陳卓衛(wèi)，孫超凡，洪喜彬，鄧劍華，彭澤宏，李德波

(1.廣東粵電集團(tuán)云河發(fā)電有限公司， 廣東 云浮 527328；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510080)

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300 MW循環(huán)流化床鍋爐改燒低灰分褐煤試驗(yàn)研究

陳卓衛(wèi)1，孫超凡2，洪喜彬1，鄧劍華2，彭澤宏2，李德波2

(1.廣東粵電集團(tuán)云河發(fā)電有限公司， 廣東 云浮 527328；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510080)

摘要：針對(duì)廣東粵電集團(tuán)云河發(fā)電有限公司5號(hào)、6號(hào)鍋爐在改燒非設(shè)計(jì)煤種——低灰分印尼褐煤過(guò)程中，出現(xiàn)床溫偏高、爐內(nèi)溫度分布不均、循環(huán)灰量不足，嚴(yán)重影響鍋爐安全運(yùn)行等問(wèn)題，從調(diào)節(jié)入爐煤粒徑、高壓流化風(fēng)風(fēng)量、總風(fēng)量、一次和二次風(fēng)配比、上下二次風(fēng)配比、床壓等參數(shù)方面，開(kāi)展了不同負(fù)荷工況的各種燃燒優(yōu)化試驗(yàn)，有效地解決了鍋爐由于改燒低灰分印尼褐煤所導(dǎo)致的一系列問(wèn)題，使改燒低灰分印尼褐煤具有較可觀的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；燃燒優(yōu)化；風(fēng)量；印尼褐煤；低灰分；非設(shè)計(jì)煤種

廣東粵電集團(tuán)云河發(fā)電有限公司5號(hào)、6號(hào)鍋爐系上海鍋爐廠首批制造、具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SG-1036/17.5-M4506型循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐——單爐膛設(shè)計(jì)、整體采用M形布置，配置3臺(tái)絕熱式旋風(fēng)分離器。為從源頭降低燃料成本，電廠進(jìn)行了純燒非設(shè)計(jì)煤種——低灰分印尼褐煤的嘗試。在改燒過(guò)程中，由于純燒非設(shè)計(jì)煤種，鍋爐出現(xiàn)了床溫偏高、爐內(nèi)溫度分布不均、循環(huán)灰量不足等問(wèn)題[1]，而且隨著入爐煤灰分的降低，上述問(wèn)題進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全運(yùn)行和脫硝效果。為了解決鍋爐運(yùn)行中存在的上述問(wèn)題，規(guī)范鍋爐各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，確保鍋爐安全可靠地運(yùn)行，降低廠用電率，電廠在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了300 MW循環(huán)流化床鍋爐純燒非設(shè)計(jì)煤種、低灰分印尼褐煤的試驗(yàn)研究工作。從調(diào)節(jié)入爐煤粒徑、高壓流化風(fēng)風(fēng)量、總風(fēng)量、一次風(fēng)與二次風(fēng)配比、上二次風(fēng)與下二次風(fēng)配比、床壓、給煤分布等參數(shù)著手[2-5]，開(kāi)展了不同負(fù)荷工況燃燒優(yōu)化試驗(yàn)，有效地解決了鍋爐由于純燒低灰分印尼褐煤導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。在優(yōu)化燃燒的同時(shí)，降低了排煙氧量，使鍋爐NOx排放濃度也有所下降[6-7]。從優(yōu)化實(shí)踐效果來(lái)看，國(guó)產(chǎn)300 MW CFB鍋爐純燒低灰分、非設(shè)計(jì)煤種——印尼褐煤具有較可觀的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景，對(duì)300 MW循環(huán)流化床鍋爐安全運(yùn)行、環(huán)保達(dá)標(biāo)排放具有一定的參考價(jià)值。

1鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1鍋爐結(jié)構(gòu)

