張瑞,樊元華

(濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司,山東濟(jì)南250023)

福建省的煤資源中無煙煤占了98.3%,這種無煙煤結(jié)構(gòu)致密、反應(yīng)性較差、灰熔點低、熱破碎性嚴(yán)重,在鍋爐中燃燒著火困難無法燃盡,不適合作為一般鍋爐的燃料。循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率高,污染物排放低等優(yōu)點,特別是燃料適應(yīng)性廣,可以較好地燃燒福建無煙煤,已經(jīng)成為當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的首選鍋爐。但是如果直接利用常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐燃用福建無煙煤并摻燒低熱值的煤矸石,鍋爐的運行還會遇到很多困難,為了保證鍋爐的熱效率和運行的可靠性,就必須根據(jù)福建無煙煤的特點采取相應(yīng)的技術(shù)措施。張志程等曾經(jīng)為了燃用福建無煙煤對老式循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了改造[1],本文將介紹燃用福建煤摻燒煤矸石的循環(huán)流化床鍋爐一些特殊設(shè)計和措施。

本文設(shè)計對象是為福建某煤矸石電廠發(fā)電機所配的循環(huán)流化床鍋爐,鍋爐型號為YG-220/9.8,額定蒸發(fā)量220 t/h,額定蒸汽壓力9.8 MPa,額定蒸汽溫度540℃。鍋爐汽水系統(tǒng)采用自然循環(huán),爐膛外集中下降管結(jié)構(gòu),過熱蒸汽采用三級加熱,兩級噴水減溫方式,使過熱蒸汽溫度有很大的調(diào)節(jié)余量,以保證鍋爐蒸汽參數(shù)。鍋爐通過爐內(nèi)加石灰石脫硫;設(shè)計燃料為II類福建劣質(zhì)無煙煤和煤矸石的混合物,兩者的比例為45∶55。混合煤的地位發(fā)熱量為12 066 k J/kg,工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 混合煤的工業(yè)分析 質(zhì)量比%

由煤質(zhì)分析報告可以看出,這種燃料的灰分大、揮發(fā)分少以及燃料灰熔點低,燃燒不當(dāng)爐膛很容易出現(xiàn)結(jié)渣,此外燃料不易燃盡、燃燒不夠充分,以及爐內(nèi)磨損等問題都應(yīng)在設(shè)計中加以克服。為克服劣質(zhì)福建無煙煤對循環(huán)流化床燃燒的不利影響并達(dá)到設(shè)計要求,在設(shè)計中采取了一系列的措施。

(1)加大床面料層提高物料熱惰性 混合煤中的福建無煙煤著火點高、揮發(fā)分少、灰熔點低,燃燒過程中易爆裂、細(xì)顆粒含量多,混合煤中的矸石入爐煤量大、吸熱量多、大渣、飛灰排量大、燃燒不充分,采用常規(guī)設(shè)計無法保證鍋爐燃燒效率。延長入爐煤在爐內(nèi)的燃燒時間可以充分發(fā)揮循環(huán)流化床的特點,方案采用大幅度提高物料熱惰性的設(shè)計思想,在設(shè)計中將床面料層加大,要求即使把一、二次風(fēng)比例提高到7比3,爐膛內(nèi)仍然可以保持額定的流化速率,保證摻燒較多煤矸石的混合煤能夠充分燃燒。

(2)采用高溫旋風(fēng)分離技術(shù) 高溫旋風(fēng)分離是建立熱灰循環(huán)系統(tǒng)的最好分離手段,可以大大提高鍋爐的燃燒效率。設(shè)計方案采用汽冷和水冷相結(jié)合的蝸殼式旋風(fēng)分離器,其中的蝸殼膜式結(jié)構(gòu)以蒸汽作為冷卻介質(zhì);無煙煤的后燃現(xiàn)象比較嚴(yán)重,分離器后的立管及U型返料器采用自然循環(huán)水冷,可以避免后燃引起返料溫度過高,提高鍋爐的運行安全性。

(3)撤消爐內(nèi)過熱水冷屏 摻燒煤矸石后爐膛灰濃度大、流化速率高,爐內(nèi)布置過多受熱面容易造成局部磨損,因此設(shè)計中撤消了爐內(nèi)過熱水冷屏,另外在過熱器后省煤器前布置一組螺旋肋片管蒸發(fā)器作為水冷受熱面,這樣在負(fù)荷波動煙氣超溫時可以防止省煤器沸騰度超標(biāo)起到保護(hù)省煤器的作用。

