， (中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

循環(huán)流化床電廠燃料的三級篩分方案研究

馮穎，姬俊
(中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

循環(huán)流化床鍋爐對燃煤粒度級配的要求，完全依靠燃煤篩分破碎系統(tǒng)，要求燃煤通過篩分破碎系統(tǒng)后，能夠獲得理想的顆粒。研究三級篩分系統(tǒng)可以有效控制入爐煤粒度，提高鍋爐運行的穩(wěn)定性和燃燒效率。

粒度級配；半開式；高幅振動篩

0 引 言

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed)鍋爐可燃用大量的劣質(zhì)煤、煤矸石和煤泥等，對燃料的適應(yīng)能力強，導(dǎo)致循環(huán)流化床電廠的來煤具有多樣性、復(fù)雜性等特點；同時，循環(huán)流化床鍋爐對進入爐膛的燃料粒度范圍、平均粒度大小、粒度的分布卻有著較嚴(yán)格的要求。

循環(huán)流化床鍋爐需要的燃煤粒度級配，完全依靠燃煤篩分破碎系統(tǒng)，要求燃煤通過篩分破碎系統(tǒng)后能夠獲得理想的顆粒。受工作原理限制，燃料經(jīng)目前常用的二級篩煤機和二級碎煤機后仍會存在部分超過粒度要求的物料。煤的顆粒尺寸不當(dāng)，可能會破壞循環(huán)流化床內(nèi)的顆粒循環(huán)，影響鍋爐的正常運行。提出運煤系統(tǒng)在二級篩分以后增設(shè)三級篩分，將更好地解決經(jīng)二級篩分破碎后，原煤粒度超標(biāo)的問題。

1 入爐煤粒度級配對循環(huán)流化床鍋爐的影響

循環(huán)流化床鍋爐對進入的燃料顆粒具有寬篩分特性。根據(jù)不同爐型、不同煤種，循環(huán)流化床鍋爐對燃料的粒度級配要求不同，一般有0～6 mm、0～8 mm、0～10 mm、0～13 mm等粒度范圍要求。

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特點是寬篩分的煤粒在適當(dāng)?shù)臍饬髯饔孟?，在床中一面翻騰運動，一面燃燒。循環(huán)流化床鍋爐運行時的基本要求就是床料沸騰正常，床溫維持穩(wěn)定。為達到此要求，鍋爐中不同尺寸的顆粒燃燒循環(huán)時呈一定規(guī)律的分布。粗顆粒趨向于聚集在密相區(qū)內(nèi)，而細(xì)顆粒作為飛灰被氣流曳帶離開分離裝置，經(jīng)過尾部受熱面離開鍋爐，中間尺寸的顆粒則在固體顆粒循環(huán)回路中循環(huán)。但如果燃料的顆粒尺寸不當(dāng)，則可能會破壞循環(huán)流化床內(nèi)的顆粒循環(huán)，影響鍋爐的正常運行，即鍋爐達不到出力或影響正常的燃燒。

煤粒度超過設(shè)計值，將造成一、二次風(fēng)的配比發(fā)生改變，引起排灰困難，鍋爐負(fù)荷下降，燃燒效率降低，鍋爐床溫不穩(wěn)，床壓升高，導(dǎo)致爐內(nèi)翻床的可能性增加，同時過多的大顆粒也會影響底冷器的運行。

煤粒度超過設(shè)計值時，操作人員往往被迫采用較大的運行風(fēng)量來流化床層，使得床粒完全流化的流化風(fēng)速提高，流化風(fēng)帶走的熱量增加；煤粒度的增大使得氣、固間的傳熱減弱，空氣與粒子之間的溫差加大，要實現(xiàn)床溫達到點火投煤溫度的要求，則必然要提高熱風(fēng)溫度。而在循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計中，由于采用高濃度循環(huán)物料，傳熱強度高，爐膛高度一般低于煤粉爐，物料濃度高、動量大，運行風(fēng)量大于設(shè)計風(fēng)量，減少了粒子在爐內(nèi)的停留時間，不能被分離器分離的煤粒含碳量居高不下。一、二次風(fēng)的配比發(fā)生改變。粗顆粒容易出現(xiàn)沉底，使得床料分層嚴(yán)重，易出現(xiàn)床層局部或整體超溫結(jié)焦現(xiàn)象，造成燃燒效率不高，投煤量較大。這樣，在過熱器受熱面以對流過熱器為主的設(shè)計條件下，在較高負(fù)荷下就可能出現(xiàn)過熱蒸汽超溫現(xiàn)象。

