， (中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

循環(huán)流化床電廠燃料的三級(jí)篩分方案研究

馮穎，姬俊
(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃煤粒度級(jí)配的要求，完全依靠燃煤篩分破碎系統(tǒng)，要求燃煤通過(guò)篩分破碎系統(tǒng)后，能夠獲得理想的顆粒。研究三級(jí)篩分系統(tǒng)可以有效控制入爐煤粒度，提高鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和燃燒效率。

粒度級(jí)配；半開(kāi)式；高幅振動(dòng)篩

0 引 言

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed)鍋爐可燃用大量的劣質(zhì)煤、煤矸石和煤泥等，對(duì)燃料的適應(yīng)能力強(qiáng)，導(dǎo)致循環(huán)流化床電廠的來(lái)煤具有多樣性、復(fù)雜性等特點(diǎn)；同時(shí)，循環(huán)流化床鍋爐對(duì)進(jìn)入爐膛的燃料粒度范圍、平均粒度大小、粒度的分布卻有著較嚴(yán)格的要求。

循環(huán)流化床鍋爐需要的燃煤粒度級(jí)配，完全依靠燃煤篩分破碎系統(tǒng)，要求燃煤通過(guò)篩分破碎系統(tǒng)后能夠獲得理想的顆粒。受工作原理限制，燃料經(jīng)目前常用的二級(jí)篩煤機(jī)和二級(jí)碎煤機(jī)后仍會(huì)存在部分超過(guò)粒度要求的物料。煤的顆粒尺寸不當(dāng)，可能會(huì)破壞循環(huán)流化床內(nèi)的顆粒循環(huán)，影響鍋爐的正常運(yùn)行。提出運(yùn)煤系統(tǒng)在二級(jí)篩分以后增設(shè)三級(jí)篩分，將更好地解決經(jīng)二級(jí)篩分破碎后，原煤粒度超標(biāo)的問(wèn)題。

1 入爐煤粒度級(jí)配對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的影響

循環(huán)流化床鍋爐對(duì)進(jìn)入的燃料顆粒具有寬篩分特性。根據(jù)不同爐型、不同煤種，循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃料的粒度級(jí)配要求不同，一般有0～6 mm、0～8 mm、0～10 mm、0～13 mm等粒度范圍要求。

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特點(diǎn)是寬篩分的煤粒在適當(dāng)?shù)臍饬髯饔孟?，在床中一面翻騰運(yùn)動(dòng)，一面燃燒。循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行時(shí)的基本要求就是床料沸騰正常，床溫維持穩(wěn)定。為達(dá)到此要求，鍋爐中不同尺寸的顆粒燃燒循環(huán)時(shí)呈一定規(guī)律的分布。粗顆粒趨向于聚集在密相區(qū)內(nèi)，而細(xì)顆粒作為飛灰被氣流曳帶離開(kāi)分離裝置，經(jīng)過(guò)尾部受熱面離開(kāi)鍋爐，中間尺寸的顆粒則在固體顆粒循環(huán)回路中循環(huán)。但如果燃料的顆粒尺寸不當(dāng)，則可能會(huì)破壞循環(huán)流化床內(nèi)的顆粒循環(huán)，影響鍋爐的正常運(yùn)行，即鍋爐達(dá)不到出力或影響正常的燃燒。

煤粒度超過(guò)設(shè)計(jì)值，將造成一、二次風(fēng)的配比發(fā)生改變，引起排灰困難，鍋爐負(fù)荷下降，燃燒效率降低，鍋爐床溫不穩(wěn)，床壓升高，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)翻床的可能性增加，同時(shí)過(guò)多的大顆粒也會(huì)影響底冷器的運(yùn)行。

