循環(huán)流化床鍋爐工藝及運(yùn)行方案優(yōu)化房衛(wèi)東

楊洪屹　+王思玉

摘 要：新港公司循環(huán)流化床燃煤鍋爐UG-6.3/350-M是中石油第一臺(tái)燃煤注氣鍋爐，于2011年9月12日投入注汽試運(yùn)行，同年10月25日正式用于油田生產(chǎn)注汽。由于循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)有一定差異且實(shí)際運(yùn)行時(shí)鍋爐的熱效率受到多方面參數(shù)的影響如煤質(zhì)的變化，燃料顆粒度的分布，一次風(fēng)二次風(fēng)的比例等等，因此利用循環(huán)流化床鍋爐環(huán)保的優(yōu)勢對鍋爐的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行研究并優(yōu)化各運(yùn)行參數(shù)使其達(dá)到節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

關(guān)鍵詞：環(huán)保；熱效率；參考標(biāo)準(zhǔn)；經(jīng)濟(jì) 1 循環(huán)流化床鍋爐工藝結(jié)構(gòu)

UG-130/6.3-M鍋爐為中溫次高壓，單鍋筒橫置式，單爐膛，自然循環(huán)，全懸吊結(jié)構(gòu)，全鋼架π型布置。鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層以上室內(nèi)布置，運(yùn)轉(zhuǎn)層以下封閉，在運(yùn)轉(zhuǎn)層7.0m標(biāo)高設(shè)置混凝土平臺(tái)。爐膛采用膜式水冷壁，鍋爐中部是蝸殼式汽冷旋風(fēng)分離器，尾部豎井煙道布置一組對流過熱器和對流管束，對流管束下方布置兩組光管省煤器及一、二次風(fēng)各三組空氣預(yù)熱器。在燃燒系統(tǒng)中，三臺(tái)給煤機(jī)將煤送入落煤管進(jìn)入爐膛，鍋爐燃燒所需空氣分別由一、二次風(fēng)機(jī)提供。一次風(fēng)機(jī)送出的空氣經(jīng)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后由左右兩側(cè)風(fēng)道引入爐下水冷風(fēng)室，通過水冷布風(fēng)板上的風(fēng)帽進(jìn)入燃燒室；二次風(fēng)機(jī)送出的風(fēng)經(jīng)二次風(fēng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后，通過分布在爐膛前、后墻上的噴口噴入爐膛，補(bǔ)充空氣，加強(qiáng)擾動(dòng)與混合。燃料和空氣在爐膛內(nèi)流化狀態(tài)下?lián)交烊紵⑴c受熱面進(jìn)行熱交換。爐膛內(nèi)的煙氣（攜帶大量未燃盡碳粒子）在爐膛上部進(jìn)一步燃燒放熱。離開爐膛并夾帶大量物料的煙氣經(jīng)蝸殼式汽冷旋風(fēng)分離器之后，絕大部分物料被分離出來，經(jīng)返料器返回爐膛，實(shí)現(xiàn)循環(huán)燃燒。分離后的煙氣經(jīng)轉(zhuǎn)向室、過熱器、對流管束、省煤器、一、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器由尾部煙道排出。

2 循環(huán)流化床鍋爐燃燒研究

循環(huán)流化床鍋爐燃燒主要是煤從鍋爐房煤倉通過給煤機(jī)進(jìn)入爐膛密相區(qū)，進(jìn)入密相區(qū)后被爐膛內(nèi)流化的床料加熱（床溫800～900℃）后迅速破碎分解并在一二次風(fēng)的流化和助燃的作用下燃燒放熱的過程。

2.1 燃料粒徑分布的影響

由于循環(huán)流化床的煤粒是原煤經(jīng)過碎煤機(jī)破碎篩分后進(jìn)入鍋爐房煤倉，碎煤機(jī)破碎篩分后的粒徑分布在0～13mm左右，而不同粒徑的顆粒在一二次風(fēng)的作用下在爐膛內(nèi)密相區(qū)和稀相區(qū)停留經(jīng)過的時(shí)間不同，鍋爐密相區(qū)屬于欠氧燃燒區(qū)，稀相區(qū)屬于富氧燃燒區(qū)，因此煤顆粒大小對燃燒有一定影響。

2.2 風(fēng)量（氧量）的影響

循環(huán)流化床鍋爐燃燒主要是煤的燃燒，在燃燒過程中風(fēng)量（氧量）對燃燒的影響主要有：燃燒時(shí)煤粒與氧氣的接觸面；在不同氧量下發(fā)生完全燃燒和不完全燃燒；煤粒燃燒的階段在稀相區(qū)和密相區(qū)燃燒的量不同（不同的床料厚度對于同樣的氧量會(huì)有不同的送風(fēng)量），但由于床料在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)與冷態(tài)運(yùn)行時(shí)風(fēng)量所能帶動(dòng)流化的能力不同，因此冷態(tài)運(yùn)行時(shí)測量的料層在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)沒有具有可比性，所以實(shí)際運(yùn)行時(shí)無法以定量去計(jì)算風(fēng)量（氧量）的影響，只能在完全流化的狀態(tài)下，氧量足夠燃燒的情況下去研究過氧系數(shù)的程度對于燃燒傳熱的影響和環(huán)保等別的影響。

