循環(huán)流化床鍋爐調(diào)試中的主要問題及處理

李偉全

（山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東青島 266000）

1 循環(huán)流化床的構(gòu)造與特征

循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)可分為前、中、尾三部分。前部為鍋爐爐膛，從上到下可分為三個區(qū)域：一次風(fēng)室、密相區(qū)和稀相區(qū)。中心部分是旋風(fēng)分離器，其功能是實現(xiàn)循環(huán)物料的分離。具體的工作質(zhì)量直接受循環(huán)物料質(zhì)量的影響。尾部煙道是CFB 鍋爐不可缺少的部件之一。蒸汽鍋爐的尾部煙道主要由過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器組成。尾部煙道內(nèi)設(shè)計了廣泛的受熱面，還能起到煙氣、難以獲取的小顆粒的排出目的。此類鍋爐所擁有的高性能、低能耗的優(yōu)勢主要是因為內(nèi)部獨特的的燃燒特點。其燃燒原理是通過高溫引起煙氣和氣流擾動，提高顆粒之間的接觸效果。同時，有不少的顆粒返回到流化碳燃燒工作當(dāng)中。鍋爐在工作過程中，會不斷地在鍋爐內(nèi)產(chǎn)生大量的高溫固體顆粒，這些顆粒是可以循環(huán)利用的，因此，這種鍋爐稱為CFB 鍋爐。鍋爐可以有效地將排出的高溫固體顆粒收集起來，再送至爐膛重新燃燒，從而實現(xiàn)燃料的最大利用，有效提高鍋爐的燃燒效率。由于在CFB 鍋爐中，很大一部分固體顆?？梢曰厥绽茫c其他傳統(tǒng)鍋爐相比，具有有效節(jié)約燃燒成本的優(yōu)點。

2 循環(huán)流化床鍋爐使用現(xiàn)狀

循環(huán)流化床鍋爐作為一種較為成熟的清潔燃燒技術(shù)，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了有效的應(yīng)用，特別是在潔凈煤的研究領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對燃料的適應(yīng)性越來越高，燃燒效率也在不斷提高，爐體能夠脫硫脫硝，在中國潔凈煤發(fā)電領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用。CFB 鍋爐雖然具有較高的燃燒穩(wěn)定效果和對燃料的適應(yīng)性，但不能保證對所有煤種都有較高的利用效果。并且在最近幾年，在燃煤發(fā)電的發(fā)展背景下，很多燃煤電廠開始選擇對各種類型燃煤材料的使用，尤其是對劣質(zhì)煤的投入，嚴(yán)重影響了工作效率，拉低熱效率，提高了對于煤的消耗。由于各類煤的燃燒性質(zhì)在一定程度上不同，在煤質(zhì)變化、機組維護(hù)、頻繁啟停等因素的影響下，最終煤炭消耗量會急劇增加，嚴(yán)重降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 循環(huán)流化床鍋爐調(diào)試中的主要問題

3.1 爐膛中心區(qū)域缺氧

幾乎所有的CFB 鍋爐都存在爐膛中心缺氧的問題。其原因是二次風(fēng)的設(shè)計和運行參數(shù)不適應(yīng)高密度物料的最佳流化。除高密度物質(zhì)顆粒對二次風(fēng)射流的阻塞作用外，還存在覆蓋水壁的壁面附流垂直向下流動、顆粒在各層內(nèi)水平運動不均勻、各轉(zhuǎn)彎變化區(qū)渦流干擾，垂直上升速度不均勻。這種中部缺氧會降低燃料在爐內(nèi)的燃盡效果和脫硝效率，在低溫燃燒時不能實現(xiàn)高效燃盡。

3.2 床層溫度偏差

導(dǎo)致床層溫度偏差的幾個常見因素：物料粒徑、二次風(fēng)幾何布局、布風(fēng)板及風(fēng)帽結(jié)構(gòu)、分離器及返料器結(jié)構(gòu)特點、一二次風(fēng)配比、循環(huán)灰量、原始鍋爐設(shè)計爐內(nèi)參數(shù)、爐膛有效高度、是否采用了多種燃料運行方式。床層溫度偏差大是CFB鍋爐普遍存在的問題。大多數(shù)CFB 鍋爐床層溫度偏差在50 ℃以上，嚴(yán)重偏差可達(dá)100 ℃以上。床層溫度的不均勻性必然會導(dǎo)致局部溫度峰值過高，這是NOx 急劇升高的主要因素。其NOx 生成是合理床層溫度下的數(shù)倍甚至更高。

