循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行問(wèn)題分析及節(jié)能降耗優(yōu)化探究

馬守財(cái)，閆星磊

（1.晉能孝義煤電有限公司，山西 孝義 032300；2.山西世紀(jì)中試電力科學(xué)技術(shù)有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

隨著國(guó)家“雙碳”政策的推出，發(fā)電企業(yè)節(jié)能降耗減排工作成為“雙碳”政策的重點(diǎn)工作。循環(huán)流化床CFB（circulating fluid bed）鍋爐憑借燃燒效率及燃料適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)在我國(guó)火力發(fā)電行業(yè)中占據(jù)重要地位[1]。近年來(lái)，我國(guó)在超臨界CFB鍋爐技術(shù)領(lǐng)域取得十分顯著的進(jìn)展，標(biāo)志著我國(guó)自主研發(fā)的大型燃煤CFB鍋爐從制造到投產(chǎn)運(yùn)行技術(shù)居世界領(lǐng)先水平[2]，但超高壓機(jī)組480 t/h CFB在役機(jī)組還較多，本文將針對(duì)某廠480 t/h循環(huán)流化床鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的典型問(wèn)題進(jìn)行節(jié)能降耗優(yōu)化探究。

1 設(shè)備及系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的480 t/h循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐采用中間排渣方式，配套3臺(tái)出力為30 t/h的滾筒冷渣器，灰渣比為1∶1，前墻給煤方式，低溫動(dòng)力控制燃燒技術(shù)。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 一次中間再熱、自然循環(huán)CFB鍋爐系統(tǒng)流程圖

輸煤系統(tǒng)：輸煤系統(tǒng)對(duì)于CFB鍋爐是最重要的組成部分，分為輸送、破碎、篩分等3個(gè)過(guò)程，將合格的燃煤粒度輸送至煤倉(cāng)通過(guò)給煤系統(tǒng)進(jìn)入爐膛密相區(qū)進(jìn)行燃燒，其燃煤顆粒在一、二次風(fēng)的作用下與空氣產(chǎn)生氣固兩相流態(tài)化破碎燃燒過(guò)程，燃煤粒度越小，燃燒速度越快越充分。

煙風(fēng)系統(tǒng)：一次風(fēng)保證物料流化的同時(shí)要保證密相區(qū)成為氧分還原區(qū)，二次風(fēng)保證物料燃燒所需要的氧氣及爐膛過(guò)渡段的穿透力，高壓流化風(fēng)保證返料裝置正常流化及返料所需的壓頭和風(fēng)量。送風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化主要考慮空預(yù)器的漏風(fēng)情況及爐內(nèi)物料顆粒質(zhì)量的狀態(tài)，物料質(zhì)量的好壞直接影響密相區(qū)床壓，而床壓的高低直接影響風(fēng)機(jī)的電耗率。

汽水系統(tǒng)：該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定是保障機(jī)組長(zhǎng)期高效運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。

主燃燒系統(tǒng)及煙氣系統(tǒng)：該系統(tǒng)節(jié)能減排主要考慮燃燒效率對(duì)鍋爐整體效率的影響、環(huán)保數(shù)據(jù)控制，通過(guò)燃燒優(yōu)化調(diào)整達(dá)到環(huán)保超低排放的要求。

2 480 t/h CFB鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題及分析

2.1 飛灰與底渣含碳量高

480 t/h CFB鍋爐飛灰與底渣含碳量高主要受兩方面因素的影響，一是燃用煤種配比不合理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣對(duì)煤種進(jìn)行校核和工業(yè)分析，發(fā)現(xiàn)低位發(fā)熱量為11 299 kJ/kg、Vdaf為14.8%、Mt為9%、Aar為45.25%、Car為30.5%、Sar為2.0%，以上數(shù)據(jù)表明，該廠燃用煤的特性為劣質(zhì)煙煤，若當(dāng)煤的揮發(fā)分含量較高時(shí)，固定碳含量便會(huì)降低，使煤反應(yīng)活性增強(qiáng)；反之揮發(fā)分含量較低時(shí)，則使固定碳含量增加，反應(yīng)活性降低，煤炭的燃燒較為滯后，煤炭在爐內(nèi)停留時(shí)間較短時(shí)，或前墻給煤口與中間排渣口距離較短，很容易因煤炭量過(guò)多，燃燒速度較慢而從排渣口排出，使底渣含碳量增加[4]。二是風(fēng)煤配比及一、二次風(fēng)配比不合理。從燃燒角度考慮，在燃用劣質(zhì)煙煤時(shí)應(yīng)考慮其在爐膛內(nèi)在氣固兩相流的作用下實(shí)現(xiàn)充分燃燒，產(chǎn)生階躍燃燒過(guò)程，如果一次風(fēng)用量過(guò)大時(shí)，煙氣飛灰中未燃顆粒成分就較多，爐膛稀相區(qū)產(chǎn)生揚(yáng)析份額率就越大，同時(shí)伴隨煙氣流速的增大使旋風(fēng)分離器超出最佳分離效率工作區(qū)而使其捕捉能力下降，細(xì)小等級(jí)飛灰逃逸率增加，使得飛灰可燃物增加。以上綜合因素是造成底渣和飛灰含碳量較高的重要原因。

