流化床煤泥掺烧影响及改造分析研究

程伟良，赵国庆，郗士杰

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.大唐环境产业集团股份有限公司科技工程公司，北京 100097；3.大唐武安发电有限公司发电运行部，河北 邯郸 056300)

0 前言

为应对煤炭市场变化，根据国家和地方的配煤掺烧政策，目前已把配煤掺烧做为设备挖掘潜力和降低成本提升效益的重要手段。在满足生产设备安全、环保运行的条件下，采用实时掺烧、精细掺烧、科学掺烧，寻求最优的煤种掺配方案，实现综合成本最低的效益目标。制定配煤掺烧方案及配煤掺烧标准，进行配煤掺烧实时监控，给配煤掺烧提供数据基础和分析依据，形成结合负荷情况的科学配煤方案。

就我国的煤炭资源而言，经过多年机械化开采后，矿脉所蕴含的煤日趋“贫、细、杂”化，开采和分选成本不断增大，还要脱硫降灰，以便于煤的洁净利用，减少后续污染物处理及环境排放[1-2]。而产生的煤泥属于煤炭加工产业的废弃物，其燃烧排放特性同污泥相似[3-4]，是煤矿采煤后进行湿法选煤生产的尾矿残留，含有一定量的水粘稠物煤粉，具有粒度细、水分和灰分含量较高、热值低、粘结性较强、内聚力大、持水性强、不易分离的特点，不仅经济效益差，还不便运输、不好直接利用。其发热量一般为8.37～18.84 MJ/kg，70%～90%比例的颗粒粒径处于75 μm与150 μm之间，水分一般处于25%～40%范围内，灰分也在40%以上。而煤泥粒度越小，重力作用也就越小，其颗粒的布朗运动会强烈。另外，煤泥颗粒界面之间吸附、溶解、化合等相互作用，使得煤泥与水的结合性质相当复杂[5-6]。煤泥燃烧前的处理方式一般分为直接晾晒、粘稠膏状挤压或热力干燥。直接晾晒的方式简单可靠经济，膏状挤压方式不需要预处理，而预处理最复杂但对锅炉燃烧经济的方式就是热力干燥，干燥后的水分可控制在20%左右[7]。

随着国家对于环境保护力度的加强，原煤平均洗选率已提高至65%以上，因此煤矿洗选的煤泥、煤矸石、洗中煤等副产物也在增加，每年有3亿t以上[8]。到2020年，国家要求原煤入选率须达到80%以上。据统计，典型的煤炭加工业副产品固体废物(如煤泥、浮选废料、中煤和尾矿)至少占原煤总量的10%～15%，煤泥产量将超过4亿t[9]，不同地区的煤泥燃烧热值相差9%～15%。近些年，随着采煤设备效率提升和国家要求洗选比例的增加,煤泥产量在逐年增加。因此，有必要合理使用煤泥这种洗选矿副产物。而采用掺烧技术不仅可以获得煤泥与动力煤之间差价效益，节省大量动力煤费用，同时还可以降低锅炉磨损、减少灰渣排放量，提高锅炉运行可靠性、延长锅炉寿命，还可进行环境保护及废弃物回收资源化。

当进行煤泥与动力煤的煤粉炉掺混燃烧时，掺烧量小于10%时，对锅炉稳定燃烧和运行影响不大。反之，随着煤泥掺混比例的增加，会使炉内局部温度升高，烟气污染物SO2和NOx的排放浓度也会有一定上升[10]。另外，由于煤泥的着火温度较低，更容易着火，但燃烧速率低，容易产生凝聚结团的爆燃现象，因此燃烧的稳燃性较差[11-12]。

本文所研究的300 MW循环流化床锅炉，共布置有八个给煤口，全部布置于炉前，沿宽度方向均匀布置。六个排渣口布置在炉膛后水冷壁下部，分别对应六台滚筒式冷渣器。本配煤系统配置二级筛碎系统。一级筛碎系统(粗碎)布置在一级碎煤机室内，位于贮煤筒仓之前。从二级筛碎系统(细碎)出来的合格颗粒直接进入锅炉燃烧。

