顧懷本

(江蘇國(guó)信泗陽生物質(zhì)發(fā)電有限公司,江蘇 泗陽 223700)

秸稈直燃鍋爐飛灰可燃物高的分析及對(duì)策

顧懷本

(江蘇國(guó)信泗陽生物質(zhì)發(fā)電有限公司,江蘇 泗陽 223700)

某秸稈電廠投產(chǎn)后,鍋爐飛灰可燃物一直處在 15%以上,甚至有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間高達(dá) 20%～25%,機(jī)組運(yùn)行很不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過對(duì)該鍋爐本體系統(tǒng)布置及運(yùn)行情況的詳細(xì)分析,通過運(yùn)行調(diào)整和對(duì)系統(tǒng)不完善處進(jìn)行改造,最終使飛灰可燃物降低到 10%左右,機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

秸稈鍋爐;飛灰可燃物;分析;對(duì)策

0 引 言

某秸稈發(fā)電廠 UG-75/3.82-J型鍋爐系直燃生物質(zhì)秸稈、水冷振動(dòng)爐排、中溫中壓、固態(tài)排渣、支撐式自然循環(huán)蒸汽鍋爐。鍋爐設(shè)計(jì)燃料主要是軟質(zhì)秸稈,即稻、麥秸桿,也可適當(dāng)摻燒稻殼、花生殼、樹皮等。該鍋爐是國(guó)內(nèi)同類型鍋爐中首批產(chǎn)品,燃料適應(yīng)性、受熱面防腐防磨、鍋爐防漏風(fēng)等還需進(jìn)一步研究和解決。由于種種原因,此類鍋爐不能實(shí)現(xiàn)按設(shè)計(jì)全燃軟質(zhì)秸稈正常運(yùn)行。從已投產(chǎn)的此類鍋爐的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,所用稻麥秸稈量大多在 20%左右,多的也就是 30%～40%,更多則是以稻殼、樹皮等其他生物質(zhì)燃料為主。這就導(dǎo)致鍋爐的燃燒和傳熱特性發(fā)生很大變化,受熱面積灰、磨損和腐蝕、飛灰可燃物高等一系列異常現(xiàn)象隨之而來。該廠的飛灰可燃物自投產(chǎn)后一直在 15%以上,一度達(dá)到 25%左右,居高不下,該類鍋爐這一指標(biāo)水平大致在 4%～8%左右較合理。參照原江蘇省電力局生技處印制的 《發(fā)電廠機(jī)組主要小指標(biāo)耗差分析計(jì)算圖表》,飛灰可燃物每升高 1%則導(dǎo)致供電標(biāo)煤耗上升1.85 g/kW?h,也就是說該機(jī)組僅受飛灰可燃物的影響,標(biāo)煤耗增加至少 20 g/kW?h左右,折算成秸稈單耗增量超過 50 g/kW?h,經(jīng)濟(jì)性很低。如何解決這一問題,成了該廠在節(jié)能降耗、降本增效方面的首要工作。

1 設(shè)備規(guī)范

UG-75/3.82-J秸稈直燃鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：蒸發(fā)量,75 t/h;主汽壓,3.82 MPa;主汽溫,450℃;給水溫度,150℃;排煙溫度,147℃;氧量,6%～8%;灰、渣比,4∶6;鍋爐效率,89%;燃料消耗量,16 891 kg/h;燃料水分要求,≯25%;燃料粒度要求,＜80mm;一次風(fēng)量,51.6 kNm3/h;二次風(fēng)量,34.4 kNm3/h;二次風(fēng)壓 (爐膛入口),5 kPa;空預(yù)器出口煙氣量,103.5 kNm3/h;鍋爐本體煙氣阻力,1.85 kPa;一次風(fēng)速,～25 m/s;二次風(fēng)速, ～55 m/s;一、二次風(fēng)溫, ～130℃;一二次風(fēng)配比,6∶4;一次總風(fēng)壓,1.8 kPa。表 1是該鍋爐設(shè)計(jì)燃料的成分和灰的特性數(shù)據(jù)。

該鍋爐主要有以下特點(diǎn)：

(1)該鍋爐是振動(dòng)爐排爐,是層燃爐,絕大多數(shù)的燃燒過程在爐排上完成。

(2)秸稈的揮發(fā)分高,著火溫度低,燃燒迅速,若配供燃燒所需的一次風(fēng)和二次風(fēng)不及時(shí),會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)物裂解析出碳黑,碳黑不易燒燼。