2.2 燃煤粒度控制不當(dāng)

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐的物料平衡理論，應(yīng)合理控制入爐煤的粒度分布[5]。某公司以往采用的是原煤，入爐煤中有超過(guò)16%的粒徑大于10 mm的原煤，盡管在一定的床壓下增加了一次風(fēng)量，但會(huì)使飛灰含碳量及排煙熱損失增加，粒度分布嚴(yán)重不均時(shí)甚至?xí)斐蔂t內(nèi)局部流化不良導(dǎo)致分層現(xiàn)象出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生低溫結(jié)焦等情況。鑒于此問(wèn)題，某公司后續(xù)采用中煤，此類煤的灰分超過(guò)50%，矸石比例增加，且未考慮動(dòng)力煤配比，其粒度級(jí)配比不合理，導(dǎo)致尾部煙道積灰嚴(yán)重、鍋爐排渣困難，密相區(qū)床溫梯度偏差較大，使機(jī)組帶負(fù)荷能力差。究其原因：一是從供煤源頭沒(méi)有控制好原煤中大粒徑比例，長(zhǎng)期以往造成破碎系統(tǒng)損耗較大，且未及時(shí)進(jìn)行篩板間隙調(diào)整，造成大粒徑顆?！疤右荨?；二是在燃用煤管理上缺乏經(jīng)驗(yàn)，未綜合考慮鍋爐燃燒所適用的燃煤粒度分布，原煤與中煤配比不合理，導(dǎo)致入爐煤粗、細(xì)粒徑占比產(chǎn)生“兩個(gè)極端”，這是造成鍋爐燃燒不穩(wěn)定的重要因素。對(duì)此通過(guò)檢查輸煤破碎系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，由于入廠煤種中矸石及大塊較多，是造成大顆粒逃逸的主要原因。

2.3 鍋爐特征量監(jiān)測(cè)不可靠

由于CFB鍋爐的流態(tài)化特性，在其爐膛內(nèi)安裝了風(fēng)量、壓力、溫度等在線檢測(cè)裝置。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)同一截面測(cè)量的壓力、溫度、風(fēng)量等測(cè)點(diǎn)偏差較大，其測(cè)量誤差已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出元件本身的設(shè)計(jì)測(cè)量誤差值，且部分測(cè)點(diǎn)數(shù)值呈直線上升狀態(tài)最終顯示為壞點(diǎn)等問(wèn)題，很容易對(duì)運(yùn)行造成誤判。究其原因，一是檢測(cè)裝置安裝位置受環(huán)境影響，容易出現(xiàn)堵塞情況，使吹堵裝置的運(yùn)行效果降低，甚至失效；二是為了滿足耐磨要求，導(dǎo)致溫度測(cè)定不夠靈敏，無(wú)法及時(shí)展示參數(shù)變化；三是管道設(shè)計(jì)未提前預(yù)留管段，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不可靠。

3 480 t/h CFB鍋爐運(yùn)行優(yōu)化措施

3.1 合理調(diào)整鍋爐一、二次配風(fēng)

