鄢曉忠,何 旭,馬琪順,林日成,陽龍軍,陳 海

(1.長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,湖南 長沙 410114;2.岳陽林紙股份有限公司,湖南 岳陽 414002)

循環(huán)流化床(Circulating fluidized bed,CFB)鍋爐燃料適用性廣、污染物排放低且燃燒效率較高[1-4],作為工業(yè)鍋爐被廣泛應(yīng)用于自備電廠、熱電廠以及垃圾焚燒電廠。但是,CFB鍋爐在運行中也存在一些問題,如鍋爐運行負荷偏低,床溫和床壓波動,燃燒不充分導(dǎo)致飛灰含碳量偏高、受熱面積灰及腐蝕等。國內(nèi)學(xué)者進行了大量的研究,如胡玉等[5]從多角度分析了影響CFB鍋爐不完全燃燒損失的主要因素為入爐煤的揮發(fā)分和分離器飛灰切割粒徑等;孫獻斌等[6]對某330 MW循環(huán)流化床鍋爐進行燃燒調(diào)整試驗,發(fā)現(xiàn)一二次風(fēng)配比及風(fēng)室壓力對機組的經(jīng)濟性影響程度最大;李博[7]研究了某電廠240 t/h CFB鍋爐摻燒濕污泥后的運行床溫、氧量和NOx排放量,發(fā)現(xiàn)摻燒污泥雖然會使床溫略低,但是對NOx排放影響較小;李魯濤[8]研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐常用的旋風(fēng)分離器并不能有效分離顆粒較細的污泥,反而可能造成效率偏低,循環(huán)物料量偏少;楊春等[9]利用低灰分高熱值的煤中和污泥的缺陷,有效提高了鍋爐運行經(jīng)濟性。

為解決鍋爐運行中床溫不穩(wěn)、飛灰含碳量偏高和鍋爐效率偏低等問題,筆者以湖南某紙業(yè)集團公司260 t/h循環(huán)流化床鍋爐為研究對象,基于實際運行燃料偏離設(shè)計燃料的情況,對鍋爐進行燃燒優(yōu)化調(diào)整,尋找最佳運行方案,提高鍋爐運行的安全性與經(jīng)濟性。

1 鍋爐設(shè)備概況

湖南某紙業(yè)集團公司裝有兩臺自然循環(huán),單鍋筒橫置式,高溫高壓UG-260/9.8-M型CFB鍋爐。鍋爐設(shè)計燃料為貧煤,實際運行中摻燒少量造紙污泥。鍋爐設(shè)計參數(shù)和燃料特性分別如表1,2所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Table 1 The main design parameters of the boiler

表2 燃料特性Table 2 Fuel characteristics

在鍋爐實際運行中,運行燃料偏離設(shè)計燃料,床層溫度偏低,運行負荷達不到設(shè)計值,使得額定工況下鍋爐熱效率低,僅為88.35%,尤其是摻燒7.5 t/h造紙污泥后,鍋爐熱效率下降了2.3%;飛灰含碳量及排煙溫度分別為12.92%,147 ℃,均高于設(shè)計值,嚴(yán)重影響了鍋爐的安全經(jīng)濟運行。

2 燃燒調(diào)整內(nèi)容及方法

2.1 試驗內(nèi)容

針對運行期間出現(xiàn)的問題,在運行過程中從流化風(fēng)量、氧量、一二次風(fēng)配比、床溫和污泥摻燒等方面采用單因素變化對比的試驗方法,以優(yōu)化鍋爐的燃燒。按4組不同的流化風(fēng)量、4組不同的氧量、4組不同的一二次風(fēng)配比、4組不同的床溫以及3種不同造紙污泥摻燒量,共計19種工況進行調(diào)整試驗,試驗工況如表3所示。試驗中重點測試了蒸汽參數(shù)(如蒸汽量、蒸汽壓力和蒸汽溫度)、爐內(nèi)床層溫度和壓力、爐膛出口溫度、爐渣和飛灰的含碳量、煙氣中主要排放物成分(CO,SO2,NOx等)及鍋爐效率等。

