循環(huán)流化床鍋爐經(jīng)濟穩(wěn)定運行探討

李 星

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱龍宇煤化工)共有6臺高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐(一期3臺130t/h、二期3臺220t/h)。其中，5臺鍋爐是采用高溫分離、高倍率循環(huán)流化床鍋爐技術的循環(huán)流化床燃煤鍋爐，1臺鍋爐是采用中溫分離、低倍率循環(huán)流化床鍋爐技術的循環(huán)流化床燃煤鍋爐，且6臺鍋爐設計煤種全部為本地無煙煤(公司用煤設計指標見表1)。但本地煤炭量供應不足，企業(yè)不得不采用外地煤，目前用煤主要有永城城郊煤和順河煤、焦煤的趙固煤、晉煤的寺河礦煤，為了節(jié)約成本，也曾摻燒約10%的高硫陽泉煤。在燃煤緊張的情況下，會短期使用新橋煤或者彬縣煤代替。

表1 設計燃煤煤質(zhì)指標

由于本地無煙煤供應量不足，外地無煙煤采購價格過高，龍宇煤化工為保證鍋爐安全穩(wěn)定運行，降低鍋爐運行成本，煤炭摻燒實施勢在必得。目前，國內(nèi)大部分的循環(huán)流化床鍋爐降低煤炭消耗在運行過程中采取的一種措施是添加矸石，另一種措施是進行不同等級的煤炭摻燒。國內(nèi)于20世紀70年代初已經(jīng)開始混煤嘗試，并取得了良好的經(jīng)濟效益。

由于燃煤價格約650元/t，低位發(fā)熱量約23.027MJ/kg，折算后約0.028元/MJ；矸石價格約160元/t，如果按照0.024元/MJ折算(見表2)，在不考慮其他影響因素的情況下，矸石的低位發(fā)熱量在5.65MJ/kg以上，確實具有節(jié)約成本的作用。

表2 燃料煤發(fā)熱量及價格

也正是基于此，龍宇煤化工近年來不斷嘗試矸石摻燒。

1 燃煤摻燒矸石的實施現(xiàn)狀

為降低燃煤成本，自2018年以來，龍宇煤化工開始嘗試燃煤摻燒矸石，且矸石摻燒量長期保持在20%以上，同時燃煤顆粒度保持在0～40mm。雖然成本有所降低，但是矸石摻燒也帶來了較多問題。

1.1 灰渣含碳量大幅升高

矸石添加后，灰渣含碳量大幅升高，增加約50%(見表3)。由于煤矸石自身密度大、發(fā)熱量低(長期在6.28～7.54MJ/kg)、灰分高的特性，大量添加后鍋爐床料厚度增長較快、爐渣排放量加快，導致燃料未來得及燃燒即被排出，同時為保證鍋爐正常流化，勢必提高一次風量；灰分的大量增加又導致床溫下降、爐膛內(nèi)燃料不能充分燃燒。最終導致鍋爐灰渣含碳量大幅升高、單耗高，鍋爐運行的經(jīng)濟性較差。

表3 添加煤矸石前后含碳量對比

1.2 設備磨損問題突出

由于煤矸石的高硬度特性，摻燒后風帽、受熱面及耐火材料層的磨損嚴重。

(1)風帽的磨損。風帽磨損主要集中在風帽周邊區(qū)域及風帽孔擴孔兩個位置(見圖1)。

圖1 風帽周邊區(qū)域及風帽孔擴孔磨損

(2)受熱面及耐火材料磨損。鍋爐受熱面磨損嚴重，特別是一期鍋爐密相區(qū)和稀相區(qū)交匯的導流板區(qū)域沖刷磨損嚴重，100mm長的導流板運行110d左右，磨損至15mm左右(見圖2)，管壁也存在不同程度的磨損。鍋爐受熱面磨損見圖3，鍋爐耐火材料磨損情況見圖4。

圖2 一期鍋爐導流板區(qū)域磨損情況

圖3 鍋爐受熱面磨損情況

圖4 鍋爐耐火材料磨損情況

(3)影響鍋爐長周期運行。由于煤矸石硬度大，運行期間受熱面磨損嚴重，導致鍋爐運行周期變短。據(jù)統(tǒng)計，9個月內(nèi)，龍宇煤化工鍋爐運行周期超過100d的僅有3次，最長連續(xù)運行周期僅有116d(見表4)。

表4 矸石添加期間鍋爐運行時間表(1～9月)

2 鍋爐經(jīng)濟運行采取的新措施

矸石摻燒雖然有一定的經(jīng)濟性，但帶來的后果較為嚴重。龍宇煤化工不得不對煤炭摻燒方式進行優(yōu)化，并立足園區(qū)實際生產(chǎn)情況進行了鍋爐經(jīng)濟運行的研究攻關。