煤粒度超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，操作人員往往被迫采用較大的運(yùn)行風(fēng)量來(lái)流化床層，使得床粒完全流化的流化風(fēng)速提高，流化風(fēng)帶走的熱量增加；煤粒度的增大使得氣、固間的傳熱減弱，空氣與粒子之間的溫差加大，要實(shí)現(xiàn)床溫達(dá)到點(diǎn)火投煤溫度的要求，則必然要提高熱風(fēng)溫度。而在循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)中，由于采用高濃度循環(huán)物料，傳熱強(qiáng)度高，爐膛高度一般低于煤粉爐，物料濃度高、動(dòng)量大，運(yùn)行風(fēng)量大于設(shè)計(jì)風(fēng)量，減少了粒子在爐內(nèi)的停留時(shí)間，不能被分離器分離的煤粒含碳量居高不下。一、二次風(fēng)的配比發(fā)生改變。粗顆粒容易出現(xiàn)沉底，使得床料分層嚴(yán)重，易出現(xiàn)床層局部或整體超溫結(jié)焦現(xiàn)象，造成燃燒效率不高，投煤量較大。這樣，在過(guò)熱器受熱面以對(duì)流過(guò)熱器為主的設(shè)計(jì)條件下，在較高負(fù)荷下就可能出現(xiàn)過(guò)熱蒸汽超溫現(xiàn)象。

在床內(nèi)因給煤粒度過(guò)大或布風(fēng)不均，流化不好而結(jié)焦時(shí)，如果不能及時(shí)處理床溫分布不均勻，焦塊的增大會(huì)使床內(nèi)風(fēng)速愈加不均，最終因流化問(wèn)題導(dǎo)致床溫下跌，被迫停爐。為使大顆粒正常流化需要提高風(fēng)速，從而增加了風(fēng)機(jī)的耗能并使壓力波動(dòng)大，引發(fā)風(fēng)道振動(dòng)，這也是運(yùn)行中要盡量避免的工況。

因此，確保燃煤的粒度符合循環(huán)流化床鍋爐燃燒要求，是保證循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行的重要因素之一。

2 目前燃煤篩分破碎系統(tǒng)存在的問(wèn)題

循環(huán)流化床鍋爐需要的燃煤粒度需將原煤破碎到6～13 mm以下，只能依靠燃煤篩分破碎系統(tǒng)。目前常見(jiàn)的篩分破碎系統(tǒng)常規(guī)設(shè)置多為開(kāi)式二級(jí)篩分破碎系統(tǒng)。

開(kāi)式系統(tǒng)是指經(jīng)二級(jí)篩碎后的煤直接經(jīng)下一級(jí)皮帶機(jī)進(jìn)入鍋爐燃燒。開(kāi)式系統(tǒng)對(duì)通過(guò)二級(jí)篩分破碎系統(tǒng)后仍大于循環(huán)流化床鍋爐要求的物料不予處理，碎后物料粒度通過(guò)對(duì)二級(jí)碎煤機(jī)的調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，二級(jí)篩碎設(shè)施后的全部物料均進(jìn)入上煤系統(tǒng)并送入鍋爐爐膛燃燒。該系統(tǒng)在目前的循環(huán)流化床發(fā)電廠中最為常見(jiàn)。工藝流程如圖1。

圖1 開(kāi)式系統(tǒng)工藝流程

開(kāi)式二級(jí)篩碎系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單，節(jié)省投資和電耗。但是，系統(tǒng)即使在正常運(yùn)行的情況下，也會(huì)發(fā)生二級(jí)篩煤機(jī)的篩網(wǎng)局部磨損，二級(jí)碎煤機(jī)的環(huán)錘(齒輥)局部磨損(不均勻磨損)的情況，從而導(dǎo)致開(kāi)式二級(jí)篩分破碎系統(tǒng)的入爐煤粒度很難得到有效的保證。

