300 MW循環(huán)流化床鍋爐大比例摻燒煤泥試驗(yàn)研究

張 平，陳陸劍，江 華，張 縵，徐 巍，劉 實(shí)，楊海瑞，呂俊復(fù)

(1. 國(guó)投盤(pán)江發(fā)電有限公司，貴州 盤(pán)州 553000；2. 清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引 言

我國(guó)是煤炭消耗大國(guó)，2017年我國(guó)的一次能源消耗量中煤炭占比超過(guò)60%[1]。煤炭資源作為一種不可再生的化石能源，儲(chǔ)量有限，不僅要加強(qiáng)高品質(zhì)煤的利用，對(duì)低品質(zhì)煤(煤泥、矸石等)的利用也不容忽視。煤泥是煤炭分選過(guò)程中的主要副產(chǎn)品，產(chǎn)量巨大，煤泥具有顆粒細(xì)、水分大、灰分高、黏度大、持水性強(qiáng)、內(nèi)聚力大、難以運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，在堆積狀態(tài)下形態(tài)不穩(wěn)定，極易造成環(huán)境污染[2]。目前處理煤泥大多采用摻燒方式，循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有燃燒溫度低、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣、燃燒效率高、污染物控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于低品質(zhì)燃料利用領(lǐng)域，比較適合燃用煤泥，因此具有較大的發(fā)展空間。循環(huán)流化床是一種能夠形成流態(tài)化的裝置，主要由帶布風(fēng)板的提升管、分離器以及回送分離物料的回料裝置組成。提升管內(nèi)的固體物料流化狀態(tài)與物料性質(zhì)和流化風(fēng)速有關(guān)，可以是鼓泡床、湍動(dòng)床、快速床以及氣力輸送[3]。

邵偉等[4]在一臺(tái)440 t/h的CFB鍋爐中進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摻燒煤泥比例增加可使床溫降低，提高脫硫效率，CFB鍋爐仍可正常運(yùn)行，當(dāng)煤泥摻燒比例為50%～60%時(shí)，鍋爐效率達(dá)到峰值。劉彥鵬等[5]在一臺(tái)300 MW亞臨界參數(shù)CFB鍋爐中進(jìn)行摻燒試驗(yàn)，當(dāng)煤泥摻燒量達(dá)到40 m3/h(約30%給煤量)時(shí)，床溫下降約30 ℃，飛灰含碳量變化不明顯，底渣含碳量升高，鍋爐效率下降。劉吉堂等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在大比例摻燒煤泥的情況下，煤泥在爐內(nèi)的凝聚結(jié)團(tuán)特性是影響CFB鍋爐穩(wěn)定、高效燃燒的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)與改造現(xiàn)有鍋爐時(shí)，應(yīng)考慮爐內(nèi)受熱面吸熱份額的變化以及煙氣量和煙氣溫度的變化。前人研究大多是小鍋爐摻燒，摻燒比例也較低，實(shí)際運(yùn)行中不是僅燃用矸石與煤泥的混煤，對(duì)于300 MW的CFB鍋爐大比例摻燒煤泥的情況研究很少。

貴州盤(pán)北電廠是貴州省首個(gè)30萬(wàn)千瓦CFB機(jī)組資源綜合利用發(fā)電項(xiàng)目，以盤(pán)江礦區(qū)煤泥及煤矸石為主要燃料，綜合熱值小于9.63 MJ/kg。投產(chǎn)以來(lái)，盤(pán)北電廠與清華大學(xué)合作開(kāi)展了煤泥、煤矸石大比例摻燒及機(jī)組適應(yīng)性創(chuàng)新研究，實(shí)現(xiàn)了將煤泥、煤矸石等低熱值燃料變廢為寶。自2013年7月投產(chǎn)以來(lái)累計(jì)利用煤泥、煤矸石1 000多萬(wàn)噸，其中，2018年累計(jì)利用煤泥200多萬(wàn)噸、煤矸石50多萬(wàn)噸。近幾年來(lái)，盤(pán)北電廠的煤泥摻燒比例穩(wěn)步提高，目前可達(dá)84%，中低負(fù)荷下?lián)綗壤疃嗫蛇_(dá)100%，在全國(guó)同類(lèi)型機(jī)組中屬領(lǐng)先水平。

