450 t/h CFB鍋爐機械不完全燃燒熱損失原因分析及防范措施

王紹輝，張 穎，高建強

(1.大唐保定熱電廠，河北 保定 071051；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

隨著國家節(jié)能減排工作的日益深化，作為高效清潔燃燒技術的循環(huán)流化床機組的重點工作之一是如何最大限度的減少各項熱損失，增加機組有效利用熱能，提高機組熱效率。循環(huán)流化床(CFB)鍋爐燃用煤種多變，普遍存在燃燒效率達不到設計值的問題，尤其是飛灰含碳量比同容量的煤粉爐偏高，致使機械不完全熱損失較大，降低了鍋爐的熱效率。機械不完全燃燒熱損失是由于灰渣中含有未燃盡殘?zhí)荚斐傻?，其大小取決于燃煤爐渣含碳量和飛灰可燃物含量。其中，飛灰中碳不完全燃燒損失占機械不完全燃燒熱損失的70%～80%，是循環(huán)流化床鍋爐效率低于煤粉爐效率的主要原因[1]。隨著CFB鍋爐的大型化，降低機械不完全燃燒熱損失，對提高機組運行經(jīng)濟性具有重要意義。

1 飛灰及底渣含碳量的影響因素

對于已經(jīng)投入商業(yè)運營的CFB鍋爐，飛灰及底渣含碳量反映煤粒的燃盡程度，從燃燒學的角度分析，其不僅與煤種本身的燃燒反應速率有關，也取決于燃燒環(huán)境和燃燒時間[1]。

1.1 煤種與粒徑

燃煤自身的性質(zhì)對飛灰及底渣含碳量高低有較大影響。第一，煤質(zhì)的變化對流化床鍋爐的燃燒及運行參數(shù)控制有重大影響，其中揮發(fā)分含量是關鍵因素。如揮發(fā)分含量較低，則著火延遲，燃盡困難。第二，粒徑分布對煤碳燃盡的影響明顯。粒徑過大，易造成床層流化不好、減少碳粒總表面積、增大煤粒間的擴散阻力，從而延長燃盡時間，并造成循環(huán)灰量不足、稀相區(qū)燃燒不充分和出力下降等。大煤粒沉于密相區(qū)底部，燃燒不充分，隨渣排出爐外，增加底渣含碳量；粒徑過小，易造成煙氣夾帶，顆粒不易被分離器捕捉分離而使飛灰含碳量偏高。第三，同種煤質(zhì)、不同形狀煤粒的流化表現(xiàn)和燃燒效果相差很大。如：片狀結(jié)構(gòu)顆粒流化困難，低溫區(qū)易沉積大量顆粒，導致燃燒效率下降[2]，鍋爐飛灰及底渣含碳量升高。

1.2 床層溫度

流化床屬于中低溫煤燃燒技術，煤粒揮發(fā)物的析出速率和碳粒的燃燒反應速率隨床溫的增加而增大，因此提高床溫有利于煤顆粒的燃盡。但受灰分的變形溫度、脫硫、結(jié)焦等因素的限制，床層溫度不能無限增大，一般應控制在850～930 ℃。運行中床溫過低使爐膛整體溫度下降，燃燒反應速率降低，煤的著火及燃盡推遲，增加飛灰及底渣含碳量。

1.3 床層高度與床壓

料層過高會增大風機電耗和揚析損失，料層過薄又會導致燃燒工況不穩(wěn)定，縮短燃料在床內(nèi)的停留時間。在一定風量下，料層越厚，床層壓力越高，則密相區(qū)欠氧燃燒份額越重，飛灰含碳量越大；床壓過低，細煤粒未經(jīng)過高溫料層就被煙氣帶入稀相區(qū)，且停留時間很短，增大了飛灰含碳的熱損失。保持合理的床層厚度及床壓，可以使鍋爐燃燒工況穩(wěn)定，有利于煤粒燃盡。

1.4 風量

增大總風量可增加流化氣體與碳粒之間的傳質(zhì)系數(shù)，增大燃燒速度，但當風量增大到某一值后，燃燒速度達到極限，過高反而降低了細煤粒在床內(nèi)的停留時間，故應選取最佳風量。實際運行中控制爐膛出口過量空氣系數(shù)在1.25左右[1]。一次風主要實現(xiàn)物料流化，其大小直接影響著爐膛密相區(qū)和稀相區(qū)的燃燒份額。上、下二次風實現(xiàn)爐膛內(nèi)物料的橫向擾動及提供燃燒所需氧量。在保持總風量合適的前提下，一二次風配比、上下二次風配比對飛灰及底渣含碳量亦有較大影響。