(3)秸稈的灰熔點(diǎn)低,易在受熱面上結(jié)渣、積灰,需定期吹灰、除渣。

(4)秸稈在破碎和輸送過程中,會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,秸稈粉塵既損害人健康,進(jìn)入爐膛后還會(huì)產(chǎn)生爆燃,影響鍋爐及料倉(cāng)的安全運(yùn)行。

表 1 設(shè)計(jì)燃料的成分和灰的特性Tab.1 Composition o f designed fuel and characteristics of ash straw direct combustion boiler

2 原因分析

燃料在鍋爐內(nèi)迅速而完全燃燒的必要條件是：有相當(dāng)高的爐內(nèi)溫度、合適的空氣量、燃料和空氣的良好混合和充足的燃燒時(shí)間。飛灰可燃物含量高低即取決于燃料完全燃燒程度。影響完全燃燒要素形成的原因很多,有設(shè)計(jì)缺陷造成的,也有運(yùn)行調(diào)整因素,下面主要結(jié)合該秸稈鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際對(duì)其一一進(jìn)行分析。圖 1為該鍋爐本體布置及煙氣流程。

圖1 UG-75/3.82-J秸桿直燃鍋爐本體布置及煙氣流程Fig.1 Device arrangem ent and flue gas flow o f the UG-75/3.82-J straw direct combustion boiler

2.1 燃燒區(qū)溫度和燃燼時(shí)間

相同粒徑,溫度越高,燃燼時(shí)間越短。當(dāng)顆粒達(dá)到0.7mm時(shí),在 950℃的條件下燃燼時(shí)間為10.5 s,而在 800℃時(shí)燃燼時(shí)間為 71.5 s,兩者相差非常明顯[1]。但是受灰熔點(diǎn)限制,過高爐溫易產(chǎn)生結(jié)焦、結(jié)渣現(xiàn)象。

2.1.1 燃料質(zhì)量與顆粒度

該鍋爐實(shí)際燃料構(gòu)成為破碎樹皮、花生殼和稻殼、稻麥秸稈等,配比 6∶2∶2,有時(shí)樹皮比例超過 70%。設(shè)計(jì)燃料水分要求是≯25%,可品質(zhì)好的樹皮水分也在 40%～45%以上。燃料中水分增大,進(jìn)入爐膛后首先吸熱,進(jìn)行加熱蒸發(fā)水分,導(dǎo)致爐排燃燒區(qū)溫度下降,燃料揮發(fā)分析出緩慢,著火延遲;燃料水分增加,大大增加煙氣容積,使?fàn)t膛內(nèi)煙氣流速增加迅速,縮短了燃料顆粒在爐膛內(nèi)停留時(shí)間;水分增加,還會(huì)降低料層的松散透氣性,增加通風(fēng)阻力,使得燃燒需氧量得不到及時(shí)補(bǔ)充;另外,料層過厚,部分燃料揮發(fā)分和水分得不到很好揮發(fā),延遲著火、延長(zhǎng)燃燼等,這些都直接導(dǎo)致了飛灰可燃物的增加。

設(shè)計(jì)燃料粒度要求是小于 80 mm,實(shí)際運(yùn)行中有一部分樹皮長(zhǎng)達(dá) 300 mm,減慢了燃燒速度。一些殼類散料細(xì)顆粒過多,還未燃燼就被高速煙氣流帶走,這些也將導(dǎo)致飛灰可燃物增加。

2.1.2 爐底漏風(fēng)和空預(yù)器積灰、漏風(fēng)

燃料給料口和爐底出渣口處的介質(zhì)充滿系數(shù)均不高,外部冷風(fēng)的漏入直接降低了爐膛燃燒區(qū)溫度;另外秸稈鍋爐受熱面積灰現(xiàn)象普遍嚴(yán)重,尤其是空氣預(yù)熱器,該廠兩臺(tái)爐的空預(yù)器幾乎每個(gè)月都要停爐人工清理一次 (之前該廠蒸汽吹灰裝置未能正常投用,但是投用后也效果也不明顯),加之煙道有漏風(fēng),導(dǎo)致一、二次風(fēng)風(fēng)溫偏低(只有 90～100℃左右,比設(shè)計(jì)值低 30～40℃),間接降低了爐膛溫度。

