循環(huán)流化床鍋爐改燒無煙煤的風量優(yōu)化控制

黃良進 ，鄧雨生 ，柯史壁

（1.中國石化集團茂名石化動力廠，廣東茂名 525011；2.華南理工大學電力學院，廣州 510640）

對于CFB鍋爐機組而言，減少或避免非計劃停爐是節(jié)能的關鍵。鍋爐爐內(nèi)受熱面磨損是造成CFB鍋爐機組非計劃停爐的主要原因之一。由于循環(huán)流化床鍋爐在滿負荷運行時風速較高，尤其在燒高灰分劣質燃料時會給鍋爐受熱面帶來較大磨損，會嚴重影響鍋爐的正常運行。非計劃停爐將造成鍋爐運行的經(jīng)濟性和可用率降低，造成大量的能量損失。

某大型煉化企業(yè)自備電廠現(xiàn)有兩臺410t/h循環(huán)流化床(CFB)鍋爐，原設計煤種為煙煤，在出現(xiàn)燃料價格居高不下的情況改燒了價格相對經(jīng)濟的無煙煤。由于無煙煤質量不穩(wěn)定，粒度偏細且混雜有煤矸石、大理石和石英砂等，造成床料硬度過大，雖然水冷壁過渡區(qū)部份區(qū)域采取了熱噴涂和彎管等方式進行防磨，但在還未來得及噴涂的部位和噴涂層脫落的部位出現(xiàn)嚴重磨損。通過對兩臺鍋爐進行檢修發(fā)現(xiàn)，1#爐主要磨損集中在后墻，而2#爐磨損主要集中在前墻。針對兩臺相同爐型的鍋爐改燒無煙煤期間出現(xiàn)磨損部位的不同，通過對1#爐和2#爐實際的運行參數(shù)進行對比分析，查找原因，并提出優(yōu)化措施，達到鍋爐既經(jīng)濟又安全的運行目的。

1 CFB鍋爐水冷壁的磨損機理

圖1 CFB中水冷壁主要磨損區(qū)

爐內(nèi)水冷壁管磨損是造成CFB鍋爐非計劃停爐的主要因素之一。爐內(nèi)水冷壁管磨損主要可分為水冷壁管耐火材料過渡區(qū)域的磨損、爐膛角落區(qū)域水冷壁磨損、不規(guī)則區(qū)域管壁的磨損和一般水冷壁管的均勻磨損[1]，如圖1所示。

磨損與固體物料濃度、速度、顆粒的特性和流道的幾何形狀等密切相關，水冷壁管的磨損量可按下公式計算[2]：

式中 A為磨損量，kg/(m2·s)；up為顆粒速度，m/s；在一定范圍內(nèi)，顆粒速度與氣流速度呈線性關系，因此有up=ku，其中u為空床氣流速度；d為物料直徑，m；Cp為循環(huán)物料的濃度，kg/m3；K為包含物料性質的系數(shù)。

由式(1)可知，磨損的降低可以通過降低物料的空間濃度來實現(xiàn)。顆粒的粒徑和濃度取決于物料的性質和物料平衡系統(tǒng)的部件性能，兩臺鍋爐有大量改燒無煙煤后曾經(jīng)出現(xiàn)過濃度過高時磨損嚴重的現(xiàn)象。

2 入爐燃料分析

兩臺鍋爐停爐檢修前，所燒無煙煤的元素及工業(yè)分析見表1，無煙煤具有揮發(fā)份低和灰分高的特點。

表1 無煙煤元素分析及工業(yè)分析

圖2是鍋爐的實際入爐燃料粒徑與設計粒徑分布曲線，其中粗實線為實際粒徑分布曲線，小于0.5mm以下粒徑偏離設計范圍較多，這會大幅提高爐膛稀相區(qū)的物料濃度，如果貼壁流增加則可能加快水冷壁管的磨損速率。

圖2 粒徑分布曲線圖

3 兩臺CFB鍋爐的磨損位置及運行參數(shù)比較

3.1 爐內(nèi)結構

爐內(nèi)燃燒區(qū)的各個風口、落煤口以及回料口的位置和數(shù)量決定了爐內(nèi)動力場的分布，進而影響爐內(nèi)的燃燒和水冷壁管的磨損情況。該廠兩臺410t/h循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)回料口、上部一次風口、二次風口、落煤口和水冷壁管管號位置如圖3和圖4所示。