從大量工程運(yùn)行調(diào)研來(lái)看，二級(jí)破碎機(jī)易受來(lái)煤不穩(wěn)定、給料不均勻、錘頭不均勻磨損等因素的影響，其出料級(jí)配分布有兩頭大中間小的特點(diǎn)。進(jìn)入二級(jí)破碎機(jī)的物料一般不能均勻地分布在整個(gè)轉(zhuǎn)子的軸向上，出現(xiàn)中間多、兩邊少的情況，因而煤對(duì)錘頭的沖刷也造成磨損中間多兩邊少。運(yùn)行時(shí)間稍長(zhǎng)后，其錘頭與破碎器板之間的間隙就相差較大了，很難保證煤的粒度。當(dāng)來(lái)煤不穩(wěn)定時(shí)，不同煤質(zhì)對(duì)錘頭也會(huì)產(chǎn)生不均勻磨損。錘頭的不均勻磨損也可能致使煤破碎后的粒度超過(guò)設(shè)計(jì)值，這是破碎機(jī)本身難以解決的。

3 三級(jí)篩分系統(tǒng)的方案研究

為了確保二級(jí)篩分破碎后進(jìn)入鍋爐的原煤粒度，提出了在運(yùn)煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加三級(jí)篩分系統(tǒng)。增加三級(jí)細(xì)篩的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用閉式循環(huán)系統(tǒng)和半開(kāi)式系統(tǒng)。

1)閉式循環(huán)系統(tǒng)

閉式循環(huán)系統(tǒng)在二級(jí)篩碎后設(shè)置了三級(jí)細(xì)篩和物料返回系統(tǒng)，通過(guò)第三級(jí)篩分設(shè)備對(duì)仍大于循環(huán)流化床鍋爐要求的物料進(jìn)行篩選，合格物料進(jìn)入上煤系統(tǒng)并送入鍋爐爐膛燃燒，不符合粒度的煤經(jīng)帶式輸送機(jī)或斗式提升機(jī)返回二級(jí)篩(碎)煤機(jī)的入口。工藝流程如圖2所示。

圖2 閉式循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

閉式循環(huán)系統(tǒng)增加了三級(jí)細(xì)篩和返料循環(huán)運(yùn)行，能從系統(tǒng)上解決煤的粒度級(jí)配要求，較好地保證入爐煤粒度。但由于增加了細(xì)碎機(jī)室的布置難度，系統(tǒng)設(shè)置較復(fù)雜，投資增加較大；二級(jí)篩、二級(jí)碎煤機(jī)、三級(jí)篩要重復(fù)進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，效率較低、設(shè)備出力較大，同時(shí)各設(shè)備出力確定較為困難在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。

閉式循環(huán)系統(tǒng)曾在300 MW CFB白馬示范電站的石灰石破碎系統(tǒng)中采用，由于三級(jí)細(xì)篩設(shè)備嚴(yán)重堵料，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行存在較多問(wèn)題。

2)半開(kāi)式系統(tǒng)

半開(kāi)式系統(tǒng)是在二級(jí)細(xì)篩和二級(jí)破碎機(jī)之后設(shè)置第三級(jí)篩分設(shè)備，對(duì)經(jīng)二級(jí)篩碎設(shè)施后仍大于循環(huán)流化床鍋爐要求的物料進(jìn)行篩選，合格物料進(jìn)入上煤系統(tǒng)并送入鍋爐爐膛燃燒；不合格物料排出系統(tǒng)之外，經(jīng)人工甄別后將大石塊、雜物等丟棄，煤塊經(jīng)裝載機(jī)等設(shè)備送至煤場(chǎng)。

該系統(tǒng)能大幅減少進(jìn)入鍋爐的大塊物料，有效提高鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和燃燒效率，在近年設(shè)計(jì)的大型循環(huán)流化床發(fā)電廠的運(yùn)用逐漸增多。

