利用飛灰再燃技術(shù)優(yōu)化循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的研究

蘇昌達(dá)

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京100097）

0 引 言

五礦電廠拆除2號發(fā)電機(jī)組后，電廠日常運(yùn)行方式將由兩爐三機(jī)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，除冬季保證供暖外均為一爐一機(jī)方式運(yùn)行，若對單臺鍋爐進(jìn)行擴(kuò)容改造以實(shí)現(xiàn)一爐兩機(jī)運(yùn)行可獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益，但改造投資較大，而一爐一機(jī)運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)效益較差。在不對鍋爐進(jìn)行大幅度改造前提下，如何提高單臺鍋爐負(fù)荷以滿足一爐兩機(jī)運(yùn)行方式成為急需解決的問題。

五礦電廠2號鍋爐為無錫鍋爐廠生產(chǎn)的UG-75/3.82-M29型中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐分離器為水冷方形旋風(fēng)分離器，結(jié)構(gòu)布置簡單、緊湊，但方形水冷分離器也存在分離效率差、飛灰含碳量高的問題。鍋爐日常生產(chǎn)運(yùn)行中還存在為保證脫硫及脫硝數(shù)據(jù)穩(wěn)定不超標(biāo)而影響鍋爐負(fù)荷的問題。

1 飛灰再燃技術(shù)概述

飛灰再燃技術(shù)是將收集到的飛灰返送回爐膛，實(shí)現(xiàn)再次燃燒，延長飛灰中未燃顆粒在高溫區(qū)域的停留時間，以便提高其燃盡率，降低飛灰含碳量，從而減少鍋爐機(jī)械不完全燃燒熱損失，降低發(fā)電標(biāo)煤耗，提高鍋爐效率。實(shí)現(xiàn)途徑主要有2種，一是將飛灰摻入爐膛給煤中，隨鍋爐給煤進(jìn)入爐膛進(jìn)行燃燒；二是通過氣力輸送方式直接打入爐膛進(jìn)行燃燒，該項(xiàng)目采用第二種方式。

2 飛灰再燃技術(shù)難點(diǎn)

2.1 飛灰再燃技術(shù)解決的問題

（1）提高鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷。

飛灰再燃通過將收集的細(xì)灰再次返送回爐膛進(jìn)行燃燒，提高了爐膛的物料濃度，增強(qiáng)爐膛上下的傳熱系數(shù)，從而提高鍋爐負(fù)荷。

循環(huán)流化床鍋爐傳熱系數(shù)對受熱面而言包括兩部分，即對流傳熱和輻射傳熱。爐膛內(nèi)的物料濃度是傳熱系數(shù)最大影響因素，傳熱系數(shù)隨著物料濃度的增大而增大，如圖1所示。

圖1 爐膛內(nèi)的物料濃度及傳熱系數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship between material concentration and heat transfer coefficient in furnace

同時，爐膛會濃度越大，則爐膛料層壓差越大（爐膛壓差即料層上部至爐膛出口的壓力差），爐膛差壓是表征流化床上部懸浮物料濃度的量，爐膛上部空間一定的物料濃度，對應(yīng)一定的爐膛差壓，對于同一煤種爐膛上部物料濃度增加，爐膛差壓值越大，爐膛差壓與鍋爐循環(huán)灰量成正比。爐膛差壓與鍋爐負(fù)荷的關(guān)系如圖2所示。

圖2 爐膛差壓與鍋爐負(fù)荷的關(guān)系Fig.2 Relationship between furnace differential pressure and boiler load

通過采用飛灰再燃技術(shù)，使得循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)的灰濃度增大，傳熱系數(shù)提高，即受熱面吸收的熱量多，蒸汽產(chǎn)量就會提高，鍋爐負(fù)荷就會增加。

（2）降低飛灰含碳量。

降低飛灰含碳量是飛灰再燃技術(shù)的最主要特點(diǎn)，通過二次燃燒，飛灰中未燃盡的碳顆粒在爐膛停留時間延長，燃燒更加充分，從而降低飛灰的含碳量。

（3）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脫硫脫硝，利于達(dá)標(biāo)排放。

鍋爐爐內(nèi)噴鈣脫硫主要反應(yīng)區(qū)域?yàn)闋t膛下部，最佳溫度區(qū)為850～950℃，鍋爐日常運(yùn)行中床溫經(jīng)常超過950℃，甚至1 000℃，飛灰經(jīng)爐膛后墻二次風(fēng)管道返送爐膛正是位于爐膛底部濃相區(qū)，返送爐膛的飛灰溫度較低，約為40℃，通過調(diào)節(jié)返料灰開度大小，可有效控制床溫。同時飛灰再燃也將一部分未反應(yīng)的脫硫劑粉末一同返送爐膛，確保脫硫效果的同時減少了脫硫劑的用量。

