影響CFB鍋爐煤耗的原因及對策

姜 麗,楊先斌,李 楊,張建仕

(河南晉開化工投資控股集團有限責任公司, 河南開封 475000)

某企業為滿足后續百萬噸合成氨項目的正常生產運行需求,配套建設了5套型號為YG-240/9.81-M5的高溫高壓循環流化床(CFB)鍋爐,該鍋爐是一種高壓、單汽包、自然循環的水管鍋爐,采用了膜式水冷壁、高溫旋風分離器、返料器、流化床組成循環燃燒系統。經過多年的運行、總結、優化,系統具有了良好的穩定性。

隨著我國“雙碳”目標的持續深化,以及煤炭價格的持續走高,企業生產利潤逐漸被壓縮。因此,高效發展成為了企業的發力點,而鍋爐煤耗作為影響企業效益的關鍵因素,尋求降低煤耗的根治之策,成為了企業生產發展的迫切需要。

1 CFB鍋爐工藝概況

1.1 風煙系統

該鍋爐用風主要由1臺一次風機和1臺二次風機供給,空氣經一、二次風機升壓后進入空氣預熱器。經過預熱的二次風進入二次風母管,通過布置在燃燒室四周分層布置的二次風噴嘴進入爐膛,為分段燃燒提供空氣。經過預熱的一次風一部分進入爐膛底部水冷風室,然后通過布風板上的風帽使床料流化,另一部分作為播煤風。而有一部分一次風未經過預熱器,被引至給煤機,形成了密封風。

燃料燃燒后形成的煙氣及攜帶的固體顆粒離開爐膛,切向進入爐后兩側旋風分離器。粗顆粒由于離心力作用從煙氣中分離出來,落入物料回料裝置,由返料器送入爐膛再燃燒;煙氣攜帶細顆粒則通過旋風筒從頂部引出,經混合室進入尾部豎井,從上至下流動,經過各級對流受熱面,進入電袋兩級除塵器,除去飛灰后,再由2臺引風機送入煙氣脫硫系統,隨后經煙囪排入大氣。

1.2 汽水系統

鍋爐給水是由1根DN175主給水管道及2條分別為DN100和DN20輔線構成的給水平臺引至水冷套分配集箱,通過2個水冷套,經省煤器加熱后,由省煤器出口2根引出管送至鍋筒。 給水送至鍋筒后,一部分分配到水清洗裝置,另一部分進入水容積中,給水沿鍋筒縱向均勻分布。從鍋筒下部引出5根Ф325 mm×25 mm的集中下降管,布置于爐前,再由Ф133 mm×10 mm管子引入各下集箱,在爐膛部分形成左、右、前、后及爐膛內屏式水冷壁5個水循環回路,由引汽管送至鍋筒汽空間進行再分離。

經鍋筒分離裝置分離后的蒸汽由鍋筒上8根飽和蒸汽連接管引入頂棚包覆管,再進入懸吊管進口集箱,由懸吊管引入尾部煙道低溫過熱器;經過第一級噴水減溫器減溫后引入屏式過熱器,再引入高溫過熱器低溫段,加熱后經二級減溫進入高溫過熱器高溫段;最后進入高溫過熱器出口集箱。過熱蒸汽由高溫過熱器出口集箱引入爐頂集汽集箱,經主汽閥后送出。

該CFB鍋爐總體系統簡圖見圖1。

圖1 CFB鍋爐總體系統簡圖

2 影響CFB鍋爐煤耗的原因分析

2.1 入爐燃料煤品質

燃料煤是鍋爐熱效率的重要影響因素之一,因此在鍋爐設計時對燃料煤中的發熱量Qnet,ar、全水分Mt、空氣干燥基水分Mad、灰分Aad、揮發分Vad、固定碳FCad、全硫STad等主要成分及燃料煤的粒徑比都有著特定的要求范圍。然而,在實際生產運行活動中,為了確保煤炭供應安全、價格雙穩定,有效平滑煤炭價格波動及供應壓力帶來的成本影響,企業采用長協采購+市場采購的模式,這導致燃料煤的來源廣、品質難以穩定,鍋爐的煤耗受燃料質量、混摻比例等影響出現不規律波動,也影響了鍋爐煤耗的精準調整。部分入爐煤煤質分析見表1。

