循環流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒固廢綜合利用研究

摘要：通過對貴州省某煤礦企業2臺50t/h循環流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥和煤矸石固廢的研究，發現隨著摻燒比例的增加，鍋爐運行參數（爐膛下部溫度、爐膛出口溫度、排煙溫度和熱效率等）均出現變化，深入分析當摻燒量超過50%時出現的返料不暢、流化不良、爐膛差壓突然降低等問題，提出鍋爐負荷和爐溫的控制、摻燒燃料質量的管理、摻燒比例的優化及流化風量和床壓的調整等一系列的運行控制和優化建議，確保鍋爐更加安全穩定地運行。目前，控制與優化后的某煤礦企業循環流化床燃煤蒸汽鍋爐按年運行時間7000h、摻燒比例50%計算，每臺鍋爐產生的經濟效益超1000萬元。

關鍵詞：循環流化床鍋爐；摻燒；煤泥；煤矸石；固廢利用

引言

自20世紀70年代以來，循環流化床鍋爐技術現已發展成為高效、低污染的能源轉換技術之一，并在全球范圍內推動了清潔能源技術的發展。循環流化床鍋爐能在較低溫度下進行燃燒，可減少燃料消耗和污染物的生成，并以其優越的燃燒效率、靈活的燃料適應性及較低的氮氧化物和硫氧化物排放特性，被廣泛應用于電力生成和工業蒸汽供應中。

隨著工業化進程的加速，以及其對能源的需求加劇，導致煤炭開采量大幅提升，因此煤炭開采和加工產生的煤泥、煤矸石類固體廢物的產量也不斷增加[1]。而煤泥、煤矸石類固體廢物的堆存，不僅占用大量土地，還可能引發環境污染問題。因此，如何有效利用煤泥、煤矸石這些固廢資源，并在減少其對環境的負面影響同時實現資源化利用，成為一個亟待解決的問題。

本文通過對貴州省某煤礦企業2臺50t/h循環流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥和煤矸石固廢綜合利用研究，發現綜合利用煤泥和煤矸石不僅可減少環境污染，還可節約能源及提高能源的綜合利用效率。

1工程概況

貴州省某煤礦企業擁有2臺50t/h循環流化床燃煤蒸汽鍋爐，鍋爐型號為SZS 50-3.82/

450-Q，額定蒸發量為50t/h， 額定蒸汽壓力為1.6MPa，給水溫度為104℃，鍋爐設計熱效率為93%， 排煙溫度為135℃，燃燒方式為室燃，燃燒調節方式為電控操作柜自動調節。

為有效利用煤礦企業煤泥和煤矸石固廢，降低鍋爐運行成本，減輕對環境的污染，某煤礦企業對2臺50t/h循環流化床燃煤蒸汽鍋爐進行了煤泥和煤矸石固廢摻燒綜合利用研究，對摻燒比例、熱力參數、運行調整措施、經濟效益評估等問題進行深入分析[2]，并對其進行一系列的運行控制和優化，在保證鍋爐安全穩定運行的同時實現了環境效益與經濟效益的雙贏。

2 摻燒綜合利用設計方案

某煤礦企業的循環流化床燃煤蒸汽鍋爐為東方鍋爐公司生產的亞臨界中間再熱自然循環汽包爐，全鋼結構，由單爐體、平衡通風、旋風汽冷分離器、循環流化床燃燒方式、水冷滾筒式冷渣器等組成。循環流化床燃煤蒸汽鍋爐燃燒系統分為主泵房和輔助泵房2部分，其中主泵房采用3套泵送系統為1臺鍋爐送料，2臺鍋爐共6套泵送系統；輔助泵房設2套泵送系統。同時，每臺鍋爐設置4個給料點、4條管道，2臺鍋爐共設8個給料點、8條管道，不考慮系統間的切換。因此，根據鍋爐燃燒對煤泥需求量的分析，選用ZBG30/16D型煤泥管道輸送系統[3]，煤矸石隨燃料輸送通道進入摻燒。

3 摻燒比例的變化對鍋爐運行的影響

3.1 對爐膛下部溫度的影響

爐膛下部溫度是影響循環流化床燃煤蒸汽鍋爐燃燒效率和污染物排放的關鍵參數之一[4]。在循環流化床燃煤蒸汽鍋爐中摻燒煤泥和煤矸石，對鍋爐的爐膛下部溫度有著直接的影響。當煤泥、煤矸石摻燒量分別為30%、40%、50%、60%、70%時，爐膛下部溫度分別為843℃和848℃、832℃和841℃、821℃和837℃、805℃和827℃、795℃和818℃。分析其原因，可能是由于煤泥和煤矸石中水分和灰分含量較高，需要更多的熱量去蒸發水分和加熱灰分，因此會在一定程度上吸收部分燃燒熱量[5]。

