煤矸石燃燒過(guò)程模型及其在CFB鍋爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張建春黃逸群張 縵劉愛(ài)成楊海瑞呂俊復(fù)

(1.太原鍋爐集團(tuán)有限公司,山西太原 030000;2.清華大學(xué)熱能動(dòng)力工程與熱科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

0 引 言

煤炭是我國(guó)的主要能源,煤炭直接燃燒會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。分選、分質(zhì)利用是控制煤炭利用污染的有效途徑[1]。我國(guó)的煤炭生產(chǎn)中,低熱值燃料占比較大。煤炭開(kāi)采、分選過(guò)程中產(chǎn)生的大量煤矸石類劣質(zhì)燃料,其大規(guī)模經(jīng)濟(jì)利用方式主要是燃燒發(fā)電以及灰渣綜合利用[2-3]。煤礦開(kāi)采多年遺留下煤矸石山,其自燃也成為礦區(qū)的重要污染源,因此國(guó)家積極提倡采用循環(huán)流化床(CFB)鍋爐燃燒煤矸石等劣質(zhì)燃料發(fā)電的政策[4]。這是我國(guó)CFB燃燒技術(shù)近年來(lái)突飛猛進(jìn)的根本驅(qū)動(dòng)力,燃燒各種低熱值燃料的CFB鍋爐已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。出于技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的考慮,CFB鍋爐的典型燃料是摻燒煤矸石后混合而成的10.468～14.655 MJ/kg的低熱值燃料[5]。但對(duì)于8.374 MJ/kg以下的煤矸石,尤其是3.350～6.281 MJ/kg的煤矸石,利用仍然比較困難。

為此,在分析煤矸石的燃燒過(guò)程的基礎(chǔ)上,根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,研發(fā)了燃燒超低熱值煤矸石(3.350 ～6.281 MJ/kg)的 220 t/h CFB 鍋爐。 4 a的運(yùn)行結(jié)果表明,本文研發(fā)的CFB鍋爐具有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 煤矸石燃燒過(guò)程理論分析

煤矸石灰分極高,當(dāng)煤矸石顆粒進(jìn)入爐膛加熱后,水分和揮發(fā)分先析出,之后顆粒表面揮發(fā)分燃燒,并逐漸點(diǎn)燃剩下的固體顆粒[6]。由于煤矸石的可燃質(zhì)含量較低,揮發(fā)分燃燒釋放的熱量不足以點(diǎn)燃剩下的焦炭,因此超低熱值的煤矸石在一般條件下很難燃燒,只有在流化床條件下,利用大量的高溫床料實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定點(diǎn)燃、著火。

煤矸石著火后,燃料顆粒周圍的O2向顆粒的表面擴(kuò)散,與可燃質(zhì)反應(yīng)釋放出熱量。隨著燃燒的不斷進(jìn)行,灰分包裹在未燃部分(即可燃核)的表面,形成灰殼[7],這層灰殼阻礙了O2向可燃核的擴(kuò)散以及燃燒反應(yīng)生成物從可燃核表面向外部空間的擴(kuò)散(圖1)。燃料熱值越高,通常所含的灰分越低,形成的灰殼結(jié)構(gòu)越松散,灰層的傳質(zhì)阻力越小。而煤矸石灰殼的結(jié)構(gòu)致密,熱值越低,灰分越高,通過(guò)灰層的傳質(zhì)阻力越大,導(dǎo)致煤矸石的燃燒反應(yīng)速度很慢。這就是超低熱值煤矸石難以燃燒利用的根本原因。

流化床中煤矸石燃燒的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是顆粒之間的碰撞在一定程度上能夠緩解灰殼問(wèn)題。由于顆粒之間的碰撞、磨損,煤矸石顆粒表面的灰層部分脫落[8],這對(duì)燃燒反應(yīng)必需的氣體擴(kuò)散是有益的,但這不足以實(shí)現(xiàn)煤矸石顆粒的燃盡[9]。不同粒徑的煤矸石具有不同的燃盡時(shí)間[10]。因此煤矸石燃燒對(duì)粒度有一定的要求。