3.3 床層溫度異常

對于CFB 機組來說，控制一個合適的床溫變化范圍，是鍋爐燃燒的關(guān)鍵因素之一。理論上，850～900 ℃的床溫控制范圍絕對是能接受的CFB 最佳低氮脫硝溫度，而對于現(xiàn)實運行需求來說，控制平均床溫為850～950 ℃時，既可以考慮斷煤不滅火應(yīng)急處理且達(dá)到理想低氮效果，又能夠很好地實現(xiàn)多煤種變化時的料層燃盡過程和汽溫控制。由于物料顆粒粗時床層溫度高，物料顆粒細(xì)時床層溫度低的規(guī)律，許多CFB 鍋爐不能保證理想的床層溫度。此外，布風(fēng)板、風(fēng)帽和等壓風(fēng)室的設(shè)計瑕疵，也會造成配風(fēng)不均勻或床溫控制困難。

某些輸煤碎煤系統(tǒng)的缺憾，加上目前絕大多數(shù)用戶所使用的環(huán)錘式碎煤機的過破碎現(xiàn)象，容易造成3個異常情況：顆粒兩級分化嚴(yán)重、粗大顆粒顯著居多、細(xì)末燃料成為主導(dǎo)比例。使得燃煤顆粒很難實現(xiàn)0～8 mm 寬篩分下的理想級配顆粒，普遍出現(xiàn)不能保證床溫的現(xiàn)象。在運行過程中，950～1050 ℃和750～850 ℃兩種極端床溫現(xiàn)象較為常見，特別是在床溫較高的情況下，一般存在于中小型CFB 鍋爐的運行中。

危害：床層溫度過高時，容易產(chǎn)生過量NOx危害，使物料層發(fā)生高溫結(jié)焦；當(dāng)床層溫度過低時，會產(chǎn)生大量的N2O，造成二惡英污染、燃盡率降低等問題。

3.4 床層溫度、爐膛出料溫度和返料溫差大

在循環(huán)流化床裝置運行過程中，床層溫度明顯高于爐膛出料口（分離器入口）溫度和回料溫度；或床層溫度明顯低于爐膛出料口（分離器入口）溫度和回料溫度。這種溫差的增大會影響整個物料循環(huán)流化過程的低溫燃燒效果和高效率低氮效果。大多數(shù)CFB 鍋爐爐膛出口溫度明顯低于床層溫度，溫差超過100 ℃。為了保證蒸汽溫度或蒸發(fā)量，必須在較高的床溫下運行，導(dǎo)致NOx 顯著增加。對于循環(huán)返料系統(tǒng)出現(xiàn)問題，或者返料腿給煤的大中型CFB 鍋爐來說，NOx 的減排目標(biāo)還與返料系統(tǒng)溫度水平有著直接關(guān)系。

3.5 一次風(fēng)率高

受鍋爐裝置設(shè)計、物料層厚、原煤粒度等諸多因素的影響，大多數(shù)CFB 鍋爐存在一次風(fēng)量大、配風(fēng)板流化速度快、相區(qū)密集等問題，導(dǎo)致燃燒條件差，原始NOx排放值高，密相區(qū)磨損嚴(yán)重，即使在合理粒度和氣流分布的條件下也無法解決。一次風(fēng)比、流化風(fēng)速、床下風(fēng)室的綜合技術(shù)改造成為關(guān)鍵。

3.6 二次風(fēng)布置不合理

國內(nèi)外CFB 鍋爐普遍存在二次風(fēng)噴口面積不合理、二次風(fēng)組織不合理的問題。沒有正確處理射流穿透、氣流分布均勻性、風(fēng)煤比局部平衡和制造還原氧化帶合理分布之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，嚴(yán)重限制了CFB 鍋爐的燃燒效果，未能進(jìn)行均勻、有效、科學(xué)的配置，不能在爐內(nèi)完成高效低氮燃燒過程。