表3 試驗工況Table 3 Test conditions

2.2 試驗方法

調(diào)整試驗按照《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》(GB/T 10184—2015)[10]和《循環(huán)流化床鍋爐性能試驗規(guī)程》(DL/T 964—2005)[11]進行,飛灰和爐渣含碳量按照《火電廠燃料試驗方法飛灰和爐渣可燃物測定方法》(DL/T 567.6—1995)[12]測量。

2.2.1 流化風(fēng)量調(diào)整

鍋爐保持額定負荷運行,維持床溫和爐膛全壓降在正常波動范圍,保持二次風(fēng)量在115 000 m3/h不變,僅改變流化風(fēng)量。在不影響物料正常流化情況(風(fēng)量不小于臨界流化風(fēng)量)下,使流化風(fēng)量分別在900 00,100 000,110 000,120 000 m3/h工況下穩(wěn)定運行1 h后進行試驗,工況調(diào)整中入爐煤質(zhì)保持穩(wěn)定,可得到不同流化風(fēng)量下飛灰、爐渣含碳量及污染物排放量變化趨勢圖。

2.2.2 過量空氣系數(shù)(氧量)調(diào)整

鍋爐保持額定負荷運行,一二次風(fēng)量比參照設(shè)計值取55∶45,爐膛出口過量空氣系數(shù)α=1.2。試驗時煙氣中含氧量按0.5%的比例依次遞減,即含氧量為3.5%,3%,2.5%,2%,通過改變一二次風(fēng)量進行風(fēng)量調(diào)整試驗。

2.2.3 一二次風(fēng)配比調(diào)整

鍋爐保持額定負荷運行,鍋爐總風(fēng)量維持在210 000 m3/h。根據(jù)流化風(fēng)量和過量空氣系數(shù)調(diào)整試驗結(jié)果,參照一二次風(fēng)量比設(shè)計值,分別選取一二次風(fēng)比率為43∶57,49∶51,54∶46,60∶40這4個工況進行調(diào)整試驗。試驗期間按不同風(fēng)量比率調(diào)節(jié)一二次風(fēng)機風(fēng)門擋板開度,其中二次風(fēng)量須保證二次風(fēng)管不堵管或反串爐膛煙氣。

2.2.4 床溫調(diào)整

在額定負荷下,以910 ℃為基礎(chǔ)運行床溫,運行風(fēng)室壓力為9～11 kPa維持爐膛全壓降?；跔t內(nèi)燃料的穩(wěn)定燃燒和防止?fàn)t內(nèi)床層結(jié)焦的考慮,通過調(diào)整燃料量和風(fēng)量來控制床溫在860,880,930,940 ℃這4個工況,穩(wěn)定運行1 h后記錄和測量各項數(shù)據(jù)。

2.2.5 摻燒污泥調(diào)整

鍋爐保持額定負荷運行,基于運行中鍋爐蒸汽參數(shù)和燃燒的穩(wěn)定性考慮,選取全燃煤、摻燒3.5 t/h污泥和摻燒7.5 t/h造紙污泥這3個工況,在床溫為860～920 ℃分別進行飛灰、爐渣含碳量以及污染物排放量測量,以此得出摻燒污泥對燃燒及鍋爐運行的影響。

3 調(diào)整試驗結(jié)果及分析

3.1 流化風(fēng)量對鍋爐運行的影響

在不同流化風(fēng)量條件下,測得在各工況下鍋爐運行參數(shù)、煙氣污染物排放物量、爐渣以及飛灰含碳量等數(shù)據(jù),如表4和圖1,2所示。

表4 流化風(fēng)量調(diào)整試驗數(shù)據(jù)Table 4 Fluidized air volume adjustment test data