流化床锅炉进行掺烧煤泥发电，其掺烧煤泥方式为自然晾晒干燥后的煤泥，混入原煤送进锅炉燃烧，掺烧比例约为40%。煤泥的挥发分为23%，固定碳为27.18%，灰分为45.63%，低位发热量为10 440 MJ/kg。在掺烧过程中，出现了入炉煤粒径不合理及堵塞的问题，通过分析及系统技改完善，最终实现了科学合理的大比例煤泥掺烧。

1 配煤掺烧过程中关键问题

1.1 入炉煤粒径

不同煤泥的释放热量不同，且随粒径的增大而减小，这与煤泥中挥发分和灰分的含量有关[13-14]。在配煤掺烧过程中，随着混煤的颗粒尺寸增大，内氧的扩散变慢，导致燃烧过程变慢，点火延迟和燃尽时间增加。

由于多煤种混配，及煤质变化较大，且硬度较高，输煤破碎系统的碎煤机、筛煤机出现不适应问题。粘煤、堵煤现象频发，设备磨损增大。根本原因是入炉煤粒径超标得不到有效控制。虽经过两级破碎和筛分处理，但入炉煤中8 mm以上大颗粒明显偏多，远远超过设计值，具体数据如表1所示。较大的入炉煤粒径对于循环流化床锅炉的燃烧工况极为不利，极易造成超温和排烟损失增大，锅炉运行的温度情况见图1所示。

表1 入炉煤实际粒径与设计粒径比较

图1 流化床前后墙的温度分布

由于入炉煤粒径较大，大颗粒进入炉膛后，由于其终端沉降速度较大，一次风的拖拽和夹带作用不足以将其带出炉膛，造成大部分床料沉积在炉膛下部，炉膛密相区物料浓度增加，稀相区物料浓度下降。在该流化床锅炉发电机组负荷为280 MW时，炉膛压差变小，仅为600 Pa左右，表明其炉外灰循环量明显不足。而炉膛换热系数与循环灰量相关，循环灰量减少时将大大降低炉膛换热，造成炉膛内换热减少，床温偏高[15-16]。在锅炉总风量达到满负荷额定风量100万Nm3/h时，平均床温高出设计值，仍高达972 ℃。由于煤泥热爆、磨损导致相对粒度减小，煤泥团从而可上浮至炉膛中部以上部位，当大量细小煤泥团在此区域燃烧放热时，单位时间内煤泥燃烧量增加，小颗粒上浮至炉膛上部燃烧并释放出热量，导致炉膛温度升高，使燃料的SO2和NOx析出量增大，排放浓度呈上升趋势[17]。

1.2 燃烧水分影响

由于40%的大比例掺烧煤泥后，水分偏高，长期维持在8.5%左右，最高达到10%，造成输煤系统筛网、衬板及碎煤机粘煤、堵煤严重。燃煤颗粒进入煤仓后，由于其粘度大，流动性大大降低，煤仓内粘煤严重，给煤机断煤情况非常频繁，开始时每台炉平均每天300次左右,雨水季节最多可达1 000次。堵煤会引起炉膛内风量、煤量分布不均，破坏燃烧稳定性，造成床温偏差明显升高(见图1)，这不仅导致飞灰可燃物升高，降低锅炉燃烧效率，还会使氮氧化物排放量短时间内急剧增加，影响环保指标控制。堵煤特别严重时，还会因床温偏差过大造成炉膛内结焦。同时，多台给煤机堵煤甚至可能引起锅炉灭火，影响机组正常运行。

2 配煤过程完善后效果分析

经大比例煤泥掺烧后，所有受热面要经过长时间运行考验，分析锅炉受热面磨损、腐蚀和结焦情况程度。当煤泥在炉内燃烧时，由于煤泥颗粒很细，因此炉内燃料颗粒总粒度减小，这时可通过降低一次风量来减少流化速度，进而减轻锅炉磨损。同时，烟气的水蒸气含量略有提高，此时排烟的酸露点低于排烟温度，即可没有结露、腐蚀的风险。而由于动力煤及煤泥的颗粒不均及特性不同，使得原来的流化床破碎系统出力不够，同原来相比颗粒均匀度差别很大，大颗粒比例偏多，同时由于水分大，导致流动缓慢甚至经常堵塞给煤机，因此需要采取相关技术来加以解决。

