影響循環(huán)流化床鍋爐飛灰中碳未燃盡損失因素的探討

福斯特惠勒能源管理（上海）公司 肖明洋

0 前言

經(jīng)過(guò)近幾十年探索與發(fā)展，循環(huán)流化床技術(shù)已經(jīng)成為很有競(jìng)爭(zhēng)力的潔凈煤技術(shù)，目前循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)已趨于成熟,鍋爐的單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到600MW。全球在建的最大的超臨界600MW循環(huán)流化床鍋爐已于2012年7月在四川白馬電廠工地完成了水壓試驗(yàn)；在國(guó)際方面，由FW(Foster Wheeler)公司設(shè)計(jì)并提供設(shè)備，安裝在波蘭的460MW超臨界CFB鍋爐已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)運(yùn)行，安裝在韓國(guó)的4臺(tái)550MW超臨界CFB也以完成了設(shè)計(jì)，正在進(jìn)行設(shè)備制造，預(yù)計(jì)在2015年試運(yùn)行。

1 問(wèn)題的提出

由于循環(huán)流化床鍋爐潔凈燃燒技術(shù)發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短，雖然國(guó)內(nèi)在循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行及維護(hù)、改造中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于CFB鍋爐的一些具體的概念的認(rèn)識(shí)或者探討，會(huì)有利于CFB將來(lái)更大的發(fā)展。本文試圖對(duì)中小型CFB鍋爐中飛灰中碳未燃盡損失（UBC）進(jìn)行分析，并希望能夠?qū)υ擁?xiàng)技術(shù)的發(fā)展起到一點(diǎn)作用。

國(guó)外大量的燃燒褐煤等高反應(yīng)性燃料的實(shí)踐表明，循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量非常低，但實(shí)際上我國(guó)絕大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐多燃用低反應(yīng)活性的煙煤、貧煤、無(wú)煙煤以及矸石等劣質(zhì)燃料，飛灰含碳量比期望值要高出許多，尤其是低揮發(fā)高熱值燃料，燃燒率更低。高飛灰含碳量使得循環(huán)流化床鍋爐的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降。

資料表明[1][2]，中小型循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量是一個(gè)比較普遍的問(wèn)題,燃用無(wú)煙煤的循環(huán)流化床鍋爐，飛灰含碳量可高達(dá)20%左右，遠(yuǎn)高于飛灰綜合利用的要求（要求飛灰含碳量不大于7%）。因此對(duì)于中小型循環(huán)流化床鍋爐飛灰中未燃碳損失的探討，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 CFB鍋爐燃燒的具體特點(diǎn)及控制和優(yōu)化

同煤粉鍋爐一樣，CFB鍋爐內(nèi)的燃燒過(guò)程是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，中間所涉及的因素較多，對(duì)爐膛內(nèi)的燃燒進(jìn)行研究，對(duì)飛灰粒徑的分布探討，有助于飛灰中UBC的控制以及燃燒效率提高。

2.1 CFB鍋爐燃料燃燒的特點(diǎn)

一定寬度篩分的煤進(jìn)入流化床中燃燒，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，除了受燃料本性如揮發(fā)分含量、反應(yīng)活性、顆粒粒度分布影響外，還受到流化狀態(tài)、氧氣擴(kuò)散條件、溫度等眾多因素的影響。

最新的研究表明[3][2]，循環(huán)流化床中的單顆粒與鼓泡床燃燒過(guò)程沒(méi)有太大的差異。但對(duì)于整體而言，燃燒顆粒并非獨(dú)立燃燒，而是與床料形成群體，這種氣固兩相流的燃燒與氣固兩相流流動(dòng)具有明顯的關(guān)系，亦即事實(shí)上循環(huán)流化床與鼓泡流化床燃燒過(guò)程和機(jī)理是截然不同的兩種行為。

分析燃料的燃燒過(guò)程，煤粒子進(jìn)入燃燒室中，經(jīng)歷了如下一個(gè)連續(xù)過(guò)程:

1）加熱和烘干（準(zhǔn)備過(guò)程）；

2）揮發(fā)分析出和揮發(fā)分燃燒；

3）膨脹和一次破裂（某些類型的煤）

4）焦炭燃燒、二次破裂和磨耗。

實(shí)際上煤在流化床中的燃燒過(guò)程并不簡(jiǎn)單地以上述幾個(gè)步驟地劃分為幾個(gè)階段，而是幾個(gè)過(guò)程會(huì)同時(shí)進(jìn)行，例如揮發(fā)份和焦碳的燃燒階段存在著明顯的重疊現(xiàn)象。

2.2 燃燒的控制和優(yōu)化

目前對(duì)于CFB鍋爐運(yùn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整，主要從以下幾個(gè)方面入手：

○燃煤粒徑分布；

○風(fēng)量（氧量）控制；

○一、二次風(fēng)比例；二次風(fēng)穿透能力；

○運(yùn)行料層（風(fēng)室壓力），床壓、床溫的控制；

○提高分離器分離效率

○飛灰再循環(huán)系統(tǒng)

