300 MW循环流化床锅炉大比例掺烧煤泥试验研究
0 引 言
我国是煤炭消耗大国，2017年我国的一次能源消耗量中煤炭占比超过60%[1]。煤炭资源作为一种不可再生的化石能源，储量有限，不仅要加强高品质煤的利用，对低品质煤(煤泥、矸石等)的利用也不容忽视。煤泥是煤炭分选过程中的主要副产品，产量巨大，煤泥具有颗粒细、水分大、灰分高、黏度大、持水性强、内聚力大、难以运输等特点，在堆积状态下形态不稳定，极易造成环境污染[2]。目前处理煤泥大多采用掺烧方式，循环流化床(CFB)锅炉具有燃烧温度低、负荷调节范围广、燃烧效率高、污染物控制效果好等优点，广泛应用于低品质燃料利用领域，比较适合燃用煤泥，因此具有较大的发展空间。循环流化床是一种能够形成流态化的装置，主要由带布风板的提升管、分离器以及回送分离物料的回料装置组成。提升管内的固体物料流化状态与物料性质和流化风速有关，可以是鼓泡床、湍动床、快速床以及气力输送[3]。
邵伟等[4]在一台440 t/h的CFB锅炉中进行试验，发现掺烧煤泥比例增加可使床温降低，提高脱硫效率，CFB锅炉仍可正常运行，当煤泥掺烧比例为50%～60%时，锅炉效率达到峰值。刘彦鹏等[5]在一台300 MW亚临界参数CFB锅炉中进行掺烧试验，当煤泥掺烧量达到40 m3/h(约30%给煤量)时，床温下降约30 ℃，飞灰含碳量变化不明显，底渣含碳量升高，锅炉效率下降。刘吉堂等[6]研究发现，在大比例掺烧煤泥的情况下，煤泥在炉内的凝聚结团特性是影响CFB锅炉稳定、高效燃烧的关键，在设计与改造现有锅炉时，应考虑炉内受热面吸热份额的变化以及烟气量和烟气温度的变化。前人研究大多是小锅炉掺烧，掺烧比例也较低，实际运行中不是仅燃用矸石与煤泥的混煤，对于300 MW的CFB锅炉大比例掺烧煤泥的情况研究很少。
贵州盘北电厂是贵州省首个30万千瓦CFB机组资源综合利用发电项目，以盘江矿区煤泥及煤矸石为主要燃料，综合热值小于9.63 MJ/kg。投产以来，盘北电厂与清华大学合作开展了煤泥、煤矸石大比例掺烧及机组适应性创新研究，实现了将煤泥、煤矸石等低热值燃料变废为宝。自2013年7月投产以来累计利用煤泥、煤矸石1 000多万吨，其中，2018年累计利用煤泥200多万吨、煤矸石50多万吨。近几年来，盘北电厂的煤泥掺烧比例稳步提高，目前可达84%，中低负荷下掺烧比例最多可达100%，在全国同类型机组中属领先水平。
本文主要针对不同煤泥矸石掺烧比例下的CFB系统物料平衡进行模型计算，研究不同掺烧比例对炉内物料平均粒径、物料浓度分布、颗粒停留时间的影响，从而确定大比例掺烧煤泥条件下的流态优化条件，通过流态重构提高煤泥在炉内停留时间和燃尽率。根据盘北电厂实际运行情况，分析了燃用的煤泥比例对锅炉床温、底渣与飞灰含碳量、排烟温度等参数的影响，并根据得到的结果给电厂的优化运行提供建议。
1 电厂概况
盘北电厂运行的循环流化床锅炉由上海锅炉厂有限公司设计制造(型号SG-1036/17.5-M4507)，锅炉的设计参数见表1。该锅炉为亚临界参数、带中间再热、单汽包自然循环、岛式布置、全钢架支吊结合的循环流化床锅炉。锅炉炉膛高40.1 m、宽29.4 m、深8.9 m，锥段高10.0 m。锅炉采用水冷式旋风分离器进行气固分离，运转层标高为 12.6 m。目前CFB锅炉掺烧煤泥的方式大多采用顶部给料和中部给料[6]，经对比分析，考虑到大比例掺混煤泥的实际需要，采用顶部给料方式。为了实现大比例掺烧煤泥，最高掺烧比例100%的目标，盘北电厂对煤泥输运设备和管道进行改造。
表1 锅炉设计参数
Table 1 Boiler design parameters
设计参数主蒸汽流量/(t·h-1)主蒸汽出口温度/℃主蒸汽出口压力/MPa再热蒸汽流量/(t·h-1)再热蒸汽出口温度/℃再热蒸汽出口压力/MPa再热蒸汽进口温度/℃再热蒸汽进口压力/MPa给水温度/℃数值976.654117.4809.15413.41320.33.59278.5
2 掺混煤泥比例对锅炉物料平衡的影响
