300MW循环流化床锅炉掺烧固废耦合发电运行技术探索

福建华电永安发电有限公司 许睿明

Y公司现有两台300MW循环流化床燃煤发电、供热机组。其中，7、8号机组分别于2011年、2012年投产。锅炉采用DG1025/17.4—Ⅱ18型锅炉与300MW等级汽轮发电机组相匹配，可配合汽轮机定压或滑压启动和运行。锅炉为亚临界参数循环流化床汽包炉，自然循环，单炉膛，一次中间再热，汽冷式旋风分离器，平衡通风，露天布置，燃煤，固态排渣。其工业固废掺烧项目生产线于2017年5月投入试运行，经系统调试及设备完善后，单条生产线出力可达20t/h，共两条生产线。

图1 固废耦合发电系统流程示意图

固废储存车间的存料通过叉车运输至拆包区，由拆包人员进行解包；解包后的物料通过叉车进行打散，并由叉车并推至地沟中的链板机；链板机将物料送至破碎机，物料经过破碎机破碎后落至破碎机出口的出料皮带；经过均料、除铁后进入输送皮带；输送皮带将物料输送至转运站；由犁料器将物料犁至发送器内，与高压输送风混合后的物料被送入锅炉旋风分离器J阀的返料腿处，进入炉膛内部燃烧。

1 掺烧固废对锅炉运行的影响

1.1 对机组效率的影响

通过机组掺烧固废比对试验的数据，发现在掺烧固废时，机组能耗指标与不掺烧固废的工况相比较，固废在锅炉内的燃烧对于锅炉效率的影响不大，体现在相同工况下，掺烧与不掺烧固废的煤耗指标基本接近。而厂用电率的变化较大，分析其原因是固废系统所使用的气力输送，其风压由高压罗茨风机建立，输送风系统压损失，耗电量大，是掺烧固废工况下厂用电率大的主要原因。

表1 掺烧固废工况比对试验数据

1.2 对烟气排放的影响

通过进一步比对发现，在掺烧固废的工况下，机组所使用的石灰石、生石灰、尿素的用量明显大幅增加，分析是由于固废输送系统的稳定性不高，进入锅炉内的燃料量频繁大幅波动，导致炉内工况波动大，烟气排放不达标，最终造成环保耗材的用量大幅增加。在试验中对比固废系统投入前后锅炉烟气SO2排放指标情况，固废系统投入后SO2波动幅度及频次显著增加。

固废系统投运前：SO2瞬时排放浓度在0～100mg/m3范围波动，且SO2瞬时排放浓度超过50mg/m3的次数小于5次/天；固废系统投运后：SO2瞬时排放浓度波动范围扩大到0～400mg/m3，且SO2瞬时排放浓度超过50mg/m3的次数均值约在30次/天。分析机组运行历史数据，发现Y公司自2020—2022年，烟气排放指标共超国标30次，其中因固废掺烧扰动造成烟气排放指标超国标的共有11次，占比33.3%。在烟气排放超标的小时段，采取停止固废系统运行的方式来稳定锅炉烟气排放，一定程度上限制了固废的掺烧量。

1.3 对机组设备运行的影响

固废气力输送管道与锅炉连接的位置在旋风分离器J阀回料腿上，即通过锅炉的后墙进入炉内。因气力输送系统风压高，折算固废入炉初速度可达60m/s，对前墙浇注料及水冷壁的磨损明显加剧。同时，因固废入炉管的方向近乎垂直于热一次风（流化风）的入炉方向，对循环流化床的流化状态起到显著的扰动，在低负荷、低热一次风（流化风）量的运行工况下，固废流量的大幅波动容易引发锅炉“翻床”现象的发生，威胁机组运行安全。

因固废物料形状多呈5cm×10cm左右的长条状，当前系统中的除铁器对于物料中夹带的铁件处理效果不理想。锅炉在掺烧固废长周期运行后，停炉检修时可清理出1t以上的铁件，大部分铁件尺寸呈长条状，类似于钢筋，与长条状的物料缠绕在一起被送进锅炉后，难以通过锅炉后墙排渣口排出，从而在密相区变成床料的一部分；部分铁件缠绕在布风板风帽的孔洞上，对炉内流化产生不良影响。在固废流量大幅波动时，因锅炉密相区燃烧减弱，低氮分级燃烧效果变差，空气过量系数上升，烟气中NOx的数值明显增加；为控制NOx排放，SNCR系统的尿素喷枪出力增加的同时，氨逃逸率也显著增大，从旋风分离器逃逸走的氨分子在空气预热器中形成硫酸氢铵，进而造成了严重的板结灰[1]。

