大量固廢入爐，與超量的燃煤混合發生爆燃，將造成汽壓急劇升高，汽溫、金屬壁溫超溫，鍋爐氧量過低，SO2排放值嚴重超標的后果。

3 系統改進方向

對照當前固廢系統運行中產生的問題，該系統可從設備、熱工邏輯兩個方面進行改進。設備方面：目前發送器頻繁堵料是制約系統產量的關鍵因素。從系統改造的角度看，在發送器上方增設緩沖倉和中心給料機，物料通過輸送皮帶送至緩沖倉，再通過緩沖倉底部的中心給料機將物料推進發送器，理論上能夠減少發送器頻繁堵料的情況。針對長周期運行，大量鐵件沉在爐膛密相區無法排出的情況，需對爐底進行排鐵件功能改造。對于爐后系統的氯酸鹽腐蝕，應從源頭進行燃料分揀解決問題；熱工邏輯方面：繼續優化燃燒自動控制系統，在DCS系統上增設固廢與燃煤的折算系數，使其可實時修改；燃料主控器需跟隨固廢流量，合理地對給煤量進行實時增減，才能使固廢系統與煙氣排放、機組AGC功能相適應。

Y公司的固廢系統升級改造，為循環流化床鍋爐處置生物質、固廢提供了一條簡單易行、成本低、見效快的改造之路；當前系統優化改進后，理論上可實現日摻燒固廢量1000t。其改造之路將為廣大循環流化床機組實現“燃煤為主，固廢為輔”向“固廢為主，燃煤為輔”轉型提供寶貴經驗。