流化床煤泥摻燒影響及改造分析研究

程偉良，趙國慶，郗士杰

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206；2.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司科技工程公司，北京 100097；3.大唐武安發(fā)電有限公司發(fā)電運行部，河北 邯鄲 056300)

0 前言

為應(yīng)對煤炭市場變化，根據(jù)國家和地方的配煤摻燒政策，目前已把配煤摻燒做為設(shè)備挖掘潛力和降低成本提升效益的重要手段。在滿足生產(chǎn)設(shè)備安全、環(huán)保運行的條件下，采用實時摻燒、精細摻燒、科學(xué)摻燒，尋求最優(yōu)的煤種摻配方案，實現(xiàn)綜合成本最低的效益目標(biāo)。制定配煤摻燒方案及配煤摻燒標(biāo)準，進行配煤摻燒實時監(jiān)控，給配煤摻燒提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和分析依據(jù)，形成結(jié)合負荷情況的科學(xué)配煤方案。

就我國的煤炭資源而言，經(jīng)過多年機械化開采后，礦脈所蘊含的煤日趨“貧、細、雜”化，開采和分選成本不斷增大，還要脫硫降灰，以便于煤的潔凈利用，減少后續(xù)污染物處理及環(huán)境排放[1-2]。而產(chǎn)生的煤泥屬于煤炭加工產(chǎn)業(yè)的廢棄物，其燃燒排放特性同污泥相似[3-4]，是煤礦采煤后進行濕法選煤生產(chǎn)的尾礦殘留，含有一定量的水粘稠物煤粉，具有粒度細、水分和灰分含量較高、熱值低、粘結(jié)性較強、內(nèi)聚力大、持水性強、不易分離的特點，不僅經(jīng)濟效益差，還不便運輸、不好直接利用。其發(fā)熱量一般為8.37～18.84 MJ/kg，70%～90%比例的顆粒粒徑處于75 μm與150 μm之間，水分一般處于25%～40%范圍內(nèi)，灰分也在40%以上。而煤泥粒度越小，重力作用也就越小，其顆粒的布朗運動會強烈。另外，煤泥顆粒界面之間吸附、溶解、化合等相互作用，使得煤泥與水的結(jié)合性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜[5-6]。煤泥燃燒前的處理方式一般分為直接晾曬、粘稠膏狀擠壓或熱力干燥。直接晾曬的方式簡單可靠經(jīng)濟，膏狀擠壓方式不需要預(yù)處理，而預(yù)處理最復(fù)雜但對鍋爐燃燒經(jīng)濟的方式就是熱力干燥，干燥后的水分可控制在20%左右[7]。

隨著國家對于環(huán)境保護力度的加強，原煤平均洗選率已提高至65%以上，因此煤礦洗選的煤泥、煤矸石、洗中煤等副產(chǎn)物也在增加，每年有3億t以上[8]。到2020年，國家要求原煤入選率須達到80%以上。據(jù)統(tǒng)計，典型的煤炭加工業(yè)副產(chǎn)品固體廢物(如煤泥、浮選廢料、中煤和尾礦)至少占原煤總量的10%～15%，煤泥產(chǎn)量將超過4億t[9]，不同地區(qū)的煤泥燃燒熱值相差9%～15%。近些年，隨著采煤設(shè)備效率提升和國家要求洗選比例的增加,煤泥產(chǎn)量在逐年增加。因此，有必要合理使用煤泥這種洗選礦副產(chǎn)物。而采用摻燒技術(shù)不僅可以獲得煤泥與動力煤之間差價效益，節(jié)省大量動力煤費用，同時還可以降低鍋爐磨損、減少灰渣排放量，提高鍋爐運行可靠性、延長鍋爐壽命，還可進行環(huán)境保護及廢棄物回收資源化。

當(dāng)進行煤泥與動力煤的煤粉爐摻混燃燒時，摻燒量小于10%時，對鍋爐穩(wěn)定燃燒和運行影響不大。反之，隨著煤泥摻混比例的增加，會使?fàn)t內(nèi)局部溫度升高，煙氣污染物SO2和NOx的排放濃度也會有一定上升[10]。另外，由于煤泥的著火溫度較低，更容易著火，但燃燒速率低，容易產(chǎn)生凝聚結(jié)團的爆燃現(xiàn)象，因此燃燒的穩(wěn)燃性較差[11-12]。

本文所研究的300 MW循環(huán)流化床鍋爐，共布置有八個給煤口，全部布置于爐前，沿寬度方向均勻布置。六個排渣口布置在爐膛后水冷壁下部，分別對應(yīng)六臺滾筒式冷渣器。本配煤系統(tǒng)配置二級篩碎系統(tǒng)。一級篩碎系統(tǒng)(粗碎)布置在一級碎煤機室內(nèi)，位于貯煤筒倉之前。從二級篩碎系統(tǒng)(細碎)出來的合格顆粒直接進入鍋爐燃燒。