5號(hào)、6號(hào)鍋爐為亞臨界、再熱、單汽包自然循環(huán)、島式布置、全鋼架支吊的300 MW循環(huán)流化床鍋爐。

鍋爐采用高溫絕熱旋風(fēng)分離器，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高12.6 m，其本體鋼架由三跨組成，依次布置爐膛、高溫絕熱旋風(fēng)分離器、返料器和尾部煙道，整體呈左右對(duì)稱布置，3個(gè)鋼板絕熱式旋風(fēng)分離器布置在爐膛與后煙井之間。旋風(fēng)分離器下部各布置1臺(tái)非機(jī)械的U形回料器使物料流化返回爐膛。鍋爐采用兩次配風(fēng)，一次風(fēng)從爐膛底部一次風(fēng)室、布風(fēng)板及風(fēng)帽進(jìn)入爐膛，爐膛底部設(shè)有鋼板式一次風(fēng)室(內(nèi)側(cè)敷設(shè)有耐火澆注料)，懸掛在爐膛水冷壁下集箱上；二次風(fēng)分別從燃燒室前墻錐體部分分上中下三層進(jìn)入爐膛、從燃燒室后墻錐體部分分上下兩層進(jìn)入爐膛。在約880 ℃床溫下，燃料和空氣在爐膛密相區(qū)內(nèi)混合，煤粒在流化狀態(tài)下燃燒并釋出熱量，高溫物料、煙氣與水冷壁受熱面進(jìn)行熱交換。煙氣攜帶物料從爐膛上部后墻出口切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，進(jìn)行煙氣和固體顆粒分離，分離后潔凈煙氣由中心筒出來(lái)依次進(jìn)入尾部煙道內(nèi)的低溫過(guò)熱器(低溫再熱器)、省煤器和空氣預(yù)熱器，煙溫降至約140 ℃排出鍋爐；被分離器捕集下來(lái)的顆粒通過(guò)立管，由U形回料器及回料腿直接送回爐膛，實(shí)現(xiàn)循環(huán)燃燒。因此固體物料(灰、未燃盡碳)在循環(huán)回路反復(fù)循環(huán)燃燒，燃燒效率大大提高。底灰(大渣)通過(guò)爐膛底部的滾筒冷渣器冷卻，溫度降至150 ℃以后經(jīng)刮板輸渣機(jī)排出。

1.2低灰分非設(shè)計(jì)煤種褐煤煤質(zhì)

2臺(tái)300 MW CFB鍋爐原設(shè)計(jì)燃燒煙煤，根據(jù)燃料市場(chǎng)變化，首先進(jìn)行了褐煤摻燒試驗(yàn)工作[8]，褐煤摻燒是在單燒煙煤的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種初步嘗試，可為燃料選擇提供更廣的空間，在源頭上控制燃料成本。通過(guò)近2個(gè)月的摻燒試驗(yàn)后，又在2臺(tái)CFB鍋爐上進(jìn)行了純燒低灰分印尼褐煤的突破性試驗(yàn)研究工作[9]。設(shè)計(jì)煤種和褐煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1設(shè)計(jì)煤種煤質(zhì)

名稱設(shè)計(jì)煤種校核燃料1校核燃料2全水分war(M)/%4.2013.707.90空氣干燥基水分wad(M)/%2.361.841.09灰分war(A)/%20.1517.1826.20干燥無(wú)灰基揮發(fā)分wdaf(V)/%34.1838.027.84低位發(fā)熱量Qnet.ar/(MJ·kg-1)22.6921.2922.49war(C)/%542150845371war(H)/%60.3856.657.97war(O)/%3.263.563.16war(N)/%10.407.462.90war(S)/%0.710.811.07

注：war()為收到基某元素或組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同。

表2褐煤煤質(zhì)

名稱大福星1306航次西佛諾斯1321航次全水分war(M)/%21.5516.06空氣干燥基水分wad(M)/%43.638.5灰分war(A)/%4.484.28干燥無(wú)灰基揮發(fā)分wdaf(V)/%39.6241.36低位發(fā)熱量Qnet.ar/(MJ·kg-1)14.3616.01war(C)/%20.0122.56war(H)/%12.8315.02war(O)/%25.526.88war(N)/%30683592war(S)/%0.080.12

1.3純燒印尼褐煤出現(xiàn)的問(wèn)題

一般來(lái)講，褐煤具有灰分高、水分高、揮發(fā)分高、熱值低、密度低及灰熔點(diǎn)低等特點(diǎn)。改燒純印尼褐煤后(其煤質(zhì)見(jiàn)表3)，由于印尼褐煤具有灰分低、熱值高、水分高、揮發(fā)分高等特性，所以CFB鍋爐建立灰循環(huán)較為困難，導(dǎo)致5號(hào)、6號(hào)鍋爐出現(xiàn)了較多運(yùn)行問(wèn)題。因此有必要對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行必要的優(yōu)化調(diào)整。

