循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒固廢綜合利用研究

摘要：通過對貴州省某煤礦企業(yè)2臺(tái)50t/h循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥和煤矸石固廢的研究，發(fā)現(xiàn)隨著摻燒比例的增加，鍋爐運(yùn)行參數(shù)（爐膛下部溫度、爐膛出口溫度、排煙溫度和熱效率等）均出現(xiàn)變化，深入分析當(dāng)摻燒量超過50%時(shí)出現(xiàn)的返料不暢、流化不良、爐膛差壓突然降低等問題，提出鍋爐負(fù)荷和爐溫的控制、摻燒燃料質(zhì)量的管理、摻燒比例的優(yōu)化及流化風(fēng)量和床壓的調(diào)整等一系列的運(yùn)行控制和優(yōu)化建議，確保鍋爐更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行。目前，控制與優(yōu)化后的某煤礦企業(yè)循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐按年運(yùn)行時(shí)間7000h、摻燒比例50%計(jì)算，每臺(tái)鍋爐產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益超1000萬元。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；摻燒；煤泥；煤矸石；固廢利用

引言

自20世紀(jì)70年代以來，循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成為高效、低污染的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)之一，并在全球范圍內(nèi)推動(dòng)了清潔能源技術(shù)的發(fā)展。循環(huán)流化床鍋爐能在較低溫度下進(jìn)行燃燒，可減少燃料消耗和污染物的生成，并以其優(yōu)越的燃燒效率、靈活的燃料適應(yīng)性及較低的氮氧化物和硫氧化物排放特性，被廣泛應(yīng)用于電力生成和工業(yè)蒸汽供應(yīng)中。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，以及其對能源的需求加劇，導(dǎo)致煤炭開采量大幅提升，因此煤炭開采和加工產(chǎn)生的煤泥、煤矸石類固體廢物的產(chǎn)量也不斷增加[1]。而煤泥、煤矸石類固體廢物的堆存，不僅占用大量土地，還可能引發(fā)環(huán)境污染問題。因此，如何有效利用煤泥、煤矸石這些固廢資源，并在減少其對環(huán)境的負(fù)面影響同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源化利用，成為一個(gè)亟待解決的問題。

本文通過對貴州省某煤礦企業(yè)2臺(tái)50t/h循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥和煤矸石固廢綜合利用研究，發(fā)現(xiàn)綜合利用煤泥和煤矸石不僅可減少環(huán)境污染，還可節(jié)約能源及提高能源的綜合利用效率。

1工程概況

貴州省某煤礦企業(yè)擁有2臺(tái)50t/h循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐，鍋爐型號為SZS 50-3.82/

450-Q，額定蒸發(fā)量為50t/h， 額定蒸汽壓力為1.6MPa，給水溫度為104℃，鍋爐設(shè)計(jì)熱效率為93%， 排煙溫度為135℃，燃燒方式為室燃，燃燒調(diào)節(jié)方式為電控操作柜自動(dòng)調(diào)節(jié)。

為有效利用煤礦企業(yè)煤泥和煤矸石固廢，降低鍋爐運(yùn)行成本，減輕對環(huán)境的污染，某煤礦企業(yè)對2臺(tái)50t/h循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐進(jìn)行了煤泥和煤矸石固廢摻燒綜合利用研究，對摻燒比例、熱力參數(shù)、運(yùn)行調(diào)整措施、經(jīng)濟(jì)效益評估等問題進(jìn)行深入分析[2]，并對其進(jìn)行一系列的運(yùn)行控制和優(yōu)化，在保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

2 摻燒綜合利用設(shè)計(jì)方案

某煤礦企業(yè)的循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐為東方鍋爐公司生產(chǎn)的亞臨界中間再熱自然循環(huán)汽包爐，全鋼結(jié)構(gòu)，由單爐體、平衡通風(fēng)、旋風(fēng)汽冷分離器、循環(huán)流化床燃燒方式、水冷滾筒式冷渣器等組成。循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐燃燒系統(tǒng)分為主泵房和輔助泵房2部分，其中主泵房采用3套泵送系統(tǒng)為1臺(tái)鍋爐送料，2臺(tái)鍋爐共6套泵送系統(tǒng)；輔助泵房設(shè)2套泵送系統(tǒng)。同時(shí)，每臺(tái)鍋爐設(shè)置4個(gè)給料點(diǎn)、4條管道，2臺(tái)鍋爐共設(shè)8個(gè)給料點(diǎn)、8條管道，不考慮系統(tǒng)間的切換。因此，根據(jù)鍋爐燃燒對煤泥需求量的分析，選用ZBG30/16D型煤泥管道輸送系統(tǒng)[3]，煤矸石隨燃料輸送通道進(jìn)入摻燒。

