某235 MW 油頁巖循環(huán)流化床鍋爐的燃燒調(diào)整

袁亞東

( 中國能源建設(shè)集團華南電力試驗研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

我國擁有豐富的油頁巖儲量，未來可能建設(shè)大型油頁巖發(fā)電機組。鍋爐燃燒調(diào)整是機組提高燃料利用率、降低燃料損耗、提高機組經(jīng)濟效益的重要手段，油頁巖機組鍋爐燃燒調(diào)整技術(shù)儲備對我國發(fā)展大型油頁巖發(fā)電機組具有現(xiàn)實意義。本文系統(tǒng)總結(jié)國外某235 MW 油頁巖循環(huán)流化床鍋爐的燃燒調(diào)整。

1 油頁巖機組燃燒的特點

某235 MW 油頁巖機組采用235 MW 亞臨界機組，循環(huán)流化床鍋爐為單爐膛、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)，設(shè)有汽冷式旋風(fēng)分離器、管式空氣預(yù)熱器、對流式過熱器及再熱器。4 臺蝸殼式高溫汽冷旋風(fēng)分離器對稱布置于爐后，旋風(fēng)分離器上部為汽冷、下部錐形段后是水冷包裹式外置床，床內(nèi)布置高溫過熱器、高溫再熱器受熱面。爐內(nèi)主床為波浪型，波谷設(shè)置共20 個排渣口，床底部爐膛前后對稱布置20 臺冷渣器控制床壓。主床上風(fēng)帽為定向平頭鐘罩式風(fēng)帽共計10 591 個，布風(fēng)板設(shè)計阻力為4.0 kPa。

鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1 所列。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

油頁巖用作燃燒發(fā)電時有4 個特點：1)燃料量大。該235 MW 油頁巖機組單臺實際發(fā)電量277 MW，機組所在地油頁巖平均熱值在4 MJ/kg左右，滿負(fù)荷運行平均給料量600 ～700 t/h，其每小時燃料供給量超過現(xiàn)役燃煤機組的每小時燃料消耗；2)排渣量大，容易堵渣。排渣系統(tǒng)出現(xiàn)堵渣比較頻繁；3)飛灰量大，受熱面積灰嚴(yán)重。大量的飛灰進入尾部煙道，積灰嚴(yán)重，傳熱受到較大影響；4)渣的形狀與燃燒前的形狀基本相同。燃料燃燒后形成的熱渣顆粒體積變化小，大顆粒進入爐膛后只燃燒其中的油，巖石大小基本不會發(fā)生變化，排渣仍為顆粒狀。

2 燃料顆粒度調(diào)整

2.1 大顆粒調(diào)整

該235 MW 油頁巖機組的2 號機組在首次啟動投入油頁巖，機組帶負(fù)荷至220 MW 時，發(fā)現(xiàn)有燃料包裹床料沙形成大塊焦塊，焦塊下落進入排渣管堵塞落渣管，造成冷渣機頻繁且大面積堵塞，排渣困難，床壓不可控，機組無法帶高負(fù)荷。取灰樣做灰熔點的4 個特征溫度檢測，采用美國標(biāo)準(zhǔn)《Standard Test Method for Fusibility of Coal and Coke Ash》ASTM D1857—18[1]檢測灰變形溫度(initial deformation temperature，IT)為1 243 ℃，檢測結(jié)果見表2 所列。

表2 灰熔點特征溫度檢測結(jié)果

停爐檢查后發(fā)現(xiàn)，包裹床料沙的燃料顆粒較大，超出鍋爐廠家允許的最大10 mm 燃料粒徑要求。根據(jù)油頁巖燃燒特性，燃燒后大小基本仍然保持原狀，且根據(jù)油頁巖燃燒試驗結(jié)果，爐膛還未達到推薦燃燒溫度780 ～810 ℃[2]，床溫平均值并未超過高溫結(jié)焦所需的初始溫度1 243 ℃。經(jīng)過初步分析，結(jié)焦原因為低溫結(jié)焦，因為大顆粒的流化情況不好，燃料在局部區(qū)域停留燃燒形成超溫區(qū)域。