圖1 煤矸石燃燒形成灰殼結(jié)構(gòu)Fig.1 Ash shell structure formed by gangue burning

假設(shè)煤矸石顆粒燃燒反應(yīng)形成的灰殼不脫落,則可燃質(zhì)燃燒速度由O2的擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)共同決定。O2擴(kuò)散到可燃質(zhì)表面前需要克服兩重阻力:從主流區(qū)向煤矸石顆粒外部包裹的灰層表面的擴(kuò)散阻力以及從灰殼外表面到可燃核表面的擴(kuò)散阻力[11]。煤矸石顆粒燃燒速率為

式中,Cg為主氣流中O2分壓,kPa;ha為O2在灰層中傳質(zhì)速率,kg/(m2·kPa·s),根據(jù)文獻(xiàn)[12]方法處理;Rc為焦炭化學(xué)反應(yīng)速率系數(shù);hm為主流至煤矸石表面的O2傳質(zhì)速率,kg/(m2·kPa·s)[13]。

式中,Tc為反應(yīng)平均溫度,K;K為焦炭燃燒反應(yīng)的頻率因子,kg/(m2·kPa·s);E為焦炭燃燒反應(yīng)的活化能,kJ/kmol;Dox為 O2擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Sh為Sherwood數(shù),反映焦炭顆粒邊界層氣體傳質(zhì)對(duì)燃燒的影響[14];φ為燃燒產(chǎn)物中CO和CO2的生成比例[15];dc為焦煤直徑,m;R為摩爾氣體常數(shù)。

模型計(jì)算中,反應(yīng)活化能E按照文獻(xiàn)[11]的結(jié)果選取,取可燃質(zhì)反應(yīng)比例達(dá)到99.6%對(duì)應(yīng)的時(shí)間為燃盡時(shí)間。不同灰層條件下,燃盡時(shí)間的模型計(jì)算結(jié)果如圖2所示,隨著入爐煤矸石顆粒粒徑的增大,燃盡時(shí)間顯著增加?；覍拥挠绊懛浅ｏ@著,對(duì)于灰層不太致密的煤矸石顆粒(10 mm),當(dāng)其停留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),比如超過(guò)104s,基本上能夠燃盡。但當(dāng)灰層比較致密時(shí),104s內(nèi)只有粒徑1 mm以下的煤矸石顆粒才能燃盡。因此,CFB鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,必須保證顆粒在主循環(huán)回路中的停留時(shí)間至少不低于圖2中的燃盡時(shí)間,才有可能燃盡。

圖2 不同灰層結(jié)構(gòu)各粒徑煤矸石顆粒的燃盡時(shí)間Fig.2 Burnout time of gangue in different gray layer structure and particle size

根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的成灰及磨耗特性[16],采用物料平衡模型可以預(yù)測(cè)入爐煤矸石不同粒度分布條件下的各粒徑在主循環(huán)回路的停留時(shí)間[17],進(jìn)而優(yōu)化入爐煤矸石粒度分布,對(duì)停留時(shí)間的影響如圖3所示,優(yōu)化的入爐煤矸石粒度分布如圖4所示?？梢?jiàn),床存量的提高,利于延長(zhǎng)顆粒的停留時(shí)間,尤其是粗顆粒的停留時(shí)間明顯延長(zhǎng);通過(guò)優(yōu)化入爐煤矸石粒度分布,提高分離器的效率,煤矸石的停留時(shí)間得到顯著改善,為純?nèi)汲蜔嶂得喉肥姆蛛x器設(shè)計(jì)、床存量及一次風(fēng)機(jī)壓頭的選擇、煤矸石破碎入爐粒度的要求提供了依據(jù)。由圖2、3可以獲得入爐煤矸石的最大直徑。

圖3 入爐煤矸石粒度、分離器和床存量對(duì)停留時(shí)間的影響Fig.3 Effect of gangue size,separator and bed inventory on residence time

圖4 入爐煤矸石粒度優(yōu)化結(jié)果和運(yùn)行實(shí)際分布Fig.4 Gangue size optimization and actual operation distribution

2 燃用超低熱值煤矸石的220 t/h循環(huán)流化床鍋爐開(kāi)發(fā)

