內(nèi)容摘要：本文指出提高CFB鍋爐熱效率關(guān)鍵在于降低機(jī)械(固體)不完全燃燒損失q4。并根據(jù)q4的理論計(jì)算式和我省CFB鍋爐運(yùn)行實(shí)際，指出影響q4關(guān)鍵因素是飛灰含炭量；其次是飛灰份額；然后從理論和實(shí)踐上詳細(xì)討論了降低飛灰含炭量和飛灰份額具體措施。

關(guān)健詞  機(jī)械不完全燃燒損失  飛灰含炭量  飛灰份額  流化氣速  旋風(fēng)分離器

用鍋爐熱平衡理論分析，不難發(fā)現(xiàn)影響我省燃燒無(wú)煙煤的CFB鍋爐的熱效率最主要熱損失是機(jī)械(固體)不完全燃燒損失（通常用q4表示）和排煙熱損失（通常用q2表示）。降低q2可從降低排煙溫度和減少排煙處過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)考慮，但目前已沒(méi)有多大潛力。而q4則還有降低的空間。以下從理論和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)全面分析。

1  機(jī)械(固體)不完全燃燒損失q4的計(jì)算式及主要影響因素

q4理論計(jì)算式如下：

其中Aar與Qnet.ar分別表示燃料灰份和低位發(fā)熱量；ana與afh分別表示灰渣和飛灰的份額；與Cfh分別表示灰渣和飛灰的含炭量。從運(yùn)行實(shí)際和理論計(jì)算可知，影響q4關(guān)鍵因素是飛灰含炭量Cfh；其次是飛灰份額afh；灰渣含炭量Chz影響很小。

2  飛灰含炭量的影響因素

目前，我省運(yùn)行好的CFB鍋爐飛灰含炭量也在15-20%，運(yùn)行一般的在25%，運(yùn)行差的和小容量的爐子在30%以上。這說(shuō)明降低飛灰含炭量還有潛力可挖。以下從討論飛灰含炭量的影響因素入手來(lái)分析可采用的措施。

2.1  福建無(wú)煙煤特性

福建無(wú)煙煤燃料揮發(fā)份很低，2 - 4%，著火溫度大約高達(dá)900℃，床溫必須控制在900℃以上，穩(wěn)定燃燒溫度一般950～1000℃；由于揮發(fā)份低，顆粒氣孔率低，燃燒速度很低，燃燼時(shí)間長(zhǎng)。因而飛灰中來(lái)不及燃燼炭的比率就高。

表1   福建無(wú)煙煤質(zhì)分析資料

表2   燃料揮發(fā)份對(duì)220t/hCFB鍋爐飛灰含炭量的影響[1]

* 這里是指布風(fēng)板至爐頂?shù)母叨?，而不是指布風(fēng)板至爐膛出口中心線。

表2可看出，隨著燃料揮發(fā)份從46.65%(褐煤)降低到到5.98%（無(wú)煙煤），盡管爐膛高度相應(yīng)從28.5m增加到30.2m，而且爐膛溫度也由890℃上升到930℃，但飛灰含炭量仍然從6.91%提高到27.12%。這指出了燃料揮發(fā)份對(duì)220t/hCFB鍋爐飛灰含炭量的決定性影響。

2.2  床層和爐膛溫度

燃燒無(wú)煙煤的CFB鍋爐飛灰含炭量高，說(shuō)明許多細(xì)小顆粒來(lái)不及燃燼就離開(kāi)爐膛。

提高床層和爐膛溫度是加快碳和氧化學(xué)反應(yīng)速度有效措施。根據(jù)阿倫尼烏斯理論，化學(xué)反應(yīng)速度系數(shù)K：

K = A e –E/RT

上式中A為頻率因子，E為活化能, 兩者都隨煤種而定；R是氣體通用常數(shù)。故從上式可看出，化學(xué)反應(yīng)速度系數(shù)K的增長(zhǎng)是與絕對(duì)溫度T的上升成指數(shù)關(guān)系，因此，隨爐膛溫度的增加，燃燼時(shí)間大大縮短。文獻(xiàn)圖[4]表明溫度對(duì)燃燼時(shí)間顯著影響。當(dāng)然，床層和爐膛溫度通常必須控制比該煤種灰的軟化溫度低50至100℃以下