圖1 流化風(fēng)量對CO,SO2排放量的影響Fig.1 Effect wind volume on CO and SO2 emissions

圖2 流化風(fēng)量飛灰、爐渣含碳量的影響Fig.2 The influence of fluidized air volume flyingash and slag combustibles

由表4和圖1,2可知:當(dāng)流化風(fēng)量在100 000～110 000 m3/h時飛灰、爐渣含碳量最小,隨后逐漸增加。這是因為:適當(dāng)增加流化風(fēng)量能夠加速煤粉流化,增加煤粉顆粒與流化風(fēng)帶入氧氣的結(jié)合面積,可以使煤粉進一步發(fā)生氧化反應(yīng)并充分燃燒,提高煤粉燃盡率。在此范圍內(nèi)煤粉流化狀態(tài)良好,有效地降低了鍋爐結(jié)焦的概率。但是一次風(fēng)過大會增加煤粉顆粒的速度,與爐膛水冷壁碰撞的速度也相應(yīng)地增大,加劇爐膛磨損程度。流化床的煤粉燃燒過程大部分集中在密相區(qū),過高的流化風(fēng)會縮短焦炭顆粒在密相區(qū)的停留時間,間接推遲著火,縮短火焰行程,這時燃料不能夠充分燃燒,使得床層溫度下降,此工況下爐渣和飛灰含碳量勢必會增加,所以應(yīng)避免流化風(fēng)過高。之前,鍋爐的流化風(fēng)量136 000 m3/h是明顯偏高的,煤粉顆粒在密相區(qū)停留的時間短,鍋爐燃燒達不到最佳燃燒效率,應(yīng)將流化風(fēng)量控制在100 000～110 000 m3/h,可提升鍋爐熱效率約1.2%。

3.2 氧量對鍋爐運行的影響

在不同過量空氣系數(shù)條件下,測得各工況下鍋爐煙氣污染物排放物量和鍋爐熱效率等數(shù)據(jù),如圖3和表5所示。由圖3和表5可知:燃燒區(qū)域內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)越高,擴散速率越快,煤粉顆粒的燃燒速度就越快;在相同的反應(yīng)時間內(nèi)反應(yīng)程度提高,燃燒效率越高。試驗結(jié)果表明:隨著氧量的持續(xù)增加,CO與氧氣反應(yīng)濃度減小,固體不完全燃燒損失減小,NOx排放量增加,熱效率降低,說明不完全燃燒損失下降的程度已不足以抵消排煙熱損失,氧量過大并不利于鍋爐運行,反而會導(dǎo)致鍋爐效率降低;飛灰含碳量隨著氧量的增加而逐漸下降,說明煤粉逐漸接近完全燃燒。

圖3 氧體積分?jǐn)?shù)對鍋爐效率的影響Fig.3 Effect of oxygen quantity on boiler efficiency

表5 氧量調(diào)整試驗飛灰、爐渣含碳量以及煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)

理論上爐內(nèi)氧量越大,燃燒越劇烈,煤粉燃燒就越完全,機械不完全燃燒熱損失降低,釋放熱量越多,在爐膛受熱面吸熱量沒有明顯變化的情況下,排煙溫度上升約2 ℃,進而導(dǎo)致排煙損失增大。因此,理論上存在一個最佳過量空氣系數(shù)αbest[13],在αbest下固體不完全燃燒損失q4與排煙損失q2的整體損失達到最小。試驗結(jié)果表明:試驗鍋爐氧量維持在2%～3%時鍋爐效率達到最高,超過3%鍋爐熱效率呈現(xiàn)下降的趨勢。

