確保矸石電廠循環(huán)流化床鍋爐安全運(yùn)行的措施

李劍峰 兗礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院

循環(huán)流化床鍋爐主要是針對劣質(zhì)煤而設(shè)計(jì)的，適應(yīng)矸石、低揮發(fā)分的煤種。同時，由于具有低溫燃燒的特點(diǎn)，抑制了氮氧化物的生成，同時在燃料中添加石灰石等，可以在爐內(nèi)脫硫?；谝陨咸攸c(diǎn)，這種鍋爐主要建于坑口電站。但是由于爐內(nèi)循環(huán)流化燃燒，對鍋爐內(nèi)部磨損比較嚴(yán)重，還有因?yàn)榈蜏厝紵龑θ紵缓每刂?，這兩點(diǎn)一直是制約這種鍋爐發(fā)展的瓶頸。近幾年來，兗州礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司針對各煤矸石熱電廠循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行實(shí)踐中存在的問題進(jìn)行了深入的研究，取得了一些參考價值的成果。

1 提高循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行周期的措施

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司濟(jì)寧二號煤礦煤矸石熱電廠配備有3臺UG-75/5.3-M16型、次高壓循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計(jì)燃料為全燒煤泥、全燒中煤、中煤與煤泥混燒。針對燃燒中暴露出來的一些問題，在改造埋管防磨、省煤器、空氣預(yù)熱器和一級分離器脫落的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)運(yùn)行管理及合理控制運(yùn)行參數(shù)，各臺鍋爐運(yùn)行周期從最初的20d左右逐步提高到120d以上，最高達(dá)158d，創(chuàng)下同類型鍋爐的最長記錄。

1）制定嚴(yán)格的運(yùn)行參數(shù)考核制度，將鍋爐運(yùn)行參數(shù)作為小指標(biāo)考核的重要內(nèi)容，嚴(yán)禁超參數(shù)運(yùn)行。

2）根據(jù)鍋爐床溫和蒸汽溫度情況，盡量保證鍋爐返料全部投入，以此來降低床溫。在此基礎(chǔ)上，通過加大減溫水量來控制蒸汽溫度。原來鍋爐運(yùn)行時沸騰段溫度偏高，爐膛上部及出口溫度偏低，整個爐膛溫度場分布不均勻，對此根據(jù)冷態(tài)試驗(yàn)時確定的臨界風(fēng)量，在保證床層流化良好的狀態(tài)下，降低運(yùn)行時的一次風(fēng)量，提高運(yùn)行時的二次風(fēng)量，使二次風(fēng)的比例占總風(fēng)量30%以上，爐膛上下溫度偏差控制在100℃以下。

3）負(fù)荷調(diào)整靠改變?nèi)剂狭?、風(fēng)量和二級返料量來完成。一次風(fēng)量主要保證正常的流化及穩(wěn)定床溫，用二次風(fēng)控制鍋爐總風(fēng)量，保證鍋爐出口過?？諝庀禂?shù)為1.2，防止出現(xiàn)鍋爐負(fù)荷調(diào)整時只調(diào)煤不調(diào)風(fēng)，或只調(diào)一次風(fēng)不調(diào)二次風(fēng)現(xiàn)象。

4）為了防止沸騰高溫結(jié)焦和低溫滅火，保證形成較低的氮氧化物和硫氧化物，運(yùn)行人員時刻監(jiān)視床料沸騰狀況和床溫變化，影響床溫的因素主要是燃料品質(zhì)、風(fēng)量及二級返料量。運(yùn)行中燃料的品質(zhì)經(jīng)常變化，即使燃料量不變也常常引起床溫的變化，因此即使穩(wěn)定工況也要注意床溫的變化。另外需要特別注意返料量及溫度的變化。

5）控制循環(huán)灰量，盡量提高循環(huán)倍率。循環(huán)量與燃料品質(zhì)、燃料的粒度組成、風(fēng)速和分離器效率等因素有關(guān)。循環(huán)量的大小直接影響燃燒效率、電耗、磨損和負(fù)荷等，運(yùn)行中應(yīng)綜合各個方面的因素，經(jīng)試驗(yàn)確定循環(huán)倍率的大小。

6）當(dāng)料層較低時，采用添加石灰石的辦法，提高鍋爐的料層。增加物料和埋管的接觸面積和頻率，提高埋管熱傳遞效率。通過埋管吸熱降低密相區(qū)溫度，從而降低沸騰段溫度。