在床內(nèi)因給煤粒度過大或布風(fēng)不均，流化不好而結(jié)焦時，如果不能及時處理床溫分布不均勻，焦塊的增大會使床內(nèi)風(fēng)速愈加不均，最終因流化問題導(dǎo)致床溫下跌，被迫停爐。為使大顆粒正常流化需要提高風(fēng)速，從而增加了風(fēng)機的耗能并使壓力波動大，引發(fā)風(fēng)道振動，這也是運行中要盡量避免的工況。

因此，確保燃煤的粒度符合循環(huán)流化床鍋爐燃燒要求，是保證循環(huán)流化床鍋爐正常運行的重要因素之一。

2 目前燃煤篩分破碎系統(tǒng)存在的問題

循環(huán)流化床鍋爐需要的燃煤粒度需將原煤破碎到6～13 mm以下，只能依靠燃煤篩分破碎系統(tǒng)。目前常見的篩分破碎系統(tǒng)常規(guī)設(shè)置多為開式二級篩分破碎系統(tǒng)。

開式系統(tǒng)是指經(jīng)二級篩碎后的煤直接經(jīng)下一級皮帶機進入鍋爐燃燒。開式系統(tǒng)對通過二級篩分破碎系統(tǒng)后仍大于循環(huán)流化床鍋爐要求的物料不予處理，碎后物料粒度通過對二級碎煤機的調(diào)節(jié)進行控制，二級篩碎設(shè)施后的全部物料均進入上煤系統(tǒng)并送入鍋爐爐膛燃燒。該系統(tǒng)在目前的循環(huán)流化床發(fā)電廠中最為常見。工藝流程如圖1。

圖1 開式系統(tǒng)工藝流程

開式二級篩碎系統(tǒng)布置簡單，節(jié)省投資和電耗。但是，系統(tǒng)即使在正常運行的情況下，也會發(fā)生二級篩煤機的篩網(wǎng)局部磨損，二級碎煤機的環(huán)錘(齒輥)局部磨損(不均勻磨損)的情況，從而導(dǎo)致開式二級篩分破碎系統(tǒng)的入爐煤粒度很難得到有效的保證。

從大量工程運行調(diào)研來看，二級破碎機易受來煤不穩(wěn)定、給料不均勻、錘頭不均勻磨損等因素的影響，其出料級配分布有兩頭大中間小的特點。進入二級破碎機的物料一般不能均勻地分布在整個轉(zhuǎn)子的軸向上，出現(xiàn)中間多、兩邊少的情況，因而煤對錘頭的沖刷也造成磨損中間多兩邊少。運行時間稍長后，其錘頭與破碎器板之間的間隙就相差較大了，很難保證煤的粒度。當(dāng)來煤不穩(wěn)定時，不同煤質(zhì)對錘頭也會產(chǎn)生不均勻磨損。錘頭的不均勻磨損也可能致使煤破碎后的粒度超過設(shè)計值，這是破碎機本身難以解決的。

3 三級篩分系統(tǒng)的方案研究

為了確保二級篩分破碎后進入鍋爐的原煤粒度，提出了在運煤系統(tǒng)設(shè)計中增加三級篩分系統(tǒng)。增加三級細(xì)篩的系統(tǒng)設(shè)計可采用閉式循環(huán)系統(tǒng)和半開式系統(tǒng)。

1)閉式循環(huán)系統(tǒng)

閉式循環(huán)系統(tǒng)在二級篩碎后設(shè)置了三級細(xì)篩和物料返回系統(tǒng)，通過第三級篩分設(shè)備對仍大于循環(huán)流化床鍋爐要求的物料進行篩選，合格物料進入上煤系統(tǒng)并送入鍋爐爐膛燃燒，不符合粒度的煤經(jīng)帶式輸送機或斗式提升機返回二級篩(碎)煤機的入口。工藝流程如圖2所示。

