燃用福建无烟煤并掺烧低热值煤矸的CFB锅炉设计

张瑞,樊元华

(济南锅炉集团有限公司,山东济南250023)

福建省的煤资源中无烟煤占了98.3%,这种无烟煤结构致密、反应性较差、灰熔点低、热破碎性严重,在锅炉中燃烧着火困难无法燃尽,不适合作为一般锅炉的燃料。循环流化床锅炉燃烧效率高,污染物排放低等优点,特别是燃料适应性广,可以较好地燃烧福建无烟煤,已经成为当地企业的首选锅炉。但是如果直接利用常规循环流化床锅炉燃用福建无烟煤并掺烧低热值的煤矸石,锅炉的运行还会遇到很多困难,为了保证锅炉的热效率和运行的可靠性,就必须根据福建无烟煤的特点采取相应的技术措施。张志程等曾经为了燃用福建无烟煤对老式循环流化床锅炉进行了改造[1],本文将介绍燃用福建煤掺烧煤矸石的循环流化床锅炉一些特殊设计和措施。

本文设计对象是为福建某煤矸石电厂发电机所配的循环流化床锅炉,锅炉型号为YG-220/9.8,额定蒸发量220 t/h,额定蒸汽压力9.8 MPa,额定蒸汽温度540℃。锅炉汽水系统采用自然循环,炉膛外集中下降管结构,过热蒸汽采用三级加热,两级喷水减温方式,使过热蒸汽温度有很大的调节余量,以保证锅炉蒸汽参数。锅炉通过炉内加石灰石脱硫;设计燃料为II类福建劣质无烟煤和煤矸石的混合物,两者的比例为45∶55。混合煤的地位发热量为12 066 k J/kg,工业分析结果见表1。

表1 混合煤的工业分析 质量比%

由煤质分析报告可以看出,这种燃料的灰分大、挥发分少以及燃料灰熔点低,燃烧不当炉膛很容易出现结渣,此外燃料不易燃尽、燃烧不够充分,以及炉内磨损等问题都应在设计中加以克服。为克服劣质福建无烟煤对循环流化床燃烧的不利影响并达到设计要求,在设计中采取了一系列的措施。

(1)加大床面料层提高物料热惰性 混合煤中的福建无烟煤着火点高、挥发分少、灰熔点低,燃烧过程中易爆裂、细颗粒含量多,混合煤中的矸石入炉煤量大、吸热量多、大渣、飞灰排量大、燃烧不充分,采用常规设计无法保证锅炉燃烧效率。延长入炉煤在炉内的燃烧时间可以充分发挥循环流化床的特点,方案采用大幅度提高物料热惰性的设计思想,在设计中将床面料层加大,要求即使把一、二次风比例提高到7比3,炉膛内仍然可以保持额定的流化速率,保证掺烧较多煤矸石的混合煤能够充分燃烧。

(2)采用高温旋风分离技术 高温旋风分离是建立热灰循环系统的最好分离手段,可以大大提高锅炉的燃烧效率。设计方案采用汽冷和水冷相结合的蜗壳式旋风分离器,其中的蜗壳膜式结构以蒸汽作为冷却介质;无烟煤的后燃现象比较严重,分离器后的立管及U型返料器采用自然循环水冷,可以避免后燃引起返料温度过高,提高锅炉的运行安全性。

(3)撤消炉内过热水冷屏 掺烧煤矸石后炉膛灰浓度大、流化速率高,炉内布置过多受热面容易造成局部磨损,因此设计中撤消了炉内过热水冷屏,另外在过热器后省煤器前布置一组螺旋肋片管蒸发器作为水冷受热面,这样在负荷波动烟气超温时可以防止省煤器沸腾度超标起到保护省煤器的作用。

(4)过热蒸汽系统采用双级喷水减温 为确保过热器的安全运行,方案的过热蒸汽系统采用了双级喷水减温方式,从低温过热器来的过热蒸汽首先进入炉前的两个立置式喷水减温器,经过减温器调整汽温后再送入屏式过热器。从屏式过热器出来的过热蒸汽进入高温过热器的左右段,过热后再分别进入两个水平布置的喷水减温器调整温度,然后进入高温过热器的中间管系,合格的过热蒸汽由集汽集箱输出。另外减温器的布置,考虑到了检修方便。

(5)炉膛壁防磨措施 设计中考虑到燃用福建无烟煤及掺烧煤矸石时,炉膛灰浓度增大,内循环灰量大,贴壁回流灰会对水冷壁和流化室耐火材料结合部加剧造成磨损,因此设计中采用了三种防磨措施。首先对水冷壁管子采用了让弯技术,在四面水冷壁与耐火材料结合处让管子向外让开一定距离,使管子避开磨损区域。其次在让弯区下的耐火材料部位沿炉膛四周浇注一道防磨圈梁。再次对磨损部位仍采取超音速喷涂耐磨合金材料。采用这三项防磨措施可以确保了水冷壁长期安全运行。另外,由管子组成骨架支撑结构浇注高强度耐磨材料,保证了炉墙安全耐用性,防止了炉墙损坏、倒塌等运行中的故障问题,提高了锅炉的运行周期。

(6)尾部水平烟道高温区采用水冷和汽冷包覆结构 这种结构可以充分吸收烟道烟气的余热提高锅炉的热效率,同时可以避免高温烟气烧坏炉内砌筑部件,延长锅炉寿命,而且炉墙的砌筑简单经济。

(7)增加炉膛高度 方案设计的锅炉,炉膛比常规锅炉高3 m,降低炉膛空截面设计流速,使小于旋风分离器最低切向旋转粒径(50μm)的碳粒子在炉膛内的停留时间超过6.5 s,可以在930℃的均匀温度场中燃烬。

(8)采用抽引风机后的乏氧烟气作返料风 为了防止返料器内的后燃现象出现导致返料灰搭桥返料不畅,本方案采用抽引风机后的乏氧烟气作返料风。同时由于旋风分离器和料腿采用了水冷形式,可以比绝热的旋风筒温度降低30～40℃,更有效地杜绝了无烟煤的后燃带来的危害。

该循环床锅炉于2006年在福建煤矸石电厂建成投运后,本着循序渐进的原则,以3种不同的工况进行循环流化床锅炉混烧试验,工况一为65%无烟煤和35%煤矸石混烧,工况二为55%无烟煤和45%煤矸石混烧,工况三为45%无烟煤和55%煤矸石混烧。其主要试验数据见表2。

表2 混烧煤矸石的试验数据

从试验结果来看,采用不同的混煤比例,该循环流化床都能保持良好的燃烧状态,没有出现结焦、塌床等现象,能达到安全、经济运行的目的。

本方案设计的锅炉为充分利用低热值燃料劣质福建无烟煤开辟了广阔的前景,锅炉除燃烧煤矸石、劣质煤、混煤以外,还可以用来掺烧其他低热植工业废弃物、生活垃圾、生物燃料(农作物秸杆等)以及低热值的气体燃料,具有优异的节能减排效果和经济效益。循环流化床锅炉采取高温燃烧技术,排出的大渣和飞灰含碳量低活性好,是良好的制造水泥的添加材料,也可用作建筑、水泥制品及筑路材料,通过这些综合利用,可为企业创造可观的经济效益。

[1]涨志程,黄玉龙,刘国波.燃用福建无烟煤的老式循环流化床锅炉的改造[J].能源技术,2006,27:175-176.