450 t/h CFB锅炉机械不完全燃烧热损失原因分析及防范措施

2010-11-16王绍辉高建强

河北电力技术 2010年5期

王绍辉，张颖，高建强

(1.大唐保定热电厂，河北保定 071051；2.华北电力大学，河北保定 071003)

随着国家节能减排工作的日益深化，作为高效清洁燃烧技术的循环流化床机组的重点工作之一是如何最大限度的减少各项热损失，增加机组有效利用热能，提高机组热效率。循环流化床(CFB)锅炉燃用煤种多变，普遍存在燃烧效率达不到设计值的问题，尤其是飞灰含碳量比同容量的煤粉炉偏高，致使机械不完全热损失较大，降低了锅炉的热效率。机械不完全燃烧热损失是由于灰渣中含有未燃尽残碳造成的，其大小取决于燃煤炉渣含碳量和飞灰可燃物含量。其中，飞灰中碳不完全燃烧损失占机械不完全燃烧热损失的70%～80%，是循环流化床锅炉效率低于煤粉炉效率的主要原因[1]。随着CFB锅炉的大型化，降低机械不完全燃烧热损失，对提高机组运行经济性具有重要意义。

1 飞灰及底渣含碳量的影响因素

对于已经投入商业运营的CFB锅炉，飞灰及底渣含碳量反映煤粒的燃尽程度，从燃烧学的角度分析，其不仅与煤种本身的燃烧反应速率有关，也取决于燃烧环境和燃烧时间[1]。

1.1 煤种与粒径

燃煤自身的性质对飞灰及底渣含碳量高低有较大影响。第一，煤质的变化对流化床锅炉的燃烧及运行参数控制有重大影响，其中挥发分含量是关键因素。如挥发分含量较低，则着火延迟，燃尽困难。第二，粒径分布对煤碳燃尽的影响明显。粒径过大，易造成床层流化不好、减少碳粒总表面积、增大煤粒间的扩散阻力，从而延长燃尽时间，并造成循环灰量不足、稀相区燃烧不充分和出力下降等。大煤粒沉于密相区底部，燃烧不充分，随渣排出炉外，增加底渣含碳量；粒径过小，易造成烟气夹带，颗粒不易被分离器捕捉分离而使飞灰含碳量偏高。第三，同种煤质、不同形状煤粒的流化表现和燃烧效果相差很大。如：片状结构颗粒流化困难，低温区易沉积大量颗粒，导致燃烧效率下降[2]，锅炉飞灰及底渣含碳量升高。

1.2 床层温度

流化床属于中低温煤燃烧技术，煤粒挥发物的析出速率和碳粒的燃烧反应速率随床温的增加而增大，因此提高床温有利于煤颗粒的燃尽。但受灰分的变形温度、脱硫、结焦等因素的限制，床层温度不能无限增大，一般应控制在850～930 ℃。运行中床温过低使炉膛整体温度下降，燃烧反应速率降低，煤的着火及燃尽推迟，增加飞灰及底渣含碳量。

1.3 床层高度与床压

料层过高会增大风机电耗和扬析损失，料层过薄又会导致燃烧工况不稳定，缩短燃料在床内的停留时间。在一定风量下，料层越厚，床层压力越高，则密相区欠氧燃烧份额越重，飞灰含碳量越大；床压过低，细煤粒未经过高温料层就被烟气带入稀相区，且停留时间很短，增大了飞灰含碳的热损失。保持合理的床层厚度及床压，可以使锅炉燃烧工况稳定，有利于煤粒燃尽。

1.4 风量

增大总风量可增加流化气体与碳粒之间的传质系数，增大燃烧速度，但当风量增大到某一值后，燃烧速度达到极限，过高反而降低了细煤粒在床内的停留时间，故应选取最佳风量。实际运行中控制炉膛出口过量空气系数在1.25左右[1]。一次风主要实现物料流化，其大小直接影响着炉膛密相区和稀相区的燃烧份额。上、下二次风实现炉膛内物料的横向扰动及提供燃烧所需氧量。在保持总风量合适的前提下，一二次风配比、上下二次风配比对飞灰及底渣含碳量亦有较大影响。