對(duì)二級(jí)篩煤機(jī)和二級(jí)碎煤機(jī)的物料都進(jìn)行分選的流程如圖3所示。

圖3 半開(kāi)式系統(tǒng)工藝流程

半開(kāi)式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)三級(jí)篩分兩級(jí)破碎后，符合粒度要求的煤進(jìn)入上煤系統(tǒng)并進(jìn)入鍋爐爐膛燃燒，仍然不符合粒度要求的煤將排出系統(tǒng)。

半開(kāi)式系統(tǒng)能較為有效地控制入爐煤粒度，并對(duì)入爐煤粒度級(jí)配控制起到了積極的作用，同時(shí)避免了閉式循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜的工藝流程，節(jié)省了工程投資。

考慮到三級(jí)篩分設(shè)備故障和檢修維護(hù)的實(shí)際情況，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可在三級(jí)篩分設(shè)備處設(shè)置旁路。

4 三級(jí)篩分設(shè)備的選型

采用二級(jí)篩煤機(jī)可以篩分去除細(xì)煤，減少進(jìn)入二級(jí)破碎機(jī)的細(xì)煤量，降低煤的過(guò)破碎程度，緩解煤的粒度級(jí)配偏小的問(wèn)題。采用三級(jí)篩煤機(jī)可以去除過(guò)大粗顆粒煤，避免過(guò)大粗顆粒煤進(jìn)入鍋爐。

解決因水份含量高造成的細(xì)篩堵煤?jiǎn)栴}、提高篩分效率低、提高篩網(wǎng)壽命等，是目前細(xì)篩選型和設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題。由于高幅振動(dòng)篩在二級(jí)細(xì)篩的成功運(yùn)行，可以選擇高幅振動(dòng)篩作為三級(jí)細(xì)篩。

高幅振動(dòng)篩是振動(dòng)篩的一種，是利用振動(dòng)的機(jī)械原理來(lái)實(shí)現(xiàn)篩分的。高幅振動(dòng)篩是在傳統(tǒng)振動(dòng)篩的基礎(chǔ)上進(jìn)行循環(huán)流化床專有技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)生的。

高幅振動(dòng)篩的篩網(wǎng)采用分段式，根據(jù)物料的不同可以采用多種篩網(wǎng)型式。最常見(jiàn)的為棒條式篩網(wǎng)，每段篩網(wǎng)由特鋼棒條和框架組成，棒條呈縱向排列，除了整塊篩網(wǎng)在振動(dòng)以外，每根棒條也存在著活動(dòng)間隙，并做二次振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以消除濕黏原煤對(duì)篩網(wǎng)的粘結(jié)問(wèn)題。

高幅振動(dòng)篩篩面振動(dòng)采用15～25 mm大振幅，低振動(dòng)頻率為12 Hz。大振幅可以避免原煤粘結(jié)在篩網(wǎng)上，低頻率可以讓原煤顆粒有充分的時(shí)間透過(guò)篩網(wǎng)。振動(dòng)強(qiáng)度是篩箱運(yùn)動(dòng)的加速度與重力加速度的比值，常規(guī)國(guó)產(chǎn)振動(dòng)篩的振動(dòng)強(qiáng)度在3～4.2之間，高幅篩的振動(dòng)強(qiáng)度為5～9，高振動(dòng)強(qiáng)度有利于原煤的分層，提高篩分效率。同時(shí)每段篩面的振幅和振動(dòng)強(qiáng)度可調(diào)，提高了對(duì)物料的適應(yīng)性。

圖4 高幅振動(dòng)篩

三級(jí)篩分設(shè)備在選型時(shí)，應(yīng)充分保證其篩分效率、設(shè)備的出力應(yīng)與系統(tǒng)出力一致，篩面面積與二級(jí)篩分設(shè)備相當(dāng)，篩孔尺寸以不小于二級(jí)篩分設(shè)備篩孔尺寸的2倍為宜。