7）保證3臺給料機(jī)給煤均勻穩(wěn)定。保持爐膛左右兩側(cè)溫差不超過50℃，減少受熱面的熱偏差，提高受熱面的運(yùn)行壽命。

8）多臺鍋爐并列運(yùn)行期間，根據(jù)各臺鍋爐工況，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各臺鍋爐運(yùn)行負(fù)荷。目的是保證各臺鍋爐均勻出力，保證鍋爐正常運(yùn)行期間各參數(shù)不超標(biāo)，同時在負(fù)荷波動時鍋爐參數(shù)也不超標(biāo)。

2 煤泥煤矸石混燒的異比重循環(huán)流化床鍋爐控制

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司興隆莊煤礦煤泥煤矸石熱電廠對煤泥煤矸石混燒的異比重循環(huán)流化床鍋爐控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

所謂異比重循環(huán)流化床(CFB)鍋爐是指鍋爐內(nèi)的固態(tài)物料（主要指燃料）比重不同。其特點(diǎn)是比重越大產(chǎn)生的浮力也越大，燃燒的效果就越好。

2.1 異比重循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制困難

國內(nèi)煤炭行業(yè)常采用的原煤和煤泥混燒的CFB鍋爐也是異比重循環(huán)流化床(CFB)鍋爐中的一種。采用原煤和煤泥混燒的異比重循環(huán)流化床鍋爐最大優(yōu)點(diǎn)是利用原煤的比重比煤泥大，因此產(chǎn)生的浮力也大，可使煤泥懸浮在原煤（煤矸石）上方得到充分燃燒。從控制角度來說，混燒型的異比重循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制比普通循環(huán)流化床鍋爐復(fù)雜得多。

1）煤泥和煤矸石熱值不同。煤泥燃燒熱值較高，煤矸石燃燒熱值比煤泥低很多。而燃燒過程中，煤泥和煤矸石的搭配比例是不斷變化的，煤泥和煤矸石混燒時進(jìn)入爐膛總的燃料熱值難以正確計(jì)算，一般的PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)難以對這種類型的CFB鍋爐實(shí)現(xiàn)燃燒自動控制。

2）按照傳統(tǒng)的觀念，主汽壓力的穩(wěn)定主要靠進(jìn)入爐膛的燃料量來保證的。但是從目前的檢測技術(shù)，進(jìn)人爐膛的煤泥量和煤矸石量，均難以準(zhǔn)確計(jì)量，因此進(jìn)入爐膛總的燃料量也難以準(zhǔn)確計(jì)量。

3）一般來說，風(fēng)量應(yīng)當(dāng)和進(jìn)入爐膛的燃料量成比例，加多少燃料就得配多少風(fēng)。但是這種混燒型的CFB鍋爐，進(jìn)入爐膛的燃料量既然難以正確估算，那么風(fēng)量與燃料量的匹配自然也成為問題了。

4）通常情況下，煤泥和原煤混燒的CFB鍋爐密相區(qū)內(nèi)有埋管受熱面。埋管受熱面受床溫和床層高度的影響很大，因此鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)還必須把這兩個重要因素也考慮進(jìn)來，以利于負(fù)荷控制。因此，要想使煤泥和煤矸石混燒的異比重CFB鍋爐實(shí)現(xiàn)燃燒自動控制，就必須突破傳統(tǒng)的觀念，尋找新的先進(jìn)的DCS控制策略。

2.2 煤泥和煤矸石混燒的異比重CFB鍋爐控制策略。

1）以主蒸汽母管壓力穩(wěn)定作為蒸汽負(fù)荷供需平衡（能量平衡）的標(biāo)志。設(shè)置母管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)對并列運(yùn)行的各臺鍋爐下達(dá)不同的鍋爐負(fù)荷指令，有效地控制了各臺鍋爐汽壓波動的互相干擾，維持了主蒸汽母管壓力穩(wěn)定。

2）由于進(jìn)入爐膛的煤泥量和原煤量實(shí)際上無法準(zhǔn)確測量，因此他們用熱量信號——蒸汽流量加汽包壓力的微分來代表進(jìn)入爐膛的燃料量，以鍋爐負(fù)荷指令作為設(shè)定值來同時控制給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速及煤泥輸送泵的運(yùn)行頻率。主蒸汽流量反映了需要給燃料量的多少，汽包的下降管和上升管作為直接的受熱面，汽包壓力（飽和蒸汽壓力）的微分直接反映了需要給燃料量的速度。兩者的結(jié)合有效地克服滯后時間長的特點(diǎn)。

