影响循环流化床锅炉飞灰中碳未燃尽损失因素的探讨

2013-08-15福斯特惠勒能源管理上海公司肖明洋

上海节能 2013年1期

福斯特惠勒能源管理（上海）公司肖明洋

0 前言

经过近几十年探索与发展，循环流化床技术已经成为很有竞争力的洁净煤技术，目前循环流化床锅炉技术已趋于成熟,锅炉的单机容量已经达到600MW。全球在建的最大的超临界600MW循环流化床锅炉已于2012年7月在四川白马电厂工地完成了水压试验；在国际方面，由FW(Foster Wheeler)公司设计并提供设备，安装在波兰的460MW超临界CFB锅炉已经进入了商业运行，安装在韩国的4台550MW超临界CFB也以完成了设计，正在进行设备制造，预计在2015年试运行。

1 问题的提出

由于循环流化床锅炉洁净燃烧技术发展时间相对较短，虽然国内在循环流化床锅炉设计、安装、调试、运行及维护、改造中积累了大量的经验，对于CFB锅炉的一些具体的概念的认识或者探讨，会有利于CFB将来更大的发展。本文试图对中小型CFB锅炉中飞灰中碳未燃尽损失（UBC）进行分析，并希望能够对该项技术的发展起到一点作用。

国外大量的燃烧褐煤等高反应性燃料的实践表明，循环流化床锅炉飞灰含碳量非常低，但实际上我国绝大多数循环流化床锅炉多燃用低反应活性的烟煤、贫煤、无烟煤以及矸石等劣质燃料，飞灰含碳量比期望值要高出许多，尤其是低挥发高热值燃料，燃烧率更低。高飞灰含碳量使得循环流化床锅炉的市场竞争力下降。

资料表明[1][2]，中小型循环流化床锅炉飞灰含碳量是一个比较普遍的问题,燃用无烟煤的循环流化床锅炉，飞灰含碳量可高达20%左右，远高于飞灰综合利用的要求（要求飞灰含碳量不大于7%）。因此对于中小型循环流化床锅炉飞灰中未燃碳损失的探讨，具有一定的现实意义。

2 CFB锅炉燃烧的具体特点及控制和优化

同煤粉锅炉一样，CFB锅炉内的燃烧过程是一个较为复杂的过程，中间所涉及的因素较多，对炉膛内的燃烧进行研究，对飞灰粒径的分布探讨，有助于飞灰中UBC的控制以及燃烧效率提高。

2.1 CFB锅炉燃料燃烧的特点

一定宽度筛分的煤进入流化床中燃烧，是一个复杂的过程，除了受燃料本性如挥发分含量、反应活性、颗粒粒度分布影响外，还受到流化状态、氧气扩散条件、温度等众多因素的影响。

最新的研究表明[3][2]，循环流化床中的单颗粒与鼓泡床燃烧过程没有太大的差异。但对于整体而言，燃烧颗粒并非独立燃烧，而是与床料形成群体，这种气固两相流的燃烧与气固两相流流动具有明显的关系，亦即事实上循环流化床与鼓泡流化床燃烧过程和机理是截然不同的两种行为。

分析燃料的燃烧过程，煤粒子进入燃烧室中，经历了如下一个连续过程:

1）加热和烘干（准备过程）；

2）挥发分析出和挥发分燃烧；

3）膨胀和一次破裂（某些类型的煤）

4）焦炭燃烧、二次破裂和磨耗。

实际上煤在流化床中的燃烧过程并不简单地以上述几个步骤地划分为几个阶段，而是几个过程会同时进行，例如挥发份和焦碳的燃烧阶段存在着明显的重叠现象。

2.2 燃烧的控制和优化

目前对于CFB锅炉运行燃烧优化调整，主要从以下几个方面入手：

○燃煤粒径分布；

○风量（氧量）控制；

○一、二次风比例；二次风穿透能力；

○运行料层（风室压力），床压、床温的控制；

○提高分离器分离效率

○飞灰再循环系统

1）燃煤粒径分布

虽然CFB具有燃料适应性广的特点，对于特定的CFB锅炉其对燃料的粒径分布是有一定要求的，CFB锅炉对入炉煤的粒径要求视煤种而异。一般来说低挥发份的煤粒径应小，高挥发份煤粒径应粗些，因为高挥发份煤在炉内燃烧时更容易爆裂和破碎成细颗粒,且相对更容易燃尽。因此应根据煤种不同对煤的粒径分布提出不同的要求。

由于循环流化床具有燃料适性广，稳燃负荷相对较低，并易于燃烧劣质或难燃烧的煤种的特点，因此在实际中，人们往往忽略了燃料粒的控制。虽然CFB锅炉具有燃料适应性广的特点，但对于按照某一煤种设计的锅炉，其燃料的粒径范围应是一定的，偏离设计范围的入炉燃料肯定会对锅炉的正常运行造成一定的影响。