當(dāng)氧量為2.5%～3%時,SO2下降明顯,從218 mg/m3下降至167 mg/m3。NOx排放量為20 mg/m3,數(shù)值較低。從運行安全性角度來看,在貧氧狀況下燃料長期處于還原性氣氛,煙氣中CO和H2S排放量升高,煤粉的灰熔點降低,容易出現(xiàn)受熱面結(jié)焦。氧量過高時,高硫煤種燃燒時氧氣與煤粉氧化反應(yīng)后剩余的氧氣更容易將SO2氧化成SO3和H2SO4蒸汽,使得爐內(nèi)低溫腐蝕加劇。從經(jīng)濟和環(huán)保方面考慮,宜將運行鍋爐的氧量維持在3%左右,可使鍋爐熱效率提高約0.3%。

3.3 一二次風(fēng)配比對鍋爐運行的影響

在不同一二次風(fēng)配比條件下,測得煙氣污染物排放物量、爐渣及飛灰含碳量等數(shù)據(jù),如圖4,5所示。

圖4 一次風(fēng)率對飛灰、爐渣含碳量的影響Fig.4 The effect of one wind rate on the carboncontent of fly ash and slag

圖5 一次風(fēng)率對污染物排放的影響Fig.5 The effect of one wind rate on pollutant emissions

試驗結(jié)果表明:當(dāng)一次風(fēng)率為43%～49%時,飛灰含碳量及爐渣含碳量呈上升態(tài)勢,但SO2,NOx排放量下降。隨著一次風(fēng)的增加,爐膛密相區(qū)的燃燒份額變大,而密相區(qū)為貧氧燃燒,燃料不能充分燃燒,此時爐渣含碳量升高。二次風(fēng)量的變化也影響飛灰及爐渣含碳量,當(dāng)二次風(fēng)量增加時,二次風(fēng)形成的射流穿透性也越強,爐內(nèi)擾動性就越強,稀相區(qū)顆粒分布就越均勻,與氧氣混合越好,燃燒就越充分。二次風(fēng)量的增加使得密相區(qū)燃燒份額相對減少[14-21],稀相區(qū)為富氧燃燒,此時的煤粉顆粒得到充分燃燒,爐膛上部溫度升高,鍋爐燃燒效率提高,爐膛燃燒狀態(tài)良好,水冷壁吸熱量好。

合理的二次風(fēng)量有助于改善爐膛中心缺氧的問題,抑制爐膛中心貧氧區(qū)的產(chǎn)生。當(dāng)二次風(fēng)較小時,其射流的穿透性不夠,一方面,由于一次風(fēng)吹起的高密度物料顆粒群對二次風(fēng)有阻擋作用;另一方面,水冷壁的貼壁流顆粒群對二次風(fēng)也有阻擋作用,使得稀相區(qū)顆粒與氧氣不能充分混合,不利于充分燃燒,形成實際上的貧氧區(qū)。試驗結(jié)果表明:當(dāng)試驗鍋爐一二次風(fēng)配比為54∶46時,可使鍋爐熱效率提高約0.2%。

3.4 床溫對鍋爐運行的影響

在不同床溫條件下,測得飛灰和爐渣含碳量、煙氣污染物排放量、煙氣成分以及排煙溫度等數(shù)據(jù),具體數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 全燃煤床溫調(diào)整試驗飛灰、爐渣含碳量以及煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)Table 6 Full coal bed temperature adjustment test fly ash, slag carbon content and flue gas composition data

由表6可知:床溫升高,飛灰、爐渣含碳量降低,氣體污染物排放量明顯降低,煙氣中CO排放量降低幅度最大。這說明床溫升高有助于煤粉顆粒進一步燃燒,特別是有助于稀相區(qū)煤粉顆粒燃燒。床層溫度升高必然使?fàn)t膛內(nèi)溫度升高,NO生成反應(yīng)速度按阿累尼烏斯定律的指數(shù)規(guī)律增加,NOx的生成量隨之增加[22-23]。同時,床溫升高時,鍋爐熱效率會出現(xiàn)波動。這是由于:調(diào)節(jié)床溫的主要手段是改變?nèi)剂狭考耙欢物L(fēng)量,尤其是一次風(fēng),在保持正常流化的同時,還會帶走密相區(qū)的部分蓄熱,這部分熱量將會影響排煙溫度。床溫升高使得爐渣、飛灰等機械不完全燃燒熱損失降低,試驗結(jié)果顯示排煙溫度上升近7 ℃,即q2增加,熱效率會出現(xiàn)波動。試驗結(jié)果表明:將床溫控制在940 ℃,可使鍋爐熱效率提高0.2%。

