淺談循環(huán)流化床鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

施 勇， 魏益超，張 欣， 趙月東

（兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277527）

流化床燃燒技術(shù)從20 世紀(jì)70年代在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家誕生至今，已得到了迅速發(fā)展。在我國循環(huán)流床鍋爐投入運(yùn)行也有20年的時(shí)間，循環(huán)流化床技術(shù)（CFB）的環(huán)保性和可靠性受到了越來越多的關(guān)注和重視。目前已投運(yùn)的高參數(shù)循環(huán)流化床得到了較快的發(fā)展和普及。經(jīng)過不斷的經(jīng)驗(yàn)交流和總結(jié)，已基本能保證大型循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的安全性，且連續(xù)運(yùn)行天數(shù)可達(dá)95d 以上。但在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面卻不容樂觀，如飛灰可燃物，磨損，非計(jì)劃停爐，燃燒效率等[1]，分析和研究循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行調(diào)整和優(yōu)化運(yùn)行方式，對提高循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行可靠性和可利用率有著重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 循環(huán)流化床鍋爐概況

兗礦魯南化工有限公司UG-260/9.8-M2 型循環(huán)流化床鍋爐主要由爐膛、高溫旋風(fēng)分離器、回料閥和尾部對流煙道組成。燃燒室（爐膛）蒸發(fā)受熱面采用膜式水冷壁，布風(fēng)裝置采用水冷布風(fēng)板，大直徑鐘罩式風(fēng)帽，燃燒室內(nèi)布置4 片屏式二級(jí)過熱器和3 片屏式水冷屏；高溫絕熱旋風(fēng)分離器布置在燃燒室與尾部對流煙道之間，其回料腿下布置一個(gè)L型回料閥；尾部對流煙道內(nèi)布置三級(jí)過熱器、一級(jí)過熱器、省煤器、上下空氣預(yù)熱器。一、二次風(fēng)由各自的風(fēng)機(jī)單獨(dú)供風(fēng)。一次風(fēng)由爐膛兩側(cè)經(jīng)布風(fēng)板給入；二次風(fēng)于爐膛密相區(qū)以上、下二次風(fēng)箱分26個(gè)噴口給入；給煤密封風(fēng)、送煤風(fēng)、播煤風(fēng)來均取自一次冷風(fēng)。循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)采用床下啟動(dòng)燃燒器點(diǎn)火啟動(dòng)方式，床下油槍共2 只，設(shè)計(jì)單支最大出力45kg·h-1，啟動(dòng)燃燒器霧化方式均為蒸氣霧化，配用高能電子點(diǎn)火器，燃料用0#輕柴油。鍋爐主要參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要參數(shù)

2 影響循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的原因

2.1 鍋爐受熱面的磨損

2.1.1 爐膛水冷壁的磨損

爐膛水冷壁的磨損包括過渡區(qū)和稀相區(qū)范圍，產(chǎn)生的原因主要有：（1）爐煤粒徑級(jí)配不合理，煤灰分高，煤中摻雜矸石、石塊及鐵塊等，使床料偏粗；（2）一次風(fēng)量偏大，床料的過渡區(qū)上移，導(dǎo)致磨損加??；（3）壁鰭片局部突起，物料沖磨鰭片和水冷壁管，導(dǎo)致水冷壁磨損；（4）水冷壁焊縫未打磨平整，導(dǎo)致水冷壁磨損；（5）水冷壁上有銷釘、鋼筋等突起物，導(dǎo)致水冷壁磨損等[2]。

一般地，物料對管壁的磨損速率與其速度、濃度及粒度關(guān)系為：

式中：E──磨損速率，μ·（100h）-1；

k──比例系數(shù)；

W──物料速度，m·s-1；

a──速度指數(shù)，通常取3～3.5；

D──物料粒度，mm；

U──物料濃度，kg·(m2·s)-1。

2.1.2 對流尾部煙道的磨損

這部分主要是高速煙氣以一定的角度沖刷煙道的過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器，受到飛灰沖刷時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生微小的塑性變形和裂紋，長時(shí)間大量高速撞擊逐漸變形脫落進(jìn)而導(dǎo)致磨損。

2.2 煤粒粒徑級(jí)配比

煤粒度過大，煤粒表面易石墨化，造成煤粒不能破碎與燃盡，大量大顆粒床料積攢，床料粒度增大，為保證床料的流化必增加一次風(fēng)量，造成燃燒上移；煤粒度過小，大量細(xì)顆粒來不及燃燒就被流化風(fēng)吹起，在稀相區(qū)燃燒造成稀相區(qū)燃燒份額增加[3]，具體如圖1 所示。

圖1 Geldart 的顆粒分類圖

A 類顆粒：這類顆粒粒度比較細(xì)，一般為20～90μm，通常很易流化。

B 類顆粒：這類顆粒具有中等粒度，粒度范圍為90～650μm，具有良好的流化性能，在流體速度達(dá)到臨界流化速度后就會(huì)發(fā)生鼓泡現(xiàn)象。