部分大顆粒燃料在未完全燃燒時，進入落渣管繼續(xù)燃燒，形成局部高溫，也形成焦塊。經(jīng)過分析，需要調(diào)整燃料顆粒度以改善燃料的流化情況，再檢查燃燒結(jié)焦情況。經(jīng)過多次調(diào)整破碎機錘面與破碎機間的間距，使破碎燃料顆粒度接近鍋爐廠家要求的0.4 ～ 10 mm 的粒徑范圍。檢查并更換破碎的篩板，并在篩板兩側(cè)加檔皮，防止兩側(cè)泄漏燃料。鍋爐廠家要求的不同燃料顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍見表3 所列。

表3 鍋爐廠家要求的不同燃料顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍

經(jīng)過調(diào)整后，鍋爐堵渣現(xiàn)象明顯改善，且顆粒度比較集中在合格范圍內(nèi)時，較少出現(xiàn)結(jié)焦堵塞。因此，現(xiàn)場在每次停止上料的間隙都檢查破碎機的所有細(xì)篩情況，并定期檢查破碎機錘面間隙，對錘面進行翻轉(zhuǎn)，保證燃料顆粒度。在保證大顆?；静怀瑯?biāo)的情況下，堵渣現(xiàn)象得到明顯改善。

2.2 細(xì)顆粒調(diào)整

1 號、2 號機組在運行帶高負(fù)荷過程中都發(fā)生頻繁的冷渣機自流問題，自流經(jīng)常造成冷渣機無法轉(zhuǎn)動。當(dāng)出現(xiàn)多臺冷渣機自流后，鍋爐床壓上升較快機組只能減負(fù)荷運行，長期影響機組的帶高負(fù)荷運行。根據(jù)滾筒冷渣機的排渣原理，滾筒排渣利用滾筒內(nèi)的渣堆積厚度形成阻力，阻力與落渣管內(nèi)渣的重力平衡，從而阻止渣快速流入冷渣機內(nèi)。分析原因可能是落渣管與冷渣機內(nèi)壁距離過大，或渣流動性大造成。

停機后檢查各冷渣機落渣管與桶壁之間的間隙，落渣管與桶壁之間的間隙分布范圍為40 ～120 mm，將落渣管口與冷渣機內(nèi)壁的間隙超過50 mm 的冷渣機全部調(diào)整至50 mm 間距，冷渣機與排渣管間隙如圖1 所示。調(diào)整后冷渣機自流現(xiàn)象未得到明顯改善。于是采用調(diào)整破碎機錘面與破碎機間隙的方式，既保證大顆粒合格，也保證細(xì)顆粒量不超標(biāo)，盡量減少細(xì)顆粒的過度破碎。

圖1 冷渣機與排渣管間隙示意圖

經(jīng)過多次調(diào)整，采用歐盟試驗標(biāo)準(zhǔn)EN—933—1∶2007Testsforgeometricalpropertiesof aggregatesPart1∶Determinationofparticlesize distribution-Sievingmethod[3]測得燃料顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，小于0.4 mm 的細(xì)顆粒能穩(wěn)定控制在20%以下，冷渣機自流現(xiàn)象減少。由于破碎設(shè)備的限制，細(xì)顆粒的含量已經(jīng)不能再減少，無法驗證更少細(xì)顆粒含量對冷渣機自流的影響，冷渣機自流問題未徹底解決，徹底解決冷渣機自流問題有待進一步研究。調(diào)整后分析顆粒度分布情況，分析結(jié)果見表4 所列。

表4 調(diào)整后燃料顆粒尺寸分布結(jié)果

3 風(fēng)量及燃料分配調(diào)整

3.1 上下二次風(fēng)及一次風(fēng)調(diào)整

機組進入滿負(fù)荷后，平均床溫770 ～790 ℃，冷渣機堵塞比較頻繁，為檢查是否床溫過高造成爐膛結(jié)焦而引起冷渣機堵塞，對上下二次風(fēng)量進行了調(diào)整。