3.5 摻燒污泥對鍋爐運行的影響

在不同造紙污泥摻燒條件下,摻燒污泥對飛灰含碳量、CO排放量和鍋爐熱效率的影響分別如圖6～8所示。

圖6 摻燒污泥對爐渣、飛灰含碳量的影響Fig.6 Effects of burning sludge on bottom slagand fly ash combustibles

圖7 摻燒污泥對CO排放量的影響Fig.7 Effect of sludge doping on CO emissions

圖8 摻燒污泥對鍋爐熱效率的影響Fig.8 Effect of sludge on boiler thermal efficiency

由圖6～8可知:在同床溫下?lián)綗旒埼勰酁?.5 t/h時,飛灰含碳量最低,說明此工況下燃料燃燒狀況最佳。隨著床溫升高,3種工況的爐渣含碳量均呈現(xiàn)下降的態(tài)勢,同床溫下3種工況的爐渣含碳量較為相近,但摻燒3.5 t/h污泥的工況效果最好。隨著床溫的升高,污染物的排放量總體呈下降的趨勢。

污泥作為燃料之一,具有含水量高、發(fā)熱量低(低位發(fā)熱量9.619 MJ/kg)和成分復(fù)雜等特點。添加污泥會減少煤炭的入爐量,污泥含水量大,水分蒸發(fā)吸熱,會使床溫波動,鍋爐熱效率略有下降,不利于鍋爐的安全經(jīng)濟運行。試驗結(jié)果表明:當(dāng)床層溫度維持在900 ℃以上時,摻燒少量污泥(約3.5 t/h)可有效減弱摻燒污泥帶來的不利影響,保證燃料燃盡,飛灰含碳量和煙氣中的CO排放量略有下降,提高鍋爐燃燒效率。鍋爐摻燒造紙污泥可減少燃煤消耗量,當(dāng)摻燒污泥3.5 t/h時,鍋爐熱效率提高約0.6%。

4 結(jié) 論

鍋爐通過燃燒優(yōu)化調(diào)整可使熱效率提高約2%,摻燒3.5 t/h造紙污泥每月可為企業(yè)減少約60萬元燃料成本。試驗結(jié)果表明:鍋爐運行流化風(fēng)量偏大,會減少煤粉顆粒在密相區(qū)的停留時間,縮短火焰行程。因密相區(qū)為貧氧燃燒,煤粉停留時間決定其燃燒和燃盡效果,時間過短不僅會降低燃燒效率,而且會加劇爐膛水冷壁的磨損。因此,應(yīng)將流化風(fēng)量控制在100 000～110 000 m3/h;一二次風(fēng)配比的調(diào)節(jié)應(yīng)在保證物料流化的條件下,充分考慮二次風(fēng)射流的剛度和穿透性,突破爐內(nèi)氣流層和沿爐壁下墜物料對其的阻擋作用,防止?fàn)t膛內(nèi)貧氧區(qū)的出現(xiàn),可將試驗鍋爐的一二次風(fēng)配比控制在54∶46;鍋爐摻燒3.5 t/h造紙污泥,且保持在高床溫下運行可保證燃燒效率在90%以上,摻燒量過大則會降低鍋爐效率,不利于安全運行;摻燒時應(yīng)保持在高床溫下進行,以抵消由于污泥熱值低帶來的燃料熱值差,同時要防止由于長時間高溫運行帶來的高溫腐蝕和結(jié)焦等問題。