3 摻燒比例的變化對鍋爐運(yùn)行的影響

3.1 對爐膛下部溫度的影響

爐膛下部溫度是影響循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐燃燒效率和污染物排放的關(guān)鍵參數(shù)之一[4]。在循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐中摻燒煤泥和煤矸石，對鍋爐的爐膛下部溫度有著直接的影響。當(dāng)煤泥、煤矸石摻燒量分別為30%、40%、50%、60%、70%時(shí)，爐膛下部溫度分別為843℃和848℃、832℃和841℃、821℃和837℃、805℃和827℃、795℃和818℃。分析其原因，可能是由于煤泥和煤矸石中水分和灰分含量較高，需要更多的熱量去蒸發(fā)水分和加熱灰分，因此會(huì)在一定程度上吸收部分燃燒熱量[5]。

當(dāng)摻燒比例在30%時(shí)，爐膛下部溫度與純煤燃燒相比，略有下降；當(dāng)摻燒比例繼續(xù)增加到60%～70%時(shí)，爐膛下部的溫度可能會(huì)降低至795～818℃。因此，當(dāng)煤泥、煤矸石摻燒量分別從30%升高至70%時(shí)，兩者爐膛下部溫度表現(xiàn)為逐漸降低趨勢，但摻燒煤泥時(shí)的爐膛下部溫度降低趨勢大于摻燒煤矸石的下降趨勢。這表明，更高的摻燒比例意味著更多的固廢被送入爐膛，導(dǎo)致局部的燃料過載，影響燃燒的均勻性，增加燃料負(fù)荷；受煤泥和煤矸石的物理和化學(xué)特性與標(biāo)準(zhǔn)煤的差異影響，鍋爐的爐膛溫度分布遭到改變，從而改變了鍋爐的燃燒特性；同時(shí)，為適應(yīng)高摻燒比例下的燃燒，調(diào)整鍋爐的氣流分布，保持有效的燃燒和溫度控制，使得爐膛下部的溫度受到影響。

而爐膛下部溫度變化又直接關(guān)系到燃燒效率和污染物的生成，因此在實(shí)施煤泥和煤矸石摻燒時(shí)，必須細(xì)致地監(jiān)測和調(diào)整爐膛下部的溫度，才能確保鍋爐的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，并能將污染物排放控制在可接受的范圍內(nèi)。

3.2 對爐膛出口等處溫度的影響

循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥和煤矸石的過程中，爐膛出口溫度、分離器出口溫度也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，直接影響到熱效率、燃燒完全性及污染物的排放。當(dāng)煤泥、煤矸石摻燒量從30%升高至70%時(shí)，兩者爐膛出口溫度、分離器出口溫度均下降10～20℃。因此，在進(jìn)行煤泥和煤矸石摻燒時(shí)，需通過精確控制摻燒比例和優(yōu)化鍋爐運(yùn)行參數(shù)，將爐膛出口溫度、分離器出口溫度維持在一個(gè)理想范圍內(nèi)。為平衡溫降，可在摻燒前將床溫及爐膛出口溫度控制得高一些。

3.3 對排煙溫度的影響

排煙溫度也是評價(jià)循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐燃燒效率和環(huán)境影響的一個(gè)重要參數(shù)。在摻燒煤泥和煤矸石的過程中，排煙溫度的變化不僅反映了熱能的利用效率，也會(huì)直接影響污染物的排放水平。

