淺析循環流化床鍋爐灰渣中殘炭量高的原因

王 偉

(新奧集團新能鳳凰(滕州)能源有限公司,山東滕州 277500)

淺析循環流化床鍋爐灰渣中殘炭量高的原因

王 偉

(新奧集團新能鳳凰(滕州)能源有限公司,山東滕州 277500)

針對某省煤化集團大型化工企業循環流化床鍋爐運行過程中出現灰渣中殘炭量高的問題進行詳細地分析,介紹了通過控制與調整燃燒來降低殘炭量的處理經驗,以及實際操作注意事項,以達到提高經濟運行管理與操作水平的目的。

循環流化床鍋爐;灰渣;殘炭含量;控制;調整;燃燒;原因

0 引 言

近年來中國投資大型化工企業建設發展迅速,鍋爐為化工裝置提供動力蒸汽,其經濟運行非常重要。某省煤化集團公司年產52萬噸尿素的大化集團公司,由于天然氣短缺和漲價,2001年4月公司決定用煤替代天然氣,籌建循環流化床鍋爐,來緩解天然氣供求矛盾,自鍋爐建成投產以來,運行基本穩定,由于對循環流化床鍋爐燃燒規律掌握不夠,缺乏優化控制運行經驗,曾長期出現灰中渣殘炭量(渣中殘炭7%～16%,灰中殘炭一直在18%～28%之間)過高的現象,造成鍋爐熱效率下降,運行很不經濟。

為此通過技術人員不斷努力消化吸收循環流化床鍋爐燃燒技術,結合長期實際運行的工況進行分析,合理控制與調整燃燒,摸索總結操作經驗,來降低灰渣中的殘碳含量。

1 鍋爐設備流程介紹

1.1 燃燒、煙氣系統流程簡介

鍋爐大部分的一次風作為流化風通過布風板給入爐膛,小部分的一次風一部分作為給煤機的加壓密封風和播煤風;高壓返料風機提供風量大部分作為返料風,小部分作為送煤風;二次風通過爐膛床層上部三排的21個風咀供入。爐膛采用膜式水冷壁結構,高溫煙氣夾帶部分顆粒由爐膛出口進入2個高溫旋風分離器,分離下來的顆粒經過典型的L型回料閥送回爐膛,熱煙氣夾帶少量細顆粒進入尾部煙道,水平煙道內布置著高溫過熱器,尾部豎井煙道內從上到下依次布置懸吊管、低溫過熱器、省煤器和二級、一級空氣預熱器。預熱器出口煙氣經過除塵器除去飛灰顆粒,再經過引風機排入大氣。

1.2 汽水系統流程簡介

供水車間(40℃)的脫鹽水→除氧器(104℃)→省煤器(320℃)→汽包(330℃飽和水)→下降管→下集箱→水冷壁(飽和水、汽)→上集箱→汽包(汽)→過熱屏→汽冷高溫旋風分離器→一級減溫減壓器(440℃)→低溫過熱器→二級減溫減壓器(480℃)→高溫過熱器→蒸汽母管向外供高壓蒸汽(11.5MPa、540℃)。

2 分析運行工況優化調整試驗參數及結果

燃燒調整試驗以鍋爐常用工況為基礎,測定不同負荷、過剩氧量、床壓、床溫等運行參數和煤質特性對燃燒效率及灰渣中殘炭量的影響,找出相互作用的規律或趨勢。由于該公司鍋爐主要是供汽,熱負荷波動較大,再加上入爐煤質波動較大,粒度不符合要求、風量表選型不當造成風量不準,風量數據用風機電流代替而使風量調整受限。受分析條件限制,燃料煤的粒徑篩分數據未做,排渣中殘炭含量做具體分析,定期分析時均在7%～16%范圍,此次計算時均按設計2%進行計算,這些對于燃燒調整和結果分析均有一定影響。設計數據和燃燒調整試驗主要數據及結果見表1和表2。其中工況9和工況10用的是山西優質煤,其余是鶴壁煤。

表1 設計煤種主要成分表

表2 試驗數據表

3 根據試驗結果分析原因

3.1 排煙氧量的原因

灰中殘炭含量與排煙氧量的關系見圖1。由1圖可知,當排煙氧量增加時,灰中殘炭含量降低。這是由于當排煙氧量增加時,爐內氧濃度相應提高,有利于煤的燃盡,使灰中殘炭含量下降。圖2為鍋爐燃燒效率與排煙氧量的關系曲線,表明隨著排煙氧量增加,燃燒效率上升。但排煙氧量過大會增加排煙熱損失(q2),應綜合考慮不致使排煙熱損失過度增大的前提下,適當提高過剩氧量。大化動力廠CFB鍋爐在運行時,因風量表不準,為確保流化良好,一次風機風門開度較大,造成二次風機風門開度較小,風壓都在5kPa以下,由于壓頭低,二次風的穿透深度和擾動能力差,燃燒室中、上部的核心區域氧量低甚至會出現負氧區,燃燒不充分。

