影響CFB鍋爐煤耗的原因及對策

姜 麗,楊先斌,李 楊,張建仕

(河南晉開化工投資控股集團有限責任公司, 河南開封 475000)

某企業(yè)為滿足后續(xù)百萬噸合成氨項目的正常生產(chǎn)運行需求,配套建設了5套型號為YG-240/9.81-M5的高溫高壓循環(huán)流化床(CFB)鍋爐,該鍋爐是一種高壓、單汽包、自然循環(huán)的水管鍋爐,采用了膜式水冷壁、高溫旋風分離器、返料器、流化床組成循環(huán)燃燒系統(tǒng)。經(jīng)過多年的運行、總結、優(yōu)化,系統(tǒng)具有了良好的穩(wěn)定性。

隨著我國“雙碳”目標的持續(xù)深化,以及煤炭價格的持續(xù)走高,企業(yè)生產(chǎn)利潤逐漸被壓縮。因此,高效發(fā)展成為了企業(yè)的發(fā)力點,而鍋爐煤耗作為影響企業(yè)效益的關鍵因素,尋求降低煤耗的根治之策,成為了企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的迫切需要。

1 CFB鍋爐工藝概況

1.1 風煙系統(tǒng)

該鍋爐用風主要由1臺一次風機和1臺二次風機供給,空氣經(jīng)一、二次風機升壓后進入空氣預熱器。經(jīng)過預熱的二次風進入二次風母管,通過布置在燃燒室四周分層布置的二次風噴嘴進入爐膛,為分段燃燒提供空氣。經(jīng)過預熱的一次風一部分進入爐膛底部水冷風室,然后通過布風板上的風帽使床料流化,另一部分作為播煤風。而有一部分一次風未經(jīng)過預熱器,被引至給煤機,形成了密封風。

燃料燃燒后形成的煙氣及攜帶的固體顆粒離開爐膛,切向進入爐后兩側旋風分離器。粗顆粒由于離心力作用從煙氣中分離出來,落入物料回料裝置,由返料器送入爐膛再燃燒;煙氣攜帶細顆粒則通過旋風筒從頂部引出,經(jīng)混合室進入尾部豎井,從上至下流動,經(jīng)過各級對流受熱面,進入電袋兩級除塵器,除去飛灰后,再由2臺引風機送入煙氣脫硫系統(tǒng),隨后經(jīng)煙囪排入大氣。

1.2 汽水系統(tǒng)

鍋爐給水是由1根DN175主給水管道及2條分別為DN100和DN20輔線構成的給水平臺引至水冷套分配集箱,通過2個水冷套,經(jīng)省煤器加熱后,由省煤器出口2根引出管送至鍋筒。 給水送至鍋筒后,一部分分配到水清洗裝置,另一部分進入水容積中,給水沿鍋筒縱向均勻分布。從鍋筒下部引出5根Ф325 mm×25 mm的集中下降管,布置于爐前,再由Ф133 mm×10 mm管子引入各下集箱,在爐膛部分形成左、右、前、后及爐膛內(nèi)屏式水冷壁5個水循環(huán)回路,由引汽管送至鍋筒汽空間進行再分離。

經(jīng)鍋筒分離裝置分離后的蒸汽由鍋筒上8根飽和蒸汽連接管引入頂棚包覆管,再進入懸吊管進口集箱,由懸吊管引入尾部煙道低溫過熱器;經(jīng)過第一級噴水減溫器減溫后引入屏式過熱器,再引入高溫過熱器低溫段,加熱后經(jīng)二級減溫進入高溫過熱器高溫段;最后進入高溫過熱器出口集箱。過熱蒸汽由高溫過熱器出口集箱引入爐頂集汽集箱,經(jīng)主汽閥后送出。

該CFB鍋爐總體系統(tǒng)簡圖見圖1。

圖1 CFB鍋爐總體系統(tǒng)簡圖

2 影響CFB鍋爐煤耗的原因分析

2.1 入爐燃料煤品質

燃料煤是鍋爐熱效率的重要影響因素之一,因此在鍋爐設計時對燃料煤中的發(fā)熱量Qnet,ar、全水分Mt、空氣干燥基水分Mad、灰分Aad、揮發(fā)分Vad、固定碳FCad、全硫STad等主要成分及燃料煤的粒徑比都有著特定的要求范圍。然而,在實際生產(chǎn)運行活動中,為了確保煤炭供應安全、價格雙穩(wěn)定,有效平滑煤炭價格波動及供應壓力帶來的成本影響,企業(yè)采用長協(xié)采購+市場采購的模式,這導致燃料煤的來源廣、品質難以穩(wěn)定,鍋爐的煤耗受燃料質量、混摻比例等影響出現(xiàn)不規(guī)律波動,也影響了鍋爐煤耗的精準調整。部分入爐煤煤質分析見表1。