2.1 用煙煤替代無煙煤

為降低煤炭消耗成本，龍宇煤化工開始嘗試摻燒煙煤。煙煤相較于無煙煤，其發(fā)熱量有明顯下降，煤中含碳量少，揮發(fā)分多，燃點低。因此，無煙煤中摻燒煙煤會使得床溫升高，可能導致鍋爐超溫結(jié)焦。由于原來用的是當?shù)氐臒o煙煤三級末煤，燃煤的顆粒度較小，而摻燒煙煤后煤中可能存在較大的顆粒矸石，導致鍋爐渣管堵塞，床面流化不好，鍋爐結(jié)焦。且煙煤較無煙煤灰分增大，煤中的水分增大，也可能導致鍋爐給煤系統(tǒng)異常，鍋爐滅火。具體實施下列優(yōu)化措施。

(1)優(yōu)化設備，對鍋爐排渣口進行改造，對冷渣機進口進行密封。升級篩破一體機，保證鍋爐給煤系統(tǒng)穩(wěn)定運行，煤炭顆粒度要控制在0～10mm。篩破一體機升級后，不僅在煙煤摻燒中起到巨大的作用，還可實現(xiàn)鍋爐小顆粒的矸石添加，經(jīng)濟效益顯著。

(2)控制鍋爐給煤量上限，不能超過正常給煤量的110%，如果需要加大給煤量，則有兩個要求：第一，一次風機電流在135～140A之間；第二，在2臺冷渣機正常運轉(zhuǎn)的情況下，鍋爐料層不能超過13kPa。正常應該保持在11.5～12 kPa之間。

(3)鍋爐煙氣再循環(huán)要根據(jù)鍋爐床溫和NOx指標投入。正常情況下，當鍋爐床溫高于950℃，且氧量超過6%(φ)時，聯(lián)系投入煙氣再循環(huán)。煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)閥要少量多次調(diào)節(jié)，鍋爐主操密切監(jiān)視床溫變化情況，并根據(jù)鍋爐煙氣氧含量變化對二次風進行調(diào)節(jié)。如果床溫下降過快，而蒸汽母管壓力又低，則要增加鍋爐給煤量，并增大二次風量。將床溫穩(wěn)定在890～920℃；當鍋爐床溫低于900℃，且有繼續(xù)下降的趨勢時，要聯(lián)系脫硫裝置，逐步關小煙氣再循環(huán)，將床溫穩(wěn)定在890～920℃，退出煙氣再循環(huán)時，要調(diào)整二次風量，保證煙氣氧含量在4%～6%(φ)。

(4)鍋爐正常運行期間，風室壓力要保持在11.5～12 kPa，不能超過12 kPa。一次風機電流不能低于130A，防止鍋爐床面分層。返料器床上壓力控制在3～5kPa。

(5)鍋爐摻燒煙煤后，煙氣氧體積分數(shù)要控制在4%～6%之間。不能低于4%，如果太低，可能會造成渣管口缺氧結(jié)焦，影響鍋爐排渣；不能太高，否則不僅不經(jīng)濟，環(huán)保指標也不容易控制。通過逐步提升煙煤摻燒比例，最終煙煤摻燒量達到30%，同時灰渣含碳量也在正常范圍內(nèi)(飛灰含碳量8.4%左右，渣的含碳量3.6%左右)，達到預期目標。

2.2 尾氣摻燒

目前，廠區(qū)有大量尾氣進入火炬系統(tǒng)進行放空燃燒：一是工藝尾氣，如醋酸高壓 CO尾氣和乙二醇 PSA 解吸氣，約5 000Nm3/h，浪費較嚴重；二是氨汽提塔尾氣，約300Nm3/h，此尾氣進入酸火炬燃燒，因為裝置運行負荷的不斷提升，酸火炬處理負荷居高不下，其處理能力有限，隨時都可能影響環(huán)保指標。在當前環(huán)保政策日益收緊的情況下，對尾氣摻燒進行改造勢在必行。工藝尾氣相關參數(shù)見表5，氨氣提塔尾氣相關參數(shù)見表6。

表5 工藝尾氣相關參數(shù)

表6 氨氣提塔尾氣相關參數(shù)

將約5 300Nm3/h尾氣送入220t/h循環(huán)流化床鍋爐中進行摻燒，充分利用尾氣的熱量，為企業(yè)節(jié)約能源，不僅減少資源的浪費，還能促進節(jié)能減排目標的實現(xiàn)。

增加兩套尾氣摻燒系統(tǒng)(氨汽提塔尾氣與工藝尾氣分開)，尾氣摻燒系統(tǒng)主要包括摻燒燒嘴、工藝管線、控制系統(tǒng)及連鎖保護系統(tǒng)等。

原本設計控制摻燒系統(tǒng)穩(wěn)壓閥前尾氣壓力約為200kPa，穩(wěn)壓閥后尾氣壓力約為60kPa，調(diào)節(jié)閥后即尾氣氣槍槍前壓力約為30kPa。而在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，由于尾氣壓力不穩(wěn)定，穩(wěn)壓閥前尾氣壓力約5～30kPa，導致尾氣氣槍槍前壓力過低(最低時只有1kPa)，遠低于設計值，且低于爐膛煙氣壓力。

