煤的粒度對(duì)440t/h循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的影響和控制措施

桂承國(guó)

摘要：循環(huán)流化床鍋爐因其高效、低污染、煤種適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)得到大力發(fā)展。循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃煤的粒度范圍、平均粒徑大小及粒度的分布等有較為嚴(yán)格的要求。針對(duì)一臺(tái)440t/h的循環(huán)流化床鍋爐，結(jié)合燃燒機(jī)理，重點(diǎn)分析燃煤粒度對(duì)循環(huán)流化床鍋爐點(diǎn)火和燃燒的影響、對(duì)鍋爐運(yùn)行效率的影響、對(duì)鍋爐受熱面磨損情況的分析和對(duì)鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，并采取了相應(yīng)的防范措施，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：燃煤粒度;循環(huán)流化床;鍋爐效率

1 緒論

循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)是二十世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一種高效清潔的燃燒技術(shù)，其燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣、污染物排放濃度低、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于電力及其他行業(yè)中，尤其是以燃燒劣質(zhì)煤為主的工業(yè)單位中得到迅速推廣。但它對(duì)燃煤的粒度范圍、平均粒徑大小及粒度的分布等有較為嚴(yán)格的要求，在燃料不同的情況下不同類型的鍋爐對(duì)于燃煤粒度的要求也是不同的，高循環(huán)倍率的循環(huán)流化床鍋爐需求相對(duì)較細(xì)的燃煤粒度，而低循環(huán)倍率的流化床鍋爐需求相對(duì)較粗的燃煤粒度[1]，粒徑變化大會(huì)對(duì)鍋爐的流化燃燒工況、帶負(fù)荷能力以及受熱面的磨損情況[2]帶來(lái)很大影響，因此，保證煤的粒度分布合理是燃煤制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行不容忽視的重要問(wèn)題，通過(guò)燃煤粒度來(lái)解決生產(chǎn)問(wèn)題，提升鍋爐的熱效率。本文結(jié)合一臺(tái)440t/h循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行狀況，分析燃煤粒度對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的影響并提出相應(yīng)的防范措施。

2 煤的粒度對(duì)循環(huán)流化床鍋爐點(diǎn)火和燃燒的影響

影響循環(huán)流化床鍋爐安全穩(wěn)定性運(yùn)行的重要問(wèn)題之一是其受熱面的磨損情況，而煤的粒度在循環(huán)流化床鍋爐的受熱面磨損問(wèn)題中起到?jīng)Q定性作用，并且也是鍋爐燃燒效率的關(guān)鍵因子，所以，定性的去了解燃燒過(guò)程對(duì)于鍋爐效率的提高是很有研究必要的。

循環(huán)流化床鍋爐能夠進(jìn)行充分燃燒的關(guān)鍵是時(shí)間、溫度和湍流度這三個(gè)要素。[3]在適宜的燃燒溫度下，足夠的停留時(shí)間由良好的內(nèi)、外循環(huán)提供，湍流度則是由充足的氣固混合來(lái)保證燃燒效率。

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特點(diǎn)不同于層燃爐的燃燒方式，它是一種沸騰燃燒，即在一定的氣流環(huán)境中，煤粒邊翻騰運(yùn)動(dòng)邊燃燒，因此入爐煤的顆粒度在鍋爐的點(diǎn)火、運(yùn)行、控制過(guò)程中有很大影響，同時(shí)還會(huì)影響到燃燒效率、水冷壁等部件的運(yùn)行。[4]

2.1 循環(huán)流化床鍋爐中煤燃燒的過(guò)程[5]

（1）干燥及加熱階段：煤粒在進(jìn)入流化床鍋爐后，迅速被大量不可燃床料包圍并升溫至床溫，所以煤的粒度直接關(guān)系到加熱速率。

（2）揮發(fā)分的析出及燃燒階段：煤分解產(chǎn)生大量的氣態(tài)物質(zhì)并開始燃燒。

（3）膨脹和一次破碎。

（4）焦炭燃燒和二次破碎、磨損。

2.2 點(diǎn)火啟動(dòng)

循環(huán)流化床鍋爐的點(diǎn)火過(guò)程是指先通入天然氣并將燃燒室內(nèi)的床料加熱到450～500℃，并送風(fēng)使床料處于流化狀態(tài)，然后向燃燒室添入少量煤同時(shí)開始減少天然氣量，當(dāng)床溫升至700℃后，關(guān)閉天然氣并正常給煤運(yùn)行。鍋爐點(diǎn)火、加煤到正常燃燒是一個(gè)與床料的高度、配風(fēng)方式、給煤量等因素有關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。[6]