2.3 一、二次風(fēng)比例的影響

一二次風(fēng)比例的影響主要在于對于床料分布在密相區(qū)和稀相區(qū)的份額會(huì)不同，對于同樣的床料而言，當(dāng)一二次風(fēng)較大時(shí)，密相區(qū)床料份額較少，當(dāng)煤進(jìn)入密相區(qū)時(shí)接觸空氣較多，燃燒較完全，會(huì)引起床溫較高，當(dāng)一二次風(fēng)比例較小時(shí)，密相區(qū)床料份額較大，當(dāng)煤進(jìn)入密相區(qū)時(shí)接觸空氣較少，燃燒較不完全，會(huì)引起床溫相對較低。在不同的床溫下煤燃燒生成的產(chǎn)物不同，因此熱量會(huì)有細(xì)微差別。

2.4 運(yùn)行料層及灰濃度的影響

在循環(huán)流化床的燃燒中，爐內(nèi)料層及飛灰是作為一個(gè)惰性不發(fā)熱的蓄熱體存在，對于進(jìn)鍋爐內(nèi)的煤粒起的是加熱作用，根據(jù)國內(nèi)外研究已有的先例，每秒進(jìn)入爐內(nèi)的煤量大約為整個(gè)床料量的百分之一，因此煤燃燒與床料和灰濃度間的關(guān)系主要在于料層的密集度影響煤粒燃燒時(shí)與氧氣的接觸面，和煤燃燒后又構(gòu)成床料及飛灰。

2.5 旋風(fēng)分離器分離效率及返料量控制的影響

如圖1為鍋爐的蝸殼式汽冷旋風(fēng)分離器，其分離效率根據(jù)設(shè)計(jì)在正常運(yùn)行情況下為99.5%，因此煤粒基本燃燒是在尾部煙道前的部分循環(huán)燃燒完全，如圖經(jīng)過分離器分離下來的固體會(huì)存在一部分不完全燃燒的煤粒會(huì)繼續(xù)燃燒再經(jīng)過下圖的返料器，返回爐膛，進(jìn)入爐膛內(nèi)床料進(jìn)行循環(huán)。

圖2為循環(huán)流化床鍋爐的U型返料器，其返料內(nèi)型屬于自然返料，原理是如圖輸送風(fēng)對應(yīng)的料層與松動(dòng)風(fēng)對應(yīng)的料層之間的壓差造成松動(dòng)風(fēng)側(cè)的床料向輸送風(fēng)側(cè)流動(dòng)進(jìn)入爐膛，因此在一定的風(fēng)量和風(fēng)壓下，在鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后其返料量是固定的。

通過以上兩個(gè)方面分析，旋風(fēng)分離器分離效率及返料量控制的影響對于煤燃燒主要在于固定的返料量進(jìn)入返回爐膛后對于床溫的影響從而影響煤燃燒的效率。

2.6 煤質(zhì)的影響

煤的工業(yè)分析是了解煤質(zhì)特性的主要指標(biāo)，從工業(yè)分析來說煤的組成成分有水分，灰分，揮發(fā)分，固定碳。

水分：水分在煤中含量適量時(shí)會(huì)促進(jìn)燃燒，但是當(dāng)水分含量過高時(shí)會(huì)造成水的汽化吸熱過多降低床溫和煙氣溫度。

灰分：煤中的灰分含量過多，相對的煤中的固定碳含量較低，主要影響是引起煤著火較困難，燃盡時(shí)間長從而導(dǎo)致灰渣含碳量增高，機(jī)械不完全燃燒損失增大，灰渣熱損失也增大。

揮發(fā)分：煤中揮發(fā)分高對于煤燃燒時(shí)的影響在于揮發(fā)分燃點(diǎn)低，表現(xiàn)在煤的著火容易，揮發(fā)分析出后在煤粒上留下的空隙就多，煤粒中碳與氧氣的接觸面就大，表現(xiàn)在煤的燃盡時(shí)間短和灰渣含碳量降低。

固定碳：固定碳的含量越高，則煤需要燃燒的氧就越多，但是同樣需要煤粒與氧氣的接觸才能燃燒，假設(shè)一個(gè)煤粒全是碳，則其除表面外的碳無法接觸到氧氣則無法進(jìn)行燃燒反應(yīng)，只能等煤破碎后才能反應(yīng)，反而延長了煤的燃燒時(shí)間，引起灰渣含碳量的增加，導(dǎo)致機(jī)械不完全燃燒損失增大，灰渣熱損失也增大。endprint

