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首页 > 学术论文库 > 理工论文 循环流化床锅炉飞灰含碳量的影响因素与调整控制

循环流化床锅炉飞灰含碳量的影响因素与调整控制

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2019-12-20 10:18:03    来源:    作者:xuekanba

摘要:循环流化床是一种新型的燃烧技术,具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点,在世界范围内得到了广泛的应用。但流化床(CFB)锅炉同时存在飞灰含碳量偏高的现象,而飞灰含碳量往往影响锅炉的燃烧经济效率,通过对影响循环流化床锅炉飞灰含碳量的因素进行试验分析,从而优化运行调整手段和控制方式,降低飞灰含碳量,提高锅炉效率。

关键词:循环流化床锅炉;飞灰含碳量

引言

华电淄博热电有限公司#3、4机组为2×145MW供热机组,锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的高温超高压、一次中间再热、自然循环CFB锅炉,于2003年投入生产;近两年#3、4锅炉飞灰含碳量逐渐偏高,在8-11%之间,为摸清锅炉飞灰偏高原因,降低飞灰含碳量,提高机组运行经济性,对运行配风等运行方式进行对比试验、分析,从而优化运行调整和控制方式。

1 设备概况

#3、4锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的HG-465/13.7-L.PM7型高温超高压、一次中间再热、自然循环CFB锅炉,设计燃用贫煤、固态排渣。采用水冷布风板,大直径钟罩式风帽,燃烧室内布置双面水冷壁,屏式Ⅱ级过热器和高温再热器;采用两个直径8.08米的高温绝热旋风分离器。

一、二次风采用分级配风,一次风经布风板给入,二次风喷口布置于炉膛密相区,分上、下二次风箱,共26个喷口,前墙布置给煤、石灰石系统,密封风均取自二次风。

锅炉配两台一次风机、两台二次风机、两台液粘调节吸风机,三台高压流化风机,双室四电场静电除尘器。

2 飞灰含碳量的生成机理

根据相关资料表明,从密相区扬析出的细小焦炭颗粒是飞灰中未燃碳的主要来源。煤粒在循环流化床内的燃烧是流化床锅炉内所发生的最基本而又最为重要的过程。它涉及到流动、传热、化学反应及若干相关的物理化学现象。当煤粒通过给煤机给入流化床后,将依次发生如下过程:①煤粒得到高温床料的加热并干燥;②热解及挥发分燃烧;③对某些煤种会发生颗粒膨胀和一级破碎现象;④焦炭燃烧并伴随着二级破碎和磨损现象。实际上煤粒在流化床中的燃烧过程,并不能简单地以上述步骤绝对的划分成各阶段,往往有时几个过程会同时进行,挥发分和焦炭的燃烧阶段存在着明显的重叠现象。

煤粒在进入高温流化床后,受到炽热床料的快速加热,首先是水分蒸发,然后当煤粒温度达到热解温度时,煤粒发生脱挥发分反应。由于热解的作用,颗粒物理化学特性发生急剧的变化,对有些高挥发分煤,热解期间将伴随一个短时发生的拟塑性阶段,即颗粒在热解期间经历了固体转化为塑性体,又由塑性体转化为固体的过程。对于大颗粒煤来讲,由于温度的不均匀性,颗粒表面部分最早经历这一转化过程,即在颗粒内部转化为塑性体时,颗粒外表面可能已固化。因此,随着热解的进行以及热解产物的滞留作用,颗粒内部将产生明显的压力梯度,一旦压力超过一定值,已固化的颗粒表层可能会崩裂而形成破碎。对于低挥发分劣质煤,塑性状态虽不明显,但颗粒内部的热解产物克服致密的空隙结构才能从煤粒中逸出,因此颗粒内部亦会产生较高的压力。另外,煤粒投入床内后受到高温颗粒群的挤压,大颗粒内部温度分布不均匀引起的热应力,以及流化床中气泡和颗粒絮状物上升引起的压力波动等均会影响到燃料颗粒的破碎特性。

煤粒破碎的直接结果使煤粒投入床内后很快形成大量的细小粒子,有些细小粒子在挥发分析出后成为活性较低、不易燃尽的焦炭粒子。特别是一些可扬析粒子的产生会影响锅炉的燃烧效率。颗粒的扬析夹带理论和大量的运行实践均已证明:含有可燃物的细颗粒以扬析夹带形式离开流化床,是影响燃煤流化床锅炉效率的主要因素,而从这部分燃烧损失的组成来分析,除给料中一些可扬析细煤粒造成的扬析损失外,一些较大的颗粒由于破碎和磨损而生成大量的细颗粒,并以扬析夹带形式离开床层造成的燃烧损失也不可忽视。