本文主要針對(duì)不同煤泥矸石摻燒比例下的CFB系統(tǒng)物料平衡進(jìn)行模型計(jì)算，研究不同摻燒比例對(duì)爐內(nèi)物料平均粒徑、物料濃度分布、顆粒停留時(shí)間的影響，從而確定大比例摻燒煤泥條件下的流態(tài)優(yōu)化條件，通過(guò)流態(tài)重構(gòu)提高煤泥在爐內(nèi)停留時(shí)間和燃盡率。根據(jù)盤(pán)北電廠實(shí)際運(yùn)行情況，分析了燃用的煤泥比例對(duì)鍋爐床溫、底渣與飛灰含碳量、排煙溫度等參數(shù)的影響，并根據(jù)得到的結(jié)果給電廠的優(yōu)化運(yùn)行提供建議。

1 電廠概況

盤(pán)北電廠運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐由上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造(型號(hào)SG-1036/17.5-M4507)，鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。該鍋爐為亞臨界參數(shù)、帶中間再熱、單汽包自然循環(huán)、島式布置、全鋼架支吊結(jié)合的循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐爐膛高40.1 m、寬29.4 m、深8.9 m，錐段高10.0 m。鍋爐采用水冷式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為 12.6 m。目前CFB鍋爐摻燒煤泥的方式大多采用頂部給料和中部給料[6]，經(jīng)對(duì)比分析，考慮到大比例摻混煤泥的實(shí)際需要，采用頂部給料方式。為了實(shí)現(xiàn)大比例摻燒煤泥，最高摻燒比例100%的目標(biāo)，盤(pán)北電廠對(duì)煤泥輸運(yùn)設(shè)備和管道進(jìn)行改造。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2 摻混煤泥比例對(duì)鍋爐物料平衡的影響

本文的研究對(duì)象是國(guó)投盤(pán)北電廠300 MW CFB鍋爐機(jī)組，鍋爐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留爐膛、分離器、回料閥等主要部分。利用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的一維物料平衡模型[7]，對(duì)滿(mǎn)負(fù)荷條件下燃用矸石和煤泥混煤系統(tǒng)的物料平衡進(jìn)行預(yù)測(cè)，探究不同矸石和煤泥摻混比例下CFB鍋爐物料濃度、顆粒停留時(shí)間、循環(huán)流率等參數(shù)的變化，采用流態(tài)重構(gòu)理論確定了流態(tài)優(yōu)化的條件。一維模型的詳細(xì)介紹可參照文獻(xiàn)[8]。

對(duì)于機(jī)組燃用的矸石與煤泥2種低熱值燃料，其工業(yè)分析、元素分析及熱值見(jiàn)表2。矸石與煤泥的摻混比例為45∶55和65∶35，分別記作混煤1和混煤2，2種混煤粒徑分布見(jiàn)表3。由于煤泥的顆粒粒徑較小，超過(guò)95%均在0.3 mm以下，因此煤泥占比大的混煤1中，小粒徑的煤樣比例較大，而中間粒徑的煤樣比例較低。

表2 2種燃料的工業(yè)分析及元素分析

表3 2種摻混煤樣的原始粒度分布

2.1 矸石和煤泥的成灰特性

循環(huán)流化床鍋爐作為一進(jìn)二出的平衡系統(tǒng)，床內(nèi)床料主要來(lái)自給煤中的灰和脫硫劑。物料的循環(huán)流率、床料的粒徑分布等對(duì)于流化床的運(yùn)行極其重要，可影響燃燒室內(nèi)的熱負(fù)荷分布、燃燒效率和脫硫效率。在特定流化風(fēng)速下，物料循環(huán)流率由床料質(zhì)量(即床料粒徑分布和床存量等)決定，而床料質(zhì)量與系統(tǒng)物料平衡密切相關(guān)[9]。作為一進(jìn)的給煤是CFB鍋爐爐內(nèi)循環(huán)灰的主要來(lái)源，為了合理設(shè)計(jì)鍋爐本體和附屬設(shè)備，需要了解燃煤的成灰特性。

成灰特性為煤樣經(jīng)燃燒后成灰的粒度分布特性。前人對(duì)成灰特性的研究結(jié)果表明，煤顆粒的碎裂過(guò)程對(duì)顆粒前期磨耗沒(méi)有影響[10-11]，即在流化床燃燒條件下，磨耗和碎裂對(duì)最后灰粒徑分布的影響是相互獨(dú)立的，為此，清華大學(xué)提出采用靜態(tài)燃燒和冷態(tài)振篩磨耗進(jìn)行煤種成灰試驗(yàn)研究[12]。

矸石的灰分大，但其熱值和揮發(fā)分低，因此燃燒不劇烈，基本不存在熱應(yīng)力及揮發(fā)分析出導(dǎo)致的爆裂現(xiàn)象。表4為不同粒徑矸石的成灰特性，可見(jiàn)，成灰粒度分布基本反映了給煤粒度的分布，即矸石的成灰性能很差。