圖1      溫度對(duì)燃燼時(shí)間的影響[4]

福建省石獅熱電廠等已總結(jié)了很好的經(jīng)驗(yàn)，他們爐膛運(yùn)行溫度一般在950℃上下，根據(jù)煤的特性，有時(shí)甚至還達(dá)1000℃以上。

通過(guò)調(diào)整給煤量﹑返料量﹑流化氣速及燃煤細(xì)度一般可以達(dá)到期望的爐內(nèi)溫度。若爐膛溫度仍然調(diào)不上去，則可能是設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題，即爐內(nèi)受熱面布置過(guò)多。這可采用鋪設(shè)“衛(wèi)燃帶”或去掉部分蒸發(fā)受熱面來(lái)解決。

2.3  顆粒爐內(nèi)停留時(shí)間

2.3.1  爐膛高度

飛灰含炭量的高低除了取決于高溫爐膛外，還決定于煤粒子在高溫爐膛內(nèi)的停留時(shí)間。其主要影響因素是爐膛高度和流化氣速。適當(dāng)增加爐膛高度，這是延長(zhǎng)微細(xì)粒子爐內(nèi)停留時(shí)間重要措施之一。石獅熱電廠75t/h鍋爐的爐膛高度(布風(fēng)板至爐膛蒸發(fā)屏下端)為18.1m，濟(jì)鍋220 t/h鍋爐的爐膛高度近36 m，無(wú)錫鍋爐廠為大田220 t/h鍋爐設(shè)計(jì)的爐膛高度是35.65 m（見(jiàn)表3）。與表2省外的煙煤爐相比要高出5-6 m 。 這將為微細(xì)粒子在爐內(nèi)燃燒取得更長(zhǎng)的停留時(shí)間。

表3    燃燒無(wú)煙煤的220 t/hCFB鍋爐的爐膛高度

2.3.2  選擇合適的流化氣速（指爐膛熱態(tài)煙氣平均流速）

目前，我省CFB鍋爐流化氣速一般是這樣選擇：35t/h爐大約取 3m/s；75t/h爐取4 m/s；220t/h以上爐取4.4～5.5m/s 。

流化氣速的選擇與鍋爐容量和煤種關(guān)系密切；氣速高低影響到爐膛中上部顆粒濃度﹑回料量多少和磨損程度。顯然，容量越小的鍋爐，由于爐膛高度限制，只能選擇低限的流化氣速，以取得一定的停留時(shí)間。而容量大的爐子在高度上略有優(yōu)勢(shì)。

東鍋75t/hCFB鍋爐流化氣速一般調(diào)整到3.8 ～ 4.2 m/s。這樣按18.1m的爐膛高度，一次通過(guò)爐膛的那些細(xì)顆粒平均停留時(shí)間大約4. 5秒。這對(duì)于福建無(wú)煙煤是不夠的，因而飛灰ｑ4仍然比較大；而在分離器被分離下來(lái)粗顆粒還能再次返回爐膛，停留時(shí)間隨返回次數(shù)增加而成倍延長(zhǎng)，盡管其燃燒反應(yīng)活性呈下降趨勢(shì)，燃燼程度仍然相對(duì)提高。對(duì)于那些根本就無(wú)法飛出爐膛的大顆粒，其停留時(shí)間很長(zhǎng)，有達(dá)數(shù)十分鐘，甚至達(dá)到數(shù)小時(shí)，因此作為大顆粒的灰渣，其含炭量就很低。其數(shù)值大約保持在2 %。

濟(jì)南鍋爐廠為安溪煤矸石電廠設(shè)計(jì)的220t/hCFB鍋爐，由于燃料多灰，設(shè)計(jì)取低流化氣速4.4 m/s，其爐膛高度近31.35m (這里指布風(fēng)板至爐膛出口中心線)，一次通過(guò)爐膛的那些細(xì)顆粒平均停留時(shí)間超過(guò)7秒。