2.1.3 過熱器放灰門處煙氣短路

過熱器放灰門是多片鑄鐵板串聯(lián)組裝而成,由于缺少間隙余度和長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境,經(jīng)常發(fā)生卡澀、轉(zhuǎn)軸變形和斷軸?？ㄔ陉P(guān)閉狀態(tài),放灰門上部轉(zhuǎn)向室內(nèi)會(huì)堆積大量飛灰,易發(fā)生二次燃燒和大面積結(jié)焦現(xiàn)象,所以運(yùn)行中放灰門故障后只能設(shè)法使其處于開啟狀態(tài)。該放灰門與爐膛出渣為同一通道 (見圖 1),轉(zhuǎn)向室與爐膛有壓差,打開的放灰門使?fàn)t膛和轉(zhuǎn)向室煙氣發(fā)生短路,大量未燃燼顆粒失去了在爐膛的充足燃燼時(shí)間而直接進(jìn)入煙道,導(dǎo)致飛灰可燃物增加。

2.2 過量空氣系數(shù)

隨著空氣量增大,介質(zhì)之間接觸和傳熱系數(shù)增大,燃燒速度即增大,但當(dāng)空氣量增大到某一值后,燃燒速度達(dá)到極限。而空氣量過多則降低了細(xì)顆粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間。實(shí)際運(yùn)行中控制爐膛出口過量空氣系數(shù)在一定水平,既能保證碳粒子的充分燃燒,又可防止截面流速過大[2]。該鍋爐設(shè)計(jì)過量空氣系數(shù)是 1.4～1.6。反映過量空氣系數(shù)的參數(shù)是煙氣含氧量,測(cè)點(diǎn)設(shè)在過熱器后煙道中。過熱器放灰門故障后漏入煙道的有部分是低溫新風(fēng),除導(dǎo)致受熱面熱交換量減少、增加引風(fēng)機(jī)電耗等之外,還引起氧量 “虛高”,給運(yùn)行人員錯(cuò)誤的信息反饋,運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn) “氧量較高”,減少送風(fēng),實(shí)際造成爐膛供氧不足,直接增加飛灰可燃物含量。

給料量控制不好,造成料層過厚或者爐排布料不均勻,一次風(fēng)不能很好地穿透助燃,形成局部缺氧。還有,空預(yù)器區(qū)積灰增加了煙氣阻力,受引風(fēng)機(jī)出力的影響,送風(fēng)量不能充足供應(yīng),也導(dǎo)致爐膛缺氧燃燒。

2.3 燃料與空氣混合程度

燃料與空氣的混合程度取決于燃燒調(diào)整的好壞。圖 2是常規(guī)爐排鍋爐的爐排上沿爐排長(zhǎng)度方向的煙氣成分構(gòu)成圖 (不含水汽)[1]。爐排下方 6個(gè)風(fēng)室之間的風(fēng)量配比不當(dāng),引起前后兩端風(fēng)量過剩、中間出現(xiàn)燃燒缺氧的情況,使飛灰可燃物上升。當(dāng)部分揮發(fā)分和碳粒等可燃物顆粒隨煙氣進(jìn)入爐排上部空間,布置在爐膛前后拱喉部的二次風(fēng)風(fēng)壓過低,不能使可燃物質(zhì)與空氣很好的混合,也會(huì)影響燃料的完全燃燼。另外一、二次風(fēng)的配供不當(dāng)、不及時(shí),揮發(fā)物裂解析出碳黑,不易燒燼的碳黑也增加了飛灰可燃物含量。

圖2 沿爐排長(zhǎng)度方向煙氣成分構(gòu)成Fig.2 Flue gas com positions along the grate longitudinal direction

3 解決措施

針對(duì)上述分析,從改善燃料質(zhì)量、運(yùn)行調(diào)整和設(shè)備改造等方面入手,進(jìn)行逐一嘗試和解決,最終實(shí)現(xiàn)降低該秸稈鍋爐飛灰可燃物的目的。

3.1 提高燃料質(zhì)量

加強(qiáng)秸稈采購(gòu)環(huán)節(jié)、料場(chǎng)管理和摻配比例等方面的管理,嚴(yán)格控制入爐燃料的質(zhì)量,尤其是秸稈的水分控制,減少高水分、大粒度的秸稈直接進(jìn)入爐膛。秸稈水分高,不僅造成飛灰可燃物含量居高不下,還會(huì)引起后續(xù)受熱面及其他設(shè)備的腐蝕、排煙損失增大和除塵器布袋氧化損壞等現(xiàn)象,在儲(chǔ)存環(huán)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生霉變、損耗,增加成本,甚至引起自燃等火災(zāi)事故,故降低秸稈水分是首要解決的問題。

3.2 加強(qiáng)運(yùn)行調(diào)整

及時(shí)掌握入爐燃料的特性和配比情況,在這些因素發(fā)生變化包括負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)及時(shí)做出調(diào)整,并保證調(diào)整操作平穩(wěn),避免參數(shù)大幅度波動(dòng)。

