超低熱值煤矸石發(fā)電技術(shù)研究

葉培祥，陳渝飛

四川華鎣山廣能集團四方電力有限責(zé)任公司

超低熱值煤矸石發(fā)電技術(shù)研究

葉培祥，陳渝飛

四川華鎣山廣能集團四方電力有限責(zé)任公司

通過對超低熱值煤矸石入爐燃燒發(fā)電技術(shù)的研究，運用高低差速燃燒技術(shù)，采用超大的爐床面積、爐拱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型的防磨措施、全澆筑的水冷壁設(shè)計改造低倍率循環(huán)流化床鍋爐；能夠穩(wěn)定燃燒800-1000kcal/kg超低熱值煤矸石，并產(chǎn)生足夠的蒸汽，滿足發(fā)電要求。

超低熱值；發(fā)電；混合流速；改造

引言

煤矸石是在煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的，是目前我國排放量最大的固體廢棄物，占全國工業(yè)固體廢棄物的20%以上?，F(xiàn)在全國煤礦和選煤廠出產(chǎn)的發(fā)熱量低于1200kcal∕kg的煤矸石，因為熱值過低，絕大部分是作為廢棄物放置于煤矸石堆放場，揚塵污染環(huán)境，自燃污染環(huán)境，浪費國家土地資源。若能直接利用煤礦、選煤廠廢棄不用的超低熱值煤矸石燃燒發(fā)電或產(chǎn)汽供熱，不僅減少了煤矸石堆積對環(huán)境的污染還實現(xiàn)資源回收利用。

1 、循環(huán)硫化床技術(shù)研究

1.1 、循環(huán)流化床鍋爐

用低熱值煤矸石發(fā)電，首先要解決的就是低熱值煤矸石進入鍋爐后的燃燒問題。在這方面，循環(huán)流化床鍋爐性能無疑是最佳。

各種入爐燃燒顆粒狀煤矸石的流化床鍋爐，差別主要是燃燒系統(tǒng)，其爐膛結(jié)構(gòu)布置、氣固分離機理、返料系統(tǒng)設(shè)置是核心，而鍋爐尾部對流受熱面部分與常規(guī)鍋爐沒有根本的不同。循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)主要包括在爐膛、氣固分離器和返料器這三個關(guān)鍵部件，體現(xiàn)了其優(yōu)越性。爐膛下部燃燒室料層較厚，客觀上具備了較強的蓄熱功能，利于低熱值的煤矸石著火燃燒，是密相區(qū)，爐膛上部為稀相區(qū)；氣固分離機理主要靠煙氣流程擴徑降速和煙氣轉(zhuǎn)向撞壁失去動能完成分離，含碳顆粒落入返料器內(nèi)；繼續(xù)被煙氣攜帶出爐膛的物料被尾部低溫分離器再分離后經(jīng)返料器返回爐膛，物料如此循環(huán)返復(fù)燃燒；排出鍋爐的灰、渣含碳量較低，鍋爐燃燒效率和熱效率較高、煤耗較低。

1.2 、循環(huán)流化床鍋爐常見設(shè)計難點及解決措施

循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計中需要考慮的幾個主要問題：

（1）鍋爐額定蒸發(fā)量需要從受熱面富裕系數(shù)取偏大值來滿足要求；

（2）爐膛密相區(qū)流化效果需要從爐膛布風(fēng)板出風(fēng)壓頭提高和變化風(fēng)速以及減小入爐燃料粒徑來達到；

（3）爐膛高溫段氣固分離器結(jié)構(gòu)要有利于煙氣降速和轉(zhuǎn)向，促進粗顆粒靜止，床內(nèi)粒子循環(huán)流量不足時，可提高飛灰回收裝置的效率，或?qū)㈠仩t尾部過濾灰投入再循環(huán)燃燒，或從系統(tǒng)外補充細灰等以避免物料在返送器內(nèi)結(jié)焦；

（4）耐火材料性能和受熱面防磨損措施必須周全。

2 、高、低差速燃燒技術(shù)

高低差速燃燒技術(shù)其要點是改變現(xiàn)有常規(guī)流化床爐膛內(nèi)風(fēng)速基本一樣，采用不同流化風(fēng)速的多層床面“差速流化床結(jié)構(gòu)”，這種結(jié)構(gòu)將流化床面分成高速床和低速床，在高速床內(nèi)不布置受熱面，在低速床內(nèi)均布置埋管受熱面，由于其床面的高低差異及不同的流化速度，使物料在爐內(nèi)形成有序的循環(huán)。高低差速燃燒技術(shù)與一般流化床相比有以下幾方面特點：

