殘?zhí)剂骰插仩t物料燃燒特性研究

馬軍朝

(中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

粉煤灰和煤氣化渣是國內煤炭能源利用過程中產生的兩種典型燃煤固體廢物[1]；在循環(huán)流化床氣化爐中，殘?zhí)际侵该簹饣a生的固體廢棄物。殘?zhí)家话阕鳛楣I(yè)廢物進行簡單加工后再利用，其利用價值較低,極少部分利用在電站鍋爐的燃料摻燒中[2]。殘?zhí)嫉膿綗梅绞揭话銥閾綗诿悍蹱t中，目前已知的大參數(shù)電站鍋爐中，摻燒比例不大于35%。

國際首臺采用殘?zhí)甲鳛橹魅剂系难h(huán)流化床鍋爐(以下簡稱“殘?zhí)煎仩t”)應用于江西某工程項目中，是電站鍋爐清潔能源再利用的重大突破，對于化工行業(yè)中氣化爐的氣化飛灰處理及利用具有重大意義。然而目前殘?zhí)煎仩t相關文獻極少，使得殘?zhí)煎仩t在燃燒試驗時，存在很多未知危險區(qū)域。本文在此以某殘?zhí)煎仩t項目為例一并分析匯總。

1 依托項目鍋爐介紹

江西某清潔能源燃氣殘?zhí)脊I(yè)一體化項目，其氣化爐通過消耗燃煤，為周邊建筑陶瓷產業(yè)基地內的陶瓷企業(yè)供應清潔的工業(yè)燃氣。氣化爐制造燃氣過程中產生的殘?zhí)迹饕糜跉執(zhí)煎仩t，充當其主燃料。

1.1 鍋爐參數(shù)

殘?zhí)煎仩t為循環(huán)流化床型鍋爐，設一次風機、二次風機、引風機各1臺；高壓流化風機2臺，返料裝置2套；最大連續(xù)蒸發(fā)量130 t/h；過熱蒸汽壓力13.7 MPa、溫度571 ℃；再熱蒸汽(出口)壓力3.71 MPa、溫度571 ℃；設計殘?zhí)既剂虾牧?0.856 t/h。床溫測點布置共計12只，自爐左至爐右平均分為4組；每組3個測點，自爐前向爐后均等布置。

1.2 燃料系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)包括1套燃煤系統(tǒng)和1套為殘?zhí)既剂舷到y(tǒng)。燃煤系統(tǒng)的燃料通過前墻布置的3臺給煤機給煤，使燃煤進入爐膛，用以鍋爐的啟/停；殘?zhí)既剂舷到y(tǒng)燃料通過氣力輸送，由返料器下降段的上部輸入，用以鍋爐的正常運行。殘?zhí)嫉幕胰廴谔匦砸姳?所列，元素分析見表2所列，工業(yè)分析見表3所列。

表1 殘?zhí)嫉幕胰廴谔匦浴?/p>

表2 殘?zhí)嫉脑胤治?%

表3 殘?zhí)嫉墓I(yè)分析?

1.3 殘?zhí)枷到y(tǒng)

殘?zhí)枷到y(tǒng)分為兩部分：外圍殘?zhí)枷到y(tǒng)和爐本體殘?zhí)枷到y(tǒng)。前者包括工業(yè)氣化爐至灰?guī)斓臍執(zhí)驾斔拖到y(tǒng)管路(輸送氣源為氮氣)、存儲飛灰的中間灰?guī)旌突規(guī)煜嚓P設備；后者包括殘?zhí)冀o料系統(tǒng)和循環(huán)物料(循環(huán)灰)排放系統(tǒng)。

殘?zhí)冀o料系統(tǒng)的作用是向爐內提供殘?zhí)既剂希浩渲饕O備包含殘?zhí)季彌_倉、星型給料機系統(tǒng)(一、二級給料機中間設置緩沖倉)以及氣力輸送管路系統(tǒng)(輸送氣源為壓縮空氣)。

循環(huán)灰排放系統(tǒng)為殘?zhí)煎仩t運行時必須外排的循環(huán)灰系統(tǒng)，包括正常放灰系統(tǒng)和緊急放灰系統(tǒng)兩部分。正常放灰系統(tǒng)的布置方式為：在每個返料器底部的布置1路放灰管路，2路匯合后，呈“Y”形進入緩沖倉，再進入水冷式冷灰機，最后由氣力輸送系統(tǒng)送至灰?guī)臁＞o急放灰管路布置在兩個返料器底部，排放至冷渣器。