圖2 閉式循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

閉式循環(huán)系統(tǒng)增加了三級細(xì)篩和返料循環(huán)運行，能從系統(tǒng)上解決煤的粒度級配要求，較好地保證入爐煤粒度。但由于增加了細(xì)碎機室的布置難度，系統(tǒng)設(shè)置較復(fù)雜，投資增加較大；二級篩、二級碎煤機、三級篩要重復(fù)進行循環(huán)作業(yè)，效率較低、設(shè)備出力較大，同時各設(shè)備出力確定較為困難在實際工程設(shè)計中應(yīng)用較少。

閉式循環(huán)系統(tǒng)曾在300 MW CFB白馬示范電站的石灰石破碎系統(tǒng)中采用，由于三級細(xì)篩設(shè)備嚴(yán)重堵料，導(dǎo)致系統(tǒng)運行存在較多問題。

2)半開式系統(tǒng)

半開式系統(tǒng)是在二級細(xì)篩和二級破碎機之后設(shè)置第三級篩分設(shè)備，對經(jīng)二級篩碎設(shè)施后仍大于循環(huán)流化床鍋爐要求的物料進行篩選，合格物料進入上煤系統(tǒng)并送入鍋爐爐膛燃燒；不合格物料排出系統(tǒng)之外，經(jīng)人工甄別后將大石塊、雜物等丟棄，煤塊經(jīng)裝載機等設(shè)備送至煤場。

該系統(tǒng)能大幅減少進入鍋爐的大塊物料，有效提高鍋爐運行的穩(wěn)定性和燃燒效率，在近年設(shè)計的大型循環(huán)流化床發(fā)電廠的運用逐漸增多。

對二級篩煤機和二級碎煤機的物料都進行分選的流程如圖3所示。

圖3 半開式系統(tǒng)工藝流程

半開式系統(tǒng)設(shè)計中，經(jīng)過三級篩分兩級破碎后，符合粒度要求的煤進入上煤系統(tǒng)并進入鍋爐爐膛燃燒，仍然不符合粒度要求的煤將排出系統(tǒng)。

半開式系統(tǒng)能較為有效地控制入爐煤粒度，并對入爐煤粒度級配控制起到了積極的作用，同時避免了閉式循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜的工藝流程，節(jié)省了工程投資。

考慮到三級篩分設(shè)備故障和檢修維護的實際情況，在系統(tǒng)設(shè)計時，可在三級篩分設(shè)備處設(shè)置旁路。

4 三級篩分設(shè)備的選型

采用二級篩煤機可以篩分去除細(xì)煤，減少進入二級破碎機的細(xì)煤量，降低煤的過破碎程度，緩解煤的粒度級配偏小的問題。采用三級篩煤機可以去除過大粗顆粒煤，避免過大粗顆粒煤進入鍋爐。

解決因水份含量高造成的細(xì)篩堵煤問題、提高篩分效率低、提高篩網(wǎng)壽命等，是目前細(xì)篩選型和設(shè)計存在的主要問題。由于高幅振動篩在二級細(xì)篩的成功運行，可以選擇高幅振動篩作為三級細(xì)篩。

高幅振動篩是振動篩的一種，是利用振動的機械原理來實現(xiàn)篩分的。高幅振動篩是在傳統(tǒng)振動篩的基礎(chǔ)上進行循環(huán)流化床專有技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)生的。

高幅振動篩的篩網(wǎng)采用分段式，根據(jù)物料的不同可以采用多種篩網(wǎng)型式。最常見的為棒條式篩網(wǎng)，每段篩網(wǎng)由特鋼棒條和框架組成，棒條呈縱向排列，除了整塊篩網(wǎng)在振動以外，每根棒條也存在著活動間隙，并做二次振動和轉(zhuǎn)動以消除濕黏原煤對篩網(wǎng)的粘結(jié)問題。

高幅振動篩篩面振動采用15～25 mm大振幅，低振動頻率為12 Hz。大振幅可以避免原煤粘結(jié)在篩網(wǎng)上，低頻率可以讓原煤顆粒有充分的時間透過篩網(wǎng)。振動強度是篩箱運動的加速度與重力加速度的比值，常規(guī)國產(chǎn)振動篩的振動強度在3～4.2之間，高幅篩的振動強度為5～9，高振動強度有利于原煤的分層，提高篩分效率。同時每段篩面的振幅和振動強度可調(diào)，提高了對物料的適應(yīng)性。

