循環流化床鍋爐的應用現狀討論【山西藍天郎鳳娥專欄】
從1988年國產首臺10t/h蒸發量循環流化床鍋爐投運後的十幾年來,循環流化床鍋爐在國內集中供熱領域的應用發展十分迅速。在中小熱電廠方面,1989年首臺國產35t/h循環流化床鍋爐投運,1992年首臺國產75t/h循環流化床鍋爐在浙江嵊縣熱電廠投運,1995年首臺國產220t/h循環流化床鍋爐在大連化學工業公司自備熱電廠投運,2000年首臺國產130t/h循環流化床鍋爐在石家莊熱電三廠投運,2002年首臺國產420t/h循環流化床鍋爐在保定熱電廠投運。在區城供熱鍋爐方面,首臺國產29MW循環流化床高溫水鍋爐1993年在河南濮陽中原油田投運,首臺國產14MW循環流化床低溫水鍋爐1999年在石家莊時光供熱站投運,首臺國產58MW循環流化床高溫水鍋爐2000年在濟南投運,首臺國產116MW循環流化床高溫水鍋爐2001年在石家莊時光供熱站投運。山西藍天郎鳳娥談循環流化床鍋爐的應用現狀時說道。
1 循環流化床鍋爐的應用特點
從已投運的循環流化床鍋爐看,其在實際應用中的優勢主要有以下幾點:
1.1 鍋爐熱效率較高
由於循環床內氣—固間有強烈的爐內循環擾動,強化了爐內傳熱和傳質過程,使剛進入床內的新鮮燃料顆粒在瞬間即被加熱到爐膛溫度(≈850℃),並且燃燒和傳熱過程沿爐膛高度基本可在恆溫下進行,因而延長了燃燒反應時間。燃料通過分離器多次循環回到爐內,更延長了顆粒的停留和反應時間,減少了固體不完全燃燒損失,從而使循環床鍋爐可以達到98～99%的燃燒效率。據有關熱電企業不同容量和型號鍋爐的運行測試,同容量的循環流化床鍋爐比鏈條爐的運行熱效率高出約10%左右。循環床鍋爐渣的含炭量在百分之一到五之間,飛灰含炭量在8～35%之間,而鏈條爐渣的含炭量在15～25%之間,飛灰含炭量在40～50%之間。循環流化床鍋爐的燃燒效率不及煤粉爐,但由於煤粉爐制粉系統很複雜,燃料適應性差,氮氧化物和二氧化硫排放濃度高等缺點,在中小熱電廠和區域鍋爐房方面已經越來越少採用。
1.2 運行穩定,操作簡單
循環流化床鍋爐燃料系統的轉動設備少,主要有給煤機、冷渣器和風機,較煤粉爐省去了複雜的制粉、送粉等系統設備,較鏈條爐省去了故障頻繁的爐排部分,給燃燒系統穩定運行創造了條件。
90年代循環流化床在國內應用初期,由於研究、設計、製造、安裝、運行等各方面經驗的缺乏,其應用中的確存在著連續運行時間短、出力不夠、點火難、磨損嚴重、易結焦、輔機故障率高等許多問題,但經過十多年各方面不斷完善化工作,不僅可以保證連續運行時間高於4000h,對有經驗的設計、製造、安裝和運行單位而言其他問題也已克服。石家莊時光供熱站兩臺116MW循環流化床鍋爐在2003-2004整個採暖季連續穩定運行,無一次故障停爐。許多用戶對循環流化床鍋爐從點火啟動、升降負荷、連續排渣、壓火備用到故障排除都能夠熟練操作。只要保證不間斷的給煤,保持爐膛料差穩定,控制好爐膛溫度,在50～110%的負荷下連續穩定運行不成問題。
1.3 燃料適應性廣,對煤炭供應市場波動有較強的適應性
循環流化床鍋爐具有很高的燃燒熱強度,其截面熱負荷為4-6MW/m2,是鏈條爐的2-6倍,其爐膛容積熱負荷為1.5-2MW/m3,是煤粉爐的8-11倍,因此它幾乎可以燃燒在煤粉爐或鏈條爐中難以點燃和燃盡的貧煤、無煙煤、煤矸石等一切種類的燃料,並達到很高的熱效率,這對於燃用當地劣質燃料、應對煤炭供應緊張形勢有重要意義。石家莊在近幾年幾次煤炭市場波動時,供熱企業的用煤得不到保障。煤炭發熱量在3000～6000kcal/kg之間大幅波動,但循環流化床鍋爐始終基本穩定運行,其優越性非常明顯。而鏈條爐、煤粉爐由於煤種變化較大,不是達不到出力,就是頻繁發生滅火、結焦等故障。
