燃用福建無煙煤并摻燒低熱值煤矸的CFB鍋爐設計

張瑞,樊元華

(濟南鍋爐集團有限公司,山東濟南250023)

福建省的煤資源中無煙煤占了98.3%,這種無煙煤結構致密、反應性較差、灰熔點低、熱破碎性嚴重,在鍋爐中燃燒著火困難無法燃盡,不適合作為一般鍋爐的燃料。循環流化床鍋爐燃燒效率高,污染物排放低等優點,特別是燃料適應性廣,可以較好地燃燒福建無煙煤,已經成為當地企業的首選鍋爐。但是如果直接利用常規循環流化床鍋爐燃用福建無煙煤并摻燒低熱值的煤矸石,鍋爐的運行還會遇到很多困難,為了保證鍋爐的熱效率和運行的可靠性,就必須根據福建無煙煤的特點采取相應的技術措施。張志程等曾經為了燃用福建無煙煤對老式循環流化床鍋爐進行了改造[1],本文將介紹燃用福建煤摻燒煤矸石的循環流化床鍋爐一些特殊設計和措施。

本文設計對象是為福建某煤矸石電廠發電機所配的循環流化床鍋爐,鍋爐型號為YG-220/9.8,額定蒸發量220 t/h,額定蒸汽壓力9.8 MPa,額定蒸汽溫度540℃。鍋爐汽水系統采用自然循環,爐膛外集中下降管結構,過熱蒸汽采用三級加熱,兩級噴水減溫方式,使過熱蒸汽溫度有很大的調節余量,以保證鍋爐蒸汽參數。鍋爐通過爐內加石灰石脫硫;設計燃料為II類福建劣質無煙煤和煤矸石的混合物,兩者的比例為45∶55。混合煤的地位發熱量為12 066 k J/kg,工業分析結果見表1。

表1 混合煤的工業分析 質量比%

由煤質分析報告可以看出,這種燃料的灰分大、揮發分少以及燃料灰熔點低,燃燒不當爐膛很容易出現結渣,此外燃料不易燃盡、燃燒不夠充分,以及爐內磨損等問題都應在設計中加以克服。為克服劣質福建無煙煤對循環流化床燃燒的不利影響并達到設計要求,在設計中采取了一系列的措施。

(1)加大床面料層提高物料熱惰性 混合煤中的福建無煙煤著火點高、揮發分少、灰熔點低,燃燒過程中易爆裂、細顆粒含量多,混合煤中的矸石入爐煤量大、吸熱量多、大渣、飛灰排量大、燃燒不充分,采用常規設計無法保證鍋爐燃燒效率。延長入爐煤在爐內的燃燒時間可以充分發揮循環流化床的特點,方案采用大幅度提高物料熱惰性的設計思想,在設計中將床面料層加大,要求即使把一、二次風比例提高到7比3,爐膛內仍然可以保持額定的流化速率,保證摻燒較多煤矸石的混合煤能夠充分燃燒。

(2)采用高溫旋風分離技術 高溫旋風分離是建立熱灰循環系統的最好分離手段,可以大大提高鍋爐的燃燒效率。設計方案采用汽冷和水冷相結合的蝸殼式旋風分離器,其中的蝸殼膜式結構以蒸汽作為冷卻介質;無煙煤的后燃現象比較嚴重,分離器后的立管及U型返料器采用自然循環水冷,可以避免后燃引起返料溫度過高,提高鍋爐的運行安全性。

(3)撤消爐內過熱水冷屏 摻燒煤矸石后爐膛灰濃度大、流化速率高,爐內布置過多受熱面容易造成局部磨損,因此設計中撤消了爐內過熱水冷屏,另外在過熱器后省煤器前布置一組螺旋肋片管蒸發器作為水冷受熱面,這樣在負荷波動煙氣超溫時可以防止省煤器沸騰度超標起到保護省煤器的作用。