在循環(huán)流化床鍋爐中，燃燒所需的空氣分成一、二次風(fēng)[6]。其配風(fēng)的重要性直接影響鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性，飛灰及底渣含碳量指標(biāo)是衡量經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，而風(fēng)煤配比及一、二次風(fēng)配比成為了CFB鍋爐能否經(jīng)濟(jì)燃燒的重要調(diào)整手段，為此我們對(duì)本鍋爐運(yùn)行中發(fā)生的燃燒問(wèn)題進(jìn)行了典型工況燃燒調(diào)整試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，將一、二次風(fēng)原運(yùn)行配比比例由70∶30調(diào)整為35∶65，隨著一次風(fēng)的降低，密相區(qū)整體燃燒份額增加，在一定床壓下，保證了密相區(qū)氧分還原的同時(shí)，使密相區(qū)平均床溫由原來(lái)的820℃提高至880℃左右，稀相區(qū)溫度受二次風(fēng)量的提高，整體燃燒份額較為均勻，整個(gè)物料循環(huán)倍率較為穩(wěn)定，左右側(cè)分離器返料溫度趨于均勻且消除了溫度偏差，在此工況下我們還進(jìn)行了上下二次風(fēng)的配比，將上下二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度比調(diào)整為100∶50，經(jīng)過(guò)綜合配風(fēng)調(diào)整，在穩(wěn)定燃燒工況的同時(shí)進(jìn)行了飛灰及底渣取樣化驗(yàn)，其化驗(yàn)結(jié)果為飛灰含碳量由調(diào)整前的12.6%下降至8.7%，如圖2所示。在降低一次風(fēng)的同時(shí)整體爐膛物料由于氣體壓力及流量減少的作用，流化速度降低，保證了密相區(qū)物料的重力還原，減少了稀相區(qū)物料濃度的分布，使飛灰中的可燃物可以充分在高溫下進(jìn)行燃盡，同時(shí)增強(qiáng)二次風(fēng)量，提高其風(fēng)量在過(guò)渡段的穿透力，強(qiáng)化燃燒，實(shí)現(xiàn)分段階躍性燃燒過(guò)程，從而使飛灰含碳量比例降低。底渣含碳量由調(diào)整前的3%下降至1.3%，如圖3所示。在降低一次風(fēng)量的作用下使整體物料熱量攜帶損失減少，密相區(qū)物料在氧分還原的基礎(chǔ)上，風(fēng)溫的冷源量減少，提高了密相區(qū)整體運(yùn)行溫度，加之合理使用一次風(fēng)，使煤炭能在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，提高床溫燃燼率的同時(shí)，有效減少了底渣含碳量，從而使鍋爐燃燒效率提高。

圖2 一、二次風(fēng)配比與飛灰含碳量關(guān)系圖

圖3 一次風(fēng)占比、密相區(qū)平均床溫與底渣含碳量關(guān)系圖

3.2 合理配比入爐燃煤粒徑

CFB鍋爐節(jié)能減排效果主要取決于鍋爐燃燒效率，煤矸石及低熱值煤作為CFB鍋爐主要燃料，其燃燒效率可直接影響節(jié)能降耗效果，因此需借助一定手段控制煤炭燃燒速度，實(shí)現(xiàn)鍋爐節(jié)能。在運(yùn)行期間應(yīng)盡可能將入爐煤的粒度保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，粒度級(jí)配應(yīng)科學(xué)合理，才可使CFB鍋爐安全穩(wěn)定地運(yùn)行。在試運(yùn)期間多次造成冷渣機(jī)排渣困難及爐內(nèi)分層現(xiàn)象，對(duì)于此類問(wèn)題，我們進(jìn)行了多次取樣化驗(yàn)和組織人力對(duì)輸煤破碎系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，對(duì)取樣煤質(zhì)和渣樣進(jìn)行加權(quán)平均法綜合統(tǒng)計(jì)，結(jié)果小于1 mm粒徑的煤占比達(dá)到50%左右，2~10 mm粒徑的煤占比達(dá)30%左右，大于10 mm粒徑的煤占比達(dá)20%左右，配比嚴(yán)重不合理。我們反復(fù)進(jìn)行配煤的調(diào)整試驗(yàn)，得出以下結(jié)論及建議：一是控制小于1 mm粒徑的煤，通過(guò)加強(qiáng)原煤與中煤的配比，將其比例調(diào)整為2∶1，粒徑小于1 mm的煤占比由原來(lái)的70%控制在40%范圍內(nèi)；二是嚴(yán)格控制入廠煤的大顆粒占比，調(diào)整篩板間隙為8 mm，有效地控制入爐煤大于10 mm粒徑的比例，提高了中間粒度的占比，將粒徑2~10 mm的煤的占比提高至60%左右，嚴(yán)格控制，不能有粒徑大于10 mm以上的煤（如圖4所示）。通過(guò)以上優(yōu)化方案，得以保證入爐煤粒度滿足鍋爐運(yùn)行要求，提高燃燒效率的同時(shí)，也降低了輔機(jī)功耗。