當摻燒比例在30%時，爐膛下部溫度與純煤燃燒相比，略有下降；當摻燒比例繼續增加到60%～70%時，爐膛下部的溫度可能會降低至795～818℃。因此，當煤泥、煤矸石摻燒量分別從30%升高至70%時，兩者爐膛下部溫度表現為逐漸降低趨勢，但摻燒煤泥時的爐膛下部溫度降低趨勢大于摻燒煤矸石的下降趨勢。這表明，更高的摻燒比例意味著更多的固廢被送入爐膛，導致局部的燃料過載，影響燃燒的均勻性，增加燃料負荷；受煤泥和煤矸石的物理和化學特性與標準煤的差異影響，鍋爐的爐膛溫度分布遭到改變，從而改變了鍋爐的燃燒特性；同時，為適應高摻燒比例下的燃燒，調整鍋爐的氣流分布，保持有效的燃燒和溫度控制，使得爐膛下部的溫度受到影響。

而爐膛下部溫度變化又直接關系到燃燒效率和污染物的生成，因此在實施煤泥和煤矸石摻燒時，必須細致地監測和調整爐膛下部的溫度，才能確保鍋爐的高效、穩定運行，并能將污染物排放控制在可接受的范圍內。

3.2 對爐膛出口等處溫度的影響

循環流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥和煤矸石的過程中，爐膛出口溫度、分離器出口溫度也是一個關鍵參數，直接影響到熱效率、燃燒完全性及污染物的排放。當煤泥、煤矸石摻燒量從30%升高至70%時，兩者爐膛出口溫度、分離器出口溫度均下降10～20℃。因此，在進行煤泥和煤矸石摻燒時，需通過精確控制摻燒比例和優化鍋爐運行參數，將爐膛出口溫度、分離器出口溫度維持在一個理想范圍內。為平衡溫降，可在摻燒前將床溫及爐膛出口溫度控制得高一些。

3.3 對排煙溫度的影響

排煙溫度也是評價循環流化床燃煤蒸汽鍋爐燃燒效率和環境影響的一個重要參數。在摻燒煤泥和煤矸石的過程中，排煙溫度的變化不僅反映了熱能的利用效率，也會直接影響污染物的排放水平。

循環流化床燃煤蒸汽鍋爐內的煤泥、煤矸石摻燒量分別為30%、40%、50%、60%、70%時，排煙溫度分別為132℃和134℃、137℃和139℃、143℃和141℃、147℃和144℃、151℃和148℃，因而當煤泥、煤矸石摻燒量從30%升高至70%時，兩者排煙溫度表現為逐漸升高趨勢，摻燒煤泥時爐膛下部溫度升高趨勢要大于摻燒煤矸石。這表明，當摻燒比例在30%時，排煙溫度受煤泥和煤矸石中較高的水分含量影響略有增加；隨著摻燒比例提高至50%～70%，排煙溫度的變化受到燃燒效率和熱量回收效率的共同影響。通過分析發現，在某些情況下，可通過優化鍋爐運行參數和燃燒條件，將熱能有效地轉化為蒸汽，減少熱能的排放，同時實現較高摻燒比例下的高效燃燒，以及實現控制并降低排煙溫度的目的。

此外，在循環流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥、煤矸石時，控制好排煙溫度，也對提高鍋爐的熱效率和降低環境污染具有重要意義。一方面，通過控制并降低排煙溫度，不僅可以減少熱量損失，還可提高鍋爐的熱效率；另一方面，較低的排煙溫度有助于減少NOx的生成，減少污染物的排放。因此，在實施循環流化床燃煤蒸汽鍋爐煤泥和煤矸石的摻燒過程中，必須綜合考慮燃料特性、燃燒技術和熱量回收系統的設計，通過科學的調整和優化，實現對排煙溫度的有效控制。

3.4 對熱效率的影響

熱效率是衡量循環流化床鍋爐能效和經濟性的關鍵指標，能直接影響到鍋爐運行的成本和環境表現。摻燒煤泥和煤矸石對循環流化床燃煤蒸汽鍋爐熱效率的影響是多方面的，涉及燃燒效率、熱量損失和能量轉換效率等多個方面。不同的煤泥、煤矸石摻燒比例，排煙熱損失和機械不完全燃燒熱損失的對比情況如圖1所示。

當增加摻燒比例時，受煤泥的高水分含量、煤矸石的低熱值和高灰分含量等因素影響，一些熱能會損失。首先，煤泥的高水分含量對鍋爐熱效率產生負面影響，在燃燒過程中煤泥中的水分需要吸收大量熱能轉化為蒸汽，然后隨煙氣排出鍋爐，這個過程不僅消耗了鍋爐產生的熱能，導致煙氣總量增加和排煙溫度上升，還使得更多熱能隨煙氣排出，降低熱效率。其次，煤矸石的低熱值和高灰分含量等特性，進一步加劇了熱效率的下降。摻燒煤矸石導致爐膛的熱負荷減少，意味著爐膛內產生的熱量減少。最后，由于煤矸石灰分含量高，燃燒過程中會增加灰量的產生，導致飛灰中含有更多未燃盡的燃料顆粒，且這些未完全燃燒的燃料顆粒是能量的直接損失，即所謂的機械不完全燃燒熱損失，因而使得熱效率進一步降低。