化石，是指在一定地质历史时期形成的、保存完好的、具有一定科研价值和观赏价值的、被石化的古生物遗骸，如贵州龙化石、海百合化石、珊瑚化石、恐龙蛋化石等。

资料表明，由于设计理念的差异和对锅炉燃烧控制的不同，世界上各公司对同一煤种设计的粒径分布也是有一定差异的。经验表明，合理控制煤的粒径分布，对提高燃烧效率，降低UBC是起到关键作用的。

2）运行风量与一、二次风比例调整

风量及一二次风比例的调整可以有效地改善炉内风、煤、灰的混合程度，提供最佳的燃料、供风混合方式。如果配风比例不当，二次风的穿透能力不够会导致炉膛二次风上部有一个贫氧核心区，这是由于扩散效果不佳而使氧气不能到达炉膛中部的结果，这对于核心区细颗粒的燃烧产生了负面影响。分析认为，目前国内100MW及135MWCFB锅炉存在的飞灰可燃物含量高，部分原因应该是由于二次风穿透能力不足引起的。燃烧调整优化运行参数，二次风的调整是一个重要手段。

目前国内135MWCFB锅炉一般情况下一次风占55%～65%之间，二次风（包括播煤风和上二次风）占45%～35%左右，具体的一二次风的分配要结合具体的煤种及锅炉的结构设计和燃烧的实际控制来确定，但二次风口的布置及同给煤口的配合对UBC的影响还需进一步研究。

3）床压及床温的控制

降低炉膛压降运行[4]，可以降低底部密相区和过渡区物料浓度，增加二次风的穿透能力，使得更多氧气进入中央贫氧区，加强气固混合并提高碳的燃烧效率，进而降低了飞灰中的含碳量。

较高的床层温度及较高的炉膛高度无疑有助于降低飞灰含碳量，改善气固混合（二次风布置和穿透能力），有助于提高炉膛核心贫氧区的氧量，从而提高燃烧效率。但是考虑到SOX/NOX对床温的要求和限制，提高床温不应作为降低UBC的主要手段。

4）飞灰粒径分布的影响

到目前为止，已有许多关于循环流化床中碳颗粒燃尽问题的报道，主要集中在实验模拟煤在炉内燃烧过程中其反应活性随燃烧时间和燃烧温度的变化过程。利用单颗粒等径缩核模型计算出，焦炭粒子的燃尽时间随粒径变化曲线呈峰值特征，40-50um的颗粒相对难燃尽。燃料本身燃烧反应活性对飞灰含碳量有重要影响，不同煤种对应的飞灰含碳量分布有差异。较高的床层温度及较高的炉膛高度无疑有助于降低飞灰含碳量，改善气固混合（二次风布置和穿透能力），有助于提高炉膛核心贫氧区的氧量，从而提高燃烧效率。

试验表明[4]，在40-50um区域含碳量出现峰值，这是由炉膛内燃烧过程中传热，传质及灰壳形成及分离效率决定的。在100um附近飞灰含碳量最低。这是由于在工业循环流化床中，固体可以在床内的停留时间呈峰值分布，峰值主要由分离效率和排渣效率决定，100um颗粒停留时间最长，因此区域的碳颗粒燃尽程度最低，导致此种分布的原因还包括不同粒径碳颗粒的燃尽时间的不同。

结果表明[5]:循环流化床锅炉燃烧过程中焦炭反应性逐渐下降;焦炭燃烧过程中发生的爆裂、磨损、失活等行为与煤种有关,对循环流化床锅炉飞灰碳燃尽有很大影响.气固混和不均匀是导致较高的飞灰含碳量的原因之一。

3 旋风分离器分离效率

目前分离器直径一般在6.5～9m之间。影响分离效率的主要因素包括切向进口风速、烟气温度和粘度、灰粒径、进口颗粒浓度以及分离器自身的结构尺寸等等[6][7][8]。上述因素在理论方面已有较多研究，这里不再赘述。

很容易理解，高的分离器效率是对降低UBC有帮助的，资料表明[3]多数循环流化床锅炉飞灰可燃质集中在20-70um的细颗粒中，这个基本事实必然使人们认为分离器的临界粒径d100最好能推进到20um左右，从而获得较高的燃烧效率。事实上，循环流化床锅炉用大型分离器的临界粒径d100是难以达到这个指标的，许多国外循环流化床锅炉飞灰含碳量很低的原因不能完全用分离器解释。

4 飞灰再循环系统

所谓的飞灰再循环系统是把锅炉尾部电除尘器一电场收集的飞灰再送入锅炉的炉膛密相区进行燃烧，设计使用飞灰再循环系统是降低UBC的手段之一。燃烧石油焦的锅炉一般都设计有飞灰再循环系统，据国内某炼化企业资料[9]，投用该系统后，锅炉效率从89.67%提高到92.37%，每年节约石油焦的费用约135.6万元（约2004年价格水平）。