燃煤鍋爐改水煤漿鍋爐的探討

文 // 趙旭 青島特利爾環保鍋爐工程有限公司

隨著環境問題和能源問題日益嚴重，采用潔凈煤技術，既能提高鍋爐的熱效率，又能減少環境污染。因此，常規循環流化床燃煤鍋爐改造為燃水煤漿鍋爐成為現在的一個發展方向。但使用循環流化床鍋爐燃燒水煤漿會對爐膛的換熱、循環物料的使用等產生影響，因此，本文主要根據水煤漿的特性和循環流化床鍋爐的特點，對燃燒水煤漿鍋爐的換熱、物料循環等問題進行探討。

1 水煤漿的主要特性

（1）水煤漿被俗稱為液態煤炭產品，由65%的不同顆粒分布的煤和34%的水及1%的添加劑的混合物。其低位發熱值為17000～19000kJ/kg，水分高（30%）、灰分低(＜10%)。

（2）水煤漿燃燒穩定、充分、爐膛充滿度好，燃燒效率達96%～98%；鍋爐熱效率可達90%。

（3）水煤漿為液體，罐裝和管道輸送，不需要大的推煤場地以及鏟車等設備，減少了占地面積和輸送、存儲過程帶來的損失和污染。

2 水煤漿鍋爐改造中遇到的問題

2.1 爐膛傳熱問題

懸浮燃燒的水煤漿，進入爐膛后迅速形成較大的顆粒團，在流化床內較高的斷面熱負荷下實現高的燃燒效率。水煤漿由于其含水分高，因此著火比煤粉爐延遲，火焰溫度也低。但由于水分有增加燃燒的作用，因此水分對燃燒效率影響不大。但其燃燒生成的煙氣量要比同等常規循環流化床鍋爐的煙氣量要大很多，這就導致熱力計算中爐膛的傳熱系數偏高，也就是在實際水煤漿鍋爐運行中，傳熱系數較低，導致爐膛受熱面吸熱量不足，同時由于水煤漿灰分的含量少，所以固體顆粒間的傳熱量也會降低，這樣就會更大限度地減少鍋爐爐膛的傳熱系數，所以在爐膛的設計改造中，選取一個合適合理的傳熱系數尤為重要。

循環流化床鍋爐中的傳熱包括氣體與固體顆粒間的傳熱，床層與水冷壁間的傳熱，床層與爐內埋管間的傳熱或外置式換熱器中鼓泡床層與埋管間的傳熱，以及旋風分離器或其他一次分離器內的傳熱。鍋爐中傳熱面的大小與分布對鍋爐熱效率及其熱量輸出影響很大，但是由于實驗困難以及商業機密不愿公開的原因，目前文獻報道的有關循環流化床鍋爐的傳熱系數數據相當少。

考慮到由于水煤漿燃料水分的增大，燃燒生成的三原子氣體的數量也急劇增大，這樣對于鍋爐的輻射傳熱會有益處。因此，筆者根據對75t/h燃煤循環流化床鍋爐的改造設計和運行研究發現，燃用水煤漿鍋爐傳熱系數要比普通燃煤循環流化床鍋爐的傳熱系數小一些，因此為保證鍋爐的額定出力，需要增加燃煤鍋爐爐膛的受熱面。

2.2 過熱器、省煤器和空氣預熱器等受熱面的問題

當鍋爐的燃料改為水煤漿后，煙氣量較燃煤循環流化床鍋爐增加不少，而原有尾部煙道截面積的不變，勢必造成煙氣流速的增加，從而給尾部受熱面帶來兩方面問題：第一，由于煙氣流速的增加造成的磨損，導致受熱面管系的使用壽命的降低。第二，煙氣流速過快，將導致傳熱系數的下降。簡單的說，就是導致尾部受熱面吸熱不足，進而導致鍋爐達不到額定的出力和汽溫要求。

對于空氣預熱器來說，由于水煤漿的水分高，通常需要較高的空氣預熱溫度來輔助燃燒，這樣空氣預熱器就需要認真核算其吸熱能力，這也是燃煤鍋爐改造水煤漿鍋爐的一個重要課題。

因此，在改造設計中，需要考慮增大管束的節距來適當降低煙氣流速，達到循環流化床燃煤鍋爐的煙氣流速。對于空氣預熱器，由于常規的循環流化床燃煤鍋爐的空氣預熱器煙氣流速偏低，可以不進行更改，流速的適當增大，會強化傳熱效果。

2.3 床料的選擇

在燃用水煤漿燃料時，大都采用石英砂作為循環流化床床料，對于改造鍋爐來說，帶來以下三方面的問題：第一，磨損問題。石英砂密度大，達2.6×103kg/m3，在循環過程中，石英砂對爐膛、分離器，特別是對尾部的過熱器、省煤器的磨損特別嚴重，大大降低了受壓部件的使用壽命，進而影響鍋爐的運行時間。因此，選用高位給料的方式，采用爐渣作為床料，降低鍋爐受壓部件的磨損，可以提高鍋爐的運行時間，帶來更大的經濟收益。

第二，循環灰的問題。由于水煤漿燃料中灰分少（＜10%）,根本達不到循環流化床鍋爐運行時需要的循環灰的灰量，所以，需要從床料上解決循環灰量不足的問題。采用爐渣作為床料，便很好的解決了這個問題。通過對75t/h改造鍋爐的研究發現，爐渣的添加量為300kg/h。

第三，選用石英砂作為底料，通過計算，料層的阻力將會增大很多，這就勢必要求對原有鍋爐的風機進行重新選型配置，對于用戶的改造費用將會增大。

3 煙氣排放

水煤漿燃燒同其他燃煤過程一樣，也會產生飛灰顆粒物、SO2、NOx等大氣污染物。但由于水煤漿中的煤粒在制備過程中進行了洗選，以及水煤漿循環流化床鍋爐燃燒溫度低等原因，使得水煤漿燃燒的污染、排放情況要遠好于普通燃煤鍋爐。

3.1 飛灰及硫化物的排放

水煤漿燃料由于其灰分少（＜10%）、含硫分低（＜0.5%）,所以其飛灰顆粒物、SO2的排放數量都比普通燃煤鍋爐明顯要低。同時因為循環流化床鍋爐自身的加石灰石爐內脫硫技術的應用，會使水煤漿循環流化床鍋爐的硫化物排放滿足國家的標準要求。

3.2 氮化物的排放

水煤漿的火焰溫度以及循環流化床鍋爐的床溫通常比相同煤種煤粉低200℃左右，根據燃煤過程中NOx的生成機理，將有助于抑制NOx的生成。同時結合循環流化床鍋爐分段配風的技術以及SNCR脫銷技術，將可以保證鍋爐的NOx的排放量達到國際的環保要求。

4 結論

燃煤鍋爐改造為水煤漿懸浮循環流化床鍋爐在技術上是可行的，但在改造設計中，需要仔細考慮其高水分、低灰分而引起爐膛傳熱系數的變化，以及由于煙氣量增大對爐膛、過熱器、省煤器以及空氣預熱器的影響，同時注意在風機選型中的配套問題。