尿素脫硝系統(tǒng)主要反映區(qū)域?yàn)闋t膛中上部，最佳溫度區(qū)為850～1 100℃，鍋爐運(yùn)行中存在反應(yīng)溫度偏低，煙氣含氧量偏高的現(xiàn)象。采用飛灰再燃技術(shù)改造后，通過提高爐膛灰濃度，提高了爐膛頂部的溫度至890℃，較之前平均提高約35℃，提高爐膛灰濃度在總進(jìn)風(fēng)量不變前提下降低了爐膛煙氣含氧量，保證了煙氣排放NOX指標(biāo)合格。

鍋爐脫硫脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行，煙氣達(dá)標(biāo)排放，也避免了鍋爐運(yùn)行中的頻繁調(diào)整，更有利于鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 2號鍋爐方形水冷分離器優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）分離效率能夠滿足鍋爐運(yùn)行的需要，鍋爐最高負(fù)荷可達(dá)75 t/h。

（2）避免了高溫旋風(fēng)筒的三大問題，高溫結(jié)焦、分離器體積大、大量使用耐火材料導(dǎo)致熱慣性大。①筒內(nèi)承擔(dān)一定負(fù)荷，高溫物料在分離器雖有二次燃燒，但物料溫度仍降低，不會結(jié)焦，分離器工作穩(wěn)定。②大大簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并使分離器與鍋爐本體很協(xié)調(diào)的組合在一起，鍋爐極其緊湊。③旋風(fēng)筒里只敷較薄一層耐火材料，重量輕，能縮短啟動時間。

（3）無高溫連接煙道、密封性能好。

（4）解決了分離器的磨損問題，水冷分離器內(nèi)的防磨層很薄，又被水冷壁冷卻，耐火材料在較低溫度下抗磨強(qiáng)度提高，其潛在優(yōu)勢在于局部磨損后，維修極其簡單。

（5）分離器捕捉效率低，導(dǎo)致飛灰含碳量高，最高達(dá)21%。較大顆粒隨煙氣進(jìn)入尾部加劇后部低溫過熱器、省煤器、空預(yù)器磨損。

（6）結(jié)構(gòu)簡單尺寸緊湊，鍋爐改造難度大，改造后效果不確定。

2.3 鍋爐擴(kuò)容改造與飛灰再燃技術(shù)比較

針對五礦電廠鍋爐爐型結(jié)構(gòu)，將75 t/h鍋爐擴(kuò)容為90 t/h，需增加受熱面，并更換效率更高的旋風(fēng)分離器，改造費(fèi)用約800萬元。五礦電廠2臺鍋爐型號均為UG75/3.82-M29，爐膛頂部現(xiàn)已布置有高過吊掛屏，再增加受熱面則需將汽包提高，爐膛水冷壁加高。

方形水冷分離器為無錫鍋爐廠與清華大學(xué)共同研發(fā)設(shè)計(jì)，年代較早，投產(chǎn)鍋爐數(shù)量少，其結(jié)構(gòu)緊湊，鍋爐爐膛與尾部豎直煙道間水平距離窄，將之改為高溫水（汽）冷旋風(fēng)分離器尚無成熟可參考的案例，改造難度非常大，投資較高且無法保證改造后鍋爐實(shí)際運(yùn)行效果。

飛灰再燃改造則工藝成熟、系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，維護(hù)方便，一次投資費(fèi)用約80萬元，鍋爐本體及輔機(jī)不作任何變動，只占用爐膛后墻1根二次風(fēng)管道（設(shè)有旁路，關(guān)閉返送灰時打開，可恢復(fù)原狀態(tài)）。通過運(yùn)行試驗(yàn)，2號鍋爐最高穩(wěn)定負(fù)荷可達(dá)82 t/h。

與鍋爐擴(kuò)容改造相比，飛灰再燃技術(shù)投資小，改造效果明顯，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，且存在進(jìn)一步挖潛可能性，優(yōu)勢明顯。

3 現(xiàn)場實(shí)施方案及步驟

3.1 飛灰再燃系統(tǒng)工藝流程

除塵器積灰漏斗底部為灰?guī)燧敾矣昧戏獗茫戏獗贸隹诠艿涝鲈O(shè)輸灰管及切換閥門至儲灰倉,根據(jù)灰倉料位計(jì)由自動控制系統(tǒng)控制進(jìn)灰啟停。灰倉出口與給料裝置相連接，利用羅茨風(fēng)機(jī)氣源經(jīng)輸送管道至鍋爐后墻下二次風(fēng)口處，進(jìn)入爐膛內(nèi)燃燒。飛灰再燃系統(tǒng)設(shè)置PLC控制模塊和現(xiàn)場手動控制箱。