3 飞灰含碳量的影响因素

循环流化床锅炉飞灰中的含碳量直接反应出锅炉中燃料燃烧的程度大小,影响着锅炉的燃烧效率,与电厂机组的经济性紧密相连。根据相关资料表明,循环流化床锅炉飞灰含碳量每降低3%,锅炉实际热效率提高1%,锅炉飞灰含碳量每上升1%,标准煤耗约增加1.0~1.3g/kwh。过高的飞灰含碳量不仅增加燃料消耗量,增大电厂发电成本,而且对锅炉的安全运行造成很大的威胁,容易发生锅炉结焦和尾部烟道二次燃烧,同时降低了设备的使用寿命,降低电除尘器的效率,造成环境污染。因此研究如何降低飞灰含碳量是目前循环流化床节能降耗的一个重要方向。

影响循环流化床锅炉的飞灰含碳量的因素很多,从设计上主要有循环流化床的高度以及分离器的分离效率等,但对设计上的改变需要相当复杂的计算和校验,专业性较强,工作量庞大,因此主要在实际运行中寻找影响飞灰含碳量的因素,并加以调整、控制,达到降低的目的。

在实际运行中,主要通过调整燃煤热值、粒度、氧量、流化风量、负压、床压、床温等手段提高燃烧效率,降低飞灰含碳量。

4 燃煤粒度的控制

在循环流化床锅炉中,固体颗粒在炉内有着重要的作用,单颗炭粒的燃烧速度随着炭粒尺寸的增大而急剧增加,这是由于炭粒表面积增大的缘故,但粒径的增加却会延长煤粒的燃尽时间。对单位重量燃料而言,粒径减小,粒子数增加,炭粒的总表面积增加,燃尽时间缩短,燃烧速率增加。假定流化床中的较粗煤粒(大于1mm)的挥发物析出和炭粒的燃烧受扩散控制。挥发物完全析出和炭粒完全燃紧所需要的时间减少,化学不完全燃烧和机械不完全燃烧损失减少。在尽量降低颗粒扬析的情况下,适当减小燃煤粒径,缩小筛分范围乃是提高燃烧效率的一项有效措施。

循环流床锅炉燃料粒径的正确选择,对于循环流床床锅炉的正常运行具有非常重要的意义。根据我厂的燃料特性,锅炉燃料粒径原则上控制在0-7mm,尽量控制大于7mm和小于0.5mm媒粒所占比例,特别要保证燃煤中矸石的粒度。

5 氧量和一次风量的控制

循环流化床锅炉飞灰含碳量与氧量有着密切的关系。随着氧量升高,燃料燃烧逐渐充分,飞灰含碳量逐渐降低,固体不完全燃烧损失降低,但烟气量随之增大,排烟损失增加,查阅运行工况参数,氧量升高,飞灰降低,总体锅炉效率升高,随着送风增加,床温降低,但炉内氧量充足、燃烧环境增强,锅炉效率增高。但是增大风量后,必然导致炉内磨损加剧,因此,氧量控制应首先根据煤质,在保证降低飞灰,提高锅炉效率的同时,兼顾炉内磨损情况。运行中氧量不可过低,低氧量运行,导致炉内缺氧燃烧,飞灰会大幅升高。所以运行氧量控制原则:

1.负荷400t/h以上(高负荷),燃煤挥发份高于22%(高挥发份),氧量控制在3.0-3.5%;挥发份低于22%,氧量应在3.5-4.0%范围。

2.负荷400t/h以下,燃煤挥发份高于22%,氧量控制在3.3-3.8%;挥发份低于20%,氧量应在3.7-4.2%范围,以避免炉内出现缺氧燃烧现象。

在保证氧量相同的情况下,如果增大一次风量,吹入尾部烟道未燃尽的飞灰会逐渐增多,导致飞灰含碳量增加,但减少一次风量,物料在炉膛中流动性变差,增加锅炉结焦风险,随风量降低,锅炉效率也呈降低趋势。从燃烧角度,一次风和燃煤也是从此加入密相区,密相区作为一个稳定的加热源,须保证密相区有一定的燃烧份额,才能保证该区域的温度,本身会有部分大颗粒停留在密相区,必须在密相区送入足够空气,使这部分燃煤燃烧或气化。但当一次风过高,二次风将减弱,分段燃烧的比率降低,导致飞灰增大。

