循環(huán)流化床鍋爐煤泥摻燒的兩種典型方式分析

萬 屹，陳旭楓，許 華

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

煤泥作為煤炭洗選過程的副產物，具有灰分高、顆粒細、粘度大等特點，在洗選煤廠通常作為廢棄物，且濕煤泥在堆積狀態(tài)下性狀極不穩(wěn)定，遇水即流失，風干則飛揚[1]，嚴重影響洗選煤廠的環(huán)境。通常煤泥具有比劣質煤更高的熱值，燃煤電廠可以以較為低廉的價格購入煤泥以替代部分燃煤進行摻燒利用，從而大大降低發(fā)電成本。

燃煤電廠摻燒煤泥不僅僅是充分利用價格低廉的能源，同時解決了相應洗選煤廠的環(huán)境污染問題，對洗選煤廠和發(fā)電廠是雙贏的結果。目前煤泥摻燒主要有兩種典型方式：一種是煤泥管道輸送系統(tǒng)，即煤泥經壓濾制成膏狀采用煤泥泵管道輸送系統(tǒng)輸送入爐摻燒，這是目前的主流系統(tǒng)，主要在循環(huán)流化床鍋爐機組上使用；另外一種是煤泥經過干燥后進入燃煤輸送線與燃煤混合后輸送入爐摻燒，這是最近一段時間開始采用的系統(tǒng)，應用方面不受爐型限制。

本文通過對煤泥管道輸送系統(tǒng)和煤泥干燥系統(tǒng)技術特點及經濟性進行比較分析，得出結論以供今后工程參考。

1 電廠煤泥摻燒兩種典型方式介紹

1.1 煤泥管道輸送系統(tǒng)

煤炭洗選過程產生的煤泥水經過沉淀后的底流，通常進入壓濾機經過壓濾脫水后供用戶使用。壓濾機通常分為板框式壓濾機、帶式壓濾機、快開式隔膜壓濾機以及一些特殊的新型壓濾機[2]。煤泥在壓濾機內可按需求制成含水率20%～30%的煤泥濾餅，作為管道輸送一般要求煤泥含水率在30%以上。

煤泥管道輸送系統(tǒng)指將煤泥濾餅加水攪拌后制成含水率30%-35%的煤泥膏漿如圖1所示，加壓后通過管道直接輸送至循環(huán)流化床鍋爐燃燒。

圖1 攪拌倉中的煤泥

煤泥管道輸送流程如圖2所示。

圖2 煤泥管道輸送流程圖

濕煤泥通過攪拌制漿設備制成膏漿后進入煤泥緩存?zhèn)}，在倉下通過預壓螺旋和煤泥泵對煤泥漿加壓后經管道輸送至鍋爐爐膛。由于煤泥屬于非牛頓流體，在高壓管道內的流動呈結構柱塞流形式，要保持輸送過程中不失水、不離析、不沉淀，以濃密膏體的形式輸送[3]。

煤泥管道輸送系統(tǒng)優(yōu)點分析如下：

1)自動化程度高，出力調節(jié)方便，響應速度快。

2)煤泥輸送采用封閉管道，對環(huán)境污染很小。

3)管道布置靈活，占地面積小。

4)可以實現大比例摻燒。

煤泥管道輸送系統(tǒng)缺點分析：煤泥含水率稍高，煤泥入爐后水分蒸發(fā)帶來氣化潛熱損失，鍋爐排煙溫度升高熱損失，對鍋爐燃燒效率均產生不利影響。

1.2 煤泥干燥系統(tǒng)

濕煤泥通過干燥設備，利用高溫蒸汽或煤氣等熱源對煤泥進行烘干，然后摻入燃煤中進入鍋爐燃燒利用。

以往部分煤礦利用煤氣等熱源通過熱風爐煙氣進行干燥[4]，將煤泥干燥成含水率15%以下的干煤泥，但是由于熱風爐干燥后的煙氣處理需配套除塵、脫硫脫硝等裝置，系統(tǒng)比較復雜、投資較高。并且由于熱風爐溫度較高(達到700℃)，干燥過程煤泥有明顯的揮發(fā)分損失，造成損耗，因此這種方式在新建工程中已較少采用。