（1）磨損?。?/p>

高、低混合循環(huán)流速流化床鍋爐的易損部份是密相區(qū)的埋管受熱面，根據(jù)磨損公式：

△∝c?d1.5?ω2.3

式中△：磨損量，c：材料耐磨系數(shù)，d：顆粒直徑，ω：煙氣沖刷速度。

由磨損公式可知，降低磨損的三個要素是：降低煙速，減小粒徑，選用優(yōu)質(zhì)耐熱耐磨材料。而且粒徑是1.5次方關(guān)系，煙氣速度是2.3次方關(guān)系。煙氣速度影響磨損最大。

從高低差速床鍋爐結(jié)構(gòu)上看，在高速床內(nèi)煙氣的速度較高，一般W1＜4米∕秒左右，煤的顆粒度也較大，一般為0～10mm左右，但在此區(qū)域沒有布置受熱面，所以不存在磨損問題。在低速床內(nèi)煙氣的速度較低，一般W2＜2米∕秒左右，煤的顆粒度也較小，一般在2mm以下。因此埋管受熱面布置在此區(qū)域從上面磨損公式中可看出，埋管的磨損將大大降低。

粗的顆粒集中在低層的主床上，細的部分趨于上副床內(nèi)，由于分離后的副床上床料平均顆徑比給料的平均粒徑小，因此副床的流化風(fēng)速可比主床小很多，細的床料和低的流化風(fēng)速使設(shè)置在此處的埋管受熱面磨損程度顯著減輕，壽命由一般8000小時增加到30000小時以上，很好地解決了中小容量FB和低倍率CFB鍋爐的安全可靠性問題。

（2）燃燒效率和脫硫效率高

高、低床之間的不同流化風(fēng)速，形成了床料的有序內(nèi)循環(huán)，強化了床物料橫向混合，同時，由于高速床物料較厚，延長了給料和脫硫劑在床內(nèi)的停留時間，且蓄熱溫度場穩(wěn)定在900Co左右，提高了鍋爐的燃燒效率和脫硫效率。通過運行和熱工試驗表明,飛灰含碳量可降到5%以下，爐渣的含碳量為1.5%以下。

（3）負荷調(diào)節(jié)性能好

多床面的結(jié)構(gòu)，使鍋爐具有良好負荷調(diào)節(jié)性能，特別是改善了單一流化床低負荷時因流化風(fēng)速低，結(jié)焦和過?？諝廨^高的不足，使之可在40%負荷下可靠運行。高低差速流化床鍋爐其高、低流化床燃燒時是獨立配風(fēng)，因此負荷調(diào)節(jié)范圍較大，一般在40%～105%。

（4）環(huán)保性能好

①SO2：流化床鍋爐的低溫燃燒特性——爐膛溫度控制在900℃左右，是爐內(nèi)噴鈣脫硫的最佳溫度，可以采用添加石灰石這一簡單的方法達到固硫脫硫目的，當(dāng)鈣硫比為Ca∕s=2時,爐內(nèi)固硫脫硫效率可達到70%以上。

②NOX：高低差速循環(huán)流化床的低溫燃燒和分段供風(fēng)兩大特點，可以顯著地降低NOX排放量。

通過對高、低混合流速流化床的技術(shù)特點分析，改進高、低混合流速流化床鍋爐燃燒超低熱值煤矸石是目前國內(nèi)最理想的選擇。

3 、改造低倍率硫化床鍋爐

廣能集團綠水洞電廠現(xiàn)有兩臺東方鍋爐廠生產(chǎn)的低倍率中溫分離循環(huán)流化床鍋爐，其入爐燃燒值為2000kcal∕kg。為了使煤礦所排放的超低熱煤矸石（發(fā)熱量800-1200kcal∕kg）回收利用，廣能集團綠水洞電廠決定對現(xiàn)有的鍋爐進行改造以實現(xiàn)超低熱值煤矸石燃燒發(fā)電。經(jīng)過對高、低差速混合流化床技術(shù)的研究和對穩(wěn)定鍋爐燃燒，提高鍋爐效率，防止鍋爐磨損等關(guān)鍵技術(shù)的理論分析研究。電廠提出一系列能燃燒800-1200kcal∕kg超低熱值煤矸石的鍋爐改造技術(shù)方案。

（1）采用較大的床面積和適當(dāng)?shù)娘L(fēng)帽小孔流速

床面積大，床內(nèi)熱容積大，大量的低熱值煤的加入不至于對溫床造成較大的影響，保證了劣質(zhì)煤的著火。由于矸石、石煤比重較大，適當(dāng)?shù)娘L(fēng)帽小孔流速既滿足燃燒的需要，同時也滿足爐內(nèi)正常流化的需要。