2 鍋爐機械不完全燃燒熱損失的原因分析

DG 450/9.81-1型循環(huán)流化床鍋爐投入商業(yè)運營初期，因為鍋爐排渣不暢、水冷壁泄漏等原因，導致機組運行極不穩(wěn)定，頻繁發(fā)生非計劃停運事故，機組的經(jīng)濟運行無從談起，2003-2005年供電煤耗最高達549 g/kWh，廠用電率13.62%，飛灰可燃物20.89%，底渣含碳量3.28%，鍋爐底渣含碳量目測就非常高，燃燒不完全，導致冷渣器頻繁結(jié)焦堵塞，嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行，主要原因分析如下：

a. 入爐煤質(zhì)及其粒徑分布遠遠超出設計范圍，煤燃燒不充分，鍋爐飛灰及底渣可燃物高。

鍋爐設計入爐煤低位發(fā)熱量20.5 MJ/kg，粒徑分布為0～8.5 mm，實際入爐煤質(zhì)一般為低位發(fā)熱量13～17 MJ/kg，8.5 mm以上粒徑的煤超過10%，甚至達到18%，最大粒徑達50 mm。使得入爐煤不能及時快速的著火燃燒，導致鍋爐床溫偏低，著火滯后，燃燒不穩(wěn)定，飛灰及底渣含碳量升高。

b. 鍋爐內(nèi)燃燒工況惡劣，流化不良，床溫、爐內(nèi)煙氣溫度等主要參數(shù)分布極不均勻，大幅度變化，床溫局部最高達980 ℃，最低處只有300 ℃左右，旋風分離器出口及回料器返料溫度甚至出現(xiàn)高于床溫30～50 ℃的不正常情況，使入爐煤著火燃燒推遲，燃盡困難。

c. 鍋爐燃燒調(diào)整風煤配比不合理，一次風(流化風)、二次風配比、過?？諝庀禂?shù)控制不當，是飛灰可燃物高的主要原因。鍋爐一次風(流化風)風量過低，密相區(qū)缺氧，入爐煤揮發(fā)分不能及時析出燃燒，使煤的著火溫度升高，著火燃燒推遲，床溫降低，底渣含碳量升高；一次風(流化風)過高，需增加給煤量，來維持床溫穩(wěn)定，煙氣量增加，流化速度增大，爐膛上部及其出口煙溫升高，飛灰可燃物尚未完全燃燒，就被煙氣攜帶出爐膛，造成鍋爐燃燒熱損失增大。

一般情況下采用二次風控制鍋爐總風量及過?？諝庀禂?shù)，二次風過小會使不完全燃燒損失增加，過大會使排煙量增加，排煙熱損失增加，最佳的過?？諝庀禂?shù)能夠得到較低的固體不完全燃燒熱損失和排煙熱損失。

機組投運初期，標準狀態(tài)下,一次風(流化風)風量曾達(23～25)×104m3/h，一次風機電流達到額定值153 A，二次風全部開滿，氧量6%～7%，給煤量最大達75 t/h，爐內(nèi)參數(shù)值分布紊亂，與設計偏差較大。

d. DG 450/9.81-1型循環(huán)流化床鍋爐投運初期，絕大多數(shù)人員的思想存在CFB鍋爐燃燒任何煤都良好的誤區(qū)。對于1臺已經(jīng)投入運行的鍋爐而言，包括其附屬設備都是根據(jù)特定煤種而設計的，鍋爐燃燒此煤種已經(jīng)定型，不能有大幅度變化，其運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，入爐煤種起決定性作用，如果不遵循這一客觀規(guī)律，鍋爐就無法長期穩(wěn)定運行，各項經(jīng)濟指標也無法達到預期效果。

e. 鍋爐調(diào)峰在低負荷運行時，爐內(nèi)溫度維持較低，床溫只有800 ℃左右，一次風(流化風)及二次風過大，使底渣含碳量及飛灰可燃物升高。循環(huán)流化床鍋爐在低負荷下運行時，爐內(nèi)主要以輻射換熱為主，煙氣以及固體顆粒對流為輔的換熱方式，因此，在滿足鍋爐正常流化的情況下，限制一次風(流化風)量，維持較高的床溫和爐膛內(nèi)部溫度，保證入爐煤燃燒穩(wěn)定，通過二次風控制鍋爐燃盡所需氧量。