在上、下二次風(fēng)總量分別都為50 Nm3/s 時，調(diào)整上二次風(fēng)為40 Nm3/s，下二次風(fēng)60 Nm3/s。此時床溫有所下降，但鍋爐燃料量卻反而增加，說明上、下二次風(fēng)風(fēng)量調(diào)整后，燃燒情況已變差，有部分燃料未被完全燃燒就排到冷渣機里。調(diào)整上、下二次風(fēng)比例后，冷渣機頻繁堵渣問題也沒有明顯改善。試驗表明，結(jié)焦堵塞冷渣機不是因為床溫過高造成，應(yīng)該是低溫結(jié)焦，降低床溫反而增加了排渣管中低溫結(jié)焦的可能性。因此，不能采用降低床溫的方法減少冷渣機的堵渣。

針對冷渣機經(jīng)常自流的現(xiàn)象，鍋爐嘗試采用減少一次流化風(fēng)量的方式進行調(diào)整。運行滿負(fù)荷時將流化風(fēng)量從104 Nm3/s 逐漸降至90 Nm3/s 并保持運行，鍋爐冷渣機自流現(xiàn)象并未得到明顯改善。機組協(xié)調(diào)控制投入后，隨著燃料量的變化，流化風(fēng)量跟隨燃料量的變化而變化。一次流化風(fēng)大幅度變化時，冷渣機自流現(xiàn)象明顯增加，原因可能為一次風(fēng)量的變化引起排渣阻力平衡的破壞，造成冷渣機自流。因此，在變負(fù)荷過程中采用了緩慢改變一次流化風(fēng)流量的方式，增減負(fù)荷時每次調(diào)整2 Nm3/s使排渣阻力平衡緩慢的變化。試驗發(fā)現(xiàn)，采用緩慢變化后，可以防止冷渣機突然自流的現(xiàn)象增加。

3.2 左右側(cè)燃料量分配

該235 MW 油頁巖機組鍋爐需要燃料量大，爐膛橫向?qū)挾?6 300 mm，鍋爐采用了前墻2 號、3 號、4 號給料機給料，后墻1 號、5 號給料機給料，5 條給料線共20 個給料口的布置方式。

燃燒過程中，各給料機平均給料時呈現(xiàn)中間煙氣溫度高、兩側(cè)煙氣溫度低的現(xiàn)象，由于兩側(cè)旋風(fēng)分離器下外置床布置的是再熱蒸汽管，在運行中出現(xiàn)再熱蒸汽溫度比主蒸汽溫度低50 ～60 ℃的現(xiàn)象，分析原因，可能是由于兩側(cè)的煙氣流動受側(cè)墻和負(fù)壓吸力的影響，煙氣向煙道中間聚攏。

低負(fù)荷燃燒調(diào)整時采用增加兩側(cè)燃料分配量、減少中間給料量的運行方式，布置于前墻的3 條給料線2 號、3 號、4 號，分配比例系數(shù)分別為0.40、0.27、0.38，從后墻送煤的1 號、5 號給煤機分配采用平均分配的方式。機組啟動過程中，兩側(cè)油槍保留運行至最后停運，以提高再熱蒸汽溫度。通過調(diào)整，主再熱汽溫差能減至30℃以內(nèi)，有時甚至能接近，汽溫偏差現(xiàn)象得到明顯改善。

4 結(jié)論

1)與常規(guī)燃煤循環(huán)流化床鍋爐相比，油頁巖循環(huán)流化床鍋爐床溫低，平均溫度770 ～790 ℃，爐膛結(jié)焦堵塞冷渣機以低溫結(jié)焦為主，所以油頁巖循環(huán)流化床鍋爐控制結(jié)焦的方法，主要以控制燃料中大顆粒含量為主；

2)降低燃料中細(xì)顆粒占比，對防止冷渣機自流有一定作用。降低一次流化風(fēng)量對減少冷渣機自流效果不明顯；

3)爐膛橫向?qū)挾容^大造成兩側(cè)汽溫偏差的問題，可以通過調(diào)整兩側(cè)燃料分配減少偏差。對于橫向?qū)挾容^大的循環(huán)流化床，建議采用合理的給料口布置減少爐膛內(nèi)煙氣溫差，并且通過建模等方式進一步分析流場的分布，有利于以后燃燒的均勻性改善。