煤矸石的熱值較低(表1),而220 t/h高溫高壓CFB鍋爐的燃料消耗量高達(dá)128.24 t/h,鍋爐輸煤系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)遠(yuǎn)大于同類燃煤機(jī)組。若排渣溫度以850℃計(jì),底渣的物理熱損失高達(dá)13.6%,因此底渣的熱回收非常重要。由于燃料熱值超低,導(dǎo)致排煙熱損失在排煙溫度135℃時(shí)已達(dá)9.7%,為了提高熱效率,排煙溫度設(shè)計(jì)在131℃。鍋爐設(shè)計(jì)熱效率75%。

表1 煤矸石成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of gangue component

為了盡量提高燃燒效率并兼顧低氮排放,床溫設(shè)計(jì)為886℃。與純?nèi)汲蜔嶂得喉肥男⌒凸呐荽插仩t不同,CFB燃燒的特點(diǎn)集中表現(xiàn)在主循環(huán)回路的物料循環(huán)上。煤矸石以一定的粒徑分布送入爐膛,細(xì)顆粒和惰性床料一同被高溫?zé)煔鈹y帶進(jìn)入分離器進(jìn)行氣固分離,其中分離出的顆粒通過(guò)返料系統(tǒng)送回爐膛,不能被分離器有效捕捉的顆粒以飛灰的形式進(jìn)入尾部煙道,粗顆粒則以灰渣形式通過(guò)排渣系統(tǒng)進(jìn)入冷渣器。設(shè)計(jì)燃料下排渣量約65 t/h,配置5臺(tái)出力為20 t/h的滾筒冷渣器。CFB的典型流程是主循環(huán)回路溫度比較均勻的運(yùn)行在850～890℃,因此需要根據(jù)燃料熱值的差異,調(diào)整主循環(huán)回路的吸熱份額,設(shè)計(jì)受熱面,其整體布置示意如圖5所示。

為便于啟動(dòng),在爐前煤倉(cāng)分倉(cāng)存儲(chǔ),其中一個(gè)煤倉(cāng)常年存有一定量的熱值為17.573 MJ/kg左右的煙煤,用于啟動(dòng)或穩(wěn)定燃燒。煤矸石的破碎按照優(yōu)化的粒度分布要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇,燃料由5個(gè)給料管依靠重力落入爐膛。

CFB著火條件優(yōu)越的原因是爐內(nèi)存有大量的高溫床料,能夠?yàn)槊喉肥闹鸺皶r(shí)提供所需的著火熱。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,為了確保床溫的穩(wěn)定性,在一次風(fēng)壓頭沒(méi)有顯著增加的條件下,采用較大的面積布風(fēng)板[18](為稀相區(qū)界面的80%[15])。為了緩解爐膛受熱面的磨損及延長(zhǎng)顆粒在主循環(huán)回路中的停留時(shí)間,爐膛截面積按額定負(fù)荷下流化速度設(shè)計(jì)為4.4 m/s。布風(fēng)板到爐膛頂棚的凈距離為29.5 m,顆粒一次停留時(shí)間＞6 s。二次風(fēng)采用大動(dòng)量設(shè)計(jì),前后墻單層布置,利于穿透、強(qiáng)化混合,降低飛灰含碳量。

由圖3可知,提高分離器效率利于延長(zhǎng)顆粒在主循環(huán)回路中的停留時(shí)間,因此設(shè)計(jì)中采用高效分離器,實(shí)現(xiàn)從分離器逃逸顆粒的d50=10～12 μm、d90=50～60 μm。飛灰顆粒較細(xì),可以有效防止對(duì)流受熱面的磨損,并結(jié)合較低的煙速設(shè)計(jì),確保對(duì)流受熱面的使用壽命[19]。

CFB鍋爐具有爐內(nèi)脫硫低成本控制SO2的優(yōu)勢(shì),前后墻二次風(fēng)口設(shè)置脫硫用石灰石粉噴口。采用低氮設(shè)計(jì)后,鍋爐排放的NOx大大降低[20],為了保證更大范圍內(nèi)的達(dá)標(biāo)排放,在分離器入口處設(shè)置了選擇性非催化還原(SNCR)裝置,當(dāng)原始排放超標(biāo)時(shí),適當(dāng)噴入尿素溶液,降低NOx濃度。

3 燃用超低熱值煤矸石的220 t/h循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行

燃用超低熱值煤矸石的220 t/h CFB鍋爐搭配50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組,于2013年6月17日通過(guò)72 h試驗(yàn)后投入商業(yè)運(yùn)行。