3 降低機械不完全燃燒熱損失的措施

DG 450/9.81-1型循環(huán)流化床鍋爐降低機械不完全燃燒熱損失，提高鍋爐熱效率，主要采取以下措施：

3.1 進行設備改造

a. 2005年開始入爐煤質(zhì)比較穩(wěn)定，基本在21～24 MJ/kg，并且燃料制備系統(tǒng)加裝了滾筒篩，對入爐煤進行篩分，將不合格粒徑的大塊除掉，有效保證了入爐煤粒徑控制在規(guī)定范圍內(nèi)(0～10 mm)，為鍋爐著火穩(wěn)定、燃燒充分創(chuàng)造了條件。

b. 2006年將鍋爐原風水聯(lián)合冷渣器全部更換為滾筒式冷渣器，解決了鍋爐排渣不暢問題，床壓運行穩(wěn)定，一般情況下控制在8～9 KPa，能夠有效控制床層厚度在合理范圍，為鍋爐的穩(wěn)定燃燒、經(jīng)濟運行提供了有效保障。

c. 2007年將2臺循環(huán)流化床鍋爐的布風板“г”型定向風帽全部更換為耐高溫的鑄鋼鐘罩型風帽，布風板布風比較均勻，爐內(nèi)床壓、床層差壓等參數(shù)均勻分布，床溫及爐內(nèi)煙氣溫度等主要參數(shù)按照煙氣流向分布均勻合理，確保了機組長期安全穩(wěn)定運行，為降低機械不完全燃燒熱損失奠定了基礎。

3.2 加強運行管理

a. 嚴把入爐煤的質(zhì)量關，確保煤質(zhì)及其粒徑分布在可控范圍。若要使機組安全、經(jīng)濟運行，必須保證入爐煤質(zhì)及其粒徑分布適合鍋爐燃燒的要求。目前，入爐煤低位發(fā)熱量及其粒徑分布基本符合設計范圍，低位發(fā)熱量為21～24 MJ/kg，8.5 mm以上粒徑的煤基本控制在25%以下，杜絕了極端超大粒徑(15 mm以上)煤進入爐膛，為降低機械不完全燃燒熱損失提供了可靠保障。

b. 合理配風，優(yōu)化燃燒調(diào)整方案。在滿足鍋爐正常流化的情況下，盡可能限制一次風量，維持較高的床溫和爐膛內(nèi)部溫度，并通過二次風控制鍋爐燃盡所需氧量，保證入爐煤燃燒穩(wěn)定。運行實踐證明，采用較大氧量、低一次風率、高下二次風率、高床壓的控制原則，一般情況下一次風機電流維持在125 A以內(nèi)，一次風(流化風)量(17～23)×104m3/h，氧量4%以內(nèi)，鍋爐運行穩(wěn)定，飛灰和底渣含碳量可控，一般完成4%～6%。

c. 及時調(diào)整燃燒工況，確保鍋爐燃燒穩(wěn)定，床溫分布均勻。綜合考慮各方面因素，流化床最佳運行溫度一般為850～950 ℃，床溫應根據(jù)運行情況確定運行上限。同時，床溫及爐內(nèi)煙氣溫度等主要參數(shù)按照煙氣流向合理均勻分布，使燃料燃燒充分，有效降低飛灰和底渣含碳量。

d. 調(diào)峰時采用多次少量的參數(shù)調(diào)整原則，依據(jù)諸多參數(shù)逐步調(diào)節(jié)，避免因調(diào)整過快影響碳粒燃盡，特別是應控制氧量不能大幅度波動。

通過采取以上措施，機組自2006年以來，運行逐漸趨于穩(wěn)定，在高負荷和調(diào)峰工況下，最長連續(xù)穩(wěn)定運行達196天。DG 450/9.81-1型循環(huán)流化床鍋爐投運以來經(jīng)濟指標變化情況見表1。

表1 鍋爐投運以來經(jīng)濟指標變化情況

由表1可知飛灰含碳量、廠用電率、煤耗等各項經(jīng)濟指標明顯好轉(zhuǎn)，取得了非?？捎^的經(jīng)濟效益。尤其是鍋爐飛灰含碳量大幅降低，2003年投運初期年均11.63%，個別月均20.89%，下降至2009年的5.83%以下，最低時3.99%，平均降低了5.8%，每年按發(fā)電13億kWh計算，可節(jié)約標準煤約1.2萬t，大大降低了煤耗。目前，DG 450/9.81-1型循環(huán)流化床鍋爐效率大于91%，有效提高了鍋爐效率，經(jīng)濟效益顯著提高。

4 結(jié)束語

影響循環(huán)流化床鍋爐機械不完全燃燒熱損失的因素較多，很難從單一因素圓滿解決，需要根據(jù)機組的結(jié)構(gòu)和運行實際出發(fā)，從設備、運行管理等方面采取有針對性的綜合措施，才能有效降低機械不完全燃燒熱損失，提高鍋爐的效率。

參考文獻：

[1] 邱 燕，田茂誠，牛蔚然，等.降低循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量的理論及其應用[J].熱能動力工程，2005，20(4)：369-372.

[2] 劉柏謙，洪 慧，王立剛.降低循環(huán)流化床飛灰片狀顆粒含碳量的研究[J].東北電力技術，2005，26(12)：4-7.