表4 不同粒徑矸石的成灰特性

圖1為煤泥的原始粒度及成灰粒度分布，可以看出，煤泥粒度分布主要在0～1 000 μm，其中100 μm以下占比超過(guò)60%。由于煤的粒度較小，在燃燒過(guò)程中爆裂現(xiàn)象不明顯，基本不存在由于爆裂導(dǎo)致的粒度變化，除了在最細(xì)的30 μm粒度級(jí)，煤泥成灰粒度占比約50%，明顯高于煤泥在該粒度級(jí)占比40%，因此可考慮用煤泥的粒度分布直接代替成灰粒度分布。其中構(gòu)成循環(huán)灰主體的灰粒度[13](100～300 μm)占40%左右。因此通過(guò)在矸石中摻入煤泥可有效改善外循環(huán)流率和飛灰的流率。

圖1 煤泥的原始粒度及成灰粒度分布

2.2 不同混煤比例對(duì)爐內(nèi)物料平均粒度的影響

矸石/煤泥為45∶55、床壓降為5 kPa時(shí)，經(jīng)計(jì)算飛灰占比約為39%，循環(huán)流率為7.52 kg/(m2·s)，此時(shí)混煤的成灰特性可滿(mǎn)足CFB鍋爐的物料平衡要求[14]。爐膛內(nèi)平均顆粒粒度為218 μm，排渣粒度為261 μm，飛灰平均粒度為28.1 μm，如圖2(a)所示。當(dāng)矸石/煤泥為65∶35、床壓降為5 kPa時(shí)，經(jīng)計(jì)算飛灰占比約為26%，循環(huán)流率為5.56 kg/(m2·s)，此時(shí)混煤的成灰特性較差，CFB鍋爐內(nèi)的物料平衡一般，需要改善。爐膛內(nèi)平均顆粒粒度為208 μm，排渣粒度為304 μm，飛灰平均粒度為27.2 μm，如圖2(b)所示。對(duì)比2種混煤比例的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加煤泥的比例可提高循環(huán)流率，有利于CFB系統(tǒng)內(nèi)的物料循環(huán)，但同時(shí)也會(huì)增加飛灰份額，對(duì)尾部煙道和受熱面產(chǎn)生不利影響。

2.3 不同混煤比例對(duì)顆粒停留時(shí)間的影響

圖3為不同混煤比例對(duì)顆粒停留時(shí)間的影響。顆粒粒徑在0.1 mm及以下時(shí)，混煤比例對(duì)顆粒的停留時(shí)間影響較小；粒徑大于0.1 mm時(shí)，提高煤泥比例有利于增加顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間，有利于0.1～0.3 mm煤泥燃盡。矸石煤泥比例為65∶35時(shí)，模型計(jì)算得到較大顆粒的停留時(shí)間約為1 100 s，這主要是由于排渣比例增大，導(dǎo)致大顆粒的停留時(shí)間降低，而矸石屬于較難燃盡的煤種，為保證較大顆粒有足夠的停留時(shí)間，建議控制矸石的入爐煤粒徑。

圖2 飛灰、循環(huán)灰、底渣和床料的粒度分布

圖3 不同混煤比例時(shí)顆粒的停留時(shí)間

2.4 不同混煤比例對(duì)物料濃度的影響

圖4為沿爐膛高度固體物料濃度的分布。2種不同混煤比例下的固體物料濃度分布基本相似，鍋爐下部密相區(qū)物料濃度大，上部稀相區(qū)的物料濃度較小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，矸石煤泥比例為45∶55時(shí)，爐膛上部顆粒濃度可達(dá)2.67 kg/m3；矸石煤泥比例為65∶35時(shí)，爐膛上部顆粒濃度只有2.34 kg/m3，說(shuō)明提高混煤中煤泥比例，爐膛上部的顆粒濃度增加，有利于提高爐膛上部的傳熱，降低爐膛溫度，且有利于顆粒團(tuán)的形成[15]，從而強(qiáng)化爐膛物料的內(nèi)循環(huán)，有利于進(jìn)一步提高煤泥的停留時(shí)間，增加燃盡度。

圖4 沿爐膛高度固體物料濃度的分布

3 摻混煤泥比例對(duì)鍋爐性能的影響

3.1 負(fù)荷和煤泥比例對(duì)床溫的影響

由于摻燒的煤泥含水量較高、平均粒徑較細(xì)，在大比例摻燒煤泥過(guò)程中使床溫降低，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鍋爐熄火[16]。圖5為摻燒煤泥比例對(duì)鍋爐運(yùn)行床溫(密相區(qū)平均溫度)的影響。可以看出，在鍋爐負(fù)荷為300 MW時(shí)，煤泥出力從0增加到100%過(guò)程中，床溫從970 ℃下降到935 ℃；當(dāng)摻混煤泥達(dá)到100%時(shí)，鍋爐床溫仍保持935 ℃，處于正常運(yùn)行床溫范圍內(nèi)。摻燒煤泥解決了高床溫時(shí)環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)困難的問(wèn)題，降低床溫對(duì)控制SO2和氮氧化合物排放具有一定的積極作用，同時(shí)降低了爐內(nèi)脫硫石灰石的耗量。