哈鍋440t/hCFB鍋爐為燃燒龍巖無(wú)煙煤而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的流化氣速約5 m/s，可保證爐膛上部有合適的顆粒濃度。

2.4  旋風(fēng)分離器的分離效率

2.4.1  旋風(fēng)分離器類(lèi)型及效率

細(xì)微顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間與旋風(fēng)分離器效率關(guān)系很大，由于在爐內(nèi)停留時(shí)間與該顆粒被分離下來(lái)的次數(shù)成對(duì)應(yīng)倍數(shù)增長(zhǎng)。因此，一個(gè)好的分離器，既能降低飛灰含炭量，又能降低飛灰份額。這正是國(guó)內(nèi)外同行致力改善分離器設(shè)計(jì)和優(yōu)化回料器配風(fēng)動(dòng)力。圖2為CFB鍋爐常用旋風(fēng)分離器的分類(lèi)圖。按分離效率效率由高到低排列應(yīng)是：蝸殼形﹑圓筒形﹑八邊形﹑方形。

圖2   CFB鍋爐常用旋風(fēng)分離器分類(lèi)

2.4.2  旋風(fēng)分離進(jìn)口尺寸（高寬比）對(duì)分離效率的影響

福建無(wú)煙煤微細(xì)顆粒多，同容量同樣流化氣速下，顆粒濃度更高。煙氣流入旋風(fēng)筒，眾多顆粒在離心力驅(qū)動(dòng)下向筒壁運(yùn)動(dòng)，在這過(guò)程中很多顆粒相互碰撞，趨向筒壁的動(dòng)能被削弱，然后被主氣流帶走。這將影響分離效率。高寬比越低，相互碰撞越嚴(yán)重，影響越大。這也是大尺寸顆粒出現(xiàn)在靜電除塵器的原因。文獻(xiàn)[4]指出，靜電除塵器下飛灰中大于105mm顆粒重量比達(dá)到71.6 %，與石獅熱電廠的測(cè)試結(jié)果比較一致。為了降低高顆粒濃度對(duì)分離效率的影響，日本住友公司為廈門(mén)一客戶(hù)220t/h鍋爐的緊湊式水冷旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)了狹長(zhǎng)的進(jìn)口斷面（見(jiàn)圖3），其進(jìn)口斷面高度為8002 mm。薄片氣流貼壁進(jìn)入旋風(fēng)筒可減少由于顆粒相互碰撞導(dǎo)致二次飛揚(yáng)，有利于提高分離效率。但該爐高度低是主要矛盾，因而燃燒福建無(wú)煙煤時(shí)機(jī)械不完全燃燒損失很大。

圖3  八邊形緊湊式水冷旋風(fēng)分離器

3  飛灰份額的影響因素

3.1  燃料粒度特性的影響：福建無(wú)煙煤細(xì)顆粒多，從0～8mm粒度的篩分比例中得知：0.2～0.4mm煤粒占22％左右，＜1mm的煤粒占50%左右，0～3mm的煤粒占70%左右。此外，在燃燒過(guò)程中細(xì)顆粒容易爆裂，造成飛灰份額大，一般在50 – 60 % ；燃料中微細(xì)顆粒爐內(nèi)停留時(shí)間短，飛灰含炭量高；這兩個(gè)因素導(dǎo)致q4就增大。由于煤種無(wú)法改變，人們只能通過(guò)完善設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行來(lái)降低飛灰份額。

3.2  燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中特別要防止出現(xiàn)粒度合格燃料再破碎

表4 以50 %和60 %兩種不同飛灰份額代入計(jì)算式（1-1）進(jìn)行計(jì)算，證明飛灰份額從50 %提高到60 %時(shí)，機(jī)械不完全燃燒損失q4也從9.457%增加到11.250%。計(jì)算說(shuō)明飛灰份額對(duì)q4的重要影響。