（2）合理布置埋管

布置埋管是低速床保證床內(nèi)不超溫的有效手段，燃用劣質(zhì)煤的流化床，既要保證鍋爐負荷，又要保證床溫，故埋管受熱面的布置成為技術(shù)的關(guān)鍵之一。

（3）采用新型的防磨措施

鍋爐非順流受熱面的磨損會嚴重影響鍋爐的安全運行，造成的直接危害是使承壓的金屬管子壁厚減薄直至爆管停爐。為了解決鍋爐受熱面磨損，電廠擬對改造的鍋爐燃燒室內(nèi)受熱面全部使用高鋁質(zhì)掛磚防磨，鍋爐埋管采用鐵鋁瓷護瓦防磨。

（4）合理布置水冷壁受熱面

爐膛內(nèi)水冷壁布置得多，煙氣溫度下降得快，不利于細顆粒的燃燒；布置得少，大量的飛灰燃燒可能使煙氣超溫，導(dǎo)致爐內(nèi)掛焦，電廠擬采用膜式水冷壁加敷設(shè)澆注料的方式進行水冷壁受熱面的設(shè)計，運行實踐中可以調(diào)整，能合理的解決這一問題。

（5）合理布置尾部受熱面

由于燃用劣質(zhì)煤的鍋爐煙氣量及飛灰量較大，而爐膛內(nèi)吸熱量少，尾部受熱面須布置較少的過熱器受熱面和較多的蒸發(fā)受熱面，這與常規(guī)煤種鍋爐是不一樣的，這也是劣質(zhì)煤燃燒的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（6）爐拱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用重型爐墻，用兩扇膜式壁將爐膛分為三回程。使改造后的鍋爐具備高、低混合流速流化床內(nèi)的高、中溫兩級分離，兩級回送的功能。

另外電廠還提出一系列配套技術(shù)方案來保證超低熱值煤矸石在改造的鍋爐中高效、穩(wěn)定燃燒。

（1）采用負壓給煤技術(shù)替代正壓給煤，解決螺旋給煤機堵煤和給煤不暢問題；

（2）配套改造煙風(fēng)系統(tǒng)，擴大引送風(fēng)機能力，保證鍋爐燃燒和鍋爐負壓運行；

（3）利用高含鈣煤矸石進行爐內(nèi)固硫，降低過路出口煙氣中二氧化硫的濃度，在鍋爐尾部加裝不銹鋼空氣預(yù)熱；

（4）利用汽輪發(fā)電機冷凝水冷卻鍋爐灰渣，回收鍋爐灰渣余熱，并解決鍋爐間斷人工排渣導(dǎo)致渣管故障頻繁，排渣困難等問題。

綠水洞電廠根據(jù)超低熱值煤矸石入爐燃燒發(fā)電的實際情況決定根據(jù)上述改造技術(shù)方案對原鍋爐在利舊原則的基礎(chǔ)上進行改造。改造后的鍋爐保留了原有的汽包、鋼架、減速器、過熱器等設(shè)施，擁有高低差速燃燒技術(shù)和低磨損的特點。為了保證鍋爐燃燒和鍋爐負壓運行，配套改造煙風(fēng)系統(tǒng)，擴大引送風(fēng)機能力；為了回收爐渣余熱，配套改造鍋爐除渣系統(tǒng)。為了解決鍋爐給煤機堵、堵煤的老大難問題，將原來鍋爐的正壓給煤方式改為負壓給煤。

改造后的鍋爐經(jīng)多次試運行后得出結(jié)論：800kcal∕kg煤矸石能夠在鍋爐中燃燒、入爐燃料為1000kcal∕kg的煤矸石時鍋爐能夠滿負荷出力，入爐燃料為1200kcal∕kg的煤矸石時能夠達到經(jīng)濟效率。經(jīng)實踐證明改造后的鍋爐能夠穩(wěn)定、高效燃燒超低熱煤矸石發(fā)電。

5.結(jié)論

廣能集團綠水洞電廠通過對現(xiàn)有的循化硫化床技術(shù)研究，運用高低差速燃燒技術(shù)成功的改造了低倍率鍋爐，實現(xiàn)了超低熱煤矸石直接入爐燃燒發(fā)電。它不僅提供了一種超低熱值煤矸石發(fā)電方式，節(jié)約了發(fā)電成本還解決了超低熱煤矸石綜合利用問題，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，是小型煤矸石發(fā)電技術(shù)的重大突破。