圖5 300 MW負(fù)荷下煤泥量對(duì)床溫的影響

圖6為不同負(fù)荷下投煤泥對(duì)床溫的影響?？梢钥闯觯S著鍋爐負(fù)荷的增加，床溫持續(xù)升高。鍋爐負(fù)荷在179～300 MW時(shí)，投煤泥工況下的床溫均低于不投煤泥時(shí)的床溫。

圖6 不同負(fù)荷下投煤泥對(duì)床溫的影響

3.2 煤泥比例對(duì)飛灰和底渣含碳量的影響

在鍋爐負(fù)荷為300 MW時(shí)，煤泥含量對(duì)底渣和飛灰含碳量的影響如圖7所示?？梢钥闯?，隨著摻燒煤泥比例的增加，飛灰含碳量呈升高趨勢(shì)，主要是由于飛灰占比增加，摻燒的煤泥含水量較高，在爐內(nèi)燃燒后會(huì)增加煙氣流量，導(dǎo)致超細(xì)顆粒逃逸增加，同時(shí)爐膛溫度降低，這也是飛灰燃盡率降低原因之一。煤泥在入爐后水分蒸發(fā)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，影響燃燒效率，增加鍋爐的飛灰含碳熱損失[6]。底渣含碳量的影響規(guī)律則呈相反趨勢(shì)，即隨著摻燒煤泥比例的增加，底渣含碳量呈下降趨勢(shì)。這主要是由于摻燒煤泥后，飛灰占比增加，導(dǎo)致排渣量減少，從而延長(zhǎng)了大顆粒的停留時(shí)間，提高了矸石的燃盡度，因此摻燒煤泥后底渣含碳量降低。

圖7 煤泥含量對(duì)底渣和飛灰含碳量的影響

3.3 摻燒煤泥對(duì)排煙溫度的影響

圖8為300 MW負(fù)荷下煤泥含量對(duì)排煙溫度的影響?？梢钥闯觯仩t負(fù)荷為300 MW時(shí)，隨著摻燒煤泥量增加，鍋爐的排煙溫度持續(xù)升高。這是因?yàn)槊耗嗪枯^高，大量摻燒煤泥后會(huì)增加煙氣流量，這些水分在爐內(nèi)加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱的過(guò)程中會(huì)帶走更多熱量[6]。

圖8 300 MW負(fù)荷下煤泥含量對(duì)排煙溫度的影響

不同負(fù)荷下投煤泥對(duì)排煙溫度的影響如圖9所示。在相同負(fù)荷下，運(yùn)行中投煤泥后的排煙溫度要高于不投煤泥時(shí)，且隨負(fù)荷的升高，2種情況下的排煙溫度差值增大，即在鍋爐高負(fù)荷時(shí)，投煤泥對(duì)排煙溫度的影響更大。為了減少排煙損失，建議適當(dāng)降低煤泥水分，同時(shí)加強(qiáng)尾部煙道吹灰和除塵器入口煙溫監(jiān)測(cè)，減少煙道漏風(fēng)。

圖9 不同負(fù)荷下投煤泥對(duì)排煙溫度的影響

4 結(jié) 論

1)增大煤泥的摻燒比例，可提高CFB鍋爐的循環(huán)流率，增加爐膛上部顆粒濃度，延長(zhǎng)0.1 mm以上顆粒物料的爐內(nèi)停留時(shí)間，利于降低飛灰含碳量。

2)鍋爐負(fù)荷為300 MW時(shí)，隨著燃用煤泥的比例增加，床溫呈下降趨勢(shì)，最高可降低約35 ℃。

3)鍋爐負(fù)荷為300 MW時(shí)，飛灰含碳量隨著摻燒煤泥比例的增加而增加，而底渣含碳量出現(xiàn)降低。

4)CFB鍋爐中投用煤泥后，鍋爐的排煙溫度升高，在300 MW負(fù)荷時(shí)，排煙溫度隨摻燒煤泥比例的增加而升高。為了實(shí)現(xiàn)大比例摻燒，需要強(qiáng)化尾部吹灰或適當(dāng)調(diào)整尾部受熱面。