2 锅炉机械不完全燃烧热损失的原因分析

DG 450/9.81-1型循环流化床锅炉投入商业运营初期，因为锅炉排渣不畅、水冷壁泄漏等原因，导致机组运行极不稳定，频繁发生非计划停运事故，机组的经济运行无从谈起，2003-2005年供电煤耗最高达549 g/kWh，厂用电率13.62%，飞灰可燃物20.89%，底渣含碳量3.28%，锅炉底渣含碳量目测就非常高，燃烧不完全，导致冷渣器频繁结焦堵塞，严重影响机组的安全稳定运行，主要原因分析如下：

a. 入炉煤质及其粒径分布远远超出设计范围，煤燃烧不充分，锅炉飞灰及底渣可燃物高。

锅炉设计入炉煤低位发热量20.5 MJ/kg，粒径分布为0～8.5 mm，实际入炉煤质一般为低位发热量13～17 MJ/kg，8.5 mm以上粒径的煤超过10%，甚至达到18%，最大粒径达50 mm。使得入炉煤不能及时快速的着火燃烧，导致锅炉床温偏低，着火滞后，燃烧不稳定，飞灰及底渣含碳量升高。

b. 锅炉内燃烧工况恶劣，流化不良，床温、炉内烟气温度等主要参数分布极不均匀，大幅度变化，床温局部最高达980 ℃，最低处只有300 ℃左右，旋风分离器出口及回料器返料温度甚至出现高于床温30～50 ℃的不正常情况，使入炉煤着火燃烧推迟，燃尽困难。

c. 锅炉燃烧调整风煤配比不合理，一次风(流化风)、二次风配比、过剩空气系数控制不当，是飞灰可燃物高的主要原因。锅炉一次风(流化风)风量过低，密相区缺氧，入炉煤挥发分不能及时析出燃烧，使煤的着火温度升高，着火燃烧推迟，床温降低，底渣含碳量升高；一次风(流化风)过高，需增加给煤量，来维持床温稳定，烟气量增加，流化速度增大，炉膛上部及其出口烟温升高，飞灰可燃物尚未完全燃烧，就被烟气携带出炉膛，造成锅炉燃烧热损失增大。

一般情况下采用二次风控制锅炉总风量及过剩空气系数，二次风过小会使不完全燃烧损失增加，过大会使排烟量增加，排烟热损失增加，最佳的过剩空气系数能够得到较低的固体不完全燃烧热损失和排烟热损失。

机组投运初期，标准状态下,一次风(流化风)风量曾达(23～25)×104m3/h，一次风机电流达到额定值153 A，二次风全部开满，氧量6%～7%，给煤量最大达75 t/h，炉内参数值分布紊乱，与设计偏差较大。

d. DG 450/9.81-1型循环流化床锅炉投运初期，绝大多数人员的思想存在CFB锅炉燃烧任何煤都良好的误区。对于1台已经投入运行的锅炉而言，包括其附属设备都是根据特定煤种而设计的，锅炉燃烧此煤种已经定型，不能有大幅度变化，其运行的稳定性和经济性，入炉煤种起决定性作用，如果不遵循这一客观规律，锅炉就无法长期稳定运行，各项经济指标也无法达到预期效果。

e. 锅炉调峰在低负荷运行时，炉内温度维持较低，床温只有800 ℃左右，一次风(流化风)及二次风过大，使底渣含碳量及飞灰可燃物升高。循环流化床锅炉在低负荷下运行时，炉内主要以辐射换热为主，烟气以及固体颗粒对流为辅的换热方式，因此，在满足锅炉正常流化的情况下，限制一次风(流化风)量，维持较高的床温和炉膛内部温度，保证入炉煤燃烧稳定，通过二次风控制锅炉燃尽所需氧量。