2.7 脫硫劑加入對燃燒的影響

鑒于循環(huán)流化床鍋爐的環(huán)保要求，需要在鍋爐運(yùn)行時(shí)加入石灰石進(jìn)行爐內(nèi)脫硫，加入石灰石后，會(huì)影響床溫，從而影響循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率，因此按循環(huán)流化床的最佳脫硫溫度范圍和實(shí)際反應(yīng)時(shí)的鈣硫比，對流化床的燃燒參數(shù)調(diào)整有重要的指導(dǎo)作用。

3 制定優(yōu)化運(yùn)行方案

3.1 對石灰石來料進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控

由于目前石灰石進(jìn)料未進(jìn)行第三方檢驗(yàn)，化驗(yàn)數(shù)據(jù)由供料方提供，因此建議實(shí)行定期對石灰石來料進(jìn)行化驗(yàn)校核，并盡量使用石灰石CaCO3含量高的石灰石進(jìn)行脫硫，可以在一定程度上節(jié)約成本。

3.2 對鍋爐進(jìn)行定期酸洗

雖然鍋爐目前運(yùn)行時(shí)間較短，但是考慮長遠(yuǎn)應(yīng)實(shí)行定期進(jìn)行酸洗，防止鍋爐內(nèi)部結(jié)垢降低鍋爐的熱效率。

3.3 對采油開井?dāng)?shù)及地層壓力進(jìn)行調(diào)控

由于過熱蒸汽在溫度一定，蒸汽壓力越高時(shí)，其焓值相對是在下降的，因此當(dāng)負(fù)荷一定時(shí)，盡量調(diào)控采油開井?dāng)?shù)及地層壓力，可以在鍋爐熱效率不變的情況下降低噸氣耗煤量，從而節(jié)約成本。

3.4 在灰分變化不大的情況下提高煤質(zhì)低溫發(fā)熱量

循環(huán)流化床鍋爐盡量使用低含硫（低于0.5%），高熱值，正?；曳郑?0%）的煤種，可以降低噸氣耗煤量節(jié)約成本。

3.5 增大水冷壁面積

通過本臺(tái)鍋爐的運(yùn)行，可以看出由于床溫較高，需要使用較大風(fēng)量去降低床溫，導(dǎo)致噸汽耗電較高，因此建議下臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，水冷壁面積可在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上再大一點(diǎn)。

3.6 建議對煤進(jìn)行摻混調(diào)配

參考內(nèi)地電廠有對煤進(jìn)行摻混使用，間接改變煤種，因此根據(jù)第四條建議可以進(jìn)行研究。

4 優(yōu)化評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)分析

4.1 優(yōu)化評(píng)價(jià)

流化床已平穩(wěn)運(yùn)行兩年多，各項(xiàng)設(shè)備從改進(jìn)到穩(wěn)定運(yùn)行已基本進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)運(yùn)行，此次研究基本確定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)的范圍，和運(yùn)行參數(shù)調(diào)整規(guī)律。此臺(tái)流化床設(shè)計(jì)型號(hào)為UG-130/6.3-M，比較特別屬于運(yùn)行比較無參考類型的鍋爐，且用煤種相比內(nèi)地流化床使用較多地區(qū)用的煤種為高發(fā)熱量煤種。因此在運(yùn)行特點(diǎn)上有以下幾種變化：運(yùn)行風(fēng)量配比一次風(fēng)：二次風(fēng)約在70：30至60：40之間。調(diào)整床溫上：一次風(fēng)增加床溫，二次風(fēng)減少床溫。出口煙氣溫度100至120℃，低于設(shè)計(jì)溫度140℃。運(yùn)行床溫850±30℃， 低于設(shè)計(jì)溫度920±40℃。

根據(jù)本次研究得出了優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，方便了運(yùn)行員工的操作使用與查詢對比，但目前由于研究時(shí)間短，煤種變化較少，比較局限。后期還需要根據(jù)煤種變化收集數(shù)據(jù)進(jìn)行完善。

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)本次優(yōu)化研究制定出了各項(xiàng)優(yōu)化運(yùn)行措施，以及工況調(diào)整對照表格，規(guī)范了員工的運(yùn)行調(diào)整，防止了員工在煤種變化時(shí)不進(jìn)行及時(shí)調(diào)整導(dǎo)致噸氣耗煤相對的增高，雖然目前煤種變化較少，比較局限。但給出了計(jì)算參考，后期可以根據(jù)煤種變化及時(shí)得出最佳噸氣耗煤量，并根據(jù)耗煤量進(jìn)行對應(yīng)的工況調(diào)整，按年噸氣耗煤指標(biāo)0.155且產(chǎn)蒸汽78萬噸可以節(jié)約：

煤價(jià)按280元一噸計(jì)算

780000×（0.155-0.153）×280=436800元

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