循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐內(nèi)的煤泥、煤矸石摻燒量分別為30%、40%、50%、60%、70%時(shí)，排煙溫度分別為132℃和134℃、137℃和139℃、143℃和141℃、147℃和144℃、151℃和148℃，因而當(dāng)煤泥、煤矸石摻燒量從30%升高至70%時(shí)，兩者排煙溫度表現(xiàn)為逐漸升高趨勢，摻燒煤泥時(shí)爐膛下部溫度升高趨勢要大于摻燒煤矸石。這表明，當(dāng)摻燒比例在30%時(shí)，排煙溫度受煤泥和煤矸石中較高的水分含量影響略有增加；隨著摻燒比例提高至50%～70%，排煙溫度的變化受到燃燒效率和熱量回收效率的共同影響。通過分析發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，可通過優(yōu)化鍋爐運(yùn)行參數(shù)和燃燒條件，將熱能有效地轉(zhuǎn)化為蒸汽，減少熱能的排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高摻燒比例下的高效燃燒，以及實(shí)現(xiàn)控制并降低排煙溫度的目的。

此外，在循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥、煤矸石時(shí)，控制好排煙溫度，也對提高鍋爐的熱效率和降低環(huán)境污染具有重要意義。一方面，通過控制并降低排煙溫度，不僅可以減少熱量損失，還可提高鍋爐的熱效率；另一方面，較低的排煙溫度有助于減少NOx的生成，減少污染物的排放。因此，在實(shí)施循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐煤泥和煤矸石的摻燒過程中，必須綜合考慮燃料特性、燃燒技術(shù)和熱量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過科學(xué)的調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對排煙溫度的有效控制。

3.4 對熱效率的影響

熱效率是衡量循環(huán)流化床鍋爐能效和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵指標(biāo)，能直接影響到鍋爐運(yùn)行的成本和環(huán)境表現(xiàn)。摻燒煤泥和煤矸石對循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐熱效率的影響是多方面的，涉及燃燒效率、熱量損失和能量轉(zhuǎn)換效率等多個(gè)方面。不同的煤泥、煤矸石摻燒比例，排煙熱損失和機(jī)械不完全燃燒熱損失的對比情況如圖1所示。

當(dāng)增加摻燒比例時(shí)，受煤泥的高水分含量、煤矸石的低熱值和高灰分含量等因素影響，一些熱能會(huì)損失。首先，煤泥的高水分含量對鍋爐熱效率產(chǎn)生負(fù)面影響，在燃燒過程中煤泥中的水分需要吸收大量熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽，然后隨煙氣排出鍋爐，這個(gè)過程不僅消耗了鍋爐產(chǎn)生的熱能，導(dǎo)致煙氣總量增加和排煙溫度上升，還使得更多熱能隨煙氣排出，降低熱效率。其次，煤矸石的低熱值和高灰分含量等特性，進(jìn)一步加劇了熱效率的下降。摻燒煤矸石導(dǎo)致爐膛的熱負(fù)荷減少，意味著爐膛內(nèi)產(chǎn)生的熱量減少。最后，由于煤矸石灰分含量高，燃燒過程中會(huì)增加灰量的產(chǎn)生，導(dǎo)致飛灰中含有更多未燃盡的燃料顆粒，且這些未完全燃燒的燃料顆粒是能量的直接損失，即所謂的機(jī)械不完全燃燒熱損失，因而使得熱效率進(jìn)一步降低。

綜上所述，隨著摻燒比例的增加，鍋爐熱效率的下降主要是由于煤泥的高水分和煤矸石的低熱值及高灰分共同作用的結(jié)果。這些因素導(dǎo)致了熱量的消耗、熱能的損失及燃燒效率的降低，從而影響了鍋爐的整體能效。因此，在考慮摻燒煤泥和煤矸石以提高固廢利用率的同時(shí)，還需要通過優(yōu)化燃燒技術(shù)和提高熱能回收效率等措施來盡量減少這些負(fù)面影響，以保持循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐高熱效率運(yùn)行。

4 運(yùn)行調(diào)整措施及設(shè)計(jì)思路

在循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐中實(shí)施固廢綜合利用方案，當(dāng)摻燒比例超過50%時(shí)，運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)一系列挑戰(zhàn)，不僅影響鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，還影響鍋爐的熱效率和煙氣達(dá)標(biāo)排放。