1.4 殘?zhí)煎仩t相關MFT聯(lián)鎖保護

鍋爐設計燃料為煤化工項目氣化爐產生的飛灰(殘?zhí)?，氣化細粉灰粒徑為0～40 μm。

機組正常運行時，鍋爐的主燃料為殘?zhí)既剂希瑲執(zhí)纪ㄟ^壓縮空氣氣力輸送至爐內，在氣力輸送閥關閉時，切斷燃料。

主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)觸發(fā)聯(lián)鎖：在燃料僅為殘?zhí)紩r，當2路殘?zhí)細饬χ鬏斔烷y有過“開到位”記憶，且氣力輸送閥都在關閉位置時，延時2 s，觸發(fā)MFT“全燃料喪失”保護。

MFT聯(lián)動殘?zhí)枷到y(tǒng)設備包括三部分：“保護關”殘?zhí)細饬斔拖到y(tǒng)主輸送氣動閥；“保護關”殘?zhí)細饬斔拖到y(tǒng)吹掃氣動閥；“保護?！睔?zhí)枷到y(tǒng)一級、二級星型給料機。

1.5 殘?zhí)既剂贤哆\方式

鍋爐啟動時，通過燃燒燃煤，使鍋爐床溫達到殘?zhí)荚试S投入的溫度，一般為850～900 ℃。

殘?zhí)纪度牒?，逐步減少燃煤量，增加殘?zhí)剂?，最終實現(xiàn)全部燃料為殘?zhí)?。鍋爐計劃停爐時加入燃煤，逐步替換掉殘?zhí)既剂希寥刻鎿Q為燃煤后，按照規(guī)程停爐。

2 殘?zhí)煎仩t物料燃燒分析

2.1 殘?zhí)既紵匦?/h3>

2.1.1 判斷殘?zhí)际欠袢紵?/p>

爐膛中、上部溫度測點是判斷殘?zhí)既剂贤度牒?，是否著火燃燒的重要依?jù)。殘?zhí)既剂陷斎牒?，爐膛上部溫度最先顯示上升趨勢，爐膛中部溫度較上部溫度顯示(溫度變化)滯后約1 min，只有中、上部溫度測點持續(xù)上升，且幅度大于20 ℃/min時，才認為殘?zhí)荚跔t內持續(xù)燃燒；爐膛上部溫度大于820 ℃時，判定殘?zhí)纪哆\成功。

在運行過程中，殘?zhí)既剂先绻麤]有燃燒，爐膛中部溫度最先呈現(xiàn)下降趨勢，爐膛上部溫度變化較中部溫度變化滯后約1 min。上部溫度低于810 ℃，且持續(xù)向下降，出現(xiàn)此情況表明殘?zhí)荚跔t膛內未被點燃和未持續(xù)燃燒，必須立即停止殘?zhí)枷到y(tǒng)，防止殘?zhí)既剂侠^續(xù)被輸送進爐膛。

2.1.2 殘?zhí)荚跔t膛內燃燒區(qū)間及溫度控制

殘?zhí)既剂显跔t內燃燒時，燃燒區(qū)域主要集中在爐膛中部及上部。鑒于殘?zhí)既紵齾^(qū)間及殘?zhí)碱w粒特性，鍋爐在實際運行中，必須嚴格控制一次風量。如果風量過大，燃燒區(qū)間向上移動后集中在爐膛上部，容易出現(xiàn)殘?zhí)荚诜蛛x器內部繼續(xù)燃燒的危險工況。

殘?zhí)嫉闹饻囟仍趯嶒炇覂葴y定為880 ℃(床溫測點平均值)。此鍋爐床溫測點布置方式為穿過水冷風室后從床底插入，床溫測點頂部與風帽齊平，由于風帽中流化風的直接沖刷和流化風溫較低的原因，造成測出的床面溫度相對偏低約50 ℃，故在此鍋爐上，推算出殘?zhí)贾饻囟燃s為830 ℃。同時，結合多個殘?zhí)紭拥幕胰廴谛苑治?，判斷其軟化溫度? 120 ℃。由此可見，殘?zhí)嫉娜紵郎囟葏^(qū)間較為狹窄 (830 ℃～ 1 120 ℃ )。

殘?zhí)歼M入爐膛，首先由溫度足夠高的床溫引燃，然后進入爐膛中上部燃燒，為確保殘?zhí)既紵龝r溫度能夠控制在830～1 120 ℃，應選取爐膛上部溫度測點作為監(jiān)控測點：爐膛上部溫度測點顯示溫度低于810 ℃，停運殘?zhí)枷到y(tǒng)；當溫度顯示大于1 030 ℃時，應立即降低給料機頻率，減少殘?zhí)嫉某隽?，以避免出現(xiàn)殘?zhí)荚诜蛛x器入口及分離器內部由于溫度超過其軟化溫度而導致結焦的情況。