當(dāng)煤質(zhì)、風(fēng)帽狀況、飛灰循環(huán)效率、粒度、布風(fēng)板面積和流化速度等幾方面顯著變化時，物料層厚度自然會發(fā)生變化，相應(yīng)高度和水平方向的爐膛壓力也會有很大的不同。相應(yīng)的二次風(fēng)設(shè)計應(yīng)合理布置，以滿足核心燃燒區(qū)域的合理延伸，保證整個燃燒系統(tǒng)的正常運行，因此二次風(fēng)的布置十分重要。

4 循環(huán)流化床鍋爐調(diào)試方法

4.1 風(fēng)量調(diào)節(jié)

一次風(fēng)量和二次風(fēng)量構(gòu)成總風(fēng)量。CFB 鍋爐燃燒調(diào)節(jié)的一個重要參數(shù)是風(fēng)量的調(diào)節(jié)。在設(shè)計過程中，一次風(fēng)量和二次風(fēng)量都是占據(jù)50%。臨界流化風(fēng)量必須大于一次風(fēng)量，否則會出現(xiàn)結(jié)焦；調(diào)整應(yīng)根據(jù)材料層的溫度進(jìn)行。一次風(fēng)量的增加主要發(fā)生在物料層溫度較高時。

當(dāng)料層溫度較低時，應(yīng)減小風(fēng)量。二次風(fēng)從密相區(qū)與稀相區(qū)交界處的過渡段引入，其速度會比較高，可以保證密相區(qū)物料的連續(xù)加速。這樣，在稀相區(qū)物料密度增加，循環(huán)物料量也增加，燃燒狀態(tài)也得到改善。

4.2 料層溫度的控制

鍋爐運行時，流化床上物料的溫度（床溫）就是所謂的料層溫度。因為CFB 鍋爐與其他鍋爐的區(qū)別在于低溫燃燒，這是其主要特點之一。如果床層溫度過高，很容易導(dǎo)致床層物料結(jié)焦。如果床層溫度過低，對燃料的燃盡程度也會有一定的影響。另外，還會對鍋爐的負(fù)荷能力產(chǎn)生影響。在任何情況下，鍋爐的正常運行都不能得到保證，所以有必要對床溫進(jìn)行控制。實踐證明，將CFB 鍋爐的床溫控制在850～950 ℃是比較合理的。

4.3 料層厚度的控制

料層過厚，難以承載，料層過薄，溫度過高。因此，材料層厚的調(diào)整應(yīng)結(jié)合溫度和負(fù)荷。負(fù)荷低時，降低料層厚度，節(jié)省風(fēng)機功耗，保持料層厚度高，防止高溫結(jié)焦。

5 循環(huán)流化床鍋爐運行的策略

5.1 強化床料質(zhì)量

有很多電廠在停爐之后，為了能夠降低再次起爐所消耗的時間，通常選用足夠厚度的床料，便于再次啟動鍋爐時使用。相關(guān)試驗表明，該操作是可行的。但是該方法必須建立在合理的床料含碳量和粒度分布的基礎(chǔ)上。如果床料含碳量高，啟動后床溫在600 ℃時驟然上升。特別對于一些蒸發(fā)量較低、燃用煤質(zhì)較低的鍋爐極有可能出現(xiàn)結(jié)焦問題，因此，在鍋爐停機時，一定要詳細(xì)檢查床料質(zhì)量。如果床料含碳量高，含碳率達(dá)到3%以上，則需要排出一些床料，添加一些質(zhì)量合格的床料使用；如果床料的平均粒度過小，則需打開通風(fēng)機去除部分小粒度床料，加入粒度合格的床料進(jìn)行彌補；如果床料中的平均粒徑偏大，就會對流化造成干擾，有必要通過渣冷卻器去除一些大顆粒，并加入合格的床料加以彌補。總之，床料的具體質(zhì)量效果不僅會干擾冷態(tài)試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還會影響鍋爐的長期安全運行。