表3兩種印尼褐煤煤質(zhì)分析

名稱印尼褐煤1印尼褐煤2全水分war(M)/%29.933.7空氣干燥基水分wad(M)/%9.129.39灰分war(A)/%4.174.96干燥無(wú)灰基揮發(fā)分wdaf(V)/%53.2750.33低位發(fā)熱量Qnet.ar/(MJ·kg-1)17.3415.82高位發(fā)熱量Qgr.ar/(MJ·kg-1)18.6317.16war(C)/%47.7344.22war(H)/%2.942.76war(O)/%14.6013.48war(N)/%0.510.67war(S)/%0.150.21

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察、分析和研究后，發(fā)現(xiàn)2臺(tái)鍋爐存在的主要問(wèn)題如下：

a)床溫偏高且爐溫偏差大。鍋爐設(shè)計(jì)平均床溫為890 ℃，但改燒褐煤后平均床溫為930～945 ℃，最高床溫達(dá)960 ℃，且床溫偏差較大，而褐煤的灰熔點(diǎn)軟化溫度(soft temperature, ST)為1 080～1 100 ℃，在此情況下，鍋爐可能存在結(jié)焦。同時(shí)，爐膛中部溫度為930 ℃，而爐頂溫度為800～737 ℃，爐內(nèi)溫度偏差大。

b)一次風(fēng)量偏大且風(fēng)室漏渣。鍋爐設(shè)計(jì)一次風(fēng)量為38×104m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同)，一次、二次風(fēng)量比為6∶4，滿負(fù)荷時(shí)，實(shí)際運(yùn)行一次風(fēng)量為46×104m3/h，風(fēng)帽及密相區(qū)磨損嚴(yán)重。180 MW以上負(fù)荷時(shí)，風(fēng)室漏渣，致使床壓與一次風(fēng)量難以降低，風(fēng)機(jī)電耗大。

c)燃煤形成的循環(huán)灰特性差。滿負(fù)荷時(shí)爐膛中部壓差為1.6～2.0 kPa。稀相區(qū)灰濃度達(dá)設(shè)計(jì)要求，但該煤種形成的循環(huán)灰特性差，大部分飛灰未參與循環(huán)，均勻爐膛上下床溫的能力偏低，置換煤種后稀相區(qū)灰濃度下降，壓差降至0.7 kPa，升負(fù)荷較困難。另外，由于燃煤灰分偏低，導(dǎo)致旋風(fēng)分離器U形閥料位測(cè)點(diǎn)值也偏低。

依據(jù)上述分析判斷，對(duì)鍋爐相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。

2優(yōu)化調(diào)整控制措施和效果

2.1對(duì)入爐煤粒徑進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整

由于褐煤具有爆裂性好，燃燒后會(huì)迅速爆裂成更細(xì)的顆粒之特點(diǎn)，因此容易產(chǎn)生一些新問(wèn)題，如：細(xì)顆粒物進(jìn)入爐膛后，揮發(fā)分析出迅速，燃燒后床溫偏高；過(guò)細(xì)的煤粉容易被迅速夾帶出爐膛。如果布風(fēng)不均勻，部分煤粉在稀相區(qū)未參與燃燒就被直接帶出爐膛進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)一步參與燃燒，導(dǎo)致循環(huán)灰再燃燒現(xiàn)象的發(fā)生。

因此，根據(jù)印尼褐煤的煤質(zhì)特性，首先對(duì)入爐煤粒徑進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，將入爐煤粒徑調(diào)整到設(shè)備可調(diào)范圍的最大值。調(diào)整結(jié)果表明，在增加入爐煤粒徑后，爐膛稀相區(qū)壓差有所提高，已建立起良好的灰平衡，使得爐內(nèi)溫度更加均勻，平均床溫和爐內(nèi)溫差均有所下降。平均床溫從940 ℃降至921 ℃，爐內(nèi)溫差由176 ℃降至136 ℃。不同負(fù)荷下，優(yōu)化調(diào)整后床溫變化趨勢(shì)如圖1和圖2所示。

圖1　調(diào)整后床溫的變化情況(負(fù)荷為250 MW)

圖2　調(diào)整后床溫的變化情況(負(fù)荷為300 MW)