此外，邱国华、徐鹏志等对该电站锅炉炉后的板结灰、锈样进行SEM扫描、能谱分析，研究发现，该电站锅炉引风机动叶的严重的腐蚀来自Cl腐蚀，空预器中的板结灰、脱硫塔后布袋除尘捕集的脱硫灰也出现了Cl元素富集的现象[2]；而煤炭中的含Cl量极其稀少；现场调查发现，固废中夹带了很多塑料件，塑料中的聚氯乙烯在高温燃烧下会分解为HCl，严重腐蚀设备，即说明固废的掺烧加剧了炉后设备的腐蚀。

2 适应掺烧固废的运行方式探索

从DCS历史数据可以发现，固废系统单路运行时，因系统堵塞等因素造成的物料中断，频次可达15次/小时；固废单路运行的皮带秤瞬时流量在0～60t/h波动。固废中大部分成分以纺织业边角料为主，其燃料特性与类似于高热值的低硫褐煤，其低位发热量普遍在5000大卡以上，挥发分普遍在80%以上，灰分普遍在10%左右，含硫量在0.1%以下；在实际运行中，相比于锅炉的设计煤种无烟煤，固废的燃烧速度极快。

以300MW循环流化床机组带80%负荷为例，240MW负荷下机组给煤量约120t/h，在固废系统全出力掺烧的工况下，给煤量最低可减少至60～80t/h，若出现双路固废同时断料的情况，没有及时补充燃煤，或补充进去的燃煤无法快速燃烧，锅炉能产生近似与MFT（主燃料跳闸）一样的现象，严重威胁机组安全稳定运行。因此提升固废系统运行稳定性和优化锅炉燃烧控制的逻辑成为掺烧固废运行管理的重点。

2.1 提升固废系统运行的稳定性

源头采购方面。目前，市场上固废供应商大多提供5cm×10cm尺寸的二道破碎料，经厂内破碎机破碎后，固废尺寸仍不理想。固废尺寸偏大体现在发送器频繁堵塞、破碎机入口仓体偶发搭桥的现象上。因此，可从源头进行改善，通过减小入厂固废的尺寸，使其尽可能达到5cm×5cm，将对固废系统运行稳定性有较大的提升。当地河道的水葫芦、林业产业的废弃笋壳因尺寸小，掺烧产量也十分可观。此外，收购尺寸更小的成型燃料棒（RDF）也是一个可选项，但目前市面上RDF的价格高昂，比起燃煤不存在太大价格优势。

入厂验收方面。确定来车身份固废燃料具备合格的转运单，来源地与联单所登记的保持一致；来料到厂后，验收人员应对整车物料进行外观检查，料包表面不得夹带皮、革、塑料等危险废物，不得出现恶意灌水，来料尺寸、单包重量应符合合同约定标准等。每车进行解包抽查，检查是否含有金属类物质、非金属类硬质材料、易燃易爆、辐射、医疗废弃物等其他有毒有害物质等；通过完善的固废验收管理办法，保证入厂固废尺寸合格，品质符合标准。

现场人员方面。现场应规范上料的标准，制定人员行为规范。规定现场叉车推料必须将物料厚度控制在一定范围，防止破碎机入口搭桥；拆包后的长绳不得直接送入链板机，应现场另行破碎后再送入链板机，防止出现长绳与物料缠绕发生团聚，在气力输送管道中发生堵塞的现象；遇物料有板结或结团时，堆放在专门区域，使用抓车进行抓散后再进行上料作业。

库存管理方面。与火电厂的煤场管理类似，固废库存管理也应遵循“分堆存放，烧旧存新”的原则。现场长期运行发现，堆放时间超过1个月的固废，其中含有的工业胶水等物质发生性质变化，出现物料板结的现象，曾出现尺寸100cm×50cm以上的板结物料，对现场破碎工作非常不利。同时，对应不同的固废供应商，对其入厂物料进行分堆存放；可在日后进行物料抽检，对其含铁件率、含塑料率进行考核，以约束供应商行为。