鍋爐額定負(fù)荷下運(yùn)行風(fēng)室風(fēng)壓在10～12 kPa,床溫890℃左右。通過(guò)冷渣器的運(yùn)行方式改變,實(shí)現(xiàn)對(duì)床溫的控制:加大靠近返料點(diǎn)的冷渣機(jī)出力,通過(guò)強(qiáng)化排渣排掉一部分細(xì)顆粒的存量,達(dá)到降低循環(huán)量的目的。爐膛出口煙溫、分離器返料溫度和分離器出口溫度均在910℃左右,如圖6所示。

4 a的運(yùn)行燃料通常為5.652 ～6.700 MJ/kg,是真正燃燒煤矸石的CFB鍋爐(表1)。而且當(dāng)熱值降低至 3.350～4.187 MJ/kg時(shí),鍋爐仍能穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行中,需要嚴(yán)格控制入爐矸石的粒徑,但實(shí)際粒度控制比較困難,比設(shè)計(jì)值略粗(圖4)。

經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),煤矸石中 Ca含量很高,達(dá)26.44%,實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明,其自脫硫效率可達(dá)38%;運(yùn)行中還投入少量石灰石脫硫,實(shí)際運(yùn)行的SO2和NOx排放濃度均滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求。實(shí)測(cè)鍋爐效率為79.37%,除塵器下飛灰d50＜11 μm、d90＜50 μm,且細(xì)顆粒通過(guò)排渣排出,反映出分離器的分離效率非常高。排煙溫度122～128℃,尾部豎井過(guò)熱器包墻出口處煙氣氧含量為3%～5%,空氣預(yù)熱器出口煙氣氧含量為4% ～6%,漏風(fēng)很小,密封性能較佳。多次取樣分析,底渣的燒失量為1.1% ～2.9%,飛灰的燒失量為1.4% ～2.7%,燃燒效率比較理想。底渣燒失量偏高,與入爐煤矸石中大顆粒的含量偏高有關(guān)(圖4)。鍋爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3個(gè)月,其可靠性甚至優(yōu)于一些燃煤機(jī)組[5]。這是超低熱值煤矸石的經(jīng)濟(jì)規(guī)?；{的有益嘗試,為煤炭的綠色開(kāi)采和煤矸石資源化提供了支持。

4 結(jié) 論

1)煤矸石燃燒過(guò)程的模型計(jì)算,可以獲得不同粒徑和灰性質(zhì)煤矸石的燃盡時(shí)間,灰分和直徑對(duì)燃盡時(shí)間影響大;根據(jù)成灰特性和物料平衡模型,預(yù)測(cè)了不同粒徑煤矸石顆粒在CFB中的停留時(shí)間,入爐煤矸石粒度分布對(duì)停留時(shí)間有重要影響;比較燃盡時(shí)間及停留時(shí)間,獲得了入爐煤矸石的最大直徑和相應(yīng)的床存量、一次風(fēng)機(jī)壓頭要求,用于220 t/h純?nèi)汲蜔嶂得喉肥腃FB工程。

2)根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,確定了220 t/h純?nèi)汲蜔嶂得喉肥腃FB鍋爐關(guān)鍵爐膛參數(shù):流化速度4.4 m/s、布風(fēng)板深度為爐膛深度的80%、爐膛凈高度29.5 m、大動(dòng)量二次風(fēng)、高效分離器等;4 a的運(yùn)行實(shí)踐表明,這些技術(shù)措施是有效的,實(shí)現(xiàn)了熱值為6.281 MJ/kg左右煤矸石的穩(wěn)定燃燒和鍋爐帶負(fù)荷能力;額定負(fù)荷下風(fēng)室風(fēng)壓11 kPa,床溫890℃,分離器進(jìn)出口和返料溫度均在910℃左右;入爐煤矸石熱值甚至降低至3.350 MJ/kg也能穩(wěn)定運(yùn)行;實(shí)測(cè)鍋爐效率為79.37%,主要損失是底渣和排煙損失,底渣和飛灰的燒失量均小于3%;爐內(nèi)脫硫、低氮設(shè)計(jì)使SO2和NOx排放量均達(dá)到當(dāng)?shù)嘏欧乓蟆?/p>

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