表4    不同飛灰份額 對(duì)機(jī)械不完全燃燒損失q4影響的計(jì)算實(shí)例

我省有些設(shè)計(jì)單位不熟悉CFB鍋爐對(duì)燃煤粒度分布的要求，在燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮到破碎過(guò)細(xì)會(huì)提高飛灰份額。出現(xiàn)把所有原煤都送破碎的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這不僅降低鍋爐熱效率， 還導(dǎo)致鍋爐煙塵排放濃度增加，甚至除塵器采用5電場(chǎng)時(shí)，其排放濃度還要超過(guò)50mg/m3。此外，由于福建無(wú)煙煤原煤中10mm以下約占90%，燃料應(yīng)當(dāng)先篩分，不合格再破碎，可大大降低燃料破碎電耗。

3.3  回料器風(fēng)量的正確調(diào)節(jié)

目前，國(guó)內(nèi)外CFB鍋爐的回料器不論稱(chēng)U﹑J或L型，其回料通道都是一個(gè)U型體（見(jiàn)圖4）。U型體下部左右側(cè)配有兩個(gè)調(diào)節(jié)閥，左側(cè)為回料風(fēng)閥，開(kāi)度大，使U型體流化床左側(cè)的顆粒處于強(qiáng)烈流化狀態(tài)；而右側(cè)松動(dòng)風(fēng)閥開(kāi)度很小，其調(diào)節(jié)量只要保證U型體內(nèi)流化床右側(cè)的顆粒松動(dòng)即可。這樣，使U型體右側(cè)接料腿的顆粒柱處于充氣滑移狀態(tài)；而且料腿中能保持穩(wěn)定高度的顆粒柱且不受負(fù)荷波動(dòng)影響。由于料腿中這個(gè)密相顆粒柱所具有的壓頭比爐膛內(nèi)膨脹度高的相對(duì)稀疏顆粒柱所產(chǎn)生的壓頭要高，因此很容易造成顆粒自動(dòng)地穿過(guò)U型體左側(cè)進(jìn)入爐膛，實(shí)現(xiàn)物料可靠的循環(huán)。

松動(dòng)風(fēng)的調(diào)節(jié)對(duì)飛灰份額影響很大。在U型體中，接近100%的松動(dòng)風(fēng)量將隨被松動(dòng)的顆粒穿過(guò)U型通道進(jìn)入爐膛。但過(guò)大的松動(dòng)風(fēng)，必然有部分松動(dòng)風(fēng)上竄，導(dǎo)致上部的分離器嚴(yán)重漏風(fēng)，原本可分離下來(lái)的相對(duì)粗的顆粒也成了飛灰被氣流帶走，飛灰份額和含碳量大增。不少新建廠的鍋爐運(yùn)行調(diào)試單位不了解回料風(fēng)及松動(dòng)風(fēng)調(diào)節(jié)的重要性，有的也不知如何調(diào)節(jié)，不利于鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖4  某220t/h CFB鍋爐水冷回料器的U型回料通道

3.4  其他影響因素

影響飛灰份額的還有流化氣速和二次風(fēng)等因素。流化氣速過(guò)高，煙氣流對(duì)顆粒的托力與氣速成平方關(guān)系增加，細(xì)顆粒帶出量增加。但流化氣速高低的正確選擇還要綜合考慮爐膛中上部必須的顆粒濃度和煤的粒度分布等其他因素。合理布置二次風(fēng)不僅有助于降低飛灰份額，也延長(zhǎng)顆粒爐內(nèi)停留時(shí)間，并強(qiáng)化混合，提高顆粒燃燼程度。

4  結(jié)論

提高燃燒福建無(wú)煙煤CFB鍋爐熱效率的關(guān)鍵在于降低機(jī)械不完全燃燒損失q4，而影響q4關(guān)鍵因素是飛灰含碳量。這可以通過(guò)提高爐溫﹑采用延長(zhǎng)顆粒爐內(nèi)停留時(shí)間的種種措施﹑根據(jù)鍋爐容量合理選擇分離器等辦法來(lái)改善。其次，也要注意盡可能地降低飛灰份額，這是不太使人重視﹑但對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又很重要的因素。要從理論上搞通回料器工作原理，并在運(yùn)行中重視回料器風(fēng)量的正確調(diào)節(jié)。此外，對(duì)我省燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的全部原煤進(jìn)破碎機(jī)現(xiàn)象要采取措施加以改進(jìn)。

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文章作者：俞建洪   陳朝柱