2.2一次、二次風(fēng)量及床壓優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

2.2.1一次風(fēng)量的優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

若一次風(fēng)過(guò)大，密相區(qū)的磨損將會(huì)成倍增長(zhǎng)。因此，適當(dāng)降低一次風(fēng)的比例，既可有效減少磨損，也可降低風(fēng)機(jī)電耗。在保持總風(fēng)量不變的情況下，隨著將一次風(fēng)量由45.4×104m3/h降至40×104m3/h，平均床溫和最高床溫略有升高，但風(fēng)機(jī)電流下降明顯，在300 MW負(fù)荷工況下，調(diào)整后風(fēng)機(jī)總電流較調(diào)整前降低了約10 A。根據(jù)實(shí)際床溫情況，為安全起見(jiàn)，未繼續(xù)進(jìn)行一次風(fēng)量減少試驗(yàn)，建議滿負(fù)荷工況時(shí)保持一次風(fēng)量不低于40×104m3/h。調(diào)整后風(fēng)機(jī)總電流變化趨勢(shì)如圖3和圖4所示。

圖3　調(diào)整后單臺(tái)風(fēng)機(jī)總電流的變化情況(250 MW)

圖4　調(diào)整后單臺(tái)風(fēng)機(jī)總電流的變化情況(300 MW)

2.2.2二次風(fēng)量及一次、二次風(fēng)配比優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

以配風(fēng)優(yōu)化達(dá)至燃燒優(yōu)化為原則，分別進(jìn)行了二次風(fēng)量調(diào)整[10-11]、給煤方式、回料閥、 一次和二次風(fēng)配比及上、下二次風(fēng)比例等試驗(yàn)。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整，在負(fù)荷250 MW時(shí)，平均床溫和最高床溫均較調(diào)整前有所降低，降低幅度約10 ℃，且最高溫度降至920 ℃以下。與優(yōu)化前相比較，額定負(fù)荷時(shí)，平均床溫基本無(wú)變化，最高床溫略有下降，降幅約10 ℃，最高點(diǎn)床溫不超過(guò)961 ℃。飛灰和底渣可燃物含量化驗(yàn)結(jié)果均小于2%。上、下二次風(fēng)比例調(diào)整值見(jiàn)表4。

表4上、下二次風(fēng)比例調(diào)整結(jié)果

內(nèi)容不同負(fù)荷下的各種參數(shù)180MW250MW300MW爐膛負(fù)壓/Pa100～200100～200100～200下二次風(fēng)比例/%100100100油槍A-F風(fēng)比例/%1010～1515～20上二次風(fēng)比例/%103045

根據(jù)印尼褐煤高揮發(fā)分、高熱值、低灰分等特性，要適當(dāng)增大下二次風(fēng)和總二次風(fēng)比例，提供過(guò)渡區(qū)燃燒所需空氣，同時(shí)降低床壓。通過(guò)調(diào)整，床溫有較明顯好轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)總電流也降低了約10 A。

經(jīng)試驗(yàn)研究后認(rèn)為，造成床溫高和爐溫偏差大的主要原因是稀相區(qū)差壓低，需加強(qiáng)對(duì)流化風(fēng)量的優(yōu)化調(diào)整，包括減少回料閥上部噴嘴保護(hù)風(fēng)和松動(dòng)風(fēng)。減少流化風(fēng)(特別是上部噴嘴保護(hù)風(fēng))可防止其過(guò)大時(shí)從下降管反竄至中心筒，導(dǎo)致分離器效率下降，循環(huán)灰量和稀相區(qū)差壓亦受影響。從運(yùn)行實(shí)際情況來(lái)看，通過(guò)關(guān)閉上部噴嘴保護(hù)風(fēng)、關(guān)小松動(dòng)風(fēng)，流化風(fēng)母管壓力變化很小，流化風(fēng)量下降，流化風(fēng)機(jī)總電流從40 A下降至37 A，分離器效率也有所上升，仍能穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)，分離器內(nèi)料位差增加，爐溫偏差下降，床溫也有所降低。風(fēng)機(jī)平均總電流在250 MW時(shí)降低了約50 A，300 MW時(shí)降低了約30 A，節(jié)能明顯。