C 類顆粒：這類顆粒粒度很細(xì)，一般都小于20μm，顆粒間相互作用力很大，很難流態(tài)化。

D 類顆粒：這類顆粒通常具有較大的粒度和密度，并且在流化狀態(tài)時(shí)顆粒混合性能較差。大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的床料和燃料均屬于D 類顆粒。循環(huán)流床鍋爐的床料內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)方式中，參與內(nèi)循環(huán)的床料直徑約為0.3～1mm，而參與外循環(huán)的床料直徑約為0.09～0.3mm，它們均能在爐內(nèi)停留足夠時(shí)間而燃盡。在上述范圍以外的粗粒子，只能在密相區(qū)翻騰，時(shí)間過長（10～30min）會(huì)導(dǎo)致石墨化，反應(yīng)活性下降而“失活”；而d＜0.09mm 的細(xì)粒子大部分以飛灰形式一次經(jīng)過分離器而離開鍋爐，由于停留時(shí)間短，飛灰含碳量也會(huì)高。因此，必須根據(jù)該煤質(zhì)的成灰特性，調(diào)整入爐煤的粒度級(jí)配，盡量減少粒徑偏大或偏小的床料，其中，控制入爐煤中d＜0.2mm 粒子的份額對降低飛灰含碳量尤為重要。

2.3 飛灰可燃物濃度

飛灰可燃物是循環(huán)流化床鍋爐的主要性能指標(biāo)之一，循環(huán)流化床鍋爐的飛灰中，粒徑d=40～50μm的灰粒含碳量最高，d＞70μm 灰粒的飛灰含碳量則比較低。d=40～50μm 的灰粒多為分離器分離不下來而一次通過分離器的灰粒[4]。

2.4 給煤系統(tǒng)

由于現(xiàn)場安裝施工質(zhì)量差而未達(dá)到工藝要求，其原因有：（1） 給煤機(jī)出料口與爐膛入口的垂直高度不夠，造成給煤下落時(shí)重力偏小和給煤輸送夾角較大而堵煤；（2）由于下煤口截面較小，易造成給煤在煤倉下部的短節(jié)和小煤斗內(nèi)蓬煤；（3）密封風(fēng)量不足。

3 技改措施

3.1 改善防磨措施

3.1.1 水冷壁防磨

鍋爐運(yùn)行初期，在密相區(qū)澆注料耐磨材料以上5m 處的爐膛四壁多處出現(xiàn)爆管，大量高溫汽水混合物直接沖刷周圍壁面。測壁厚時(shí)發(fā)現(xiàn)管壁已由原來的6mm、5mm 減薄至3.5mm，通過走訪學(xué)習(xí)，采取了一些措施：

（1）對密相區(qū)以上水冷壁進(jìn)行超音速低溫噴涂及部分藍(lán)泥綜合防磨，采用循環(huán)流化床鍋爐專用防磨絲材進(jìn)行噴涂，厚度0.6～0.8mm，并且噴涂區(qū)域應(yīng)用澆注料覆蓋住電弧噴涂下邊沿3～5cm，具體見表2。

表2 噴涂技術(shù)要求

（2）采用目前比較先進(jìn)的多階式防磨裝置——防磨梁，在過渡區(qū)往上至爐頂加6 道上邊為水平、下邊為斜面，寬度為140mm 的防磨梁，并請西安熱工院對風(fēng)量重新進(jìn)行標(biāo)定和修正，結(jié)果見圖3。

測量中發(fā)現(xiàn)，布風(fēng)板阻力過小，不到2.5kPa，且一、二次風(fēng)量大于偏差30%左右，所以將運(yùn)行流化風(fēng)量由12萬Nm3·h-1降至9.5萬Nm3·h-1，并提高床壓到5.5kPa 以上運(yùn)行。以前床溫為900℃，飽和水溫度310℃，根據(jù)公式（900-310）/(1-5%)＋310＝931.1.4℃，即床溫平均提高了31.1℃，有利于水冷壁的吸熱。運(yùn)行數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表3。

圖3 布風(fēng)板阻力曲線

表3 防磨前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

3.1.2 尾部煙道防磨

以前煙氣走廊區(qū)出口的省煤器吊掛管多次出現(xiàn)爆管，大修發(fā)現(xiàn)該處煙氣流速較快，鍋爐對流受熱面的磨損量E可以下式表示[5]：

式中：E－單位時(shí)間管壁磨損量，mm·(10000h)-1；

dp－顆粒平均粒徑，mm；

ρ－氣流濃度，g·m-3；

u－氣流速度，m·s-1。

根據(jù)設(shè)計(jì)煙道處的流速應(yīng)＞8m·s-1，實(shí)際運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該速度，所以在迎風(fēng)面加金屬防磨蓋板，3 層省煤器的每根管束彎頭部位采用半圓形防磨護(hù)瓦對口包裹焊接，弧形護(hù)瓦與鰭片滿焊防磨(圖4)。