(4)過熱蒸汽系統(tǒng)采用雙級噴水減溫 為確保過熱器的安全運行,方案的過熱蒸汽系統(tǒng)采用了雙級噴水減溫方式,從低溫過熱器來的過熱蒸汽首先進(jìn)入爐前的兩個立置式噴水減溫器,經(jīng)過減溫器調(diào)整汽溫后再送入屏式過熱器。從屏式過熱器出來的過熱蒸汽進(jìn)入高溫過熱器的左右段,過熱后再分別進(jìn)入兩個水平布置的噴水減溫器調(diào)整溫度,然后進(jìn)入高溫過熱器的中間管系,合格的過熱蒸汽由集汽集箱輸出。另外減溫器的布置,考慮到了檢修方便。

(5)爐膛壁防磨措施 設(shè)計中考慮到燃用福建無煙煤及摻燒煤矸石時,爐膛灰濃度增大,內(nèi)循環(huán)灰量大,貼壁回流灰會對水冷壁和流化室耐火材料結(jié)合部加劇造成磨損,因此設(shè)計中采用了三種防磨措施。首先對水冷壁管子采用了讓彎技術(shù),在四面水冷壁與耐火材料結(jié)合處讓管子向外讓開一定距離,使管子避開磨損區(qū)域。其次在讓彎區(qū)下的耐火材料部位沿爐膛四周澆注一道防磨圈梁。再次對磨損部位仍采取超音速噴涂耐磨合金材料。采用這三項防磨措施可以確保了水冷壁長期安全運行。另外,由管子組成骨架支撐結(jié)構(gòu)澆注高強度耐磨材料,保證了爐墻安全耐用性,防止了爐墻損壞、倒塌等運行中的故障問題,提高了鍋爐的運行周期。

(6)尾部水平煙道高溫區(qū)采用水冷和汽冷包覆結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)可以充分吸收煙道煙氣的余熱提高鍋爐的熱效率,同時可以避免高溫?zé)煔鉄龎臓t內(nèi)砌筑部件,延長鍋爐壽命,而且爐墻的砌筑簡單經(jīng)濟(jì)。

(7)增加爐膛高度 方案設(shè)計的鍋爐,爐膛比常規(guī)鍋爐高3 m,降低爐膛空截面設(shè)計流速,使小于旋風(fēng)分離器最低切向旋轉(zhuǎn)粒徑(50μm)的碳粒子在爐膛內(nèi)的停留時間超過6.5 s,可以在930℃的均勻溫度場中燃燼。

(8)采用抽引風(fēng)機后的乏氧煙氣作返料風(fēng) 為了防止返料器內(nèi)的后燃現(xiàn)象出現(xiàn)導(dǎo)致返料灰搭橋返料不暢,本方案采用抽引風(fēng)機后的乏氧煙氣作返料風(fēng)。同時由于旋風(fēng)分離器和料腿采用了水冷形式,可以比絕熱的旋風(fēng)筒溫度降低30～40℃,更有效地杜絕了無煙煤的后燃帶來的危害。

該循環(huán)床鍋爐于2006年在福建煤矸石電廠建成投運后,本著循序漸進(jìn)的原則,以3種不同的工況進(jìn)行循環(huán)流化床鍋爐混燒試驗,工況一為65%無煙煤和35%煤矸石混燒,工況二為55%無煙煤和45%煤矸石混燒,工況三為45%無煙煤和55%煤矸石混燒。其主要試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 混燒煤矸石的試驗數(shù)據(jù)

從試驗結(jié)果來看,采用不同的混煤比例,該循環(huán)流化床都能保持良好的燃燒狀態(tài),沒有出現(xiàn)結(jié)焦、塌床等現(xiàn)象,能達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)運行的目的。

本方案設(shè)計的鍋爐為充分利用低熱值燃料劣質(zhì)福建無煙煤開辟了廣闊的前景,鍋爐除燃燒煤矸石、劣質(zhì)煤、混煤以外,還可以用來摻燒其他低熱植工業(yè)廢棄物、生活垃圾、生物燃料(農(nóng)作物秸桿等)以及低熱值的氣體燃料,具有優(yōu)異的節(jié)能減排效果和經(jīng)濟(jì)效益。循環(huán)流化床鍋爐采取高溫燃燒技術(shù),排出的大渣和飛灰含碳量低活性好,是良好的制造水泥的添加材料,也可用作建筑、水泥制品及筑路材料,通過這些綜合利用,可為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]漲志程,黃玉龍,劉國波.燃用福建無煙煤的老式循環(huán)流化床鍋爐的改造[J].能源技術(shù),2006,27:175-176.