爐膛上部溫度與停運殘?zhí)枷到y(tǒng)目前沒有聯(lián)鎖，后期改造時可以根據(jù)溫度顯示值及溫度變化率情況，增加溫度與殘?zhí)枷到y(tǒng)的聯(lián)鎖。如：殘?zhí)纪度霠t膛1 min后，開始檢測爐膛上部溫度，當溫度低于810 ℃時，如果溫度持續(xù)下降時間達到90 s或者溫度已經低于760 ℃時，聯(lián)鎖停止殘?zhí)枷到y(tǒng)。

2.2 殘?zhí)煎仩t床溫偏差問題

2.2.1 床溫偏差情況

鍋爐首次投運殘?zhí)?2 h后，床溫測點數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大偏差，最大偏差幅度達到341.7 ℃，見表4所列。

表4 投入殘?zhí)?2?h后床溫顯示值

殘?zhí)煎仩t持續(xù)運行，床溫偏差幅度變大，見表5所列。床溫低點為312.5 ℃；床溫中間溫度為516.6 ℃；床溫高點為871.0 ℃。對比采用燃煤為主燃料的流化床鍋爐，分析床溫情況：在燃煤的流化床鍋爐運行時，床溫出現(xiàn)如此大的偏差，原因是床面結焦后，局部床面無法流化所生成的。鑒于燃煤流化床鍋爐的認知，所以在此工況下，容易被誤認為鍋爐爐膛床面處于結焦狀態(tài)。

表5 長時間投運殘?zhí)嫉拇矞仫@示值

2.2.2 排查相關因素

1)測點顯示準確性判斷

對照床溫歷史曲線，判斷床溫測點的顯示是否準確；通過檢查溫度測點曲線，未發(fā)現(xiàn)測點有突變情況，溫度顯示在機組運行過程中，床面溫度隨著工況有升有降，可以判斷溫度顯示是正常的。

2)結焦情況分析

如果有2個及2個以上床溫測點長時間顯示超過890 ℃，這時爐內流化床床面就容易出現(xiàn)高溫焦塊，大約15 min后，在冷渣器就地視窗處能夠目測到小熔融狀的焦塊。在此次的運行過程中，床溫最高點為880 ℃，持續(xù)時間僅2 min。同時復查相關記錄，確定機組啟動時，沒有出現(xiàn)低溫焦塊的情況，機組啟動后，也未有結焦情況。

2.2.3 綜合分析

首次投入殘?zhí)迹\行一段時間后，才出現(xiàn)此問題，可見床溫的偏差與殘?zhí)嫉耐度腙P聯(lián)較大。殘?zhí)嫉拿芏葹?.56 t/m3，在殘?zhí)纪度牒?，殘?zhí)既剂贤度肓恐饾u增大，燃煤量逐漸減少，殘?zhí)既剂洗娌糠秩济?；爐內的循環(huán)物料由全部的燃煤循環(huán)物料，變?yōu)槿济?殘?zhí)嫉幕旌衔锪?，由于殘?zhí)嫉拿芏刃?，在同樣的風量下床壓變小，風帽周圍容易出現(xiàn)床料被局部吹穿的情況。

床溫測點的爐內實際布置情況為：床溫測點穿過水冷風室，布置在流化床底部；床溫測點頂部與風帽齊平，流化風直接吹掃床溫測點工作端。在風帽孔周邊床料被局部吹穿后，測點測量溫度不能夠代表床料的真實溫度。

2.2.4 解決方案

床溫偏差可通過兩種方法解決。

1)增加床料

通過床料添加系統(tǒng)，向爐內加入床料，彌補殘?zhí)既剂洗嫒济喝剂虾笤斐傻难h(huán)物料密度變小的情況；同時通過增加床料，提高床壓。

2)減少一次風量

投入殘?zhí)己螅谝淮物L量、風壓等各參數(shù)不變情況下，由于殘?zhí)嫉拿芏刃?，顆粒極小，床料的臨界流化風量變小。一次風量由風量46 000 Nm3/h降至30 000 Nm3/h(鍋爐最大連續(xù)出力工況設計一次風量為53 000 Nm3/h)。

2.3 殘?zhí)佳h(huán)物料特性

2.3.1 高壓流化風(返料風)風壓低

由于殘?zhí)嫉拿芏容^小(0.56 t/m3)且顆粒極細(0～40 μm)，造成殘?zhí)煎仩t長時間使用殘?zhí)既剂蠒r，全部的循環(huán)物料由純煤變成煤和殘?zhí)嫉幕旌衔锪?，隨著時間推移，殘?zhí)荚谘h(huán)物料中占比會越來越大，最終造成返料風壓偏低。一般對比全部燃料為燃煤的情況下，返料風壓偏低6～9 kPa。比如高壓流化風母管在全部燃料為燃煤時，壓力為25 kPa，同等負荷情況下，在全部燃料為殘?zhí)紩r，壓力變?yōu)?6 kPa。