爐排下的 6個(gè)一次風(fēng)門,根據(jù)負(fù)荷和秸稈水分的多少,中間風(fēng)室開大直至全開,前后段則不宜過大,而是根據(jù)需要決定開度的大小。高速二次風(fēng)的使用,旨在形成強(qiáng)烈擾動(dòng)、提高擴(kuò)散速度、加深混合程度,使燃燒速度加快,同時(shí)補(bǔ)充燃燒不足的空氣量[2]。但是爐排爐是層燃爐,絕大部分燃燒是在爐排上完成的,所以當(dāng)鍋爐負(fù)荷為 50%以下時(shí),應(yīng)關(guān)閉上層二次風(fēng),開啟或少開下層二次風(fēng),主要目的是降低二次風(fēng)的比例,增加一次風(fēng)的比例,減少爐膛的過度擾動(dòng),有利于燃燒。過量空氣系數(shù)的調(diào)整,針對(duì)本鍋爐主要是要確認(rèn)氧表的準(zhǔn)確度,區(qū)別真假后再進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)節(jié),否則會(huì)造成反向調(diào)整、惡性循環(huán)的后果。另外,定期吹灰和查漏堵漏也很重要,能有效增加傳熱效果、提高熱風(fēng)溫度、提高爐膛溫度,也能減少煙氣阻力、增加爐膛燃燒供氧量,進(jìn)而降低飛灰可燃物。關(guān)于爐膛負(fù)壓的調(diào)整,秸稈鍋爐尤顯重要。由于秸稈燃料易燃易爆的特性,在爐膛燃燒過程中極易發(fā)生爆燃,爆燃不僅威脅鍋爐爐膛安全,還直接影響到爐前秸稈料倉(cāng)的安全,在秸稈電廠中爐膛正壓回火使得爐前料倉(cāng)發(fā)生爆炸的事件屢有發(fā)生。所以運(yùn)行人員在運(yùn)行調(diào)整中,為避免發(fā)生爐膛及料倉(cāng)爆燃威脅到主設(shè)備安全,常常將爐膛負(fù)壓控制較大,這樣不僅增大了引風(fēng)機(jī)的電耗和鍋爐漏風(fēng),關(guān)鍵是將增加爐膛截面煙氣流速,縮短可燃物顆粒在爐膛內(nèi)的燃燼時(shí)間,增加了飛灰可燃物。所以控制合適的爐膛負(fù)壓才能保證鍋爐既安全又經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.3 深化設(shè)備改造

3.3.1 爐前料倉(cāng)防爆燃裝置的改造

爐膛微負(fù)壓或者微正壓燃燒,有利于燃料和空氣的良好混合以及燃料的快速燃燼,可以有效降低飛灰可燃物。前提是先要解決好料倉(cāng)防爆的問題。圖 3是該鍋爐后期加裝的料倉(cāng)防爆燃裝置。給料機(jī)出口設(shè)計(jì)了密封風(fēng),用高壓風(fēng)簾擋住部分高溫?zé)煔馍踔撩骰鸬谷肓瞎堋ａ槍?duì)下料管是斜管(傾斜 700)、其內(nèi)秸稈充滿度不高的實(shí)際,在下料管中加裝了一塊大約 2 m長(zhǎng)、同料管寬度的鎖氣擋板,上部鉸鏈連接,利用重力自然下垂。當(dāng)爐膛正壓時(shí),煙氣首先從擋板下部進(jìn)入,并將擋板向上吹起,剛好關(guān)住回火向上的通道,有效的阻止回火繼續(xù)向上蔓延,也就切斷了料倉(cāng)爆燃的點(diǎn)火能量源。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn),效果非常明顯,雖然沒有完全杜絕鍋爐正壓,但是回火和爆燃現(xiàn)象基本得到控制。而且爐膛正常運(yùn)行時(shí),防爆燃鎖氣擋板還能很好的減少料管內(nèi)未充滿空間向爐膛漏風(fēng),提高了爐效。

圖3 料倉(cāng)防爆燃裝置Fig.3 Explosion-proo f device o f the fuel bunker

3.3.2 鍋爐本體設(shè)備漏風(fēng)的改造

圖4 過熱器放灰門改造前后示意圖Fig.4 Schem atic diagram before and after transform ation of superheater discharge ash door