1）燃煤粒徑分布

雖然CFB具有燃料適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，對(duì)于特定的CFB鍋爐其對(duì)燃料的粒徑分布是有一定要求的，CFB鍋爐對(duì)入爐煤的粒徑要求視煤種而異。一般來(lái)說(shuō)低揮發(fā)份的煤粒徑應(yīng)小，高揮發(fā)份煤粒徑應(yīng)粗些，因?yàn)楦邠]發(fā)份煤在爐內(nèi)燃燒時(shí)更容易爆裂和破碎成細(xì)顆粒,且相對(duì)更容易燃盡。因此應(yīng)根據(jù)煤種不同對(duì)煤的粒徑分布提出不同的要求。

由于循環(huán)流化床具有燃料適性廣，穩(wěn)燃負(fù)荷相對(duì)較低，并易于燃燒劣質(zhì)或難燃燒的煤種的特點(diǎn)，因此在實(shí)際中，人們往往忽略了燃料粒的控制。雖然CFB鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，但對(duì)于按照某一煤種設(shè)計(jì)的鍋爐，其燃料的粒徑范圍應(yīng)是一定的，偏離設(shè)計(jì)范圍的入爐燃料肯定會(huì)對(duì)鍋爐的正常運(yùn)行造成一定的影響。

化石，是指在一定地質(zhì)歷史時(shí)期形成的、保存完好的、具有一定科研價(jià)值和觀賞價(jià)值的、被石化的古生物遺骸，如貴州龍化石、海百合化石、珊瑚化石、恐龍蛋化石等。

資料表明，由于設(shè)計(jì)理念的差異和對(duì)鍋爐燃燒控制的不同，世界上各公司對(duì)同一煤種設(shè)計(jì)的粒徑分布也是有一定差異的。經(jīng)驗(yàn)表明，合理控制煤的粒徑分布，對(duì)提高燃燒效率，降低UBC是起到關(guān)鍵作用的。

2）運(yùn)行風(fēng)量與一、二次風(fēng)比例調(diào)整

風(fēng)量及一二次風(fēng)比例的調(diào)整可以有效地改善爐內(nèi)風(fēng)、煤、灰的混合程度，提供最佳的燃料、供風(fēng)混合方式。如果配風(fēng)比例不當(dāng)，二次風(fēng)的穿透能力不夠會(huì)導(dǎo)致爐膛二次風(fēng)上部有一個(gè)貧氧核心區(qū)，這是由于擴(kuò)散效果不佳而使氧氣不能到達(dá)爐膛中部的結(jié)果，這對(duì)于核心區(qū)細(xì)顆粒的燃燒產(chǎn)生了負(fù)面影響。分析認(rèn)為，目前國(guó)內(nèi)100MW及135MWCFB鍋爐存在的飛灰可燃物含量高，部分原因應(yīng)該是由于二次風(fēng)穿透能力不足引起的。燃燒調(diào)整優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，二次風(fēng)的調(diào)整是一個(gè)重要手段。

目前國(guó)內(nèi)135MWCFB鍋爐一般情況下一次風(fēng)占55%～65%之間，二次風(fēng)（包括播煤風(fēng)和上二次風(fēng)）占45%～35%左右，具體的一二次風(fēng)的分配要結(jié)合具體的煤種及鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃燒的實(shí)際控制來(lái)確定，但二次風(fēng)口的布置及同給煤口的配合對(duì)UBC的影響還需進(jìn)一步研究。

3）床壓及床溫的控制

降低爐膛壓降運(yùn)行[4]，可以降低底部密相區(qū)和過(guò)渡區(qū)物料濃度，增加二次風(fēng)的穿透能力，使得更多氧氣進(jìn)入中央貧氧區(qū)，加強(qiáng)氣固混合并提高碳的燃燒效率，進(jìn)而降低了飛灰中的含碳量。

較高的床層溫度及較高的爐膛高度無(wú)疑有助于降低飛灰含碳量，改善氣固混合（二次風(fēng)布置和穿透能力），有助于提高爐膛核心貧氧區(qū)的氧量，從而提高燃燒效率。但是考慮到SOX/NOX對(duì)床溫的要求和限制，提高床溫不應(yīng)作為降低UBC的主要手段。

4）飛灰粒徑分布的影響

到目前為止，已有許多關(guān)于循環(huán)流化床中碳顆粒燃盡問(wèn)題的報(bào)道，主要集中在實(shí)驗(yàn)?zāi)M煤在爐內(nèi)燃燒過(guò)程中其反應(yīng)活性隨燃燒時(shí)間和燃燒溫度的變化過(guò)程。利用單顆粒等徑縮核模型計(jì)算出，焦炭粒子的燃盡時(shí)間隨粒徑變化曲線呈峰值特征，40-50um的顆粒相對(duì)難燃盡。燃料本身燃燒反應(yīng)活性對(duì)飛灰含碳量有重要影響，不同煤種對(duì)應(yīng)的飛灰含碳量分布有差異。較高的床層溫度及較高的爐膛高度無(wú)疑有助于降低飛灰含碳量，改善氣固混合（二次風(fēng)布置和穿透能力），有助于提高爐膛核心貧氧區(qū)的氧量，從而提高燃燒效率。