2.2 优化锅炉燃烧控制

2.2.1 燃料配置方面

循环流化床锅炉的燃料适应范围广，但其运行过程中须一定量的循环灰；掺烧固废运行，应考虑配合燃用高灰分的烟煤、无烟煤。Y公司300MW循环流化床锅炉配备四个煤仓，每个煤仓对应两台给煤机，前墙给煤。掺烧固废工况下，现场将中间两个煤仓使用高灰分的煤种如无烟煤，边上两个煤仓使用褐煤，主要考虑通过高灰分的无烟煤补充循环灰，同时锅炉中间区域床温比两边区域高，有利于难燃煤种燃烧；高挥发分的褐煤的使用有利于在固废流量大幅减少时，入炉后快速燃烧。当煤场库存缺少高灰分的煤种时，现场不具备燃用高灰分煤种的条件，应视运行工况；若床压不能维持，循环灰量大幅减少，应投入启动床料系统进行床料添加。

2.2.2 运行调整方面

掺烧固废对集控监盘人员的操作要求较高；由于燃煤燃烧时间与固废燃烧时间存在较大差距，在固废系统投入运行前，监盘人员需提前减少燃煤入炉量，避免出现固废与未燃尽的大量燃煤集中燃烧，发生局部“爆燃”现象。由于固废输送风从后墙返料腿进入，相应减小后墙的下二次风量，全开前墙下二次风各支管就地手动门，尽量使锅炉内部风场接近原始设计状态。上层二次风门根据氧量和床温情况以及锅炉负荷尽量开大或全开，以达到循环流化床分级配风燃烧降低NOx产生量。

2.2.3 热工逻辑方面

Y公司的热工人员针对掺烧固废工况改进了机炉协调控制系统，但机组AGC功能在掺烧固废工况下难以适应。机组协调控制模式下，燃烧自动控制系统主要依据机组汽压、氧量的同时参考固废输送皮带秤3min流量均值来进行增、减煤操作；存在以下问题。

循环流化床热容量大，当固废系统流量大时，汽压升高，氧量降低，此时燃烧自动控制系统自动减少给煤量，而后固废系统发生断料，短时汽压还处在高位，氧量仍处于低位状态，固废输送皮带秤均值计算中仍有数值，燃烧自动控制系统并不会增加给煤量，待汽压下降，氧量回升时，烟气NOx排放值已大幅超标，此时燃烧自动控制系统逐渐将给煤量增加到超过当前锅炉负荷所需要的数值。若无人为进行干预，当固废系统疏通恢复运行后，大量固废入炉，与超量的燃煤混合发生爆燃，将造成汽压急剧升高，汽温、金属壁温超温，锅炉氧量过低，SO2排放值严重超标的后果。

3 系统改进方向

对照当前固废系统运行中产生的问题，该系统可从设备、热工逻辑两个方面进行改进。设备方面：目前发送器频繁堵料是制约系统产量的关键因素。从系统改造的角度看，在发送器上方增设缓冲仓和中心给料机，物料通过输送皮带送至缓冲仓，再通过缓冲仓底部的中心给料机将物料推进发送器，理论上能够减少发送器频繁堵料的情况。针对长周期运行，大量铁件沉在炉膛密相区无法排出的情况，需对炉底进行排铁件功能改造。对于炉后系统的氯酸盐腐蚀，应从源头进行燃料分拣解决问题；热工逻辑方面：继续优化燃烧自动控制系统，在DCS系统上增设固废与燃煤的折算系数，使其可实时修改；燃料主控器需跟随固废流量，合理地对给煤量进行实时增减，才能使固废系统与烟气排放、机组AGC功能相适应。

Y公司的固废系统升级改造，为循环流化床锅炉处置生物质、固废提供了一条简单易行、成本低、见效快的改造之路；当前系统优化改进后，理论上可实现日掺烧固废量1000t。其改造之路将为广大循环流化床机组实现“燃煤为主，固废为辅”向“固废为主，燃煤为辅”转型提供宝贵经验。