2.2.3床壓區(qū)間值測(cè)試

從實(shí)際測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，降低CFB鍋爐床壓對(duì)降低風(fēng)機(jī)電流有較明顯作用，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致床溫升高，不利于NOx排放控制。床壓過(guò)高，會(huì)加劇鍋爐壁面磨損，并使風(fēng)機(jī)出力增大?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)鍋爐床壓區(qū)間值測(cè)試結(jié)果表明，5號(hào)、6號(hào)鍋爐運(yùn)行床壓最佳區(qū)間值為9.5～10 kPa。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)5號(hào)、6號(hào)鍋爐入爐煤粒徑、一次和二次風(fēng)量配比的合理控制和分配，可提高床層顆粒粒徑均勻性，有利于控制床溫和NOx排放濃度。2臺(tái)鍋爐改燒低灰分、非設(shè)計(jì)煤種——印尼褐煤的試驗(yàn)證明，通過(guò)優(yōu)化燃燒方式，可以保證鍋爐安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，擴(kuò)展了CFB鍋爐對(duì)煤種的適應(yīng)性，并取得如下的試驗(yàn)研究成果：

a)試驗(yàn)調(diào)整后，床壓下降，導(dǎo)致一次、二次風(fēng)機(jī)電流降低，廠用電率下降，飛灰可燃物含量下降。 負(fù)荷低于250 MW時(shí)，隨著床壓的降低，爐內(nèi)循環(huán)物料量減少，循環(huán)灰?guī)ё邿崃磕芰ο陆?，床溫升高，更有利于飛灰及底渣燃盡，同時(shí)可保證單點(diǎn)床溫不超過(guò)960 ℃。

b)燃燒優(yōu)化調(diào)整后，平均床溫降低了20 ℃，并穩(wěn)定維持在920 ℃，最高床溫低于960 ℃，降低了爐膛和循環(huán)回路結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)，有利于NOx達(dá)標(biāo)排放。滿負(fù)荷(300 MW)時(shí)，一次風(fēng)量達(dá)到46×104m3/h，風(fēng)室不漏渣，上層平均床溫低于920 ℃。

c)當(dāng)燃用灰分小于5%、灰熔點(diǎn)ST僅為1 110 ℃的印尼褐煤時(shí)，經(jīng)燃燒調(diào)整后也能保證稀相區(qū)壓差維持在1.6～2.0 kPa，床溫適宜，結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)低，帶負(fù)荷能力強(qiáng)。

d)隨著入爐煤粒徑的增大，爐內(nèi)溫差顯著下降，床溫也有所降低。當(dāng)燃燒印尼褐煤時(shí)，建議將細(xì)碎機(jī)的間隙調(diào)整為18 mm，振動(dòng)篩的間隙調(diào)整為24 mm，使入爐煤粒徑(中位徑)保持在3 mm左右。

e)鍋爐燃燒氧量控制在2%～3.5%范圍時(shí)，有利于控制NOx排放濃度，也有利于提高鍋爐燃燒效率。

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LI Debo, SUN Chaofan, PENG Zehong. Research Development of Numerical Simulation Method for Overall Thermal State of Circulating Fluidized Bed[J].Guangdong Electric Power, 2015, 28(4)：1-6.

陳卓衛(wèi)(1970)，男，廣東羅定人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行、試驗(yàn)工作。

孫超凡(1965)，男，江西撫州人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事循環(huán)流化床鍋爐研究、調(diào)試及試驗(yàn)工作。

洪喜彬(1980)，男，廣東揭陽(yáng)人。技師，工學(xué)學(xué)士，主要從事循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行、試驗(yàn)工作。

(編輯王夏慧)

Experimental Research on 300 MW Circulating Fluidized Bed Boiler Changing to

Burn Low Ash Content Lignite

CHEN Zhuowei1,SUN Chaofan2, HONG Xibin1, DENG Jianhua2, PENG Zehong2, LI Debo2

(1. Guangdong Yudean Group Cloud River Power Company Ltd., Yunfu, Guangdong 527328, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080,China)

Abstract：In allusion to problems such as high bed temperature, uneven distribution of furnace temperature, insufficient circulating ash quantity of No.5 and No.6 boiler of Guangdong Yudean Group Cloud River Power Company Ltd. in the process of its changing to burn non-design coal Indonesia lignite, which seriously affect safe operation of the boiler, this research develops various combustion optimization experiments under different load working conditions in terms of adjusting grain diameter of furnace coal, air quantity of high pressure fluidizing air, total air quantity, matching of primary and secondary air, matching of up and down secondary air, bed pressure, and so on, which effectively solve a series of problems caused by the boiler changing to burn low ash content Indonesia lignite and make it have considerable economic benefit and broad prospect in application.

Key words：circulating fluidized bed boiler; combustion optimization; air quantity; Indonesia lignite; low ash content; non-design coal

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(k-GD2013-0523)

收稿日期：2015-08-12修回日期：2015-10-08

中圖分類號(hào)：TK229.66

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)01-0017-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.004