表1 入爐煤煤質分析

2.2 旋風分離器效率

旋風分離器是CFB鍋爐的核心部件之一,其主要作用是利用離心力作用,將氣固二相混合流態化的煙氣中大量的高溫固體物料從氣流中分離出來,再通過返料裝置送回爐膛參與燃燒,以實現鍋爐燃燒系統的灰平衡和熱平衡,保證鍋爐燃燒的穩定和高效。

根據CFB鍋爐燃燒及傳熱的特性可知,物料循環量對CFB鍋爐的運行有著至關重要的作用。通過調整物料的循環量可以控制大床溫度及爐膛差壓,促進爐膛燃燒溫度場的均勻性、延長物料參與燃燒的時間等,進而提升鍋爐燃燒效率。而物料的循環量主要由旋風分離器決定,因此分離器的效率高低,將直接影響著鍋爐的流化效果及熱效率。

該鍋爐運行數據顯示,爐膛差壓持續降低、返料風壓降低,在停爐檢修時發現旋風分離器經過多年的運行,已出現中心筒過熱變形開裂、錐體澆注料部分脫落缺失、煙窗高寬比失衡等,綜合判斷為旋風分離器受多種因素影響導致效率降低,進而影響了鍋爐熱效率。

2.3 鍋爐的排煙熱損失

根據CFB鍋爐的特性可知,鍋爐排煙熱損失是鍋爐熱損失最主要的部分。該YG-240/9.81-M5型高溫高壓CFB鍋爐排煙溫度設計值為140 ℃,當前運行溫度約為150 ℃。該型號鍋爐設計計算說明中排煙熱損失計算公式為：

Q=(HPY-HLK)(1-q4/100)

(1)

式中：Q為排煙熱損失;HPY為排煙焓,由排煙溫度θPY、排煙處過量空氣系數αPY和排煙比定容熱容CPY計算得出;HLK為入爐冷空氣焓,由αPY、冷空氣比定容熱容Clk、冷空氣溫度θlk和理論空氣量計算得出;q4為機械不完全燃燒熱損失量。

由式(1)可知,排煙溫度每升高10 K,排煙熱損失增加0.6%～1.0%,相應煤耗增加1.2%～2.4%。 因此,該鍋爐的排煙溫度高也是影響鍋爐熱效率的重要因素之一。

2.4 水冷壁的防磨設施

根據鍋爐特性可知,該CFB鍋爐在爐膛內的主要傳熱方式為對流傳熱和輻射傳熱,且傳熱方式會隨著爐膛高度、固體顆粒濃度的變化而變化,具體變化關系見圖2。

圖2 CFB鍋爐傳熱方式沿爐膛高度和固體顆粒物濃度的變化關系

由圖2可知,在鍋爐密相區主要以對流傳熱為主。但是在生產運行中,為了奠定后續化工生產系統安穩運行的生產基礎,該企業以提升鍋爐運行周期為導向,從鍋爐受熱面防磨入手,進行了大量細致的工作,對密相區水冷壁采用了梳型板格柵防磨+熱噴涂相結合的防磨結構,鍋爐運行周期在一定程度上得到了保障,實現了爐均400 d的長周期運行記錄。但是梳型板格柵防磨+熱噴涂相結合的防磨結構必然導致該區域傳熱效率降低,直接影響鍋爐的熱效率。

3 影響CFB鍋爐煤耗的原因及對策分析

3.1 加強煤質管理

針對當前燃料煤采購渠道廣、煤種多的特點,一方面強化煤質管理,對進廠煤種進行更加細致、認真的檢驗工作,盡可能保證煤質符合鍋爐煤質設計要求;另一方面,加強煤種的摻混管理,充分利用煤種分析數據,按照不同煤種的特性,在入爐前進行比例混摻,有效提升多煤種的混摻均勻性,盡可能保證系統的安全穩定燃燒。同時,加強入爐煤的煤質分析,通過提升入爐煤的分析頻次、分析質量,為運行人員提供更為精確的煤質變化情況,為運行人員及時調整用風、煤量等提供精準指引,達到安全、穩定、可持續運行的目的,降低入爐煤煤質的大幅度波動,從而為降低煤耗提供保障。