圖4 迎風(fēng)面防磨蓋板

通過對爐膛及尾部煙道采取防磨措施，運(yùn)行天數(shù)可以達(dá)到96d 以上，且停車檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)磨損速率比以前大為減小，且優(yōu)化了運(yùn)行，提高了熱效率。

3.2 煤質(zhì)措施

鍋爐設(shè)計(jì)要求煤質(zhì)粒徑在1～10mm 范圍內(nèi)。大體為入煤＜1mm 的份額Vdaf＋D1=85%～90%。Vdaf為可燃基揮發(fā)分，%；D1為入爐煤＜1mm 的份額。通過與原料系統(tǒng)密切溝通，增加多臺(tái)破煤設(shè)備，保證煤粒度在容易燃燒爆裂和破碎的粒徑范圍。其次，嚴(yán)格控制煤質(zhì)的含硫量＞1%[6]。

3.3 可燃物濃度措施

公司采用爐內(nèi)噴鈣脫硫，脫硫效率在床溫820～950℃最好。在不影響脫硫效果的情況下，采取以下措施：（1）適當(dāng)提高床溫，由930℃提高到935℃；（2）氧含量由原來的4%～8%降低到3%～5%；（3） 降低一次風(fēng)壓頭，提高密相區(qū)濃度，延長物料在爐內(nèi)停留時(shí)間，可降低飛灰中可燃物濃度；（4）保持微正壓運(yùn)行，由原來的-50～0Pa 調(diào)整為0～100Pa 運(yùn)行，可以保證一次風(fēng)穿透物料時(shí)的折揚(yáng)度加大，加大了爐內(nèi)的內(nèi)循環(huán)，提高了水冷壁的傳熱效率，同時(shí)也提高了鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。調(diào)整后數(shù)據(jù)對比見表4。

通過對比可知，在保證總風(fēng)量和一、二次風(fēng)量的情況下，調(diào)整燃燒工況后，鍋爐負(fù)荷、床溫都有顯著上升，排煙溫度、風(fēng)機(jī)電耗下降明顯。這些都是飛灰可燃物的下降帶來的經(jīng)濟(jì)效益。所以，通過以上措施可取得明顯效果。

表4 燃燒工況調(diào)整數(shù)據(jù)對比

3.4 給煤措施

鍋爐最初設(shè)計(jì)不夠合理，在日常運(yùn)行中多次出現(xiàn)由于蓬煤堵煤的原因造成鍋爐壓火，嚴(yán)重影響了安全運(yùn)行。經(jīng)過學(xué)習(xí)與探索，對給煤系統(tǒng)進(jìn)行了改造：（1）1#、4#給煤機(jī)的長度由原來的11.5m 加長到12.4m；（2）給煤機(jī)的密封風(fēng)壓由7kPa 增大為10 kPa；（3）溜煤管與爐膛前壁接觸角加大為垂直式(圖5)。

圖5 溜煤管改造效果

給煤系統(tǒng)改造后，蓬堵現(xiàn)象大大降低，大大節(jié)約了鍋爐運(yùn)行的成本，為公司的長周期運(yùn)行創(chuàng)造了效益。

4 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐在國內(nèi)運(yùn)行已經(jīng)有幾十年的時(shí)間，在煤種適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性、負(fù)荷調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性、灰渣利用經(jīng)濟(jì)性上都明顯優(yōu)于煤粉爐。我們通過不斷的總結(jié)和學(xué)習(xí)，改進(jìn)一些不良的調(diào)節(jié)方式[7]，使公司的循環(huán)流化床鍋爐的經(jīng)濟(jì)性得到了提高。但是我國的技術(shù)起步晚，與國外的先進(jìn)技術(shù)還有明顯的差距，所以要加強(qiáng)交流，更加深入地去探索和研究，使循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)在熱能行業(yè)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

[1]劉德昌，陳漢平，陳世紅，等.循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行和事故處理[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]呂俊復(fù)，岳光溪，劉青，等.75t/h 異型水冷壁分離循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)運(yùn)行[J].中國電力，1999，32(4)：63-66.

[3]黨黎軍.循環(huán)流化床鍋爐的啟動(dòng)調(diào)試與安全運(yùn)行[M].北京：中國電力出版社，2002.

[4]畢勝春.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)功及調(diào)度自動(dòng)化[M].北京：中國電力出版社，2000.

[5]劉德昌，閻維平.流化床燃燒技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1998.

[6]劉煥彩.流化床鍋爐原理與設(shè)計(jì)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1988.

[7]四川省電力工業(yè)局.循環(huán)流化床燃燒技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1998.