本文的研究对象是国投盘北电厂300 MW CFB锅炉机组，锅炉结构较为复杂，因此对锅炉结构进行简化，只保留炉膛、分离器、回料阀等主要部分。利用清华大学开发的一维物料平衡模型[7]，对满负荷条件下燃用矸石和煤泥混煤系统的物料平衡进行预测，探究不同矸石和煤泥掺混比例下CFB锅炉物料浓度、颗粒停留时间、循环流率等参数的变化，采用流态重构理论确定了流态优化的条件。一维模型的详细介绍可参照文献[8]。
对于机组燃用的矸石与煤泥2种低热值燃料，其工业分析、元素分析及热值见表2。矸石与煤泥的掺混比例为45∶55和65∶35，分别记作混煤1和混煤2，2种混煤粒径分布见表3。由于煤泥的颗粒粒径较小，超过95%均在0.3 mm以下，因此煤泥占比大的混煤1中，小粒径的煤样比例较大，而中间粒径的煤样比例较低。
表2 2种燃料的工业分析及元素分析
Table 2 Proximate and ultimate analysis of two fuels
燃料元素分析/%工业分析/% CdHdOdNdSdAarMarVarFCarQnet,d/(kJ·kg-1)矸石16.931.403.700.221.3371.005.4114.019.573 472煤泥45.491.505.790.750.5422.6623.2817.0437.0323 017
表3 2种掺混煤样的原始粒度分布
Table 3 Original particle size distributions of two blended coal samples
样品粒度分布/%0～0.3 mm0.3～1.0 mm1～2 mm2.0～3.2 mm3.2～6.0 mm6～10 mm混煤1混煤256.7639.7211.1114.306.779.677.1610.2911.9917.016.219.01
2.1 矸石和煤泥的成灰特性
循环流化床锅炉作为一进二出的平衡系统，床内床料主要来自给煤中的灰和脱硫剂。物料的循环流率、床料的粒径分布等对于流化床的运行极其重要，可影响燃烧室内的热负荷分布、燃烧效率和脱硫效率。在特定流化风速下，物料循环流率由床料质量(即床料粒径分布和床存量等)决定，而床料质量与系统物料平衡密切相关[9]。作为一进的给煤是CFB锅炉炉内循环灰的主要来源，为了合理设计锅炉本体和附属设备，需要了解燃煤的成灰特性。
成灰特性为煤样经燃烧后成灰的粒度分布特性。前人对成灰特性的研究结果表明，煤颗粒的碎裂过程对颗粒前期磨耗没有影响[10-11]，即在流化床燃烧条件下，磨耗和碎裂对最后灰粒径分布的影响是相互独立的，为此，清华大学提出采用静态燃烧和冷态振筛磨耗进行煤种成灰试验研究[12]。
矸石的灰分大，但其热值和挥发分低，因此燃烧不剧烈，基本不存在热应力及挥发分析出导致的爆裂现象。表4为不同粒径矸石的成灰特性，可见，成灰粒度分布基本反映了给煤粒度的分布，即矸石的成灰性能很差。
表4 不同粒径矸石的成灰特性
Table 4 Ash-forming characteristics of different size gangue
灰粒径/μm粒度分布/%0～300 μm300～1 000 μm1 000～2 000 μm2 000～3 200 μm3 200～6 000 μm6 000～10 000 μm6 000～10 0000000031.903 200～6 000000060.8035.902 000～3 20000024.2313.752.101 000～2 0000064.9149.425.023.75400～1 000046.2511.113.912.012.91200～40024.4837.256.004.723.204.89125～20026.044.172.362.311.822.5590～12518.062.983.692.521.912.4660～909.723.823.594.444.354.5530～602.922.685.536.354.334.130～3018.432.842.822.102.804.86