目前較為流行的是低溫蒸汽干燥技術，即從汽機抽取相對溫度較低(0.6～0.8 MPa，約180℃)的飽和蒸汽，對煤泥進行烘干。由于蒸汽在火電廠易于獲得，故其適用性很強。目前來看，低溫蒸汽干燥技術已比較成熟，煤泥干燥的效果相對較好。

由于低溫蒸汽干燥技術優(yōu)于熱風爐煙氣干燥技術，近年來發(fā)展很快，目前已有數十臺成功運行業(yè)績，低溫干燥技術已成為主流的煤泥干燥技術。下文所述(包括比較部分)的煤泥干燥系統(tǒng)均指采用低溫蒸汽干燥技術的煤泥干燥系統(tǒng)，其基本流程如圖3所示。

圖3 煤泥干燥系統(tǒng)流程圖

濕煤泥通過帶式輸送機和攪拌緩存設備進入臥式滾筒干燥機，在干燥機內通過蒸汽進行干燥，煤泥干燥后的成品干煤泥從干燥機出口排出，干燥過程中煤泥產生的蒸發(fā)濕氣通過除塵設備處理后排放。蒸汽與煤泥不接觸，冷卻后形成冷凝水排出回收。

干燥后的煤泥可以降到15%以下的含水率，呈現出顆粒狀，可以直接摻入燃煤中送入鍋爐燃燒。目前單臺烘干設備處理量在30～50 t/h。干燥前后的煤泥形態(tài)分別如圖4、圖5所示。

圖4 干燥前煤泥形態(tài)

圖5 干燥后煤泥形態(tài)

煤泥干燥系統(tǒng)優(yōu)點分析如下：

1)烘干煤泥可以摻入到燃煤中，利用原輸煤輸送線最終輸送入爐，爐型沒有限制，既可以加入CFB鍋爐，也可以加入到普通煤粉爐中。

2)烘干煤泥含水率低，對鍋爐效率的負面影響相對較小。

3)烘干煤泥顆粒輸送方便，輸送過程對環(huán)境污染較小。

4)烘干煤泥相對濕煤泥的熱值高。

煤泥干燥系統(tǒng)缺點分析如下：

1)單臺烘干設備處理量相對較小，設備占地相對較大。

2)依賴火電廠的蒸汽作為熱源。

3)烘干過程不可避免造成部分揮發(fā)分等熱值損失。

為準確比較兩者的技術經濟性，便于指導今后設計，如下進行了更加詳細的比較。

2 煤泥干燥和管道輸送入爐比較

為方便比較，以山東某2×300 MW等級的CFB煤泥摻燒電廠工程的參數作為基準，比較兩個方案的技術經濟性(以下均按單臺鍋爐進行比較)。

方案一：煤泥管道輸送系統(tǒng)，采用輸送含水率35%的煤泥至爐膛，煤泥量為80 t/h(含水重)，系統(tǒng)采用4臺出力為20 m3/h的煤泥泵(電功率4×110 kW)。比較范圍從煤泥倉進口至鍋爐爐膛，不包括煤泥堆場(煤泥池)以及煤泥入廠系統(tǒng)。

方案二：煤泥干燥系統(tǒng)，采用含水率25%的煤泥通過臥式滾筒干燥機烘干為15%以下的煤泥，設備進口煤泥量75 t/h(含水重),系統(tǒng)采用4臺(3運1備)出力為25 t/h的臥式滾筒干燥機(電功率3×260 kW)。比較范圍從干燥機進口至干燥機出口輸送帶，不包括濕煤泥堆場以及后續(xù)上煤系統(tǒng)。

2.1 技術比較

煤泥干燥和管道輸送入爐是兩種不同的技術路線，均有成熟的運行業(yè)績。

兩種方案的技術比較如表1所示。

表1 技術比較表

2.2 經濟性比較

兩種方案中的煤泥從初始的含水率開始算起，在煤泥管道輸送系統(tǒng)中以35%的初始含水率在鍋爐內被蒸發(fā)，并被加熱至排煙溫度；而煤泥干燥系統(tǒng)分為兩段，一段是以25%左右的初始水分通過蒸汽干燥至15%以下，后續(xù)仍然在鍋爐中被蒸發(fā)，并被加熱至排煙溫度。