5 三級(jí)篩分系統(tǒng)的應(yīng)用

在600 MW CFB白馬電站采用了半開(kāi)式三級(jí)篩碎系統(tǒng)。

圖5 600 MW CFB白馬示范電站二級(jí)碎煤機(jī)室布置圖

該電站采用GFS-2060型高幅振動(dòng)篩作為三級(jí)細(xì)篩，額定出力為600 t/h，篩面尺寸為2 000 mm×6 000 mm，篩孔尺寸為16～20 mm，篩面傾角為20°、18°、16°，振幅為15～25 mm。來(lái)煤經(jīng)過(guò)三級(jí)篩后，仍然不符合粒度的篩上物將進(jìn)入集料斗集中處理。

白馬電廠600 MW示范機(jī)組于2013年4月正式投運(yùn)，二級(jí)篩碎系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，未發(fā)生堵煤情況。電廠每周定期清理二級(jí)煤篩和三級(jí)煤篩表層，清理二級(jí)碎煤機(jī)室落煤管。運(yùn)行至今，二級(jí)篩碎系統(tǒng)未出現(xiàn)堵煤情況。電廠安裝的三級(jí)篩篩孔尺寸為16～20 mm，三級(jí)篩拋棄的物料基本為20 mm以上的顆粒。由于拋棄的物料大部分仍為原煤，每天電廠用拖斗車將其拉至煤場(chǎng)再利用。

目前電廠平均日上煤量約6 000 t/d。在二級(jí)碎煤機(jī)錘頭更換初期，且煤質(zhì)變化小、二級(jí)篩篩條正常的情況下，每天拋棄物料約10 t，占總上煤量的0.167%。當(dāng)二級(jí)碎煤機(jī)錘頭出現(xiàn)磨損、煤質(zhì)較差、二級(jí)篩篩條局部破損等情況下，每日拋棄物料約20 t，占總上煤量的0.333%。

電廠鍋爐對(duì)輸煤系統(tǒng)的要求是入爐煤粒度為8mm以上的不超過(guò)5%。電廠輸煤運(yùn)行人員每班對(duì)入爐煤進(jìn)行人工取樣，分析入爐煤粒度，據(jù)此調(diào)整碎煤機(jī)間隙，更換破損篩條控制入爐煤粒度。

600 MW CFB白馬機(jī)組在采用三級(jí)篩后，對(duì)入爐煤粒度級(jí)配控制起到了積極作用，特別是大顆粒部分得到了有效控制，確保了CFB鍋爐爐內(nèi)流化，床溫分布較為均勻，排渣順暢，有效減少了爐膛因局部流化不好造成的爐膛結(jié)焦。

6 結(jié) 論

燃燒低劣質(zhì)煤是循環(huán)流化床鍋爐的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)。入爐煤顆粒是循環(huán)流化床鍋爐一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在工程設(shè)計(jì)中，優(yōu)化的篩碎系統(tǒng)、正確的選擇篩碎設(shè)備，使鍋爐燃燒的煤粒更趨近于鍋爐的設(shè)計(jì)值，從而使鍋爐的燃燒達(dá)到最佳效果。采用三級(jí)篩分系統(tǒng)可有效地控制了入爐煤粒度，并對(duì)入爐煤粒度級(jí)配控制起到了積極的作用；但三級(jí)細(xì)篩增加了工藝系統(tǒng)環(huán)節(jié)，增加了檢修維護(hù)工作量，具體工程是否設(shè)置三級(jí)細(xì)篩，應(yīng)根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃煤粒度的要求確定。

The particle size gradation required by circulating fluidized bed (CFB) boiler completely depends on the coal screening and crushing system. It is necessary for coal to achieve the ideal particles through the screening and crushing system. The research on third grade screening system will control the coal particle size effectively, which will improve the stability of boiler operation and increase the combustion efficiency.

particle size gradation; semi-open system; high-amplitude vibrating screen

TK229.6

A

1003-6954(2017)05-0091-04

馮 穎(1972)，大學(xué)本科、高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠運(yùn)煤設(shè)計(jì)。

2017-06-27)