圖4 高幅振動篩

三級篩分設(shè)備在選型時，應(yīng)充分保證其篩分效率、設(shè)備的出力應(yīng)與系統(tǒng)出力一致，篩面面積與二級篩分設(shè)備相當(dāng)，篩孔尺寸以不小于二級篩分設(shè)備篩孔尺寸的2倍為宜。

5 三級篩分系統(tǒng)的應(yīng)用

在600 MW CFB白馬電站采用了半開式三級篩碎系統(tǒng)。

圖5 600 MW CFB白馬示范電站二級碎煤機室布置圖

該電站采用GFS-2060型高幅振動篩作為三級細(xì)篩，額定出力為600 t/h，篩面尺寸為2 000 mm×6 000 mm，篩孔尺寸為16～20 mm，篩面傾角為20°、18°、16°，振幅為15～25 mm。來煤經(jīng)過三級篩后，仍然不符合粒度的篩上物將進入集料斗集中處理。

白馬電廠600 MW示范機組于2013年4月正式投運，二級篩碎系統(tǒng)運行情況良好，未發(fā)生堵煤情況。電廠每周定期清理二級煤篩和三級煤篩表層，清理二級碎煤機室落煤管。運行至今，二級篩碎系統(tǒng)未出現(xiàn)堵煤情況。電廠安裝的三級篩篩孔尺寸為16～20 mm，三級篩拋棄的物料基本為20 mm以上的顆粒。由于拋棄的物料大部分仍為原煤，每天電廠用拖斗車將其拉至煤場再利用。

目前電廠平均日上煤量約6 000 t/d。在二級碎煤機錘頭更換初期，且煤質(zhì)變化小、二級篩篩條正常的情況下，每天拋棄物料約10 t，占總上煤量的0.167%。當(dāng)二級碎煤機錘頭出現(xiàn)磨損、煤質(zhì)較差、二級篩篩條局部破損等情況下，每日拋棄物料約20 t，占總上煤量的0.333%。

電廠鍋爐對輸煤系統(tǒng)的要求是入爐煤粒度為8mm以上的不超過5%。電廠輸煤運行人員每班對入爐煤進行人工取樣，分析入爐煤粒度，據(jù)此調(diào)整碎煤機間隙，更換破損篩條控制入爐煤粒度。

600 MW CFB白馬機組在采用三級篩后，對入爐煤粒度級配控制起到了積極作用，特別是大顆粒部分得到了有效控制，確保了CFB鍋爐爐內(nèi)流化，床溫分布較為均勻，排渣順暢，有效減少了爐膛因局部流化不好造成的爐膛結(jié)焦。

6 結(jié) 論

燃燒低劣質(zhì)煤是循環(huán)流化床鍋爐的一個最大的優(yōu)點。入爐煤顆粒是循環(huán)流化床鍋爐一個關(guān)鍵問題。在工程設(shè)計中，優(yōu)化的篩碎系統(tǒng)、正確的選擇篩碎設(shè)備，使鍋爐燃燒的煤粒更趨近于鍋爐的設(shè)計值，從而使鍋爐的燃燒達到最佳效果。采用三級篩分系統(tǒng)可有效地控制了入爐煤粒度，并對入爐煤粒度級配控制起到了積極的作用；但三級細(xì)篩增加了工藝系統(tǒng)環(huán)節(jié)，增加了檢修維護工作量，具體工程是否設(shè)置三級細(xì)篩，應(yīng)根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐對燃煤粒度的要求確定。

The particle size gradation required by circulating fluidized bed (CFB) boiler completely depends on the coal screening and crushing system. It is necessary for coal to achieve the ideal particles through the screening and crushing system. The research on third grade screening system will control the coal particle size effectively, which will improve the stability of boiler operation and increase the combustion efficiency.

particle size gradation; semi-open system; high-amplitude vibrating screen

TK229.6

A

1003-6954(2017)05-0091-04

馮 穎(1972)，大學(xué)本科、高級工程師，從事火力發(fā)電廠運煤設(shè)計。

2017-06-27)