圖1 排煙氧量與灰中殘碳含量關系圖

圖2 鍋爐燃燒效率與排煙氧量的關系曲線

從爐內燃燒情況及試驗結果分析,爐內處于缺氧燃燒狀態,這是目前灰渣中殘炭含量較高的原因之一。

3.2 床壓的原因

試驗期間冷渣器采取連續排渣,控制好床壓,圖3為在負荷85%左右時,灰中殘炭含量與床壓的關系曲線,因測量范圍較小,只作為參考。隨著床壓升高,灰渣中殘炭含量增加升高,床壓升高到一定程度后灰渣中殘炭含量又開始有所降低。床壓的大小間接表明了爐內床層的高低,在一定流化風速下,床壓低時物料燃燒較充分,床壓升高后爐膛內床層相對增高,爐內物料濃度增大,燃燒效率下降,灰渣中殘炭含量升高,繼續升高床壓后,由于使得隨流化風從爐底向上運動的細小煤粒與床料碰撞的幾率增大,難以飛出爐膛,這就延長了細小顆粒在爐內停留時間,提高其燃盡度。運行中在綜合考慮其它因素(如床層良好流化、煤質、煙氣氧量、一二次風配比、合理的風機電耗)的前提下,控制一適當運行床壓,以降低灰渣中殘炭含量。

3.3 煤質的原因

由于廠內可供選擇的煤種有限,試驗煤種不多,但對比效果很好。由表1見,試驗期間燃煤有兩種。一種是山西煤,高熱值、低揮發分、灰分偏低:Qnet.ar=26 835～23 237kJ/kg;w(Vard)=8.0%～10%。第二種煤為鶴壁煤,熱值偏低,揮發分稍高、灰分高:Qnet.ar=22 819～14 833kJ/kg;w(Vard)=10%～13%。這兩種煤均屬于低反應能力的貧煤,其是第二種煤,熱值不高,揮發分稍高但灰分高,影響燃燒,加大了對鍋爐換熱面的磨損。第一種煤揮發分低,熱值高,接近無煙煤,是一種非常難以燃盡的煤種,但相對前一種煤更接近鍋爐設計的煤種。

圖3 床壓與灰中殘碳含量關系圖

要降低灰渣中殘炭含量,提高鍋爐效率,應盡可能采用高熱值、高揮發分的煤種,但也需綜合考慮有關因素,如燃燒、煤價、運費等,這樣才能使營運方式更加合理。

燃煤的粒度分布對燃燒和傳熱也起很大影響,因分析條件受限,未進行粒度分析,從給煤機入口檢查和鍋爐排渣情況看,入爐煤中存在相當多的細位徑顆粒和較大的粗顆粒,中位徑(X50)(2mm)的較少。由于本廠上煤系統采取一級破碎,加之所用煤雜質較多,使得入爐煤的粒度不符合設計要求,一方面存在粒度很大的顆粒,嚴重影響鍋爐的正常流化和安全運行。另一方面入爐煤中細顆粒組分偏高,操作中因防大顆粒造成流化不好而加大流化風量后,造成風速過大,細顆粒煤在爐膛內停留時間縮短,未燃燒完就會被帶出爐膛,使灰渣中殘炭含量升高,還易出現爐膛水冷壁管磨損等問題。

由表2可看出采用山西煤,在一、二次風量適當調整后,灰渣中殘炭含量下降,燃燒效率接近設計值,效果顯著。說明采用鍋爐設計煤種或相近的煤種時,燃燒效果較好。

3.4 床溫的原因

床溫是CFB鍋爐的重要運行參數,從有利于燃燒的角度看,提高床溫是有益的。因為逃離分離器的細顆粒(飛灰)帶走的未燃燒損失是由反應動力控制的,提高燃燒溫度可縮短燃盡時間從而降低灰渣中殘炭含量。因此對于難燃燒煤種,可適當考慮提高床溫以保證燃燒穩定與減少固體未燃燒損失。當然要控制床溫低于煤的變形溫度100～200℃以防止結焦,還要考慮脫硫反應的最佳溫度(850℃左右),因此床溫不宜超過950℃。