根據(jù)相關(guān)資料，[7]不同顆粒尺寸的煤粒加熱到著火溫度所需的時(shí)間如表1：

從顆粒度的角度分析，鍋爐啟動(dòng)前低溫階段的著火物料和床料溫升的熱源主要是床料中的細(xì)煤粉，為了保證點(diǎn)火時(shí)良好的床料流化狀態(tài)，同時(shí)使得煤粉本身及其產(chǎn)生的熱量不被風(fēng)過(guò)多地帶走，燃燒時(shí)需要小風(fēng)量環(huán)境;細(xì)煤粉受熱溫升較快的特點(diǎn)有利于著火，可相應(yīng)地減少加熱時(shí)間，避免熱風(fēng)損失。因此，準(zhǔn)備好點(diǎn)火床料并優(yōu)化選擇入爐煤的粒度，可大大縮短鍋爐點(diǎn)火時(shí)間并減少啟動(dòng)用煤。

點(diǎn)火時(shí)還會(huì)遇到諸多問(wèn)題，如較少的床料會(huì)導(dǎo)致流化狀態(tài)和床料溫度的不均勻，從而使得點(diǎn)火困難，甚至出現(xiàn)局部超溫、結(jié)焦等;較多的床料會(huì)減緩升溫速度，增加點(diǎn)火所需的天然氣用量，還會(huì)增大床料層間的阻力，增加風(fēng)機(jī)的耗能，對(duì)工廠用電造成影響。因此，點(diǎn)火時(shí)一定要保證恰當(dāng)?shù)拇擦响o止高度，經(jīng)大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示，床料的靜止高度在400～500mm時(shí)可使鍋爐順利點(diǎn)火。在鍋爐點(diǎn)火早期階段，床料的溫度和風(fēng)溫均較低，同樣尺寸的顆粒達(dá)到沸騰狀態(tài)所需求的風(fēng)量要比熱態(tài)運(yùn)行時(shí)大得多，而少的風(fēng)量能減少熱風(fēng)損失，需要在實(shí)際操作中具體情況具體分析來(lái)緩和這一矛盾。

3 煤的粒度對(duì)循環(huán)流化床鍋爐效率的影響

床料正常沸騰以及床溫保持穩(wěn)定是循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的基本要求，為此，保證入爐煤的顆粒度至關(guān)重要。大量進(jìn)入流化床的煤塊會(huì)在床體中沉積并形成死滯區(qū)，破壞正常的流化狀態(tài)，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻，進(jìn)而結(jié)焦而被迫停爐[8];過(guò)多的細(xì)小顆粒則會(huì)影響分離器效果，隨煙氣進(jìn)入電除塵裝置，減少回灰，造成床溫升高卻帶不上負(fù)荷，降低鍋爐效率。所以良好的燃燒破碎、篩分系統(tǒng)能夠保證進(jìn)入鍋爐的煤的粒度在0～13mm，滿足循環(huán)流化床鍋爐的安全運(yùn)行要求，否則在運(yùn)行過(guò)程中，為了減少小煤粒飛逸而減小風(fēng)量的措施會(huì)影響大粒度煤粒的流化;而為了保持大煤粒良好的流化狀態(tài)加大風(fēng)量會(huì)增加小粒度煤粒的飛逸，導(dǎo)致鍋爐排煙損失的增加。

4 煤的粒度對(duì)循環(huán)流化床鍋爐受熱面磨損的影響

受熱面的磨損是循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行過(guò)程中最突出的問(wèn)題，這些磨損主要是水冷壁管磨損、布風(fēng)裝置磨損、不規(guī)則管壁磨損、凸出或凹陷部位磨損、屏式過(guò)熱器磨損以及過(guò)熱器/省煤器/空預(yù)器尾部受熱面磨損等。[9]

下面重點(diǎn)分析水冷壁的磨損情況。

（1）由于影響水冷壁磨損的因素很多，磨損過(guò)程也極其復(fù)雜，其磨損量的計(jì)算只能采用半經(jīng)驗(yàn)公式，可以用一個(gè)簡(jiǎn)化的公式[10]對(duì)磨損傾向作初步定性分析：E=KpCpdp2u3

其中：E——磨損速率，mm/100000h

Kp——灰特性系數(shù)，一般取1/103

Cp——顆粒濃度，kg/m3

dp——灰粒平均直徑，mm

u——?dú)饬魉俣?，m/s

（2）循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)煙速一般為4.5～6.0m/s，在900℃爐膛下屏式受熱面區(qū)域顆粒濃度為10 kg/m3，4.5m/s和6.0m/s兩種極限煙氣流速下各種煤粒度對(duì)水冷壁的磨損量根據(jù)公式E= KpCpdp2u3計(jì)算。

鍋爐水冷壁的磨損與煤粒度的平方成正比，與煙氣流速的三次方成正比，因此，爐膛內(nèi)煙氣流速對(duì)水冷壁磨損的影響最大，其次是煤的粒度，在同等煤粒度下，煙氣流速所造成的磨損遠(yuǎn)大于煤粒度本身造成的磨損。