表1 入爐煤煤質分析

2.2 旋風分離器效率

旋風分離器是CFB鍋爐的核心部件之一,其主要作用是利用離心力作用,將氣固二相混合流態(tài)化的煙氣中大量的高溫固體物料從氣流中分離出來,再通過返料裝置送回爐膛參與燃燒,以實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)的灰平衡和熱平衡,保證鍋爐燃燒的穩(wěn)定和高效。

根據(jù)CFB鍋爐燃燒及傳熱的特性可知,物料循環(huán)量對CFB鍋爐的運行有著至關重要的作用。通過調整物料的循環(huán)量可以控制大床溫度及爐膛差壓,促進爐膛燃燒溫度場的均勻性、延長物料參與燃燒的時間等,進而提升鍋爐燃燒效率。而物料的循環(huán)量主要由旋風分離器決定,因此分離器的效率高低,將直接影響著鍋爐的流化效果及熱效率。

該鍋爐運行數(shù)據(jù)顯示,爐膛差壓持續(xù)降低、返料風壓降低,在停爐檢修時發(fā)現(xiàn)旋風分離器經(jīng)過多年的運行,已出現(xiàn)中心筒過熱變形開裂、錐體澆注料部分脫落缺失、煙窗高寬比失衡等,綜合判斷為旋風分離器受多種因素影響導致效率降低,進而影響了鍋爐熱效率。

2.3 鍋爐的排煙熱損失

根據(jù)CFB鍋爐的特性可知,鍋爐排煙熱損失是鍋爐熱損失最主要的部分。該YG-240/9.81-M5型高溫高壓CFB鍋爐排煙溫度設計值為140 ℃,當前運行溫度約為150 ℃。該型號鍋爐設計計算說明中排煙熱損失計算公式為：

Q=(HPY-HLK)(1-q4/100)

(1)

式中：Q為排煙熱損失;HPY為排煙焓,由排煙溫度θPY、排煙處過量空氣系數(shù)αPY和排煙比定容熱容CPY計算得出;HLK為入爐冷空氣焓,由αPY、冷空氣比定容熱容Clk、冷空氣溫度θlk和理論空氣量計算得出;q4為機械不完全燃燒熱損失量。

由式(1)可知,排煙溫度每升高10 K,排煙熱損失增加0.6%～1.0%,相應煤耗增加1.2%～2.4%。 因此,該鍋爐的排煙溫度高也是影響鍋爐熱效率的重要因素之一。

2.4 水冷壁的防磨設施

根據(jù)鍋爐特性可知,該CFB鍋爐在爐膛內(nèi)的主要傳熱方式為對流傳熱和輻射傳熱,且傳熱方式會隨著爐膛高度、固體顆粒濃度的變化而變化,具體變化關系見圖2。

圖2 CFB鍋爐傳熱方式沿爐膛高度和固體顆粒物濃度的變化關系

由圖2可知,在鍋爐密相區(qū)主要以對流傳熱為主。但是在生產(chǎn)運行中,為了奠定后續(xù)化工生產(chǎn)系統(tǒng)安穩(wěn)運行的生產(chǎn)基礎,該企業(yè)以提升鍋爐運行周期為導向,從鍋爐受熱面防磨入手,進行了大量細致的工作,對密相區(qū)水冷壁采用了梳型板格柵防磨+熱噴涂相結合的防磨結構,鍋爐運行周期在一定程度上得到了保障,實現(xiàn)了爐均400 d的長周期運行記錄。但是梳型板格柵防磨+熱噴涂相結合的防磨結構必然導致該區(qū)域傳熱效率降低,直接影響鍋爐的熱效率。

3 影響CFB鍋爐煤耗的原因及對策分析

3.1 加強煤質管理

針對當前燃料煤采購渠道廣、煤種多的特點,一方面強化煤質管理,對進廠煤種進行更加細致、認真的檢驗工作,盡可能保證煤質符合鍋爐煤質設計要求;另一方面,加強煤種的摻混管理,充分利用煤種分析數(shù)據(jù),按照不同煤種的特性,在入爐前進行比例混摻,有效提升多煤種的混摻均勻性,盡可能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定燃燒。同時,加強入爐煤的煤質分析,通過提升入爐煤的分析頻次、分析質量,為運行人員提供更為精確的煤質變化情況,為運行人員及時調整用風、煤量等提供精準指引,達到安全、穩(wěn)定、可持續(xù)運行的目的,降低入爐煤煤質的大幅度波動,從而為降低煤耗提供保障。