(4)過熱蒸汽系統采用雙級噴水減溫 為確保過熱器的安全運行,方案的過熱蒸汽系統采用了雙級噴水減溫方式,從低溫過熱器來的過熱蒸汽首先進入爐前的兩個立置式噴水減溫器,經過減溫器調整汽溫后再送入屏式過熱器。從屏式過熱器出來的過熱蒸汽進入高溫過熱器的左右段,過熱后再分別進入兩個水平布置的噴水減溫器調整溫度,然后進入高溫過熱器的中間管系,合格的過熱蒸汽由集汽集箱輸出。另外減溫器的布置,考慮到了檢修方便。

(5)爐膛壁防磨措施 設計中考慮到燃用福建無煙煤及摻燒煤矸石時,爐膛灰濃度增大,內循環灰量大,貼壁回流灰會對水冷壁和流化室耐火材料結合部加劇造成磨損,因此設計中采用了三種防磨措施。首先對水冷壁管子采用了讓彎技術,在四面水冷壁與耐火材料結合處讓管子向外讓開一定距離,使管子避開磨損區域。其次在讓彎區下的耐火材料部位沿爐膛四周澆注一道防磨圈梁。再次對磨損部位仍采取超音速噴涂耐磨合金材料。采用這三項防磨措施可以確保了水冷壁長期安全運行。另外,由管子組成骨架支撐結構澆注高強度耐磨材料,保證了爐墻安全耐用性,防止了爐墻損壞、倒塌等運行中的故障問題,提高了鍋爐的運行周期。

(6)尾部水平煙道高溫區采用水冷和汽冷包覆結構 這種結構可以充分吸收煙道煙氣的余熱提高鍋爐的熱效率,同時可以避免高溫煙氣燒壞爐內砌筑部件,延長鍋爐壽命,而且爐墻的砌筑簡單經濟。

(7)增加爐膛高度 方案設計的鍋爐,爐膛比常規鍋爐高3 m,降低爐膛空截面設計流速,使小于旋風分離器最低切向旋轉粒徑(50μm)的碳粒子在爐膛內的停留時間超過6.5 s,可以在930℃的均勻溫度場中燃燼。

(8)采用抽引風機后的乏氧煙氣作返料風 為了防止返料器內的后燃現象出現導致返料灰搭橋返料不暢,本方案采用抽引風機后的乏氧煙氣作返料風。同時由于旋風分離器和料腿采用了水冷形式,可以比絕熱的旋風筒溫度降低30～40℃,更有效地杜絕了無煙煤的后燃帶來的危害。

該循環床鍋爐于2006年在福建煤矸石電廠建成投運后,本著循序漸進的原則,以3種不同的工況進行循環流化床鍋爐混燒試驗,工況一為65%無煙煤和35%煤矸石混燒,工況二為55%無煙煤和45%煤矸石混燒,工況三為45%無煙煤和55%煤矸石混燒。其主要試驗數據見表2。

表2 混燒煤矸石的試驗數據

從試驗結果來看,采用不同的混煤比例,該循環流化床都能保持良好的燃燒狀態,沒有出現結焦、塌床等現象,能達到安全、經濟運行的目的。

本方案設計的鍋爐為充分利用低熱值燃料劣質福建無煙煤開辟了廣闊的前景,鍋爐除燃燒煤矸石、劣質煤、混煤以外,還可以用來摻燒其他低熱植工業廢棄物、生活垃圾、生物燃料(農作物秸桿等)以及低熱值的氣體燃料,具有優異的節能減排效果和經濟效益。循環流化床鍋爐采取高溫燃燒技術,排出的大渣和飛灰含碳量低活性好,是良好的制造水泥的添加材料,也可用作建筑、水泥制品及筑路材料,通過這些綜合利用,可為企業創造可觀的經濟效益。

[1]漲志程,黃玉龍,劉國波.燃用福建無煙煤的老式循環流化床鍋爐的改造[J].能源技術,2006,27:175-176.