圖3 后墻回料口與水冷壁管示意圖

圖4 前墻給煤口與水冷壁管示意圖

3.21 #爐磨損情況

1#爐檢修檢查時發(fā)現(xiàn)后墻標高14m未噴涂防磨的區(qū)域、標高12m噴涂層區(qū)域和標高17m焊縫的地方都出現(xiàn)嚴重的磨損和脫落現(xiàn)象。其中磨損的重點部位是以爐膛中心線為界向兩邊水冷壁管磨損。2008年和2009年1#爐大修時水冷壁管測厚數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 2009年1#爐大修時水冷壁減薄情況 mm

表3 2008年1#爐大修時水冷壁減薄情況 mm

在檢修期間，根據(jù)水冷壁管減薄的實際情況，更換了后墻第52～86根和第109～129根的水冷壁管。由圖3、圖4、表2和表3可知，產(chǎn)生嚴重磨損的部位主要分布后墻所對應的2#和3#落煤口的軸線附近；再結合圖4可知，水冷壁管所產(chǎn)生的徑向磨損原因是爐膛中間的物料濃度比兩側的高，產(chǎn)生了物料向兩側擴散，沖刷所對應面的水冷壁管。

3.32 #爐磨損情況

在檢修期間，發(fā)現(xiàn)2#爐的磨損主要是前墻標高12m區(qū)域噴涂層脫落和標高17m焊縫的地方出現(xiàn)嚴重的磨損現(xiàn)象。其中磨損的重點部位是前墻以爐膛中心線為界向兩邊即前墻水冷壁管和后墻水冷壁管的磨損。

表4 2009年2#爐大修時前墻水冷壁減薄情況 mm

表5 2008年2#爐大修時前墻水冷壁減薄情況 mm

3.4 兩臺爐運行的參數(shù)差異

通過查閱1#、2#爐在2008年6月至2009年4月內(nèi)的運行報表，發(fā)現(xiàn)1#、2#爐的平均二次風壓為6.3～6.8 kPa，回料腿下部差壓為 4.0～5.4 kPa。1#、2#、3#和 4#給煤機都是按 2:3:3:2的給煤量比例方式進行給煤，但是兩臺爐的上部一次風量相差較大，1#、2#爐運行風量及時間見表6和表7。

表6 2008年6月～09年4月1#爐上部一次風運行風量及時間

表7 2008年5月～09年3月2#爐上部一次風運行風量及時間

由上表可知,1#爐在2008年6月～2009年4月期間,上部一次風量在70t/h以上的運行時間為2378 h,占1#爐總運行時間的31%；而50t/h以上的運行風量運行了6650 h,占1#爐總運行時間的85.38%。2#爐在2008年5月～2009年3月期間上部一次風量在40～59t/h的運行時間高達5710 h，占2#爐總運行時間的83.65%。

鍋爐在實際運行過程中，上部一次風主要是往密相區(qū)補充燃燒用的氧量和充分把新加進爐膛的燃料混合的作用，特別是在燃燒低揮發(fā)份的無煙煤時，對鍋爐的經(jīng)濟運行作用明顯。

表8 各種鍋爐的典型固體物料密度及煙速

4 兩臺鍋爐前后墻水冷壁磨損的原因分析

4.1 床料粒徑的影響

床料粒徑、濃度與其磨損能力有密切關系，直接關系到水冷壁管的磨損狀況，當床料粒徑很小時，所受的沖蝕磨損很小，隨著床料直徑增大，磨損量隨之增大[1]。由于1#、2#爐所用的燃料相同，所以床料粒徑、形狀對磨損量的影響也應相同。但通過兩臺爐的磨損情況和實際運行參數(shù)的比較分析，導致兩臺爐磨損部位不同且磨損程度不同主要原因是風量不同的緣故。

4.2 固體顆粒濃度分布和徑向分布對水冷壁管磨損的影響

循環(huán)流化床鍋爐的物料濃度由燃燒室至爐頂逐漸減少，為了提高鍋爐的燃燒效率，大部份的循環(huán)流化床鍋爐都是中間投煤點的煤量比兩側的大，如果運行風量不好，容易造成爐內(nèi)中間的物料濃度嚴重偏高，從而對爐內(nèi)水冷壁管磨損產(chǎn)生較大的影響。爐內(nèi)存在氣體濃度梯度，是氣體擴散的驅動力，顆粒濃度對混合系數(shù)的影響很大，顆粒濃度越大，貼壁回流的物料就越多，這些貼壁回流的物料又被帶回主流中，促進了橫向顆粒的交換，也同時促進了橫向氣體混合[3]，從而出現(xiàn)了以爐膛中心線為界向爐膛前后墻水冷壁的磨損現(xiàn)象。