圖4 在優(yōu)化調(diào)整前與調(diào)整后的燃煤粒度占比分布圖

3.3 加強(qiáng)鍋爐特征量測(cè)點(diǎn)維護(hù)工作

為了提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，建立針對(duì)性優(yōu)化措施：一是定期對(duì)裝置進(jìn)行校對(duì)，加強(qiáng)設(shè)備維修管理，建立臺(tái)賬；二是從測(cè)量管件設(shè)計(jì)、裝置選型、優(yōu)化部件安裝位置等方面著手，建議對(duì)其風(fēng)壓、風(fēng)量測(cè)點(diǎn)定期進(jìn)行吹掃校驗(yàn)，測(cè)量管件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝置選型必須符合其工作區(qū)域的條件要求；三是爐膛內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的安裝要正確，尤其密相區(qū)測(cè)點(diǎn)在考慮元件防磨的同時(shí)，注意安裝深入長(zhǎng)度為100~150 mm范圍內(nèi)，停爐后嚴(yán)格檢查其裝置磨損程度，必要時(shí)進(jìn)行更換處理。避免產(chǎn)生監(jiān)測(cè)故障，為運(yùn)行人員做出科學(xué)正確決策提供可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.4 燃燒優(yōu)化調(diào)整

CFB鍋爐運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)重視節(jié)能降耗工作，其中主要以床壓、風(fēng)量做控制調(diào)節(jié)[7]。為了實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫的最佳效果，以及滿足機(jī)組節(jié)能降耗和控制NOx指標(biāo)的要求，盡可能控制CFB鍋爐上中下床溫保持一致，床溫一般保持在850~920℃運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況綜合進(jìn)行調(diào)整，將床壓由原先的9 kPa調(diào)整到7 kPa左右，加以合理配比一二次風(fēng)，在保證密相區(qū)物料充分流化的基礎(chǔ)上通過(guò)降低一次風(fēng)運(yùn)行、提高二次風(fēng)穿透力的方法，控制密相區(qū)床溫在890℃、分離器入口溫度在870~890℃范圍內(nèi)運(yùn)行。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整，使鍋爐排煙溫度降低了11℃，排煙熱損失降低了1.2%。降低床壓運(yùn)行后有如下顯著效果：其一，冷渣器運(yùn)行較為穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)連續(xù)排渣，額定負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)物料量的能量守恒；其二，一次風(fēng)機(jī)功耗明顯降低，為機(jī)組帶負(fù)荷提供了有力的支撐；其三，通過(guò)合理配比一、二次風(fēng)，使?fàn)t膛床溫及煙道各段煙氣溫度達(dá)到尿素及碳酸鈣最佳反應(yīng)溫度范圍，減少了尿素及石灰石噴入量的同時(shí)，有效控制了氨逃逸指標(biāo)及使得NOx、SO2值滿足超低排放指標(biāo)，為電廠節(jié)能降耗提供了參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

a）通過(guò)將一、二次風(fēng)配比調(diào)整為35∶65，控制床壓在7 kPa左右，降低一次風(fēng)量，提高運(yùn)行床溫，可有效控制飛灰及底渣含碳量，優(yōu)化后進(jìn)行計(jì)算平均廠用電率由原先的10.5%降低至9.3%，鍋爐效率提高3.2%，供電煤耗降低19 g/（kW·h）。以上數(shù)據(jù)表明，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性明顯提高。

b）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在冷渣器內(nèi)部高溫區(qū)中間第三段增加鰭片高度，使較細(xì)粒徑的煤能夠在冷渣機(jī)內(nèi)充分進(jìn)行換熱，其改造效果明顯，冷渣器實(shí)現(xiàn)連續(xù)排渣；同時(shí)嚴(yán)格控制入爐燃煤粒度，采用粒度占比“兩頭小中間大”的原則，使床料質(zhì)量平衡，保障下渣管物料的均勻性，在冷渣機(jī)入口處形成穩(wěn)定的“渣封”，使冷渣機(jī)能夠均勻穩(wěn)定排渣的同時(shí)，從源頭控制了流渣堵渣的情況，解決了鍋爐排渣困難的問(wèn)題。

c）經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)、優(yōu)化系統(tǒng)等方面進(jìn)行針對(duì)性的重點(diǎn)工作，強(qiáng)化了鍋爐特征量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其元件測(cè)量誤差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，保障了監(jiān)視數(shù)據(jù)的可靠性。

實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)某公司CFB鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題的分析，針對(duì)性采取控制燃煤粒度、運(yùn)行配風(fēng)調(diào)整、低床壓運(yùn)行等優(yōu)化調(diào)整措施，節(jié)能降耗效果顯著，對(duì)同類型發(fā)電機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地生產(chǎn)運(yùn)行具有重要的參考價(jià)值。