4.1 運(yùn)行中存在的問題分析

當(dāng)摻燒量超過50%后，返料系統(tǒng)的暢通性下降，流化質(zhì)量變差，導(dǎo)致爐膛差壓突降，床壓波動(dòng)加劇，摻燒煤矸石時(shí)該問題更為顯著；不合理的燃料級配比例導(dǎo)致大顆粒燃料沉積，引起床溫急劇下降和局部流化不良，存在熄火的可能性；摻燒后尾部煙道積灰加劇，惡化了受熱面的工作環(huán)境，需要增加吹灰頻率以維持正常運(yùn)行；摻燒后顆粒物濃度和硬質(zhì)顆粒的增加導(dǎo)致對流受熱面磨損加速；爐膛底部排出的渣中含有大量未完全燃燒的煤泥顆粒，增大了底渣的含碳量。

4.2 調(diào)整措施

4.2.1保持鍋爐運(yùn)行負(fù)荷和爐溫

在摻燒過程中，應(yīng)保持鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷不低于60%，同時(shí)確保平均爐溫維持在800℃以上。如果監(jiān)測到任何測點(diǎn)的溫度突然大幅下降，或平均溫度降至780℃以下，應(yīng)根據(jù)需要減少摻燒比例或暫停向爐內(nèi)添加摻燒燃料。

4.2.2嚴(yán)控?fù)綗剂腺|(zhì)量

嚴(yán)格控制摻燒燃料質(zhì)量，確保爐膛內(nèi)不進(jìn)入大顆粒燃料，且將燃料顆粒的粒徑控制在2～6mm范圍內(nèi)的比例達(dá)到60%以上?；旌先剂系钠骄鶡嶂祽?yīng)保持在12540kJ/kg以上，同時(shí)將煤泥的水分含量控制在40%以下，煤矸石的水分含量控制在20%以下。

4.2.3優(yōu)化摻燒比例

推薦的摻燒比例為50%，但根據(jù)實(shí)際的燃料級配比例、熱值及燃燒工況的變化，可在摻燒比例的上限（不超過70%）中適當(dāng)調(diào)整摻燒比例，確保燃燒的穩(wěn)定性和熱效率。

4.2.4調(diào)整流化風(fēng)量和床壓

在確保足夠流化風(fēng)量的前提下，應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)在低風(fēng)量和低床壓條件下運(yùn)行鍋爐，不僅有助于抑制NOx的初始生成濃度，還能減少環(huán)境污染。

4.2.5小結(jié)

通過實(shí)施調(diào)整措施，可以優(yōu)化循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐在摻燒煤泥和煤矸石時(shí)的性能，提高熱效率，同時(shí)減少污染物的排放，確保鍋爐的環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。

結(jié)語

以貴州省某煤礦企業(yè)燃煤鍋爐為研究對象，進(jìn)行了循環(huán)流化床燃煤蒸汽鍋爐摻燒煤泥和煤矸石固廢綜合利用研究。對鍋爐運(yùn)行進(jìn)行改進(jìn)，通過增加煤泥和煤矸石的摻燒比例后，觀察爐膛下部溫度、爐膛出口溫度、排煙溫度、熱效率及污染物排放濃度等方面的鍋爐運(yùn)行參數(shù)和性能指標(biāo)的顯著變化。當(dāng)摻燒比例超過50%后，對鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)的多種問題進(jìn)行深入分析，并提出優(yōu)化燃燒和運(yùn)行控制建議，可幫助運(yùn)行人員根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況，及時(shí)采取適當(dāng)調(diào)節(jié)措施，確保鍋爐更安全、更穩(wěn)定地運(yùn)行。通過實(shí)施調(diào)整措施，不僅提高了鍋爐的運(yùn)行效率和環(huán)境表現(xiàn)，還取得了經(jīng)濟(jì)效益。某煤礦企業(yè)每臺(tái)50t/h的鍋爐，按照年運(yùn)行時(shí)間7000h和摻燒比例50%來計(jì)算，可以節(jié)省超過1000萬元的燃料費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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作者簡介

申明（1976—），男，仡佬族，貴州務(wù)川人，本科，工程師，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境。