綜上所述，隨著摻燒比例的增加，鍋爐熱效率的下降主要是由于煤泥的高水分和煤矸石的低熱值及高灰分共同作用的結果。這些因素導致了熱量的消耗、熱能的損失及燃燒效率的降低，從而影響了鍋爐的整體能效。因此，在考慮摻燒煤泥和煤矸石以提高固廢利用率的同時，還需要通過優化燃燒技術和提高熱能回收效率等措施來盡量減少這些負面影響，以保持循環流化床燃煤蒸汽鍋爐高熱效率運行。

4 運行調整措施及設計思路

在循環流化床燃煤蒸汽鍋爐中實施固廢綜合利用方案，當摻燒比例超過50%時，運行中會出現一系列挑戰，不僅影響鍋爐的穩定運行，還影響鍋爐的熱效率和煙氣達標排放。

4.1 運行中存在的問題分析

當摻燒量超過50%后，返料系統的暢通性下降，流化質量變差，導致爐膛差壓突降，床壓波動加劇，摻燒煤矸石時該問題更為顯著；不合理的燃料級配比例導致大顆粒燃料沉積，引起床溫急劇下降和局部流化不良，存在熄火的可能性；摻燒后尾部煙道積灰加劇，惡化了受熱面的工作環境，需要增加吹灰頻率以維持正常運行；摻燒后顆粒物濃度和硬質顆粒的增加導致對流受熱面磨損加速；爐膛底部排出的渣中含有大量未完全燃燒的煤泥顆粒，增大了底渣的含碳量。

4.2 調整措施

4.2.1保持鍋爐運行負荷和爐溫

在摻燒過程中，應保持鍋爐的運行負荷不低于60%，同時確保平均爐溫維持在800℃以上。如果監測到任何測點的溫度突然大幅下降，或平均溫度降至780℃以下，應根據需要減少摻燒比例或暫停向爐內添加摻燒燃料。

4.2.2嚴控摻燒燃料質量

嚴格控制摻燒燃料質量，確保爐膛內不進入大顆粒燃料，且將燃料顆粒的粒徑控制在2～6mm范圍內的比例達到60%以上。混合燃料的平均熱值應保持在12540kJ/kg以上，同時將煤泥的水分含量控制在40%以下，煤矸石的水分含量控制在20%以下。

4.2.3優化摻燒比例

推薦的摻燒比例為50%，但根據實際的燃料級配比例、熱值及燃燒工況的變化，可在摻燒比例的上限（不超過70%）中適當調整摻燒比例，確保燃燒的穩定性和熱效率。

4.2.4調整流化風量和床壓

在確保足夠流化風量的前提下，應盡可能實現在低風量和低床壓條件下運行鍋爐，不僅有助于抑制NOx的初始生成濃度，還能減少環境污染。

4.2.5小結

通過實施調整措施，可以優化循環流化床燃煤蒸汽鍋爐在摻燒煤泥和煤矸石時的性能，提高熱效率，同時減少污染物的排放，確保鍋爐的環境友好和經濟高效運行。

結語

以貴州省某煤礦企業燃煤鍋爐為研究對象，進行了循環流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥和煤矸石固廢綜合利用研究。對鍋爐運行進行改進，通過增加煤泥和煤矸石的摻燒比例后，觀察爐膛下部溫度、爐膛出口溫度、排煙溫度、熱效率及污染物排放濃度等方面的鍋爐運行參數和性能指標的顯著變化。當摻燒比例超過50%后，對鍋爐運行中出現的多種問題進行深入分析，并提出優化燃燒和運行控制建議，可幫助運行人員根據鍋爐實際運行狀況，及時采取適當調節措施，確保鍋爐更安全、更穩定地運行。通過實施調整措施，不僅提高了鍋爐的運行效率和環境表現，還取得了經濟效益。某煤礦企業每臺50t/h的鍋爐，按照年運行時間7000h和摻燒比例50%來計算，可以節省超過1000萬元的燃料費用，經濟效益顯著。

參考文獻

[1]劉強，劉小敏.循環流化床鍋爐摻燒煤泥和煤矸石運行優化建議[J].工業鍋爐，2023（06）：33-35，27.

[2]韓全文，楊洪亮，蔣昇.循環流化床鍋爐煤泥摻燒方式與應用[J].東北電力技術， 2023，44（04）：43-45，50.

[3]宋江.淺談循環流化床鍋爐大比例摻燒煤泥應用實踐[J].中國設備工程，2021（21）：125-126.

[4]奧慧琦，黨超.循環流化床鍋爐煤泥摻燒技術探討[J].陜西電力，2011，39（03）：73-75.

[5]郭宗濤，辛振華.150MW循環流化床鍋爐摻燒煤泥的優化改造[J].工業鍋爐，2021（02）：49-52.

作者簡介

申明（1976—），男，仡佬族，貴州務川人，本科，工程師，研究方向為生態環境。