5.2 優(yōu)化啟動床料厚度

在冷態(tài)試驗過程中，很多鍋爐工作人員喜歡結(jié)合廠家給出的床料厚度參考值來設(shè)計起始床料厚度，并沒有真正結(jié)合鍋爐本身的特點。通過鍋爐調(diào)試運行階段的反復(fù)啟動工作逐漸發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律。如果點火時床料層較厚，會導(dǎo)致床溫升緩慢，延長啟動時間，并且需要大量的點火油，但具有溫升相對穩(wěn)定的優(yōu)點；如果床料層太薄，可以更快地達(dá)到投放煤料放置的溫度。但物料層可能會被吹穿，導(dǎo)致氣流分布不均勻，最終結(jié)焦。結(jié)合多次換料層試驗，最終證明，為了滿足床料流化，找到最適合鍋爐啟動的床料厚度，更容易控制床料溫度和提升負(fù)荷。

5.3 循環(huán)流化床鍋爐燃煤機組脫硝工藝優(yōu)化

（1）由于CFB 鍋爐具有較高的燃料適應(yīng)性，會使用一些含硫量高的燃料。另外，由于尾部的過量空氣系數(shù)較高，因此，在鍋爐內(nèi)部的SCR 反應(yīng)器催化小會導(dǎo)致大量化合物的產(chǎn)生，導(dǎo)致下游設(shè)備的堵塞，最終對整體系統(tǒng)的連續(xù)運行造成嚴(yán)重的干擾。

（2）如果在工作中選用石灰石粉加熱爐脫硫技術(shù)，會導(dǎo)致石灰石在加熱爐中大量燃燒，最終導(dǎo)致大量CaO 的出現(xiàn)。這些CaO 會以小顆粒的形式隨煙氣一起進(jìn)入SCR 反應(yīng)器內(nèi)，導(dǎo)致催化劑中毒的問題，嚴(yán)重影響催化劑的效率，大大削弱鍋爐的脫硝能力。

（3）與傳統(tǒng)煤粉鍋爐相比，CFB 鍋爐在結(jié)構(gòu)布置上存在較大差異，尾部區(qū)域省煤器下方空間小，對SCR 反應(yīng)器的安裝造成了干擾，幾乎沒有合適的放置區(qū)域。因此，鍋爐內(nèi)安裝的SCR 反應(yīng)器的實際工況不能達(dá)到預(yù)期效果。新型流化床鍋爐可以有效地將床溫控制在900 ℃以內(nèi)，因此可以有效地利用低溫燃燒技術(shù)實現(xiàn)NOx 排放的有效控制。結(jié)合國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，只有采用SNCR 才能達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。通過SNCR 技術(shù)的應(yīng)用，消除了鍋爐對催化劑的需求，大大降低了運行成本，有效地提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。最合適的還原劑氨的反應(yīng)溫度800～1200 ℃，而能有效地控制鍋爐的實際工作溫度約為900 ℃，這是非常接近SNCR 反應(yīng)溫度，可使煙氣和還原劑進(jìn)行有效混合反應(yīng)，最終保證SNCR 技術(shù)具有良好的脫硝能力。因此，在CFB 鍋爐中采用SNCR 技術(shù)，不僅可以有效地提高設(shè)備的工作效率，而且大大降低了使用成本，使企業(yè)能夠獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.4 優(yōu)化床溫控制系統(tǒng)

通過將智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于實際的發(fā)電工作中，可以有效地解決以往的一些困難。采用反饋控制技術(shù)，床層溫度不需要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到高于調(diào)節(jié)器的閾值才會開始工作。調(diào)節(jié)器的具體值可根據(jù)負(fù)荷的變化按比例進(jìn)行修正，也可結(jié)合床層溫度的偏差和變化率，達(dá)到在線修正的效果。此外，前饋控制部分的前饋信號能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，讓床溫可以很快地對負(fù)荷變化進(jìn)行適應(yīng)。如果測量信號出現(xiàn)問題或被切換為手動模式時，床溫控制器也會自行切換為手動控制。

6 結(jié)束語

與傳統(tǒng)煤粉鍋爐相比，CFB 鍋爐的正常運行、控制和調(diào)整都相對簡單，但這種新技術(shù)設(shè)備要想能夠做到更好地進(jìn)行調(diào)整，以確保最大限度的安全、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定，仍然是困難的。安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)利益的最大化有些時候是不能并存的，CFB 不僅能安全的生產(chǎn)，而且還會給企業(yè)帶來最大的利益。企業(yè)要想確保正常運行，就應(yīng)該保證生產(chǎn)過程的安全。只有在安全的環(huán)境中，企業(yè)才能正常運營。