循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的設(shè)計(jì)壽命為磨損量2.0mm/106h，因此，通過(guò)理論計(jì)算，當(dāng)煤的粒度為1～1.5mm左右時(shí)，水冷壁的磨損量將達(dá)到2.0mm/106h，從設(shè)備的角度看煤粒度越小對(duì)減少磨損越有利，但從運(yùn)行的角度，煤的粒度過(guò)大和過(guò)小都是不利的。

（3）煤的粒度與水冷壁磨損關(guān)系曲線。根據(jù)計(jì)算，在顆粒濃度一定的情況下，兩種極限煙氣流速分別選定4.5m/s和6m/s，各種煤粒度與水冷壁磨損的關(guān)系曲線如下圖所示。

兩種極限煙氣流速下，各種煤粒度與水冷壁磨損的關(guān)系曲線圖

結(jié)論：煤的粒度與水冷壁的磨損關(guān)系近似于拋物線曲線，爐膛煙氣流速越大，拋物線越陡;煤粒越大，水冷壁的磨損量越大。

5 運(yùn)行中煤粒度的選擇和控制

循環(huán)流化床鍋爐煤的粒度的選擇與鍋爐本身的燃燒設(shè)計(jì)、煤種、運(yùn)行中各種參數(shù)的匹配等因素有關(guān)，通過(guò)前面煤粒度對(duì)鍋爐運(yùn)行、水冷壁磨損等的分析，查閱大量資料，從設(shè)備管理的角度，建議從以下方面控制考慮煤顆粒度的控制：

（1）循環(huán)流化床采用的煤粒尺寸一般為0～13mm或0～8mm。

（2）循環(huán)流化床鍋爐給煤粒度與煤種有關(guān)，[11]特別是煤中基灰分影響較大，可以參考表2進(jìn)行選擇。

（3）燃煤進(jìn)入爐膛燃燒后的灰分分為三種：底灰、飛灰（進(jìn)入尾部煙道）和循環(huán)灰，這三種灰的顆粒度是不一樣的，特別是循環(huán)灰要參與爐膛水冷壁的傳熱，所以循環(huán)灰是鍋爐正常工作必不可少的灰分，為保證循環(huán)流化床鍋爐的正常運(yùn)行，除了限制給煤最大粒度外，要求給煤中有足夠的相當(dāng)于循環(huán)灰粒度的煤，即要求0.1～0.5mm的占總給煤量的40%～60%。

入爐煤的粒度的大小由破碎機(jī)和正弦篩的特性決定的，440t/h循環(huán)流化床鍋爐輸煤系統(tǒng)粗碎煤機(jī)型號(hào)為ACC-7，其出料粒度≤30mm;細(xì)碎煤機(jī)為可逆錘擊式，其出料粒度≤10mm;正弦篩型號(hào)為1.2ZS-16/15°，篩下物粒度≤10mm，因此，運(yùn)行中建議煤的粒度按這樣控制：粒度為0.1～0.5mm煤占40%～60%，其余60%～40%的煤粒度控制在8～10mm左右，要定期對(duì)粗細(xì)碎篩板間隙和正弦篩篩軸間隙進(jìn)行調(diào)整，以確保煤粒度合格。

6 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐煤種適應(yīng)廣，但對(duì)煤的顆粒度要求也很嚴(yán)格，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)煤篩分系統(tǒng)、碎煤系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)，特別是定期檢查轉(zhuǎn)子與篩板之間間隙情況，如未達(dá)到要求需進(jìn)行間隙調(diào)整或更換篩板，嚴(yán)格控制煤的粒度，保障安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)分析不同粒度下440t/h循環(huán)流化床鍋爐的燃燒情況，得出以下結(jié)論：

（1）細(xì)煤粉受熱溫升快的特點(diǎn)有利于著火，可相應(yīng)縮短加熱時(shí)間，減少熱風(fēng)損失。因此，準(zhǔn)備好點(diǎn)火床料并優(yōu)化選擇入爐煤的粒度，可大大縮短鍋爐點(diǎn)火時(shí)間并減少啟動(dòng)用煤。

（2）良好的燃燒破碎、篩分系統(tǒng)可以保證進(jìn)入流化床的煤的粒度在0～13mm范圍內(nèi)，滿足循環(huán)流化床鍋爐的正常運(yùn)行要求。

（3）當(dāng)煤的粒度為1～1.5mm左右時(shí)，水冷壁的磨損量將達(dá)到2.0mm/106h，從設(shè)備的角度看煤粒度越小對(duì)減少磨損越有利，但從運(yùn)行的角度，煤的粒度過(guò)大和過(guò)小都是不利的。

（4）對(duì)于440t/h循環(huán)流化床鍋爐，粒度為0.1～0.5mm煤占40%～60%，其余60%～40%的煤粒度控制在8～10mm左右，能更好保障鍋爐的高效安全運(yùn)行。

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