3.2 飛灰再燃系統(tǒng)的主要設(shè)備

灰倉：即儲灰罐，將收集到的細(xì)灰儲存在灰倉中，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，輸灰開度大小可調(diào)。

輸灰設(shè)備：給料機(jī)，設(shè)備安裝在灰倉下部，通過調(diào)節(jié)閥門開度控制飛灰輸送量的變化。

風(fēng)機(jī)：采用變頻羅茨風(fēng)機(jī)作為氣源設(shè)備，具有風(fēng)壓穩(wěn)定，省電節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

輸灰管道：包括自除塵器積灰漏斗至儲灰罐，儲灰罐至爐膛的輸灰管道及附屬閥門。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，分設(shè)A、B兩路輸灰管道，分別連接1號、2號灰斗和3號灰斗，兩路輸灰管道可自由切換。

控制系統(tǒng)：包括PLC控制模塊和就地控制柜，利用儲灰罐料位計(jì)可實(shí)現(xiàn)自動切換補(bǔ)倉，輸灰管道閥門自動切換箱灰倉進(jìn)灰或向電廠灰?guī)燧敾摇ｅ仩t運(yùn)行人員可在控制室內(nèi)通過手操器控制飛灰開度大小（圖3）。

圖3 飛灰再燃系統(tǒng)主要設(shè)備示意Fig.3 Main equipment of fly ash re-burning system

灰含碳量平均為12.22%；鍋爐高負(fù)荷（穩(wěn)定80 t/h）時沸中溫度約890～900℃，爐膛出口處溫度約860～880℃，爐膛上下溫差縮小，爐膛上下溫度分布更加均衡，有利于SNCR脫硝。

4 實(shí)施效果

改造前后鍋爐運(yùn)行參數(shù)對比，包括固定給煤機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下飛灰投/停鍋爐累計(jì)蒸汽產(chǎn)量對比表、飛灰投/停飛灰含碳量對比表及飛灰投/停爐膛各部位溫度變化對比表（表1～表3）。

表1 固定給煤機(jī)轉(zhuǎn)速對比試驗(yàn)Table 1 Comparison test of speed of fixed coal feeder

表3 鍋爐爐膛各溫度變化對比Table 3 Comparison of temperature changes in boiler furnace

在鍋爐3臺給煤機(jī)保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速前提下，投入飛灰再燃系統(tǒng)后鍋爐每班次鍋爐累計(jì)蒸發(fā)量增漲明顯，較不投情況下每班（8 h）平均多產(chǎn)蒸汽31.75 t，相當(dāng)于鍋爐負(fù)荷增漲3.97 t/h，增長率為5.44%。

表2 鍋爐飛灰含碳量降低變化Table 2 Change of carbon content reduction in boiler fly ash

投運(yùn)飛灰再燃系統(tǒng)后飛灰含碳量平均為12.22%，而不投情況下飛灰含碳量平均為13.91%，飛灰含碳量降低比率為12.15%。

根據(jù)飛灰再燃系統(tǒng)投運(yùn)情況，爐膛各部位溫度隨之變化，通過每班各項(xiàng)數(shù)據(jù)的平均值可得出各部位溫度大致變化趨勢，當(dāng)投入飛灰再燃系統(tǒng)后，返料溫度上升，沸下溫度略有下降，沸中溫度下降，溫度波動變得更加穩(wěn)定，整體處于890～920℃。爐膛出口溫度上升明顯，平均升溫33.7℃。

5 效益分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益。

飛灰再燃系統(tǒng)投運(yùn)后，飛灰含碳量降低12.15%，噸標(biāo)煤產(chǎn)汽量增加6.36%，年節(jié)約燃料成本112.4萬元。若后期繼續(xù)挖潛改造，能夠?qū)崿F(xiàn)一爐兩機(jī)運(yùn)行，則經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

（2）環(huán)保效益。

飛灰再燃系統(tǒng)投運(yùn)后，爐膛床溫波動平緩，最高不超910℃，爐膛出口溫度提高，爐膛上下溫度分布更加均衡，有利于鍋爐脫硫脫硝，保證了環(huán)保達(dá)標(biāo)排放。

6 結(jié) 語

五礦電廠2號鍋爐飛灰再燃項(xiàng)目投資較小，改造效果明顯，鍋爐飛灰含碳量下降，噸標(biāo)煤產(chǎn)汽量增漲，且爐膛溫度變化更適宜脫硫脫硝反應(yīng)，有力保證了環(huán)保達(dá)標(biāo)排放，降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。飛灰再燃系統(tǒng)自動化程度高，人員操作簡單，運(yùn)行可靠，且存在進(jìn)一步挖潛可能性，具有顯著的直接經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。