1.4 汙染物排放量低
循環流化床內的燃燒溫度可以控制在850-950℃的範圍內穩定而高效燃燒,這一燃燒溫度抑制了熱反應型NOx的形成,同時採用分級燃燒方式向爐膛內送入約30-40%的二次風,又可控制燃料型NOx的產生。只要操作得當,運行平穩,可以控制NOx的排放量小於200～300mg/Nm3,其生成量僅為煤粉爐的1/3-1/4。此外,根據煤中含硫量的大小直接向爐膛內噴入或在給煤中摻入一定量的0～1mm的石灰石粉,可以脫去在燃燒過程中生成的SO2,脫硫效率可達到90%。表2是某廠220t/h循環流化流化床鍋爐脫硫效果監測結果。燃煤收到基低位發熱量24200 KJ/kg,含硫量為1.34%。燃煤量25t/h,加入石灰石粉量(含雜質4%)為2.6 t/h,Ca/S摩爾比為2.64,其脫硫效率達到了93.39%。
2 循環流化床鍋爐的應用選型
循環流化床鍋爐不同於鏈條爐和煤粉爐的主要燃燒裝置為:布風裝置、分離器和返料器,其中分離器是區分和選擇循環流化床鍋爐的關鍵技術,它直接影響鍋爐的運行特性。按分離器的工作溫度不同可以分為三種:
2.1 高溫分離
即在爐膛出口進行分離,工作溫度在850℃以上。目前應用的分離器典型的結構型式有絕熱旋風筒分離器、汽(水)冷旋風筒分離器和方型水冷旋風分離器,前兩者鍋爐分離效率較高,後者鍋爐結構緊湊,啟停靈活。絕熱分離器體積大,啟停時間長,但運行穩定,應用歷史較長,積累的經驗較豐富,汽(水)冷分離器體積小,啟停靈活,但結構複雜,製做和安裝工藝要求高,大型鍋爐上採用較多。(郎鳳娥,山西省忻州市人,她放棄了小縣城的教師工作,用四年時間研發新型高效煤粉工業鍋爐系統技術,並推向市場,填補了我國煤粉鍋爐小型化難的技術空白。郎鳳娥以過人的堅持和毅力,以女人特有的直覺和獨特視角,一手打造了全國首屈一指的新型高效節能環保煤粉鍋爐一體化能源解決服務商。)
2.2 中溫分離
即在過熱器後進行分離,工作溫度一般在400～600℃之間,以德國巴高克公司的Crcofulid爐型為代表,國內有唐鍋、北鍋等鍋爐廠生產。其循環倍率較低,分離器體積小、磨損少,但燃燒效率和脫硫率較低。
2.3 組合分離
即採用高溫分離和低溫分離相結合的方式,如高溫分離採用百葉窗或撞擊式平面分離方式、低溫分離採用旋風分離的組合方式,但由於慣性分離故障率高,分離效率低,目前已很少採用。
3 循環流化床鍋爐的應用難點
3.1 磨損問題
大量理論和實驗研究得出,循環流化床鍋爐的磨損量與煙氣流速三次方成正比,與燃料顆粒直徑和濃度成正比。設計和運行中控制鍋爐各部位的合理煙氣流速是減輕磨損的根本因素。國產循環流化床鍋爐多採用低循環倍率,爐膛內設計煙氣流速為4.5～5m/s,應該說正常情況下磨損比較輕微,但在局部煙氣流向變化處,其磨損程度十分嚴重,如爐牆、水冷壁管、分離器、返料裝置、過濾器、省煤器、預熱器等處。有的爐型帶床下埋管,則磨損問題更突出。在易衝刷和局部有渦流處使用耐高溫、耐磨的碳化矽磚或澆築料、剛玉磚、高鋁磚等防磨材料,嚴格控制築爐質量等可以取得理想的防磨效果。
3.2 結焦問題
控制穩定的床層溫度是防止結焦的關鍵,運行中影響結焦的主要因素有以下幾點:
1)點火升溫或運行中,燃料投入量突然加大,而風量來不及加大使床溫迅速升高達到灰熔點以上時,床層整體高溫結焦。
2)運行排渣時,料層太厚或不均勻,造成流化風量過大或過小,易在局部形成高溫,造成局部結焦。採用連續機械排渣可以很大程度避免這一問題。
3)若高溫循環返料灰進入爐膛太多,引起床溫無法控制也非常容易引起高溫結焦。運行中應注意返料量的均勻控制。