首先，对于入场的煤要先进行预破碎，特别是大块煤先经过专用破碎机进行预破碎，使粒径大幅度降低。再把正常破碎后的煤进行掺配，从而有效的控制后期煤粒径。

然后，在一级筛碎系统中，为使煤能很好地进行破碎、分离、再处理，在筛煤机旁路挡板附近增设链条分流及清扫装置，并增容筛轴电机功率，以满足出力增大的需求。在二级筛碎系统中，采用高幅振动筛，其筛网由特钢棒条和框架组成。棒条呈纵向排列，除了整块筛网在振动以外，每根棒条也存在着活动间隙，并做二次振动，能最大限度消除湿粘原煤对筛网的粘结，减轻筛板粘煤，提高筛分效果，并降低了对后续细粒碎煤机锤头衬板的磨损，同时也分流了细碎机的不同进料粒级，以免颗粒太细导致过破碎和堵煤，确保入炉煤粒度合格，使锅炉稳定运行。

最后，在给煤机上部设5层15支空气炮清堵装置，用于振打给煤机上部管路积煤，下部加设刮板式旋转清堵机。这种给煤机“上部空气炮+下部旋转清堵机”的联合清堵系统，增加了给煤机入口燃煤的流动性和稳定性。通过试验，机组运行期间的给煤机断煤次数大大降低，堵煤降为每天大概3～4次，大大改善了炉膛内部燃烧不均衡，床温偏差较大的情况，有效地保证了锅炉的正常运行。

在进行系统掺烧改造后，增大了筛煤机振动幅值，提升筛煤机筛分效果，进而降低碎煤机运行时堵煤、粘煤的频次。通过入炉煤粒径进行采样分析，发现入炉煤3 mm以下颗粒明显增多，比例增加5.44%，而10 mm以上颗粒占比下降0.54%，使入炉煤粒径偏大的情况得到明显改善，从而使得入炉煤粒径合格率大大提高(见图2)。

图2 煤泥掺烧前后的入炉煤粒径对比

在入炉煤粒径分布得到合理改善的同时，炉膛内的大颗粒床料及时排出，并循环回炉，不仅避免了因大颗粒床料沉积造成流化不良的情况，而且增加了循环灰量，提高了炉内换热效率，有效降低了床温[18]。炉膛差压由原来的600 Pa升高至1 000 Pa，稀相区物料浓度明显升高。同时，由于循环灰量的增加，炉膛内换热系数升高，同掺烧改造前相比，平均床温由973 ℃下降至943 ℃(见图3)。同时合理控制粒径，使得燃烧反应总体温度平稳，有利于控制热力型NOx的生成，这样就解决了高负荷下床温偏高的问题。改造后炉膛差压提高，物料循环及流动性科学合理，而且炉内产生的二氧化硫、氮氧化物排放趋于稳定。总的来说，针对煤泥掺烧进行的系统改造后，对锅炉运行的影响不大，而经济性可观[19]。

图3 流化床前后墙的掺烧后温度分布

3 结论

为实现大比例煤泥掺烧，进行了破碎系统及炉内换热分析。结合锅内燃烧特点及输煤系统运行参数分析，通过输煤系统增容和加装高幅振动筛，并以空气炮和清堵装置的集成技术强化防堵，使入炉煤粒径偏大的情况得到明显改善。破碎后的入炉煤粒径3 mm以下颗粒比例增加5.44%，而10 mm以上占比下降0.54%。并因此稀相区物料浓度明显升高，增加了流化床燃烧的循环灰量，炉膛差压由原来的600 Pa升高至1 000 Pa，进而提高了炉内换热效率，有效降低了床温。同掺烧改造前相比，使平均床温下降了30 ℃。在机组掺烧低价劣质煤泥后，全年共掺配煤泥约70万t，为企业增效创收取得了良好的效果。