鍋爐本體漏風(fēng)直接影響爐膛燃燒和受熱面的熱交換效率。給料機(jī)處的漏風(fēng)已在 “3.3.1”中解決,碎渣機(jī)和冷渣機(jī)處的不嚴(yán)密漏風(fēng),通過改進(jìn)檢修工藝和提高檢修質(zhì)量進(jìn)行消除。前文提到,過熱器放灰門經(jīng)常故障導(dǎo)致煙氣短路和漏風(fēng)對(duì)飛灰可燃物含量影響較大。針對(duì)這一問題,該廠同生產(chǎn)廠家一起,對(duì)放灰門處的布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造 (見圖 4)。將原爐膛后墻下聯(lián)箱正下方的互通空間用鐵板隔離 (隔板經(jīng)防磨處理),使出渣口和過熱器放灰通道相互獨(dú)立開,杜絕氣流短路。再將故障率高、易漏風(fēng)的過熱器放灰門取消,在灰斗下方加裝兩臺(tái)星型卸灰器定時(shí)或連續(xù)進(jìn)行放灰,既防止漏風(fēng)又及時(shí)的將轉(zhuǎn)向室的灰排出。改造后,能克服過熱器區(qū)漏風(fēng)的影響,轉(zhuǎn)向室后各級(jí)煙溫得到提升,提高了后續(xù)各級(jí)過熱器的換熱效率,同時(shí)也因控制了爐膛煙氣短路,爐膛供氧量也得到保證,進(jìn)而有效降低鍋爐飛灰可燃物含量。

3.3.3 爐排上焊裝抓釘

秸稈水分高時(shí),密實(shí)度大、透氣性差,爐排下的一次風(fēng)不能順利加熱燃料和為揮發(fā)分燃燒提供氧量,嚴(yán)重影響爐膛燃燒效率。在爐排振動(dòng)時(shí),由于燃料中憋住的水蒸汽、揮發(fā)分等氣體突然釋放和一次風(fēng)突然暢通,會(huì)使?fàn)t膛壓力波動(dòng)很大,危及安全。通過降低爐排振動(dòng)頻率和縮短振動(dòng)周期,可以縮短燃料靜止時(shí)間,促進(jìn)燃料與空氣良好混合以及水分和揮發(fā)分的及時(shí)排出,使得燃料在爐排上快速燃燒。但這會(huì)就導(dǎo)致燃料在爐排上停留的時(shí)間大為縮短,大幅度增加爐渣可燃物含量。為此,在爐排上沿爐排長(zhǎng)度方向的不同位置焊接高 20 cm左右的φ10耐熱鋼條 (抓釘),左右間距 30～50 cm、前后間距 60～80 cm左右,在爐排振動(dòng)時(shí),減緩燃料下滑速度,進(jìn)而延長(zhǎng)燃料在爐排上的停留時(shí)間。經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn),有效果,但是抓釘?shù)氖褂脡勖€需進(jìn)一步試驗(yàn)和改進(jìn)。

4 結(jié) 語

通過對(duì)制約飛灰可燃物含量的設(shè)備、運(yùn)行調(diào)整和燃料質(zhì)量等因素進(jìn)行逐一攻關(guān),該廠的鍋爐飛灰可燃物含量大為降低,已由改造、調(diào)整前的20～25%,降低到目前的 10%左右。同時(shí),由于改善了爐底的漏風(fēng),大大降低了煙氣量,使得引風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電耗也有所下降。僅飛灰可燃物下降到正常值一項(xiàng)每年就可節(jié)約秸稈燃料約 8 000 t,降低直接生產(chǎn)成本 200余萬元。

[1]遼寧省電力工業(yè)局.鍋爐運(yùn)行 [M].北京：中國(guó)電力出版社,1995.

[2]曾緯西.鍋爐設(shè)備及運(yùn)行 (第二版)[M].北京：中國(guó)電力出版社,1996.

Analysis and Countermeasures of High Combustible Matter in Fly Ash of Straw Direct Combustion Boiler

Gu Huaiben
(JSGXSiyang Biomass Power Generation Co.Ltd.,Siyang 223700;China)

Since a straw power plant put into operation,combustibles rate is often more than 15%in the boiler fly ash,or even quite a long period of time upto 20～25%,unit runs very uneconomical.After detailed ly analyzed the boiler system layoutand operation situation through positiveoperation adjustmentand rebuilding the system,the fly ash combustibles rate eventually down to 10%and the running economy improved significantly.

straw boiler;combustible in the fly ash;analysis;countermeasures

TK 229.91

A

2010-05-21。

顧懷本 (1976-),男,總工程師,E-mail：hydcghb@163.com。