3 提高鍋爐循環(huán)倍率的技術(shù)措施

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司第六工程處針對東灘煤礦煤泥熱電廠UG-75/5.3-M16循環(huán)流化床鍋爐出力不足、實(shí)際運(yùn)行熱效率低的現(xiàn)象進(jìn)行了改造，延長了鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的時間。

原爐設(shè)計(jì)的爐膛內(nèi)煙氣循環(huán)流速為4.4m/s，基本滿足循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)要求，可以保證煙氣對灰的攜帶上升能力；但爐內(nèi)一級導(dǎo)槽分離器本身分離效率極低，分離下來的灰沒有專門通道，分離下來的部分飛灰被快速上升的煙氣二次攜帶，造成一級導(dǎo)槽分離器分離效率低于80%。當(dāng)鍋爐燃煤泥時，煙氣中細(xì)灰粒徑分布很不均勻，大量的是極細(xì)的飛灰。低效率的下排氣旋風(fēng)分離器對這種飛灰的捕捉能力十分有限，無法保證鍋爐較高循環(huán)倍率所要求的灰量。

提高鍋爐的循環(huán)倍率、建立爐內(nèi)熱灰循環(huán)系統(tǒng)和大幅度提高爐膛內(nèi)的熱灰濃度是循環(huán)流化床鍋爐的特征和運(yùn)行要求。循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)的傳熱程度是由爐內(nèi)含灰的熱煙氣對水冷壁的輻射、對流和熱傳導(dǎo)的綜合體現(xiàn)，提高熱煙氣中的灰濃度也就提高爐膛綜合傳熱系數(shù)。循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率的提高是由熱灰循環(huán)系統(tǒng)中三個主要因素來保證：爐膛內(nèi)煙氣的高循環(huán)流速以保證煙氣對灰的攜帶上升能力；高效率低回分離裝置，以提高煙氣中細(xì)灰的分離率，保證鍋爐高循環(huán)倍率所要求的灰量，減輕尾部受熱面的磨損；高性能的細(xì)灰返送裝置，將灰分離裝置捕捉下來的細(xì)灰及時返送回爐膛進(jìn)行循環(huán)燃燒，確保熱灰循環(huán)系統(tǒng)的暢通。為此對分離器和返料器進(jìn)行改造。

1）分離器。根據(jù)原爐結(jié)構(gòu)布置條件，對一級導(dǎo)槽分離器不做結(jié)構(gòu)上的變動，將二級中溫下排氣旋風(fēng)分離器改造為上排氣旋風(fēng)分離器，分離效率可達(dá)98%，煙氣中大于50μm的細(xì)微顆粒都可捕捉下來，完全可保證改造后循環(huán)流化床鍋爐15～20倍循環(huán)倍率所要求的灰量。將省煤器移位后，鍋爐上留出足夠空間可布置按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的上排氣旋風(fēng)分離器。

2）返料器。在旋風(fēng)分離器與鍋爐爐膛間布置U型返料器，這種成熟的非機(jī)械式自平衡返料技術(shù)可根據(jù)旋風(fēng)分離器分離下來的灰量自動調(diào)節(jié)返料量。采用高效率的上排氣旋風(fēng)分離器和返料器，除可大幅度提高鍋爐循環(huán)倍率以增強(qiáng)鍋爐出力能力外，另一個顯著優(yōu)點(diǎn)是通過分離和循環(huán)燃燒大大延長50μm以上灰粒的燃燒時間。一般情況下，50μm以下的碳粒在一次性通過10m多高的爐膛內(nèi)即可燃盡，鍋爐的燃燒效率可達(dá)95%～99%，飛灰的含碳量可控制在6%以下，筒體不完全燃燒損失大大降低。

4 循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硫運(yùn)行的優(yōu)化

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司濟(jì)寧三號煤礦煤泥煤矸石熱電廠對于在循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硫運(yùn)行中所采取的優(yōu)化措施。

4.1 提供適宜的脫硫劑和脫硫環(huán)境

1）倉儲中心加強(qiáng)石灰石粉的質(zhì)量控制，嚴(yán)格按規(guī)程要求進(jìn)貨，運(yùn)行人員及時反饋信息，確保脫硫劑品質(zhì)。