4)正常壓火時,應嚴格避免爐內進入冷風,否則易使可燃物燃燒而造成局部超溫結焦。
3.3 點火問題
目前循環流化床鍋爐點火方式一般為床下輕柴油點火,但也有不少用戶為節省成本仍採用床上木炭或木柴點火。由於一些用戶點火時準備工作不充分或運行操作經驗不足,點火時易發生爐膛滅火或結焦故障,有的甚至發生嚴重的爐膛爆炸事故。從點火升溫到穩定運行主要經過幾次乃至十幾次才能成功,令許多用戶感到頭疼。
實踐證明,每一種型式的循環流化床鍋爐其點火過程,既有共性又有特性,共性是主要的,需要運行管理人員在實踐中不斷摸索和總結,吸取他人的成功經驗。一次成功的點火過程,首先要有冷態模擬試驗的數據作指導,其次要注意床料厚度、床料篩分特性及配比,操作中嚴格控制點火風量和給煤量,注意密切觀察床溫變化。許多用戶已熟練掌握床下油點火的操作程序,石家莊西郊供熱站將床上木柴木炭點火方法成功應用到了大型116MW鍋爐上,其成本只有油點火的五分之一。
4 循環流化床鍋爐應用中存在的問題
4.1 粉煤灰綜合利用
理論上講,循環流化床鍋爐燃燒溫度低,產生的灰渣具有較好的活性,可以用做製造水泥的摻合料或其他建築材料的原料,但實際運行結果是,當原煤中細顆粒較多或破碎過程的粉碎嚴重時,未燃盡細顆粒飛出量大,尤其在燃用低揮發份的貧煤或無煙煤時,飛灰含炭量常高達20～40%,達不到作水泥摻合料要求飛灰含炭量必須小於8%的標準,飛灰無法綜合利用,也找不到堆放場地。渣的含炭量可以控制在5%以下,比較容易綜合利用。鏈條爐飛灰含炭量高達40～50%,雖然鍋爐熱效率低,但飛灰可以用做制磚中的燃料,基本可以綜合利用。煤粉爐由於燃燒效率高,其飛灰含炭量可控制在8%以下,因而綜合利用較容易。
為降低循環流化床鍋爐的飛灰含炭量,一些科研機構和製造廠家採取了增加爐膛高度、設置底飼回燃系統等措施,雖然收到了一定效果,但對低揮發份的貧煤,其飛灰含炭量依然高達15～20%。解決這一問題的主要辦法還應提高分離器的效率,並且控制入爐煤細顆粒的比例。目前應用奧斯龍汽冷旋風分離技術的國產410t/h循環流化床鍋爐燃燒貧煤並加脫硫劑時,已使飛灰含炭量降至8%。認真總結經驗,這一問題有望得到解決。
4.2 環保效果還沒有充分發揮
循環流化床是一種清潔燃燒技術,具有低NOx排放低和爐內脫硫等很好的環保性能,這一性能不僅理論上有充分依據而且從國內外工程實踐中得到了驗證。但是由於國內環保政策不落實,致使大部分用戶並未安裝脫硫設施,有的雖安裝了先進的脫硫設施,甚至投資建成了配套的石灰石粉廠,但由於石灰石脫硫要增加供熱成本,也並未真正投入運行。要使用戶有積極性主動實施脫硫並具備經濟承受能力,還需制訂綜合配套政策措施。
5循環流化床鍋爐的應用前景
相對於煤粉爐和鏈條爐而言,循環流化床鍋爐的發展歷史還較短,尤其是循環流化床鍋爐90年代初期在國內一些工程中留下了深刻教訓,使一些用戶至今對循環流化床的應用非常謹慎。但是認真學習吸收成功的製造廠、設計院、安裝和運行單位的經驗,應該說沒有不可克服的技術障礙。
進入二十一世紀以來,我國的經濟在飛速發展,煤炭和電力對經濟發展的瓶頸制約作用重現,今後一個相當長的時間內煤炭供應將更加緊張,不少的中小熱電廠和區域鍋爐房要燃用當地的劣質煤或多渠道解決煤炭供應問題,因而循環流化床燃料適應廣的特性將更加發揮出來。同時,隨著對大氣環汙染物排放的更加科學嚴格的政策措施的出臺,也將使循環流化床鍋爐由於清潔燃燒的特性而更加具有競爭力,因此,應當因地制宜地擴大循環流化床鍋爐的應用範圍。【山西藍天郎鳳娥專欄文章】
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