3.5負荷的原因

由圖4可以看出,飛灰可燃物含量隨著鍋爐負荷升高而升高,特別是高負荷時。分析原因主要是使用煤種與鍋爐原設計煤種相差較大,發熱量較低,隨著負荷升高所用煤量超過鍋爐的設計給煤量,滿負荷時超過原設計給煤量的40%,這樣就造成煤在爐膛內沒有足夠的空間充分燃燒,對于燃燒速度控制的動力和擴散兩方面都有影響,造成碳粒在爐膛內不能完全燃燒,灰渣中殘炭含量升高。

圖4 負荷與灰渣中殘炭量關系圖

3.6 旋風分離器效率的原因

分離器效率變化對爐膛床料粒度、底渣粒度、燃料停留時間、飛灰和底渣排出比例產生影響。提高分離效率,使更多的細顆粒被收集送回爐膛循環燃燒,增加細顆粒在燃燒室內的停留時間,降低飛灰可燃物含量,提高燃燒效率。本廠的旋風分離器分離效率較差,這也會造成灰中殘炭含量升高。

4 運行處理經驗及預防措施

1)當排煙氧量增加,灰渣中殘炭含量降低,燃燒效率上升。綜合考慮不致使排煙熱損失過度增大的前提下,適當提高過剩氧量。推薦的排煙氧量控制值如下:5.0%(85%MCR);5.5%(65%MCR);6.0%(50%MCR)。二次風風壓低的問題,建議對測風流量計進行改換,確保降低一次風量,增加二次風量,但又不至引起床層結焦,另外可將三排風咀關掉一排以增加二次風的風壓。

2)隨著床壓升高,灰渣中殘炭含量有規律的上升和下降。運行中在綜合考慮其他因素(如合理的風機電耗、煤質、安全)的前提下,可適當控制床壓在8.0～8.5kPa范圍,以降低灰渣中殘炭含量。

3)灰渣中殘炭含量跟煤種也有很大關系。該大化動力廠CFB鍋爐主要燒鶴壁煤,揮發分在12%左右,但灰分含量高,平均在30%以上,跟設計煤種相差較大,造成燃燒不好,特別是高負荷時。要降低飛灰可燃物應盡可能采用鍋爐設計的煤種,但也需綜合考慮各有關技術經濟因素,如:返料溫度、結焦的危險、運行成本、檢修周期及費用、煤價及運費等。要嚴格控制入爐煤粒度<13mm,煤的粒度分布也要符合要求,這樣也可以使得一、二次風的配比得到更有效的優化,達到節能降耗的目的。為此,需要加強燃料設備維護,當破碎機篩板、環錘磨損超標時應及時維修或更換。

4)對于難燃煤種,適當提高床溫可以降低飛灰可燃物。當然要綜合考慮脫硫反應的最佳溫度和煤的變形溫度等,床溫的控制不宜超過950℃。

5)提高旋風分離器的效率,降低飛灰可燃物含量。將入口煙道縮口適當提高分離器進口風速,適當加長中心筒長度都可以提高分離器效率。

5 結 語

總上所述,影響鍋爐熱效率的主要因素為排煙熱損失和固體未完全燃燒熱損失,減少固體未完全燃燒損失主要通過降低灰渣中殘炭含量來實現。該公司動力廠CFB鍋爐設計固體未完全燃燒損失為2.52%,實際在5%左右。因此優化鍋爐運行方式,降低灰渣中殘炭含量,對提高鍋爐的熱效率和經濟運行很有必要。積極消化循環流化床鍋爐燃燒技術,不斷總結摸索運行操作經驗,只有總結和積累才能提高,希望能對管理人員和運行人員有所幫助。

Discussion on High Residual Carbon Content in Boiler Ash For Recirculating Fluidized Bed Boiler

WANG Wei
(Xin′ao Group New to Phoenix(Tengzhou)Energy Co.,Ltd,Tengzhou277500,China)

This article analyzes the reason for high residual carbon content in boiler ash for recirculation fluidized bed boiler.It can be controlled by adjusting the burning.

recirculating fluidized bed boiler;residual carbon

TK229.66

A

1003-6490(2010)03-0038-04

2010-03-25

王 偉(1976-),男,工程師,畢業于河南工業大學化學工業職業學院,負責動力技術管理工作,從事13年一線化工生產管理(9年循環流化床鍋爐、汽輪機技術管理經驗)工作。聯系電話:0632-2225092