流化床鍋爐進行摻燒煤泥發(fā)電，其摻燒煤泥方式為自然晾曬干燥后的煤泥，混入原煤送進鍋爐燃燒，摻燒比例約為40%。煤泥的揮發(fā)分為23%，固定碳為27.18%，灰分為45.63%，低位發(fā)熱量為10 440 MJ/kg。在摻燒過程中，出現(xiàn)了入爐煤粒徑不合理及堵塞的問題，通過分析及系統(tǒng)技改完善，最終實現(xiàn)了科學(xué)合理的大比例煤泥摻燒。

1 配煤摻燒過程中關(guān)鍵問題

1.1 入爐煤粒徑

不同煤泥的釋放熱量不同，且隨粒徑的增大而減小，這與煤泥中揮發(fā)分和灰分的含量有關(guān)[13-14]。在配煤摻燒過程中，隨著混煤的顆粒尺寸增大，內(nèi)氧的擴散變慢，導(dǎo)致燃燒過程變慢，點火延遲和燃盡時間增加。

由于多煤種混配，及煤質(zhì)變化較大，且硬度較高，輸煤破碎系統(tǒng)的碎煤機、篩煤機出現(xiàn)不適應(yīng)問題。粘煤、堵煤現(xiàn)象頻發(fā)，設(shè)備磨損增大。根本原因是入爐煤粒徑超標(biāo)得不到有效控制。雖經(jīng)過兩級破碎和篩分處理，但入爐煤中8 mm以上大顆粒明顯偏多，遠遠超過設(shè)計值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。較大的入爐煤粒徑對于循環(huán)流化床鍋爐的燃燒工況極為不利，極易造成超溫和排煙損失增大，鍋爐運行的溫度情況見圖1所示。

表1 入爐煤實際粒徑與設(shè)計粒徑比較

圖1 流化床前后墻的溫度分布

由于入爐煤粒徑較大，大顆粒進入爐膛后，由于其終端沉降速度較大，一次風(fēng)的拖拽和夾帶作用不足以將其帶出爐膛，造成大部分床料沉積在爐膛下部，爐膛密相區(qū)物料濃度增加，稀相區(qū)物料濃度下降。在該流化床鍋爐發(fā)電機組負荷為280 MW時，爐膛壓差變小，僅為600 Pa左右，表明其爐外灰循環(huán)量明顯不足。而爐膛換熱系數(shù)與循環(huán)灰量相關(guān)，循環(huán)灰量減少時將大大降低爐膛換熱，造成爐膛內(nèi)換熱減少，床溫偏高[15-16]。在鍋爐總風(fēng)量達到滿負荷額定風(fēng)量100萬Nm3/h時，平均床溫高出設(shè)計值，仍高達972 ℃。由于煤泥熱爆、磨損導(dǎo)致相對粒度減小，煤泥團從而可上浮至爐膛中部以上部位，當(dāng)大量細小煤泥團在此區(qū)域燃燒放熱時，單位時間內(nèi)煤泥燃燒量增加，小顆粒上浮至爐膛上部燃燒并釋放出熱量，導(dǎo)致爐膛溫度升高，使燃料的SO2和NOx析出量增大，排放濃度呈上升趨勢[17]。

1.2 燃燒水分影響

由于40%的大比例摻燒煤泥后，水分偏高，長期維持在8.5%左右，最高達到10%，造成輸煤系統(tǒng)篩網(wǎng)、襯板及碎煤機粘煤、堵煤嚴重。燃煤顆粒進入煤倉后，由于其粘度大，流動性大大降低，煤倉內(nèi)粘煤嚴重，給煤機斷煤情況非常頻繁，開始時每臺爐平均每天300次左右,雨水季節(jié)最多可達1 000次。堵煤會引起爐膛內(nèi)風(fēng)量、煤量分布不均，破壞燃燒穩(wěn)定性，造成床溫偏差明顯升高(見圖1)，這不僅導(dǎo)致飛灰可燃物升高，降低鍋爐燃燒效率，還會使氮氧化物排放量短時間內(nèi)急劇增加，影響環(huán)保指標(biāo)控制。堵煤特別嚴重時，還會因床溫偏差過大造成爐膛內(nèi)結(jié)焦。同時，多臺給煤機堵煤甚至可能引起鍋爐滅火，影響機組正常運行。

2 配煤過程完善后效果分析

經(jīng)大比例煤泥摻燒后，所有受熱面要經(jīng)過長時間運行考驗，分析鍋爐受熱面磨損、腐蝕和結(jié)焦情況程度。當(dāng)煤泥在爐內(nèi)燃燒時，由于煤泥顆粒很細，因此爐內(nèi)燃料顆粒總粒度減小，這時可通過降低一次風(fēng)量來減少流化速度，進而減輕鍋爐磨損。同時，煙氣的水蒸氣含量略有提高，此時排煙的酸露點低于排煙溫度，即可沒有結(jié)露、腐蝕的風(fēng)險。而由于動力煤及煤泥的顆粒不均及特性不同，使得原來的流化床破碎系統(tǒng)出力不夠，同原來相比顆粒均勻度差別很大，大顆粒比例偏多，同時由于水分大，導(dǎo)致流動緩慢甚至經(jīng)常堵塞給煤機，因此需要采取相關(guān)技術(shù)來加以解決。