2）將鍋爐床溫控制在830～930℃的脫硫劑最佳溫度，通過降低一次風(fēng)和床料厚度，減少鍋爐磨損并提高床溫，確保各種負(fù)荷工況下床溫穩(wěn)定，有利于石灰石脫硫的正常反應(yīng)。

4.2 堵管的判斷及處理

1）每班利用測溫槍對爐側(cè)石灰石分支管的閥門前后進(jìn)行測溫并記錄，根據(jù)閥門前、后溫差來判斷分支管道的通暢程度。

2）每小時巡檢時注意檢查石灰石倉本體輸送母管就地壓力表，并利用小錘敲擊管道，通過管道聲音清脆和發(fā)悶來判斷石灰石母管內(nèi)料的多少。壓力高于0.1MPa不下降且管道聲音很實(shí)，證明堵管，應(yīng)進(jìn)行吹堵或手動排堵。

4.3 空倉與下料不暢的判斷與處理

1）煙氣實(shí)時監(jiān)測顯示氧量無明顯下降但二氧化硫濃度呈較快上升趨勢時，可判斷下料倉空倉或石灰石大倉下料不暢，應(yīng)就地檢查，敲擊石灰石下料倉，并CRT畫面上調(diào)整上、下進(jìn)料倉的給料時間，程控不能滿足時及時將程控運(yùn)行改為手動下料，同時打開上下進(jìn)料閥十幾秒后關(guān)下進(jìn)料閥，利用壓縮空氣反串和大倉內(nèi)石灰石重力可使下料暢通。

2）煙氣實(shí)時監(jiān)測顯示氧量無明顯下降但二氧化硫濃度呈較快上升趨勢時，也可判斷為斜腿處下料不暢，就地敲擊斜腿內(nèi)側(cè)及下進(jìn)料倉與斜腿連接處上部下料處直至下料通暢；若長時間敲擊無效果，可停止旋轉(zhuǎn)給料閥和進(jìn)氣閥，打開吹堵閥吹掃十幾秒，利用較高壓縮空氣吹通斜腿，然后停止吹堵閥，開進(jìn)氣閥，旋轉(zhuǎn)給料閥正常運(yùn)行。

4.4 升負(fù)荷或燃燒工況急劇變化時的判斷及處理

在線監(jiān)測顯示氧量明顯下降且二氧化硫濃度呈急劇上升趨勢時，可以判斷主要是集控人員操作調(diào)整鍋爐燃燒引起二氧化硫濃度波動。電除塵人員應(yīng)及時就地檢查石灰石輸送系統(tǒng)是否正常并進(jìn)行處理，同時聯(lián)系集控室詢問崗位人員是哪臺鍋爐進(jìn)行了調(diào)整、爐前進(jìn)料情況如何，并對相應(yīng)鍋爐是石灰石系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整旋轉(zhuǎn)給料閥頻率，及時將排放濃度恢復(fù)正常。電除塵崗位人員不要盲目加大旋轉(zhuǎn)給料閥的頻率，應(yīng)根據(jù)氧量下降幅度判斷是否機(jī)組有斷煤、煤泥空倉等異常情況或機(jī)組同時升負(fù)荷，及時聯(lián)系集控室；先加風(fēng)，后加煤，控制改變工過程中尾部煙道的氧量不能低于2.5%或在線監(jiān)測氧量不能低于4.0%，因?yàn)槭沂摿蜻^程中需要一部分氧氣，氧量過低不利于生成穩(wěn)定的硫酸鹽，而是生成易分解的亞硫酸鹽，造成二氧化硫濃度超標(biāo)。

5 煤泥循環(huán)流化床鍋爐提高煤泥燃用量的措施

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司濟(jì)寧三號煤礦煤泥煤矸石熱電廠通過在循環(huán)流化床鍋爐增設(shè)煤泥中部給料系統(tǒng)，極大地提高了煤泥的燃用量，不但使床壓比較容易控制，而且減少了飛灰含碳量，還減少了鍋爐受熱面磨損，節(jié)約了能源，降低了發(fā)電成本。

5.1 濟(jì)三礦煤泥的特點(diǎn)

該礦的煤泥絕大部分小于0.5mm，其中86.86%小于0.25μm。

1）當(dāng)水分低于20%時近似呈固態(tài)，20%～28%時呈泥狀，具有較好塑性，但抗變形能力很差，幾乎沒有流動性；接近30%時呈糊狀，開始具有流動性；超過35%時呈泥漿狀，有良好的流動性。無論泥狀還是漿狀的煤泥都有很強(qiáng)粘性。

