310 t/h循環(huán)流化床鍋爐混燒煤和石油焦熱工性能試驗分析

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(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013)

310 t/h循環(huán)流化床鍋爐混燒煤和石油焦熱工性能試驗分析

程竹靜，管堅，王龍，王釗，劉國鋒

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013)

在2臺310 t/h循環(huán)流化床鍋爐上進行熱工性能試驗，分析比較了煙氣溫度、汽水流量、灰渣含碳量及尾部煙氣污染物等參數(shù)。2臺循環(huán)流化床鍋爐均燃用煤和石油焦混合物，爐內(nèi)添加石灰石脫硫。1#和2#鍋爐額定運行負(fù)荷熱效率分別為89.22%，90.70%，日常運行負(fù)荷熱效率分別為88.10%，89.88%。2臺鍋爐爐內(nèi)密相區(qū)溫度分布均勻；床溫、分離器入口溫度、回料腿溫度和排煙溫度穩(wěn)定；主蒸汽流量、給水流量、減溫水流量波動較??；煙氣污染物均可達到設(shè)計要求。試驗結(jié)果可對混燒煤和石油焦循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計和運行提供參考。

循環(huán)流化床鍋爐；混燒煤和石油焦；熱工性能試驗；熱效率

0 引言

石油焦屬于煉油工藝副產(chǎn)品，其熱值高，揮發(fā)分及灰分低，硫、氮元素及釩、鎳等堿金屬含量高，屬劣質(zhì)燃料[1]。石油焦中硫的含量決定了其最終用途：硫含量小于2%的石油焦通常用于生產(chǎn)電極，硫含量在2%～5%之間的石油焦通常被認(rèn)為是燃料級石油焦[2]。近年來，隨著石油焦產(chǎn)量的逐年增長，將石油焦作為一種替代燃料是其產(chǎn)量增長后較為切實可行的出路。循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)作為一種高效低污染的燃燒技術(shù)，具有燃料適應(yīng)性好，污染物排放量低，燃燒效率高，負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好等特點。因此，利用循環(huán)流化床鍋爐混燒石油焦與煤是一種高效、低污染處理石油焦的最佳方式[3-9]。

某公司2臺310 t/h高溫高壓CFB鍋爐(以下稱1#鍋爐和2#鍋爐)由Foster-Wheeler成套供應(yīng)，設(shè)計燃料為100%石油焦，校核燃料為70%石油焦摻燒30%貧煤，測試燃料為60%石油焦摻燒40%貧煤。本文對2臺混燒石油焦和煤310 t/h鍋爐進行了熱工性能試驗研究，為運行優(yōu)化和技術(shù)改造提供依據(jù)，為混燒煤和石油焦CFB鍋爐的設(shè)計和運行提供參考。

1 鍋爐概述

1.1 鍋爐總體結(jié)構(gòu)

圖1 310 t/h CFB鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

該型號鍋爐是高溫高壓、單汽包、無中間再熱、自然循環(huán)CFB鍋爐。爐內(nèi)布置膜式水冷壁，布風(fēng)板裝設(shè)箭頭型空氣噴嘴；爐膛出口處有汽冷旋風(fēng)分離器，內(nèi)襯耐磨耐火材料，采用吊掛式全汽冷膜式壁包墻。石油焦經(jīng)瀝干、破碎后由前墻的播煤口送入爐膛；破碎后的脫硫劑由石灰石中間倉通過氣力輸送系統(tǒng)送至爐膛給料口進入爐膛；鍋爐燃燒室兩側(cè)各裝設(shè)風(fēng)水聯(lián)合冷渣器。旋風(fēng)分離器出口的煙氣依次經(jīng)過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器的尾部豎井煙道，進入靜電除塵器、布袋除塵器除去飛灰，再經(jīng)引風(fēng)機送入煙氣脫硫系統(tǒng)脫硫，最后經(jīng)過煙囪排入大氣。310 t/h CFB鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.2 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

2 熱工性能試驗工況

評價鍋爐在日常及額定運行參數(shù)下的熱工性能狀況，為進一步運行優(yōu)化和技術(shù)改造提供參考依據(jù)，測試內(nèi)容包括：

1#鍋爐：①工況1-310 t/h(額定運行工況)，②工況2-290 t/h(日常運行工況為主工況)；

2#鍋爐：①工況1-310 t/h(額定運行工況為主工況)，②工況2-290 t/h(日常運行工況)。

3 燃料及脫硫劑分析

試驗燃料為60%石油焦和40%貧煤混合燃料，表2是混合燃料元素和工業(yè)分析，試驗煤和石油焦混合物摻混均勻，混合燃料成分波動較小，入爐燃料熱值相對穩(wěn)定。表3是石灰石成分分析,石灰石中CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.5%。