4.3 爐膛內(nèi)部結構對水冷壁管磨損的影響

在檢修時發(fā)現(xiàn)，分離器由于存在較為嚴重的結焦現(xiàn)象，造成了物料進入分離器后，分離出來的物料以斜45°向下回料，大量的物料主要是通過回料腿靠爐膛中心線的回料口進入爐膛，從而造成爐膛中間的物料濃度大大提高。

爐內(nèi)前后墻水壁各由183根規(guī)格為Φ50.08×4.19的無縫鋼管組成，側墻則各由90根組成。燃燒室下部為風帽，前后墻距布風板800mm處共布置了13個環(huán)型一次風噴嘴，其中前墻9個，后墻4個；距布風板2300mm處布置了16個二次風噴嘴，其中前墻9個，后墻4個；4個給煤點均勻布置在前墻。1#、2#分離器共有6個回料料口均勻布置在后墻，鍋爐前后墻各風管、落煤口以及回料口位置示意圖如圖5所示。

圖5 鍋爐前后墻各風管、落煤口以及回料口位置示意圖

由圖5可知，后墻的上部一次風進入點只有4個，而前墻有9個，在日常生產(chǎn)過程中，中間兩臺給煤機的煤量比側面兩臺高10%。上部一次風量的變化會產(chǎn)生以下三種情況：一是當上部一次風較大時，會把大量的煤、床料等物料吹到后墻和分離器的回料重合，引起后墻中間部位的物料濃度大大增加。二是當上部一次風達到一個最佳風量時，物料會比較均勻地分布在前后墻處，且靠近前后墻處的物料濃度分布也比較均勻。三是當上部一次風量嚴重偏小時，造成加進的煤量主要分布在前墻，使得前墻硬度較大的物料濃度大大高于后墻的物料濃度。

4.4 爐內(nèi)物料總體循環(huán)的表現(xiàn)形式

爐內(nèi)物料總體循環(huán)形式由鍋爐系統(tǒng)的幾何形狀和各種射流決定，這些射流包括布風板送入的一次風、爐膛中部送入的上部一次風和二次風、燃料給入、石灰石給入以及循環(huán)物料流等[4]。從1#爐、2#爐的水冷壁磨損情況以及爐膛水冷壁過渡區(qū)域水冷壁管測厚數(shù)據(jù)對比可以看出，爐內(nèi)物料總體循環(huán)表現(xiàn)出了完全不同的表現(xiàn)形式，其中1#爐由于上部一次風長時間偏大，且中間兩臺給煤機的給煤量比另兩臺高10%，使得內(nèi)循環(huán)中心區(qū)發(fā)生了部分重疊且偏向后墻，疊加后的物料濃度大幅度增大，加大了的風速把許多較大的固體顆粒帶到了水冷壁過渡區(qū)域，從而增大了沿后墻向下流動的物料流，進而加大了該區(qū)域的磨損,1#爐爐內(nèi)總循環(huán)示意圖如圖6所示；2#爐爐內(nèi)總循環(huán)示意圖如圖7所示。

圖6 1#爐爐內(nèi)總循環(huán)示意圖

圖7 2#爐爐內(nèi)總循環(huán)示意圖

5 結語

通過上述分析，二次風壓保持在7 kPa以下時，上部一次風量過大會造成后墻水冷壁管磨損嚴重；而上部一次風量過小時又會造成前墻水冷壁管磨損嚴重。因此，經(jīng)濟安全運行的上部一次風量應控在45～60t/h，既增強CFB鍋爐改燒無煙煤的經(jīng)濟性又避免水冷壁爆管導致非計劃停爐帶來的能耗損失，進一步提高鍋爐可用率和煤炭能源利用率。

[1]侯祥松，張建勝，王進偉，等.循環(huán)流化床鍋爐中水冷壁的磨損原理及其預防[J].鍋爐技術，2007，38（4）：19-23.

[2]楊振宇.循環(huán)流化床鍋爐爐膛磨損的原因及對策[J].鍋爐制造，2012，（3）：3-7.

[3]楊建華，岳光溪.循環(huán)流化床稀相區(qū)氣體徑向混合擴散規(guī)律的試驗研究[J].鍋爐技術，2008，（3）：30-32.

[4]路春美，程世慶，王永征.循環(huán)流化床鍋爐設備與運行[M]．北京：中國電力出版社，2003．