2）在沸騰燃燒過程中，由于煤泥漿快速成焦，形成具有一定強(qiáng)度和耐磨性的凝聚團(tuán)，并伴有炸裂破碎。特征直徑越大，顆粒平均直徑越大，表明破碎后較大顆粒成分較大，破碎程度較輕。

3）影響煤泥結(jié)團(tuán)特性的主要因素有鍋爐床溫、煤泥水分和沸騰風(fēng)速。凝聚團(tuán)的強(qiáng)度隨床溫增加而增加，特別是在600～700℃范圍內(nèi)，凝聚團(tuán)強(qiáng)度有一顯著增長的區(qū)域。另一方面，由于加熱速率快，揮發(fā)物析出劇烈，凝聚團(tuán)的破碎程度隨床溫的增加而略顯嚴(yán)重，存在20%～25%的最佳水分范圍。低于或高于這個范圍時，煤泥凝聚團(tuán)的強(qiáng)度降低，而破碎也嚴(yán)重。運(yùn)行風(fēng)速也存在一個最佳值，過高或過低的風(fēng)速都會使結(jié)團(tuán)質(zhì)量下降。

4）煤泥凝聚團(tuán)的燃燒過程大體上可分為水分蒸發(fā)、揮發(fā)物析出燃燒、焦炭燃燒和燃盡互存重疊幾個階段。水分蒸發(fā)階段僅占總?cè)紵龝r間的百分之幾，之后揮發(fā)份迅速析出，其最終析出量隨爐溫的增加而增加。煤泥團(tuán)燃燒時，其揮發(fā)份燃燒與焦炭燃燒是相互重疊的。當(dāng)90%的揮發(fā)份析出時，在焦炭的燃燒過程中灰層擴(kuò)散阻力為主要控制因素。高灰煤泥團(tuán)在沸騰爐內(nèi)燃燒時，利用床料與煤泥團(tuán)的不斷摩擦可以減輕灰層對燃燒的影響，隨著灰殼的減薄使氧氣易于向焦核擴(kuò)散，因而使其具有較高的燃盡度。

5.2 擴(kuò)容煤泥系統(tǒng)組成

認(rèn)真分析了煤泥燃料的特性及進(jìn)口煤泥系統(tǒng)存在的問題，最終確定了煤泥中部給料的方案。在擴(kuò)容的煤泥系統(tǒng)中，煤泥通過MNS30/18柱塞泵，經(jīng)高壓管道連接的煤泥旋轉(zhuǎn)給料機(jī)進(jìn)入爐膛；1臺爐配1臺泵帶2套給料機(jī)。給料機(jī)距離布風(fēng)板約3.6m，水平布置在前墻原風(fēng)水冷渣器回料口，正下方即是二次風(fēng)，有利于煤泥下落過程中吹散和燃燒；煤泥在給料過程中通過螺旋片被切割成小塊，利于燃盡（有資料表明，煤泥成型對煤泥的燃燒特性影響較大，餅狀及柱狀煤泥更有利于燃盡）。單套旋轉(zhuǎn)給料機(jī)最大出力30t/h。該系統(tǒng)在泵房內(nèi)設(shè)有切換閥，2套泵送系統(tǒng)互為備用。

6 結(jié)束語

煤礦最大的污染是矸石山和煤泥，利用這些劣質(zhì)燃料發(fā)電是廢物綜合利用的有效手段之一。煤礦的煤種中有的是高硫高灰分煤，有的揮發(fā)分高但灰熔點(diǎn)極低，在常規(guī)煤粉鍋爐上燃用時常出現(xiàn)SO2排放濃度高、燃燒不穩(wěn)、易滅火放炮、低負(fù)荷性能差、燃燒器噴口周圍爐膛內(nèi)容易結(jié)焦、受熱面容易積灰等問題。采用循環(huán)流化床鍋爐可以一并解決上述各種問題，而且在燃用劣質(zhì)燃料時通過粒子的再循環(huán)而獲得良好的碳燃盡率，這種能力在燃料中含有大量細(xì)粒子和輕質(zhì)物料時尤為重要，因此循環(huán)流化床鍋爐將在這些領(lǐng)域中保持強(qiáng)勁的勢頭。

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