首先，對于入場的煤要先進行預(yù)破碎，特別是大塊煤先經(jīng)過專用破碎機進行預(yù)破碎，使粒徑大幅度降低。再把正常破碎后的煤進行摻配，從而有效的控制后期煤粒徑。

然后，在一級篩碎系統(tǒng)中，為使煤能很好地進行破碎、分離、再處理，在篩煤機旁路擋板附近增設(shè)鏈條分流及清掃裝置，并增容篩軸電機功率，以滿足出力增大的需求。在二級篩碎系統(tǒng)中，采用高幅振動篩，其篩網(wǎng)由特鋼棒條和框架組成。棒條呈縱向排列，除了整塊篩網(wǎng)在振動以外，每根棒條也存在著活動間隙，并做二次振動，能最大限度消除濕粘原煤對篩網(wǎng)的粘結(jié)，減輕篩板粘煤，提高篩分效果，并降低了對后續(xù)細粒碎煤機錘頭襯板的磨損，同時也分流了細碎機的不同進料粒級，以免顆粒太細導(dǎo)致過破碎和堵煤，確保入爐煤粒度合格，使鍋爐穩(wěn)定運行。

最后，在給煤機上部設(shè)5層15支空氣炮清堵裝置，用于振打給煤機上部管路積煤，下部加設(shè)刮板式旋轉(zhuǎn)清堵機。這種給煤機“上部空氣炮+下部旋轉(zhuǎn)清堵機”的聯(lián)合清堵系統(tǒng)，增加了給煤機入口燃煤的流動性和穩(wěn)定性。通過試驗，機組運行期間的給煤機斷煤次數(shù)大大降低，堵煤降為每天大概3～4次，大大改善了爐膛內(nèi)部燃燒不均衡，床溫偏差較大的情況，有效地保證了鍋爐的正常運行。

在進行系統(tǒng)摻燒改造后，增大了篩煤機振動幅值，提升篩煤機篩分效果，進而降低碎煤機運行時堵煤、粘煤的頻次。通過入爐煤粒徑進行采樣分析，發(fā)現(xiàn)入爐煤3 mm以下顆粒明顯增多，比例增加5.44%，而10 mm以上顆粒占比下降0.54%，使入爐煤粒徑偏大的情況得到明顯改善，從而使得入爐煤粒徑合格率大大提高(見圖2)。

圖2 煤泥摻燒前后的入爐煤粒徑對比

在入爐煤粒徑分布得到合理改善的同時，爐膛內(nèi)的大顆粒床料及時排出，并循環(huán)回爐，不僅避免了因大顆粒床料沉積造成流化不良的情況，而且增加了循環(huán)灰量，提高了爐內(nèi)換熱效率，有效降低了床溫[18]。爐膛差壓由原來的600 Pa升高至1 000 Pa，稀相區(qū)物料濃度明顯升高。同時，由于循環(huán)灰量的增加，爐膛內(nèi)換熱系數(shù)升高，同摻燒改造前相比，平均床溫由973 ℃下降至943 ℃(見圖3)。同時合理控制粒徑，使得燃燒反應(yīng)總體溫度平穩(wěn)，有利于控制熱力型NOx的生成，這樣就解決了高負荷下床溫偏高的問題。改造后爐膛差壓提高，物料循環(huán)及流動性科學(xué)合理，而且爐內(nèi)產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物排放趨于穩(wěn)定。總的來說，針對煤泥摻燒進行的系統(tǒng)改造后，對鍋爐運行的影響不大，而經(jīng)濟性可觀[19]。

圖3 流化床前后墻的摻燒后溫度分布

3 結(jié)論

為實現(xiàn)大比例煤泥摻燒，進行了破碎系統(tǒng)及爐內(nèi)換熱分析。結(jié)合鍋內(nèi)燃燒特點及輸煤系統(tǒng)運行參數(shù)分析，通過輸煤系統(tǒng)增容和加裝高幅振動篩，并以空氣炮和清堵裝置的集成技術(shù)強化防堵，使入爐煤粒徑偏大的情況得到明顯改善。破碎后的入爐煤粒徑3 mm以下顆粒比例增加5.44%，而10 mm以上占比下降0.54%。并因此稀相區(qū)物料濃度明顯升高，增加了流化床燃燒的循環(huán)灰量，爐膛差壓由原來的600 Pa升高至1 000 Pa，進而提高了爐內(nèi)換熱效率，有效降低了床溫。同摻燒改造前相比，使平均床溫下降了30 ℃。在機組摻燒低價劣質(zhì)煤泥后，全年共摻配煤泥約70萬t，為企業(yè)增效創(chuàng)收取得了良好的效果。