表1:一次风变化试验数据表

序号

名   称

单 位

工况1

工况2

工况3

工况4

2

主蒸汽流量

t/h

460.4

458.5

459.1

459.4

3

燃煤量

t/h

61.97

62.11

62.11

60.92

4

氧量

%

3.49

3.38

3.63

3.70

5

一次风量

万m3/h

16.10  

14.05  

17.90  

19.22  

6

总风量

万m3/h

42.28

43.78

42.95

42.53

7

床温

910

926

904

900

8

床压

kPa

6.89

7.10

6.86

7.05

9

飞灰含碳量(左/右)

%

3.46/5.08

4.0/5.37

4.26/6.54

5.07/5.64

综合比较流化风量在15-16m3/h时,锅炉效率达到最高,飞灰含碳量能够稳定在较低的水平区间。在煤质变差(粗颗粒矸石较多),应提高一次风量至17-18万,以保证较高的锅炉效率。

6 炉膛负压的控制

随着炉膛负压降低,飞灰含碳量降低,究其原因,负压降低,炉膛漏风量减少,炉膛温度升高,导致飞灰含碳量降低,同时漏风减小,排烟损失降低,但如果负压继续降低时,飞灰呈升高趋势,经实际工况数据分析,负压较大,引风机出力变大,导致被引风机吸入尾部烟道的烟气增多,缩短了烟气夹带飞灰的燃烧时间。结合运行微正压运行经验,正常运行炉膛负压控制在50Pa左右微正压方式,在确保不外冒灰的同时,充分降低炉膛与尾部烟道的漏风,降低飞灰,提高运行经济性。

7 床压的控制

飞灰与床压变化关系,在煤质一定情况下,床压增大需增大炉内运行风速,相对细小的飞灰颗粒在分离器内返回的几率降低,燃烧时间缩短,导致飞灰的增大,但同时床压增大风量增大主要是一次风增大较多,一次风增大相对密相区氧量增大,燃烧份额增大,飞灰燃烧时间增长,飞灰应降低;因此飞灰与床压对应关系受一次风量、床温、分离器返料状况影响,同时床压升高一次风量增大,风机电耗将增大、磨损增大,因此结合一次风试验数据,正常运行推荐的床压控制,燃煤挥发份较高,床压控制在6-7kPa,燃煤挥发份较低时,提高床压至7.5-8.0kPa。

8 床温的控制

床温是运行中的控制变量之一,循环流化床的运行温度一般在850~950℃范围内。这样就能在保证很高的燃烧效率的同时,降低烟气污染物的排放量。床温对燃烧的影响可以从不完全燃烧损失的实测数据看,随着运行床温的升高,机械不完全燃烧损失在低温段略有减少,但随着负荷的增加,床温增加,机械不完全燃烧损失亦有所增加;化学不完全燃烧损失一般随床温升高而降低,故一氧化碳排放量也降低。一般来说,为降低不完全燃烧损失,提高传热系数,并减少CO、N2O排放,人们希望床温尽可能高一些,然而从脱硫、降低NOx排放和防止床内结焦来考虑,床温应选择低一些。为此推荐烧烟煤时,循环床的密相区温度应在820~900℃,烧无烟煤时可取的稍高一些。一般应保证密相区温度低于灰的初始变形温度100~150℃。显然,高的床温有利于燃料的燃烧与燃尽,过低的床温会使飞灰含碳量升高,锅炉效率下降,控制床温在循环流化床运行中显得尤为重要。

在循环流化床锅炉中,投煤量、氧量、一二次风配比等都会影响床温,给煤过多或过少,风量过小或过大都会使燃烧恶化,床温降低;而在正常范围内,当负荷上升时,同样增加投煤量和风量会使床温水平有所升高。增大一次风,床温会降低,减小一次风,床温会升高。二次风的上下配比同样影响着床温的大小。对于不同的煤种和不同的负荷,调整上下二次风都应以床温为参考,结合一次风量和氧量,综合配比,以保证床温在合理的范围内。

9 结束语

循环流化床锅炉飞灰含碳量较高时目前普遍存在的问题,有着较多的影响因素,这些因素有时又与其他指标产生矛盾或互相牵制,所以,在实际调整中仍然需要不断研究探索,力求减少飞灰含碳量的产生。

参考文献:

[1] 岑可法等. 循环流化床锅炉理论设计与运行[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006.

[2] 周宝欣,常焕俊. 循环流化床锅炉技术问答[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006

[3] 钊建民. 华电淄博465t/h循环流化床锅炉培训教材[M]. 2006

[4] 华电淄博热电有限公司 《#3、4机组集控运行规程》