图1为煤泥的原始粒度及成灰粒度分布，可以看出，煤泥粒度分布主要在0～1 000 μm，其中100 μm以下占比超过60%。由于煤的粒度较小，在燃烧过程中爆裂现象不明显，基本不存在由于爆裂导致的粒度变化，除了在最细的30 μm粒度级，煤泥成灰粒度占比约50%，明显高于煤泥在该粒度级占比40%，因此可考虑用煤泥的粒度分布直接代替成灰粒度分布。其中构成循环灰主体的灰粒度[13](100～300 μm)占40%左右。因此通过在矸石中掺入煤泥可有效改善外循环流率和飞灰的流率。
图1 煤泥的原始粒度及成灰粒度分布
Fig.1 Original particle size and ash size distributions of coal slime
2.2 不同混煤比例对炉内物料平均粒度的影响
矸石/煤泥为45∶55、床压降为5 kPa时，经计算飞灰占比约为39%，循环流率为7.52 kg/(m2·s)，此时混煤的成灰特性可满足CFB锅炉的物料平衡要求[14]。炉膛内平均颗粒粒度为218 μm，排渣粒度为261 μm，飞灰平均粒度为28.1 μm，如图2(a)所示。当矸石/煤泥为65∶35、床压降为5 kPa时，经计算飞灰占比约为26%，循环流率为5.56 kg/(m2·s)，此时混煤的成灰特性较差，CFB锅炉内的物料平衡一般，需要改善。炉膛内平均颗粒粒度为208 μm，排渣粒度为304 μm，飞灰平均粒度为27.2 μm，如图2(b)所示。对比2种混煤比例的模拟结果发现，增加煤泥的比例可提高循环流率，有利于CFB系统内的物料循环，但同时也会增加飞灰份额，对尾部烟道和受热面产生不利影响。
2.3 不同混煤比例对颗粒停留时间的影响
图3为不同混煤比例对颗粒停留时间的影响。颗粒粒径在0.1 mm及以下时，混煤比例对颗粒的停留时间影响较小；粒径大于0.1 mm时，提高煤泥比例有利于增加颗粒在炉内的停留时间，有利于0.1～0.3 mm煤泥燃尽。矸石煤泥比例为65∶35时，模型计算得到较大颗粒的停留时间约为1 100 s，这主要是由于排渣比例增大，导致大颗粒的停留时间降低，而矸石属于较难燃尽的煤种，为保证较大颗粒有足够的停留时间，建议控制矸石的入炉煤粒径。
图2 飞灰、循环灰、底渣和床料的粒度分布
Fig.2 Particle size distributions of fly ash,circulating ash,bottom slag and bed stock
图3 不同混煤比例时颗粒的停留时间
Fig.3 Residence time of particles in different coal blending ratio
2.4 不同混煤比例对物料浓度的影响
图4为沿炉膛高度固体物料浓度的分布。2种不同混煤比例下的固体物料浓度分布基本相似，锅炉下部密相区物料浓度大，上部稀相区的物料浓度较小。根据计算结果，矸石煤泥比例为45∶55时，炉膛上部颗粒浓度可达2.67 kg/m3；矸石煤泥比例为65∶35时，炉膛上部颗粒浓度只有2.34 kg/m3，说明提高混煤中煤泥比例，炉膛上部的颗粒浓度增加，有利于提高炉膛上部的传热，降低炉膛温度，且有利于颗粒团的形成[15]，从而强化炉膛物料的内循环，有利于进一步提高煤泥的停留时间，增加燃尽度。
图4 沿炉膛高度固体物料浓度的分布
Fig.4 Concentration distributions of solid material along furnace height
3 掺混煤泥比例对锅炉性能的影响
3.1 负荷和煤泥比例对床温的影响
由于掺烧的煤泥含水量较高、平均粒径较细，在大比例掺烧煤泥过程中使床温降低，严重时可导致锅炉熄火[16]。图5为掺烧煤泥比例对锅炉运行床温(密相区平均温度)的影响。可以看出，在锅炉负荷为300 MW时，煤泥出力从0增加到100%过程中，床温从970 ℃下降到935 ℃；当掺混煤泥达到100%时，锅炉床温仍保持935 ℃，处于正常运行床温范围内。掺烧煤泥解决了高床温时环保指标达标困难的问题，降低床温对控制SO2和氮氧化合物排放具有一定的积极作用，同时降低了炉内脱硫石灰石的耗量。
图5 300 MW负荷下煤泥量对床温的影响
Fig.5 Effect of coal slime on bed temperature under 300 MW load
