煤泥在新型流化床鍋爐中的資源化利用

肖凱華 李 悅 姬 鵬 劉建國

1中國船舶重工集團公司第七一一研究所

2上海交通大學機械與動力工程學院

0 引言

煤泥是煤炭洗選加工后的副產物，具有高灰分、低熱值、粘性大及熱物理性質不穩定等特性，其利用率低。隨著我國環保要求的提高，大力發展潔凈煤技術，在洗煤過程中添加大量介質粉，直接導致煤泥的熱值下降，使用價值降低。雖然煤泥熱值較低，但仍然含有大量可燃成分，直接丟棄填埋不僅對環境造成污染，而且也是對資源的浪費。在國家大力倡導循環經濟發展的同時，科研工作者十分重視低質能源的資源化利用，其中煤泥新型流化床燃燒處理技術有發展前景，該技術可變廢為寶，可解決因煤泥堆放制約煤炭的生產問題，實現資源再利用和環境保護的雙重效益[1]。煤泥作為燃料使用，具有較大的經濟效益。某公司生產線新安裝飽和蒸汽20t/h煤泥新型流化床鍋爐，運行燃料為含水率30%的煤泥，鍋爐連續穩定運行，當負荷大于70%時，鍋爐熱效率大于85%。鍋爐每小時耗煤泥量3．4t，煤泥價格150元/t，若采用原煤，煤價為420元/t，熱值5 500大卡/kg，耗煤量2t/h，每t蒸汽燃料成本節省16．5元，按年運行7 200h，平均負荷70%計算，每年節約燃料成本237．6萬元，經濟效益明顯。

1 煤泥的燃料特性

低位發熱量是影響煤泥焚燒處理的關鍵因素，表1給出了兩種煤泥樣品工業測試和元素分析結果。測試結果給出煤泥樣品的低位熱值約為3 300kcal/kg。

煤泥的灰熔融特性溫度是鍋爐設計的重要參數，決定著鍋爐床溫的上限[2]。對兩種煤泥試樣進行灰熔融特性試驗研究，試驗結果見表2。從表2可見煤泥的變形溫度(DT)大于1 100℃，而一般流化床鍋爐的運行溫度在850℃～950℃范圍內，因此該煤泥適合采用流化床鍋爐燃燒方式進行處理。

表2 煤泥灰熔融特性

2 新型煤泥流化床鍋爐介紹

新型煤泥流化床鍋爐采用先進燃燒技術，該項技術將異重流化床技術與差速流化床技術有機結合，并根據煤泥特性制備煤泥膏體燃料，提出煤泥新型流化床鍋爐技術。該技術可保證低品質的煤泥在爐膛中實現可持續穩定燃燒，使煤泥中化學能轉化為熱能產生蒸汽后被利用。

2.1 新型流化床鍋爐技術的工作原理

煤泥新型流化床鍋爐技術選用異徑石英砂作為床料，根據爐膛內床料分布顆粒濃度不同分為密相區和稀相區。煤泥顆粒進入爐膛內水分瞬間被蒸發，干顆粒在床料的打磨沖擊作用下再次分解成更小的顆粒，在爐膛內燃燒分解。煤泥燃燒產生的飛灰通過爐頂內置漩渦分離器進入轉折煙道，小部分飛灰被對流管束攔截，通過落灰管排出，剩余飛灰隨煙氣流出爐膛。煤泥中無法燃燒的雜質可通過爐膛中的落料管排出。爐膛內置返料裝置，使未燃盡的大顆粒煤泥重新回到爐膛中進行燃燒，增加了燃料在爐膛燃燒的時間，減少了物料的損失，保證了鍋爐的燃燒效率[3，4]。

2.2 煤泥新型流化床鍋爐結構

煤泥新型流化床鍋爐采用雙鍋筒橫置式布置，水循環采用自然循環方式。燃燒室密相區設置帶有防磨環的埋管受熱面，受熱面呈梯臺布置。爐膛頂部設有內循環高溫旋渦分離器，對流管束和尾部對流豎井布置在分離器后方。煤泥新型流化床鍋爐前墻頂部設置防爆門，中部留有投料口、投砂裝置，底部設置人孔與看火觀察孔。冷風通過底部風箱進入到爐膛，爐膛采用“V型”布風板，布風板上風帽氣孔有兩種不同規格，既保證了爐膛布風的均勻性，又調整了部分床面的流化風速，實現爐膛內部物料循環。風帽本體采用耐熱鑄鋼澆筑制造，體積小，耐磨耐高溫，損壞率低。爐膛內密相區水冷壁焊接全套防磨環，減少密相區床料和煤泥對管壁的沖刷磨蝕。前墻和側墻分別設置水冷壁受熱面，以保護爐墻過熱，側墻集箱額外引出一組水冷壁連接上聯箱。

為減小熱損失，鍋爐爐墻內層采用高鋁耐火磚，外層采用硅藻土保溫磚，中間設置硅酸鋁保溫。外包板可選用0．5mm不銹鋼或1mm彩鋼板，鍋爐外表面溫度不超過50℃。圖1為一臺20t/h煤泥新型流化床鍋爐結構圖。