試驗(yàn)表明[4]，在40-50um區(qū)域含碳量出現(xiàn)峰值，這是由爐膛內(nèi)燃燒過(guò)程中傳熱，傳質(zhì)及灰殼形成及分離效率決定的。在100um附近飛灰含碳量最低。這是由于在工業(yè)循環(huán)流化床中，固體可以在床內(nèi)的停留時(shí)間呈峰值分布，峰值主要由分離效率和排渣效率決定，100um顆粒停留時(shí)間最長(zhǎng)，因此區(qū)域的碳顆粒燃盡程度最低，導(dǎo)致此種分布的原因還包括不同粒徑碳顆粒的燃盡時(shí)間的不同。

結(jié)果表明[5]:循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中焦炭反應(yīng)性逐漸下降;焦炭燃燒過(guò)程中發(fā)生的爆裂、磨損、失活等行為與煤種有關(guān),對(duì)循環(huán)流化床鍋爐飛灰碳燃盡有很大影響.氣固混和不均勻是導(dǎo)致較高的飛灰含碳量的原因之一。

3 旋風(fēng)分離器分離效率

目前分離器直徑一般在6.5～9m之間。影響分離效率的主要因素包括切向進(jìn)口風(fēng)速、煙氣溫度和粘度、灰粒徑、進(jìn)口顆粒濃度以及分離器自身的結(jié)構(gòu)尺寸等等[6][7][8]。上述因素在理論方面已有較多研究，這里不再贅述。

很容易理解，高的分離器效率是對(duì)降低UBC有幫助的，資料表明[3]多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐飛灰可燃質(zhì)集中在20-70um的細(xì)顆粒中，這個(gè)基本事實(shí)必然使人們認(rèn)為分離器的臨界粒徑d100最好能推進(jìn)到20um左右，從而獲得較高的燃燒效率。事實(shí)上，循環(huán)流化床鍋爐用大型分離器的臨界粒徑d100是難以達(dá)到這個(gè)指標(biāo)的，許多國(guó)外循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量很低的原因不能完全用分離器解釋。

4 飛灰再循環(huán)系統(tǒng)

所謂的飛灰再循環(huán)系統(tǒng)是把鍋爐尾部電除塵器一電場(chǎng)收集的飛灰再送入鍋爐的爐膛密相區(qū)進(jìn)行燃燒，設(shè)計(jì)使用飛灰再循環(huán)系統(tǒng)是降低UBC的手段之一。燃燒石油焦的鍋爐一般都設(shè)計(jì)有飛灰再循環(huán)系統(tǒng)，據(jù)國(guó)內(nèi)某煉化企業(yè)資料[9]，投用該系統(tǒng)后，鍋爐效率從89.67%提高到92.37%，每年節(jié)約石油焦的費(fèi)用約135.6萬(wàn)元（約2004年價(jià)格水平）。

5 結(jié)語(yǔ)

1）影響飛灰中UBC的因素較多,在進(jìn)行鍋爐設(shè)計(jì)、計(jì)算時(shí)要把床溫、燃料粒徑、分離器的選型及布置、各種風(fēng)的布置和分配以及飛灰再循環(huán)的設(shè)計(jì)等因素進(jìn)行優(yōu)化，才有可能使UBC得以降低。

2）對(duì)燃燒過(guò)程的進(jìn)一步研究，尤其是對(duì)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃料燃燒的動(dòng)態(tài)研究將會(huì)有助于循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)的優(yōu)化，對(duì)進(jìn)一步飛灰中UBC的降低，CFB鍋爐燃燒效率的提高會(huì)有更大的促進(jìn)作用。

參考資料：

[1]李軍 盧嘯風(fēng) 大型循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的最新進(jìn)展 電站系統(tǒng)工程 2004（9）Vol 20 No.5 1～4

[2]劉德昌等 循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行及事故處理 中國(guó)電力出版社 2006

[3]馮俊凱等 循環(huán)流化床燃燒鍋爐 中國(guó)電力出版社 2003

[4]楊海瑞等 循環(huán)流化床壓降對(duì)飛灰含碳量的影響 電站系統(tǒng)工程第21卷3期2005年5月VOL21 NO.3 1005-006X(2005)03-0013-02

[5]呂俊復(fù)等 循環(huán)流化床鍋爐的飛灰含碳量問(wèn)題 《動(dòng)力工程》2004,?24(2)

[6]駱仲泱等 循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 動(dòng)力工程 2004(12)Vol 24 No.6 763-767.

[7]蘇虎等 循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬 東方電氣評(píng)論 2004（12）Vol 18 No4 179～184

[8]錢付平等 溫度對(duì)旋風(fēng)分離器分離數(shù)值性能影響的數(shù)值研究 動(dòng)力工程 2006（4）Vol 26 No.253～256.

[9]鄭偉軍等 飛灰密相底飼技術(shù)在全燒石油焦CFB 鍋爐中的應(yīng)用 《循環(huán)流化床（CFB）機(jī)組技術(shù)交流論文集》2004