表2 混合燃料元素及工業(yè)分析

表3 石灰石成分分析

4 熱工性能試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果表明，1#鍋爐工況1、工況2的熱效率分別為89.22%、88.10%，2#鍋爐工況1、工況2的熱效率分別為90.70%、89.88%。1#、2#鍋爐熱工性能試驗數(shù)據(jù)匯總表見表4。

表4 鍋爐熱工性能試驗數(shù)據(jù)匯總表

4.1 爐內(nèi)溫度

圖2為1#、2#鍋爐爐內(nèi)溫度測點分布示意圖，圖中01～10為爐內(nèi)測點編號。表5為1#、2#鍋爐爐內(nèi)溫度分布?？芍?#鍋爐工況1前、后墻爐內(nèi)密相區(qū)平均溫度分別為898.4℃、895.7℃，2#鍋爐工況1前、后墻爐內(nèi)密相區(qū)平均溫度分別為912.9℃、906.8℃；1#鍋爐工況2前、后墻爐內(nèi)密相區(qū)平均溫度分別為881.1℃、877.6℃，2#鍋爐工況2前、后墻爐內(nèi)密相區(qū)平均溫度分別為898.4℃、892.1℃。由此可知，在指定測試工況下，2臺鍋爐爐內(nèi)密相區(qū)溫度分布均勻。在對應(yīng)工況下，2#鍋爐的爐內(nèi)平均溫度均比1#鍋爐高10℃左右。在一、二次風(fēng)量基本相同的情況下，2#鍋爐入爐燃料的灰分較低，導(dǎo)致爐內(nèi)床溫相對較高。

圖2 鍋爐爐內(nèi)溫度測點分布示意圖

表5 爐內(nèi)溫度分布表

4.2 煙氣運行參數(shù)

圖3～圖4為2臺鍋爐主工況下煙氣系統(tǒng)運行溫度隨時間的變化。由圖可見，2臺鍋爐煙氣系統(tǒng)運行溫度隨時間的變化較小，運行相對穩(wěn)定。試驗工況下，整理得到2臺鍋爐煙氣系統(tǒng)運行溫度見表6。由表可知，在試驗工況下，2#鍋爐分離器出現(xiàn)后燃，分離器溫度偏差17℃左右。在一次、二次風(fēng)量基本相同的情況下，由于2#鍋爐入爐燃料中細(xì)粉狀顆粒較多，固定碳含量較高，焦炭顆粒來不及在爐膛全部燃盡，導(dǎo)致分離器后燃。

表6 煙氣系統(tǒng)運行溫度

圖3 1#鍋爐工況2-290 t/h煙氣運行溫度隨時間變化

圖4 2#鍋爐工況1-310 t/h煙氣運行溫度隨時間變化

圖5 1#鍋爐試驗工況汽水流量隨時間變化

圖6 2#鍋爐試驗工況汽水流量隨時間變化

4.3 工質(zhì)運行參數(shù)

圖5～圖6為2臺鍋爐汽水流量隨時間的變化。由圖可見，2臺鍋爐的汽水流量相對穩(wěn)定，2個工況下減溫水流量波動基本重合。從煙氣和工質(zhì)相對穩(wěn)定的運行參數(shù)來看，試驗燃用煤和石油焦混合物摻混相對均勻，混合燃料成分波動較小。

4.4 污染物排放

4.4.1 SO2排放

試驗工況下2臺鍋爐的石灰石加入量約5 t/h。1#鍋爐SO2平均排放濃度為538.57 mg/m3，工況1的Ca/S摩爾比為1.96，脫硫效率為89.26%；工況2的Ca/S摩爾比為2.01，脫硫效率為89.59%。2#鍋爐SO2平均排放濃度為662.86 mg/m3，工況1的Ca/S摩爾比為1.93，脫硫效率為86.85%；工況2的Ca/S摩爾比為2，脫硫效率為86.59%?？梢姡?臺鍋爐脫硫效率較高，爐內(nèi)SO2排放濃度滿足設(shè)計要求，但仍然很高。因此，鍋爐尾部安裝了一套濕法脫硫系統(tǒng)，保證SO2的最終排放滿足GB13223-2011所規(guī)定小于200 mg/m3的要求。

2臺鍋爐的石灰石通過旋風(fēng)分離器回料腿的給料口加入，石灰石在回料腿內(nèi)經(jīng)過高溫灰煅燒后，形成的高活性多孔CaO進入爐膛進行脫硫反應(yīng)，在最佳Ca/S摩爾比為2左右時[10]，具有較高的脫硫效率和較低的SO2排放。