3 降低机械不完全燃烧热损失的措施

DG 450/9.81-1型循环流化床锅炉降低机械不完全燃烧热损失，提高锅炉热效率，主要采取以下措施：

3.1 进行设备改造

a. 2005年开始入炉煤质比较稳定，基本在21～24 MJ/kg，并且燃料制备系统加装了滚筒筛，对入炉煤进行筛分，将不合格粒径的大块除掉，有效保证了入炉煤粒径控制在规定范围内(0～10 mm)，为锅炉着火稳定、燃烧充分创造了条件。

b. 2006年将锅炉原风水联合冷渣器全部更换为滚筒式冷渣器，解决了锅炉排渣不畅问题，床压运行稳定，一般情况下控制在8～9 KPa，能够有效控制床层厚度在合理范围，为锅炉的稳定燃烧、经济运行提供了有效保障。

c. 2007年将2台循环流化床锅炉的布风板“г”型定向风帽全部更换为耐高温的铸钢钟罩型风帽，布风板布风比较均匀，炉内床压、床层差压等参数均匀分布，床温及炉内烟气温度等主要参数按照烟气流向分布均匀合理，确保了机组长期安全稳定运行，为降低机械不完全燃烧热损失奠定了基础。

3.2 加强运行管理

a. 严把入炉煤的质量关，确保煤质及其粒径分布在可控范围。若要使机组安全、经济运行，必须保证入炉煤质及其粒径分布适合锅炉燃烧的要求。目前，入炉煤低位发热量及其粒径分布基本符合设计范围，低位发热量为21～24 MJ/kg，8.5 mm以上粒径的煤基本控制在25%以下，杜绝了极端超大粒径(15 mm以上)煤进入炉膛，为降低机械不完全燃烧热损失提供了可靠保障。

b. 合理配风，优化燃烧调整方案。在满足锅炉正常流化的情况下，尽可能限制一次风量，维持较高的床温和炉膛内部温度，并通过二次风控制锅炉燃尽所需氧量，保证入炉煤燃烧稳定。运行实践证明，采用较大氧量、低一次风率、高下二次风率、高床压的控制原则，一般情况下一次风机电流维持在125 A以内，一次风(流化风)量(17～23)×104m3/h，氧量4%以内，锅炉运行稳定，飞灰和底渣含碳量可控，一般完成4%～6%。

c. 及时调整燃烧工况，确保锅炉燃烧稳定，床温分布均匀。综合考虑各方面因素，流化床最佳运行温度一般为850～950 ℃，床温应根据运行情况确定运行上限。同时，床温及炉内烟气温度等主要参数按照烟气流向合理均匀分布，使燃料燃烧充分，有效降低飞灰和底渣含碳量。

d. 调峰时采用多次少量的参数调整原则，依据诸多参数逐步调节，避免因调整过快影响碳粒燃尽，特别是应控制氧量不能大幅度波动。

通过采取以上措施，机组自2006年以来，运行逐渐趋于稳定，在高负荷和调峰工况下，最长连续稳定运行达196天。DG 450/9.81-1型循环流化床锅炉投运以来经济指标变化情况见表1。

表1 锅炉投运以来经济指标变化情况

由表1可知飞灰含碳量、厂用电率、煤耗等各项经济指标明显好转，取得了非常可观的经济效益。尤其是锅炉飞灰含碳量大幅降低，2003年投运初期年均11.63%，个别月均20.89%，下降至2009年的5.83%以下，最低时3.99%，平均降低了5.8%，每年按发电13亿kWh计算，可节约标准煤约1.2万t，大大降低了煤耗。目前，DG 450/9.81-1型循环流化床锅炉效率大于91%，有效提高了锅炉效率，经济效益显著提高。