一般性設計輸入數據如表2所示。

表2 設計輸入數據表

1)初投資

煤泥干燥系統(tǒng)的設備費用約1 600萬元，土建費用約60萬元；煤泥管道輸送系統(tǒng)設備費用約800萬元，土建費用約80萬元。

2)煤泥中水分蒸發(fā)帶走熱量

本計算采用熱平衡的方法衡量煤泥水分減少過程中消耗的熱量并折算成鍋爐煤耗，為簡化計算，兩個方案15%以下的含水率在爐內蒸發(fā)部分均不作考慮，即煤泥管道輸送系統(tǒng)通過爐內蒸發(fā)將煤泥從輸送入爐的35%含水率降低至15%，煤泥干燥系統(tǒng)將煤泥含水率從干燥前的25%減小至15%。

兩個方案煤泥水分蒸發(fā)帶走熱量折算煤耗如表3、表4所示。

表3 管道輸送系統(tǒng)影響煤耗表

3)摻燒煤泥對鍋爐效率的影響

由于煤泥管道系統(tǒng)摻燒煤泥對鍋爐效率的影響主要表現對排煙熱損失q2和固體不完全燃燒熱損失q4的影響，根據西安熱工院對山西某電廠測試結果，摻燒30%煤泥時，比不摻燒煤泥排煙溫度升高5～12℃。

而干燥后的煤泥通過混入燃煤進入鍋爐燃燒對鍋爐效率的影響較小(干燥后的煤泥摻燒對排煙溫度的影響目前缺乏試驗數據，本次比較暫按不影響考慮)，綜合取值煤泥管道系統(tǒng)比干燥系統(tǒng)降低鍋爐效率約0.5%[6]，折算煤耗1.05 t/h。

4)經濟性比較匯總

比較匯總如表5所示。

表5 比較匯總表

2.3 比較結論

根據比較結果，可以得出以下結論。

1)煤泥干燥系統(tǒng)和管道輸送系統(tǒng)在技術上各有特點。煤泥干燥系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠適應各種鍋爐，輸送系統(tǒng)比較簡單，摻燒對鍋爐的影響小。煤泥管道輸送系統(tǒng)的優(yōu)勢在于密閉管道輸送對環(huán)境污染小，運行調節(jié)方便，響應速度快等，但由于入爐含水率較高對鍋爐燃燒效率有一定影響。

2)煤泥管道輸送系統(tǒng)的經濟性優(yōu)于煤泥干燥系統(tǒng)。從本文的實例分析比較來看，無論是初投資還是運行費，煤泥管道系統(tǒng)均占優(yōu)勢，摻燒量越大差異越明顯。

3)目前階段對于CFB電廠，煤泥入爐系統(tǒng)仍推薦采用管道輸送入爐的方式，若需要供應其他形式的鍋爐摻燒或者需要摻入燃煤中外售等情況，可以采用煤泥干燥的方式。

3 結論

煤泥目前已大量應用于燃煤電廠進行摻燒，燃煤電廠得益于煤泥低廉的價格，經濟效益顯著，但是煤泥的利用方式還需進一步優(yōu)化，提高能源的利用效率。

對于煤泥輸送入爐系統(tǒng)目前最重要的工作是如何降低入爐煤泥的含水率，根據試驗結果，煤泥管道輸送的極限含水率在28%左右(根據輸送條件和煤泥特性共同確定)，在工程設計中一般在30%以上。然而在實際運行中，煤泥含水率的波動幅度較大，最大甚至達到35%以上，其對經濟性的影響很大。另外，如何減小煤泥摻燒對鍋爐效率的影響也是亟待解決的問題(主要是降低排煙溫度以及減小不完全燃燒損失，如根據安徽省電力科學研究院對淮北臨渙一期300 MW工程的測試，從不投煤泥到投入52 m3/h的煤泥時，鍋爐總的效率下降了約1.5%[7]。)

而煤泥干燥采用蒸汽進行干燥，其能源的轉換利用率不高，建議今后可開發(fā)結合利用電廠大量的較低溫度的廢熱和少量高溫熱源的干燥工藝，進一步提高能源的轉化利用率。

總的來說，這兩種方式目前都存在不同程度的缺點，對于循環(huán)流化床鍋爐相比較而言，煤泥管道系統(tǒng)更優(yōu)，尤其是大比例摻燒煤泥優(yōu)勢更大。