這種情況下，可能會造成爐膛內(nèi)高溫煙氣倒灌至摻燒系統(tǒng)，損壞該系統(tǒng)。因此，為保證摻燒系統(tǒng)的安全，嚴格要求操作過程中槍前壓力不能低于6kPa，最終系統(tǒng)平穩(wěn)運行至今。

項目實施后，0.2MPa約5 000Nm3/h的醋酸和乙二醇尾氣以及300Nm3/h氨汽提塔尾氣實現(xiàn)了完全回收。

2.3 鍋爐燃煤摻燒污泥、矸石

經(jīng)過前幾年的矸石摻燒經(jīng)驗，龍宇煤化工對矸石摻燒方案進行了優(yōu)化。同時隨著該公司園區(qū)化管理日益精細，區(qū)域污水廠及二期污水站因污泥含水率較高(80%～85%)，原外部污泥處置合作單位不能繼續(xù)接收處理。如何有效處理尾廢，既能達到無害化、穩(wěn)定化以及減量化的目標，又能產(chǎn)生一定經(jīng)濟效益，是企業(yè)思考的方向。

而結(jié)合燃料煤、水廠污泥、脫硫壓濾泥和矸石的特性，將其摻燒到鍋爐內(nèi)部的方法，無疑成為解決企業(yè)當前污泥處理與環(huán)保達標排放的重要手段。

2.3.1 矸石摻燒

鍋爐所需矸石發(fā)熱量不得低于7.54MJ/kg，僅添加5%～10%，同時，篩破一體機投入運行后，鍋爐燃煤顆粒度下降明顯(基本保證在0～15mm左右)，通過優(yōu)化矸石摻燒方案，目前1#、3#鍋爐運行周期已突破180d，2#鍋爐由于設備故障停運(運行120d)，5#鍋爐已運行超過130d，6#鍋爐已突破160d，這也是近兩年來多臺鍋爐同時實現(xiàn)長周期運行的項目。

2.3.2 污泥摻燒

由于污泥的含水量較高(80%～85%)，直接摻入燃料煤種(煤粒度小)易結(jié)塊，造成鍋爐堵煤。

經(jīng)測算，以煤矸石的發(fā)熱量為7.54MJ/kg、脫硫污泥和水處理污泥無發(fā)熱量分析，按20∶1∶1比例均勻摻和進行破碎，破碎后混合物的發(fā)熱量確保在6.7MJ/kg以上。將鍋爐燃料煤、矸石污泥混合物按照10∶1的比例均勻摻配，確保入爐煤的發(fā)熱量在19.68MJ/kg左右。通過以上配比，入爐煤中矸石占總比例約8%、兩種污泥共占比例1%、煤占比例約91%，發(fā)熱量可達19.68MJ/kg左右。

因此，污泥可先與煤矸石摻配后再與燃煤摻燒，且添加的煤矸石(含二級末矸)發(fā)熱量不應低于8.37MJ/kg，粒度控制在0～8mm之間，添加量不宜超過10%(如燃煤發(fā)熱量低于20.1MJ/kg，建議不再添加矸石)，否則會造成設備磨損和單耗高。

若污泥直接摻配到燃煤當中，一是要控制煤泥的含水率不高于85%，二是摻配比例不高于1%，否則燃煤易結(jié)快，有堵煤的風險。目前采取的即為這種措施。

3 產(chǎn)生的效益

(1)煙煤摻燒后，每天可節(jié)約無煙煤100t，按照無煙煤600元/t計算，每年運行300d，僅此一項可節(jié)約1 800萬/a。

(2)尾氣摻燒后，經(jīng)計算可節(jié)約燃煤1.128t/h(低位熱值按19.608MJ/kg)，則每年可節(jié)約9 024t煤(8 000h計)，煤按 600元/t計算，此項可節(jié)約節(jié)約541萬元/a。

(3)原煤發(fā)熱量22.61MJ/kg，單價600元/t，煤矸石發(fā)熱量8.37MJ/kg，單價40元/t，摻燒矸石后，按照矸石摻燒量15%計算，折算出煤的價格為516元/t，煤能節(jié)約28元/t。鍋爐日常消耗燃料煤約1 050t/d。運行300d計算，每年可節(jié)約882萬元/a。

(4)污泥摻燒后，環(huán)保效益顯著，大大降低了污泥處理的費用。

綜上所述，鍋爐經(jīng)濟運行研究項目可為企業(yè)降低成本超過3 200萬元/a，效益顯著。

4 結(jié)語

龍宇煤化工在鍋爐經(jīng)濟運行方面進行了大量的實驗操作，獲得了較大的成功，同時摻燒煙煤的成功經(jīng)驗更是在園區(qū)內(nèi)部氣化爐中進行了實施，成效顯著。