3.2 構建新型分離體系

根據高溫旋風分離器的工作原理可知,決定分離器效率的主要因素有氣流的初速度、顆粒的沉降速度、離心分離速度、臨界粒徑等[1]。其中,氣流的初速度由爐膛出口負壓、爐膛出口面積、顆粒直徑、顆粒形態等決定,而在爐膛出口負壓不變、入爐煤煤質穩定的情況下,爐膛出口的形態成為了決定氣流初速度的決定性因素。爐膛出口高度不變、寬度減小,氣流速度增加,顆粒的離心速度增加,分離效率和壓力損失增加。而速度不變時,高寬比增加,分離效果也會增加,最佳高寬為2～3。

原旋風分離器進口煙道對物料顆粒加速不利,旋風分離器入口煙氣流速偏低。將進口煙道重新塑形,縮小旋風分離器入口寬度,強化旋風分離器氣流入口氣流速度,同時配合中心筒偏心改造[2],使煙氣和夾帶的物料在進入旋風分離器前得到較大的動量,更好地完成氣固分離,提升旋風分離器分離效果,促進鍋爐增加循環灰量。改造前后的煙窗結構見圖3。

(a) 改造前

(b) 改造后

3.3 降低排煙熱損失

降低尾部煙道煙氣出口溫度,可以有效促進排煙熱損失。一方面將尾部損壞的乙炔激波吹灰器進行修復投運,通過激波振打的吹拉作用,消除尾部受熱面積灰,提升換熱效果,降低尾部煙器溫度;另一方面,利用正壓法加強對空氣預熱器、尾部膨脹節、支撐梁、人孔門等漏風的治理,降低過量空氣系數。同時,通過調整2層二次風的配比,在保證安全運行的前提下,降低下層二次風用量,開大上層二次風,強化二次風的風壓,在調整爐膛燃燒中心的同時強化擾動,從而促進燃料在爐膛內部的燃燒更加充分,提升爐膛內的燃燒效率,降低排煙熱損失。

3.4 改善水冷壁防磨結構

傳熱是鍋爐的根本,因此在保證鍋爐安全運行的前提下,提升受熱面傳熱效率將會增加鍋爐系統出力,達到節能增效的效果。為了降低防磨結構對換熱效果的影響,一方面通過綜合數據的分析對比,采用局部防磨代替全面覆蓋性防磨,對于非沖刷區域用格柵防磨替代噴涂防磨,降低噴涂層對水冷壁管導熱系數的影響;另一方面,選擇導熱性更好、熔覆層與基體結合強度更高的熔覆防腐耐磨技術替代熱噴涂技術,在提升受熱面防磨強度的同時保證傳熱性能。

3.5 智能化系統支持

該企業采取了基于云計算和移動互聯網的技術,在原生產操作系統的基礎上對系統在線生產數據采集進行升級改造。一方面建立了生產報表系統,提升了對裝置的精準感控,為裝置運行提供了決策警示;另一方面對關鍵設備如給煤機等增加溫度傳感系統、高清監控系統,提升對裝置設備的監控管理,并利用系統的感知能力及先進算法,建立了智能巡檢平臺及故障自診斷報警系統,切實提升了裝置的風險防治能力和隱患治理能力,提高系統運行的可靠性和穩定性,為降低生產消耗提供基礎保障[3-4]。

4 結語

CFB鍋爐煤耗的管理是企業提升生產能效、推動企業降本增效的必由之路,也是企業落實煤炭消費減量責任的必然措施。但是,CFB鍋爐煤耗的管理是一項系統化工程,不可能一蹴而就,需要企業對標新時代環保要求,堅持創新驅動發展,通過持續化的精細生產管理、深層次的技術探索,解決鍋爐生產系統中影響煤耗的工藝、設備、管理等方面問題,推動鍋爐生產系統的降本增效,打造企業綜合實力和核心競爭力。