4.4.2 NOx排放

1#鍋爐在床溫862.9～880.6℃、排煙處過量空氣系數(shù)1.18～1.2條件下，NOx平均排放濃度為45～84 mg/m3；2#鍋爐在床溫877.3～890.7℃、排煙處過量空氣系數(shù)1.15～1.19條件下，NOx平均排放濃度為51～97 mg/m3，均滿足GB 13223-2011所規(guī)定小于100 mg/m3的排放要求。

4.5 灰渣含碳量

1#鍋爐工況1爐渣可燃物含量和飛灰可燃物含量平均值分別為6.9%和20.82%，工況2爐渣可燃物含量和飛灰可燃物含量平均值分別為6.83%和20.97%；2#鍋爐工況1爐渣可燃物含量和飛灰可燃物含量平均值分別為2.78%和17.68%，工況2爐渣可燃物含量和飛灰可燃物含量平均值分別為2.49%和18.12%。2臺鍋爐的飛灰可燃物含量都明顯偏高。1#鍋爐灰渣可燃物含量比2#鍋爐灰渣可燃物含量高。這是由于1#鍋爐爐內(nèi)溫度相對較低，入爐燃料相對較差，且分離器沒有明顯的后燃，都導(dǎo)致1#鍋爐灰渣含碳量高于2#鍋爐。建議提高旋風(fēng)分離器效率，盡可能的捕捉細(xì)小顆粒，同時使用尾部飛灰再循環(huán)裝置。飛灰再循環(huán)不僅可以降低飛灰含碳量，提高鍋爐效率，還可以提高鈣利用率，降低SO2的排放量[2]。

5 結(jié)論及建議

(1)試驗期間2臺鍋爐爐內(nèi)密相區(qū)溫度分布較為均勻，煙氣循環(huán)系統(tǒng)各點溫度相對穩(wěn)定，工質(zhì)流量波動范圍在±3%內(nèi)，符合測試要求。

(2)在額定運行工況下，1#、2#鍋爐平均熱效率分別為89.22%、90.70%，在日常運行負(fù)荷工況下平均熱效率分別為88.10%，89.88%。能效試驗值均低于鍋爐設(shè)計值。

(3)混合燃料中細(xì)粉顆粒較多，導(dǎo)致2臺鍋爐的飛灰可燃物含量較高，這是鍋爐熱工性能試驗效率低于設(shè)計效率的主要原因。建議提高旋風(fēng)分離器效率，盡可能的捕捉細(xì)小顆粒，同時使用尾部飛灰再循環(huán)裝置。

(4)采用爐內(nèi)添加石灰石脫硫，2臺鍋爐Ca/S摩爾比為2.0左右, 1#鍋爐SO2平均排放濃度為538.57 mg/m3，脫硫效率超過89%；2#鍋爐SO2平均排放濃度為662.86 mg/m3，脫硫效率超過86%。通過增設(shè)尾部濕法脫硫裝置，可進一步降低SO2排放濃度并滿足現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。2臺鍋爐NOx平均排放濃度較低，均能滿足現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。

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ThermalPerformanceTestingandAnalysison310t/hCFBBoilerBurningMixedFuelofCoalandPetroleumCoke

CHENG Zhu-jing,GUAN Jian,WANG Long，WANG Zhao，LIU Guo-feng

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100013, China)

Thermal performance tests were carried out on two 310 t/h circulating fluidized bed (CFB) boilers. A series of parameters such as gas temperature, steam flow, carbon content in the ash residue as well as flue gas emission were analyzed in this paper. Both two CFB boilers were burning with mixed fuels of coal and petroleum coke while limestone was added into the boiler for desulfurization. The 1# and 2# boilers’ thermal efficiency respectively reached to 89.22% and 90.70% for rated load，and 88.10% and 89.88% for daily operation load. The temperature in dense phase zone was evenly distributed, and bed temperature, inlet temperature of separator, temperature of material-returning leg and the exhaust gas temperature kept stable. Main steam flow, feed-water flow and attemperation water flow fluctuated slightly. Flue gas emissions were effectively under control. The study results had reference values for design and operation of CFB boiler burning mixed fuels of coal and petroleum coke.

circulating fluidized bed;burning mixed fuels of coal and petroleum coke;thermal performance testing;thermal efficiency

2013-09-18修訂稿日期2013-11-02

程竹靜(1981～),女,碩士研究生，工程師，主要從事鍋爐節(jié)能環(huán)保研究。

TK227.1

A

1002-6339 (2014) 01-0069-04