图6为不同负荷下投煤泥对床温的影响。可以看出，随着锅炉负荷的增加，床温持续升高。锅炉负荷在179～300 MW时，投煤泥工况下的床温均低于不投煤泥时的床温。
图6 不同负荷下投煤泥对床温的影响
Fig.6 Effect of coal slime on bed temperature under different loads
3.2 煤泥比例对飞灰和底渣含碳量的影响
在锅炉负荷为300 MW时，煤泥含量对底渣和飞灰含碳量的影响如图7所示。可以看出，随着掺烧煤泥比例的增加，飞灰含碳量呈升高趋势，主要是由于飞灰占比增加，掺烧的煤泥含水量较高，在炉内燃烧后会增加烟气流量，导致超细颗粒逃逸增加，同时炉膛温度降低，这也是飞灰燃尽率降低原因之一。煤泥在入炉后水分蒸发过程中会出现结团现象，影响燃烧效率，增加锅炉的飞灰含碳热损失[6]。底渣含碳量的影响规律则呈相反趋势，即随着掺烧煤泥比例的增加，底渣含碳量呈下降趋势。这主要是由于掺烧煤泥后，飞灰占比增加，导致排渣量减少，从而延长了大颗粒的停留时间，提高了矸石的燃尽度，因此掺烧煤泥后底渣含碳量降低。
图7 煤泥含量对底渣和飞灰含碳量的影响
Fig.7 Effect of coal slime content on carbon content of bottom slag and fly ash
3.3 掺烧煤泥对排烟温度的影响
图8为300 MW负荷下煤泥含量对排烟温度的影响。可以看出，锅炉负荷为300 MW时，随着掺烧煤泥量增加，锅炉的排烟温度持续升高。这是因为煤泥含水量较高，大量掺烧煤泥后会增加烟气流量，这些水分在炉内加热、蒸发、过热的过程中会带走更多热量[6]。
图8 300 MW负荷下煤泥含量对排烟温度的影响
Fig.8 Effect of coal slime on flue gas temperature under 300 MW load
不同负荷下投煤泥对排烟温度的影响如图9所示。在相同负荷下，运行中投煤泥后的排烟温度要高于不投煤泥时，且随负荷的升高，2种情况下的排烟温度差值增大，即在锅炉高负荷时，投煤泥对排烟温度的影响更大。为了减少排烟损失，建议适当降低煤泥水分，同时加强尾部烟道吹灰和除尘器入口烟温监测，减少烟道漏风。
图9 不同负荷下投煤泥对排烟温度的影响
Fig.9 Effect of slime on flue gas temperature under different loads
4 结 论
1)增大煤泥的掺烧比例，可提高CFB锅炉的循环流率，增加炉膛上部颗粒浓度，延长0.1 mm以上颗粒物料的炉内停留时间，利于降低飞灰含碳量。
2)锅炉负荷为300 MW时，随着燃用煤泥的比例增加，床温呈下降趋势，最高可降低约35 ℃。
3)锅炉负荷为300 MW时，飞灰含碳量随着掺烧煤泥比例的增加而增加，而底渣含碳量出现降低。
4)CFB锅炉中投用煤泥后，锅炉的排烟温度升高，在300 MW负荷时，排烟温度随掺烧煤泥比例的增加而升高。为了实现大比例掺烧，需要强化尾部吹灰或适当调整尾部受热面。
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Research on large proportion of coal slime co-combustion in a 300 MW CFB boiler
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引用格式:张平，陈陆剑，江华,等.300 MW循环流化床锅炉大比例掺烧煤泥试验研究
[J].洁净煤技术，2020，26(1):65-70.
ZHANG Ping,CHEN Lujian,JIANG Hua,et al.Research on large proportion of coal slimeco-combustion in a 300 MW CFB boiler[J].Clean Coal Technology，2020，26(1):65-70.