3.2 構建新型分離體系

根據(jù)高溫旋風分離器的工作原理可知,決定分離器效率的主要因素有氣流的初速度、顆粒的沉降速度、離心分離速度、臨界粒徑等[1]。其中,氣流的初速度由爐膛出口負壓、爐膛出口面積、顆粒直徑、顆粒形態(tài)等決定,而在爐膛出口負壓不變、入爐煤煤質穩(wěn)定的情況下,爐膛出口的形態(tài)成為了決定氣流初速度的決定性因素。爐膛出口高度不變、寬度減小,氣流速度增加,顆粒的離心速度增加,分離效率和壓力損失增加。而速度不變時,高寬比增加,分離效果也會增加,最佳高寬為2～3。

原旋風分離器進口煙道對物料顆粒加速不利,旋風分離器入口煙氣流速偏低。將進口煙道重新塑形,縮小旋風分離器入口寬度,強化旋風分離器氣流入口氣流速度,同時配合中心筒偏心改造[2],使煙氣和夾帶的物料在進入旋風分離器前得到較大的動量,更好地完成氣固分離,提升旋風分離器分離效果,促進鍋爐增加循環(huán)灰量。改造前后的煙窗結構見圖3。

(a) 改造前

(b) 改造后

3.3 降低排煙熱損失

降低尾部煙道煙氣出口溫度,可以有效促進排煙熱損失。一方面將尾部損壞的乙炔激波吹灰器進行修復投運,通過激波振打的吹拉作用,消除尾部受熱面積灰,提升換熱效果,降低尾部煙器溫度;另一方面,利用正壓法加強對空氣預熱器、尾部膨脹節(jié)、支撐梁、人孔門等漏風的治理,降低過量空氣系數(shù)。同時,通過調整2層二次風的配比,在保證安全運行的前提下,降低下層二次風用量,開大上層二次風,強化二次風的風壓,在調整爐膛燃燒中心的同時強化擾動,從而促進燃料在爐膛內(nèi)部的燃燒更加充分,提升爐膛內(nèi)的燃燒效率,降低排煙熱損失。

3.4 改善水冷壁防磨結構

傳熱是鍋爐的根本,因此在保證鍋爐安全運行的前提下,提升受熱面?zhèn)鳠嵝蕦黾渝仩t系統(tǒng)出力,達到節(jié)能增效的效果。為了降低防磨結構對換熱效果的影響,一方面通過綜合數(shù)據(jù)的分析對比,采用局部防磨代替全面覆蓋性防磨,對于非沖刷區(qū)域用格柵防磨替代噴涂防磨,降低噴涂層對水冷壁管導熱系數(shù)的影響;另一方面,選擇導熱性更好、熔覆層與基體結合強度更高的熔覆防腐耐磨技術替代熱噴涂技術,在提升受熱面防磨強度的同時保證傳熱性能。

3.5 智能化系統(tǒng)支持

該企業(yè)采取了基于云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)的技術,在原生產(chǎn)操作系統(tǒng)的基礎上對系統(tǒng)在線生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集進行升級改造。一方面建立了生產(chǎn)報表系統(tǒng),提升了對裝置的精準感控,為裝置運行提供了決策警示;另一方面對關鍵設備如給煤機等增加溫度傳感系統(tǒng)、高清監(jiān)控系統(tǒng),提升對裝置設備的監(jiān)控管理,并利用系統(tǒng)的感知能力及先進算法,建立了智能巡檢平臺及故障自診斷報警系統(tǒng),切實提升了裝置的風險防治能力和隱患治理能力,提高系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性,為降低生產(chǎn)消耗提供基礎保障[3-4]。

4 結語

CFB鍋爐煤耗的管理是企業(yè)提升生產(chǎn)能效、推動企業(yè)降本增效的必由之路,也是企業(yè)落實煤炭消費減量責任的必然措施。但是,CFB鍋爐煤耗的管理是一項系統(tǒng)化工程,不可能一蹴而就,需要企業(yè)對標新時代環(huán)保要求,堅持創(chuàng)新驅動發(fā)展,通過持續(xù)化的精細生產(chǎn)管理、深層次的技術探索,解決鍋爐生產(chǎn)系統(tǒng)中影響煤耗的工藝、設備、管理等方面問題,推動鍋爐生產(chǎn)系統(tǒng)的降本增效,打造企業(yè)綜合實力和核心競爭力。