圖1 20t/h煤泥新型流化床鍋爐結構圖

2.3 煤泥粒化給煤技術

煤泥新型流化床技術采用爐前密相區給料方式，煤泥由泵送到爐前粒化器再進入爐膛。粒化器裝置主要由冷卻水，壓縮空氣吹掃等部件構成。煤泥粒化器出口端深入爐膛，防止燃料堆積。裝置冷卻水部件為套管結構，包裹在粒化器最外層，防止運行和停爐過程中裝置內煤泥受高溫后干化堵塞粒化器管道。爐前粒化器設置壓縮空氣吹掃系統，將煤泥團噴散粒化成多個小顆粒，防止燃料抱團后集中下落后局部超溫導致結焦。煤泥不需要干燥、助燃等處理工藝，直接在新型流化床中燃燒，處理工藝簡單且成本較低。煤泥在流化床內與高溫床料和熱煙氣混合均勻后在新型流化床燃燒室內被充分燃盡。

2.4 煤泥低氮燃燒技術

煤泥新型流化床鍋爐爐膛內部溫度為900℃左右，燃燒過程中無熱力型NOX產生，降低爐膛內氧量，可降低鍋爐出口氮氧化物的排放。爐膛內密相區內氧量減少，燃料的燃燒處于還原性氣氛，燃燒產生的CO和焦炭可將氮氧化物還原成氮氣，進一步抑制了燃料型氮氧化物的產生，減少鍋爐NOX的排放。

2.5 煤泥新型流化床鍋爐的特點

新型煤泥流化床鍋爐具有以下特點：

(1)在流化床的設計中，采用不同密度流化床燃燒技術與梯形不均勻空氣分布技術。

(2)煤泥給料位置設置于爐膛中部。由于煤泥含水率較高，煤泥從爐膛中部給入，在下降過程中與高溫煙氣接觸被預熱干燥，有利于煤泥在流化床內的著火燃燒。

(3)爐內組合式高溫旋渦分離器內循環燃燒技術。

(4)污染物排放濃度較低，當爐膛溫度在850℃～950℃范圍內時，可有效控制熱力型NOx的形成和排放。

(5)床下熱煙氣自動點火技術。由于煤泥的含水率較高，而且熱值較低，因此鍋爐難以啟動。采用床下熱煙氣點火技術，介質床料可在流化狀態下加熱到700℃，以實現煤泥的直接點火。

3 煤泥在新型流化床鍋爐中的應用

3.1 煤泥新型流化床鍋爐點火流程

在煤泥新型流化床鍋爐點火前，應全面檢查床料是否平整，檢查所有風門打開狀態，將鼓風機、引風機入口風門處于打開狀態，并用銷釘固定，點火風門開度可調節正常無誤。檢查粒化器是否堵塞，完成點火油槍的霧化實驗，一切完畢后按以下流程點火啟動鍋爐。

點火過程中重點關注下料層溫度的上升速率，控制燃料的供給頻率，升溫速度切不可過快，防止床層溫度升溫過快導致超溫結焦。全過程維持爐膛內負壓在-10Pa左右，盡量避免明火從爐前人孔竄出。點火開始階段保持爐內床料微流化狀態，使燃油產生的熱量穿透床層從而提高整體床料溫度。待溫度升高至300℃后，添加生物質與少量原煤作為輔助燃料，緩慢提高床層的升溫速度，在此過程中可適當打開點火風門。當床層流完全流化后，床層溫度到達約700℃時，啟動煤泥泵，關閉輕油泵，觀察爐膛內氧量逐漸穩定和下料層溫度逐漸升高，點火過程結束，圖2為該鍋爐點火流程圖。

圖2 煤泥新型流化床鍋爐點火流程圖

該煤泥新型流化床鍋爐運行自動化程度高，給煤泥量與鼓、引風量實現變頻調節，且該鍋爐可實現一鍵自動化運行。燃燒過程中根據爐膛的氧量和下料層溫度，自動調節給煤泥和送風的頻率，控制下料層溫度在900℃左右，實現穩定燃燒過程的自動控制。設定爐膛負壓范圍，通過改變引風機頻率反饋調節爐膛負壓[9]。

3.2 煤泥新型流化床鍋爐污染物監測結果

煤泥新型流化床鍋爐在污染物排放方面較其他型式鍋爐有很大優勢。相關環保測試結果顯示，在鍋爐負荷大于70%時，折算后的煙塵排放濃度：22mg/m3，SO2排放濃度：9mg/m3，氮氧化物排放濃度：153mg/m3，鍋爐煙氣污染物排放結果符合國家排放標準要求。

3.3 煤泥新型流化床鍋爐運行結焦分析

鍋爐結焦屬于流化床鍋爐運行事故，圖3為煤泥新型流化床鍋爐結焦照片。

圖3 煤泥新型流化床鍋爐結焦圖

對結焦機理和現場實際運行工況進行分析，總結現場鍋爐運行結焦的主要原因及防止結焦措施見表3。

表3 鍋爐運行結焦主要原因及防止措施

4 結論

采用新型流化床鍋爐處理煤泥開辟了煤泥資源化利用的新途徑。該技術主要優點：處理工藝簡單，成本低廉，可以直接燃燒含水率較高的煤泥，是低NOx燃燒技術。鍋爐運行操作方便并可實現自動化運行，鍋爐煙氣排放滿足國家標準要求。鍋爐運行時需注意下料層溫度、風箱壓力、鼓、引風頻率與給煤量的搭配等參數的變化，預防鍋爐結焦。綜上，煤泥新型流化床技術不僅可有效解決煤泥資源的浪費和對環境的污染問題，而且可節約運行成本，降低大氣污染物排放，具有較高的使用價值。