2.3.2 床料變化

殘?zhí)煎仩t采用殘?zhí)既剂祥L時間運行，排渣系統(tǒng)基本處于停運狀態(tài)，燃煤時留存的床料持續(xù)消耗，殘?zhí)既剂闲纬傻拇擦显黾印Ｓ捎谖锪厦芏炔?，需根?jù)床壓變化和床溫偏差值，增補普通床料(由啟動床料系統(tǒng)補充床料)；或者啟動給煤機系統(tǒng)，同時投入燃煤，維持一段時間，用以形成床料。

2.3.3 循環(huán)物料需外排

殘?zhí)煎仩t運行時，隨著殘?zhí)汲掷m(xù)加入，循環(huán)物料持續(xù)增加，多余的循環(huán)物料需及時排出。外排的物料無法經過機組排渣系統(tǒng)排出，只能通過循環(huán)灰排放系統(tǒng)排出。

2.4 殘?zhí)既紵艧崽匦约皻執(zhí)加嬃繂栴}

根據(jù)大量試驗和設計循環(huán)倍率可知，殘?zhí)荚跔t內釋放熱量的過程為；在循環(huán)燃燒時，首輪燃燒大約釋放總熱量的65%，經過分離器循環(huán)2～5次后，燃燒釋放出剩余約25%的總熱量，再經過多次循環(huán)，最終釋放出剩余10%的熱量。

根據(jù)使用要求，燃煤燃料能夠在燃料指令為0%～100%時，對應輸出為0%～100%的煤量，其指令和反饋為一條斜線。而殘?zhí)既剂显谕度霑r，控制燃料量的指令與實際燃料量的反饋線性很差。經分析，主要原因包括：1)氣力輸送不具備線性調節(jié)功能；2)殘?zhí)季邆淞黧w特性；3)殘?zhí)嫉念w粒僅40 μm，粒徑很小。所以殘?zhí)荚谕ㄟ^星型給料機時，在低頻率轉速下，流體狀的殘?zhí)既剂线_不到線性控制的目標。經觀察，給料機處于2%～11%的頻率下，對應燃料量輸入量為總燃料量的10%～50%，處于11%～35%時，輸入燃料量基本不變；處于35%～85%頻率時，燃料指令與實際進入爐膛內的燃料量反饋基本成線性；85%頻率以上，增加頻率指令時燃料量基本不變；燃料指令與實際燃料量跟蹤關系如圖1所示。

圖1 燃料指令與實際燃料量跟蹤關系

在機組投運殘?zhí)紩r，殘?zhí)剂髁繜o監(jiān)視測點，輸入爐內的殘?zhí)剂恐荒芡ㄟ^燃煤量換算。因此需要增加流量表計，以解決此問題。

2.5 殘?zhí)计渌匦约板仩t注意事項

1)殘?zhí)贾兴趾炕緸?%，其吸水性強，需要關注系統(tǒng)的防水，防止殘?zhí)嘉蟀褰Y；板結部位通常發(fā)生在輸送管道及殘?zhí)季彌_倉內壁。

2)由于殘?zhí)剂叫?，在投運后應注意觀察分離器的分離效果，防止出現(xiàn)殘?zhí)疾蹲搅坎蛔愕那闆r，造成煙道及空預器處殘?zhí)季奂那闆r。

3)選擇布袋除塵的機組，應嚴格監(jiān)視除塵系統(tǒng)前后差壓，預防布袋堵塞后造成引風機負壓抽吸事故。

4)殘?zhí)纪哆\時，應注意給料系統(tǒng)運行的連續(xù)性，避免出現(xiàn)給料不連續(xù)或者給料突然中斷情況，造成鍋爐燃燒的巨大擾動。

5)投運殘?zhí)既剂蠒r，應注意調節(jié)爐膛溫度、床壓床溫、返料等相關參數(shù)的控制范圍等。

3 結論

1)殘?zhí)煎仩t能夠實現(xiàn)100%殘?zhí)既剂祥L時間運行，在電站鍋爐清潔能源方向上有重大意義；

2)殘?zhí)煎仩t床溫偏差特性比較明顯，需注意區(qū)別于燃煤燃料的流化床鍋爐；

3)殘?zhí)煎仩t運行時，燃料不同，需注意床溫及流化風量等參數(shù)的控制，燃料切換時，一次風流化風量必須調整；

4)殘?zhí)煎仩t運行時，循環(huán)灰需根據(jù)工況適當排放；

5)殘?zhí)煎仩t采用殘?zhí)既剂祥L時間運行時，需適當補充床料；

6)殘?zhí)枷嚓PMFT聯(lián)鎖邏輯為鍋爐新增主保護邏輯，需要進一步共同完善。