（热能工程专业论文）循环流化床锅炉燃用福建低挥发分无烟煤的试验研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 循环流化床锅炉具有燃料适应性广、污染排放低、灰渣可综合利用、高效节能等优点， 在国内外得到了迅速发展，已经成为燃用福建无烟煤的首选炉型，近几年来在福建省得到了 迅速发展，但是燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉在实际的运行中仍然存在飞灰含碳量高， 燃烧效率偏低的问题，制约了燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉的发展。 影响福建无烟煤在循环流化床锅炉中燃烬的原因很复杂，既与燃料特性及运行工况有关 也和循环流化床锅炉的总体设计参数有关。本文的主要工作就是基于以上的出发点。主要讨 论福建无烟煤的煤质特性和运行参数等因素对燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉的燃烧效 率的影响。本文在某电厂7 5 恤的循环流化床锅炉上进行了热态燃烧特性试验，对燃烧特性 进行了系统的研究，着重分析了入炉煤粒度、锅炉配风、煤种等因素对c f b 锅炉燃烧效率 的影响规律，对燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉具有重要的指导意义。根据试验研究结果， 结合电厂的实际情况，分析锅炉机组存在的问题和设备缺陷，对运行参数进行优化，为其经 济运行提供一定的理论依据。试验中发现循环流化床锅炉的旋风分离器内存在严重的后燃现 象，为了进行定量的计算分析，和试验研究相对应以循环流化床锅炉热平衡为基础，建立了 循环流化床锅炉的热力计算模型，并利用v i s u a lb a s i c6 0 软件进行相关程序的编写，可以方 便的计算出旋风分离器的燃烧份额和密相区燃烧份额。 返料装置是循环流化床锅炉的关键部件之一。最后针对在试验中发现的返料系统结焦， 影响锅炉的正常运行，分析了运行故障，提出了相应的解决对策，针对结构设计方面的原因， 对返料系统进行了结构改造设计。 关键词：循环流化床 福建无烟煤燃烧特性试验热力计算返料系统 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t n cc 甩( c i r c u l a t i n gh m d i z e db e d ) c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha s e x c e l l e n tf u e lf l e x i b i l i t y , h i g hc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , l o wp o l l u t a n te m i s s i o n ，c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no ft h ea s hr e s i d u ea n ds oo n s oi tw a sd e v e l o p e dq u i c k l yi nt h ew o r da n dh a sb e e nt h e b e s tc o m b u s f i o nt e c h n o l o g yb u m tf u j i a na n t h r a c i t ec o a l i tw a su s e dw i d e l yi nf n j i a nf o ry e a r s b u ti tw a sf o u n dt h a tt h ec a r b o nc o n t e n to ff l ya s hw a sh i g ha n dt h ee f f i c i e n c yo fc o m b u s t i o nw a s l o w a n dt h o s er e s t r a i nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec f bb o i l e r sb u r n tf u j i a na n t h r a c i t ec o a l 1 m em a 璐w h a ti n f l u e n c et h eb u r n i n go u to ff u j i a na n t h r a c i t ec o a la r cv e r yc o m p l e x t h e c o a lq u a l i t ya n dt h eb o i l e r so p e r a t i o n a lc o n d i t i o na l ei n c l u d e da sw e l la st h ed e s i 妒p a r a m e t e r so f t h ec f bb o i l e r mw o ao ft h i sp a p e rw a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ec o a lq u a l i t ya n dt h eo p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec f bb o i l e r s t h ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n t so ft h e7 5t hc f bb o i l e r sb u r n t f u j i a na n t h r a c i t ec o n lw a sc o n s t r u c t e di nac e r t a i np l a n t s y s t e m a t i cc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ci s r e s e a r c h e d t h ee f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r s ，i nt e r m so ft h ep a r t i c l es i z eo fd i s t r i b u t i o no f f e e d i n gc o a l ，t h ee x c e s sa i rr a t i o ，s e c o n d a wa i rr a t i o ，k i n d so fc o n la n ds oo n ，a r er e s e a r c h e da n d t h er o l e st h a ti n f l u e n c e dt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya r er e v e a l e d t h o s ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n c f bb o i l e r st h a tb u r n tf u j i a na n t h r a c i t ec o a l o nt h eb a s i so ft l l ec o n c l u s i o no ft h ee x p e r i m e n t s a n ds t u d y , c o m b i n i n gt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o ni nt h ep l a n t , t h ep r o b l e m sa n dt h ed i s f i g u r e m e n to f t h eb o i l e r sa r ea n a l y s e d t h er u n n i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e da n ds o m eh e l p f u lo d m i o 惦a n d s u g g e s t i o n st h a tb u r n tf u j i a na n t h r a c i t ec o a la r ep u tf o r w a r d i nt h ee x p e r i m e n t st h es e r i o u sp o s t c o m b u s t i o no c c u r si nt h ec y c l o n eo fc f bb o i l e r s i no r d e rt oc a l c u l a t ea n da n a l y z e db e t t e r , t h e t h e r m a lc a l c u l a t i o nm o d e lw a sc o n s t r u c t e d i tb a s e so nt h et h e r l n a lb a l a n c em o d e la n dc o m p i l e s t h ec o r r e l a t i v ep r o c e s s e su s e dv i s u a lb a s i cs o f t w a r e i tc a nc a l c u l a t et h ec o m b u s t i o nf r a c t i o no f c y c l o n es e p a r a t o ra n dt h ed e u s ep h a s ez o n ee a s i l y t h es o l i dr e c y c l e ds y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c e so fc f bb o i l e r s d u r i n gt h e e x p e r i m e n t st h es o l i dr e c y c l e ds y s t e mc l i k e r sa n di n f l u e n c e st h en o r m a lr u n n i n g s ot h er u n n i n g p r o b l e m so ft h es o l i dr e c y c l e ds y s t e ma r ea n a l y z e da n dt h ec o u n t e r m e a s u r e sa r ep u tf o r w a f d a t l a s tc o n s i d e r i n gt h ed e s i g np r o b l e mt h es o l i dr e c y c l e ds y s t e mw a sr e d e s i g n e d k e yw o r d ： c f bb o i l e r f u j i a na n t h r a c i t ec o a l c o m b u s t i o ne x p e r i m e n t s t h e r m a lc a l c u l a t i o ns o l i dr e c y c l e ds y s t e m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 牡日期：辛3 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：枣趟埚 导师签名： 埤日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 能源与环境的现状 能源和环境是当今世界的两大主题。能源是国民经济的支撑，能源工业经过了5 0 年的 建设，取得了快速发展，但是能源结构不合理，煤炭在一次能源的生产和消费中占的比例过 大，达到7 0 。煤炭工业是支撑我国国民经济发展的重要基础工业。煤炭在我国的一次能 源构成中占绝对主要地位，目前我国是世界上经济发展最快的国家之一，同时也是世界上最 大的煤炭生产国和消耗国，由于自然条件的限制和历史发展的原因，在未来相当长的时期内， 我国以煤炭为主的能源格局不会改变，煤炭消耗量将持续增长1 1 1 1 2 1 。煤炭与其他的一次能源 不同，它在燃烧过程中将产生大量的灰渣、粉尘、废水、s o x 、n o x 等废弃物，由此带来的 环境污染问题有酸雨污染、粉尘污染和温室效应引起的全球气温变暖问题。随着经济的快速 发展，由于能源的过度开发和消费累计效应，产生了制约经济发展和影响人类生存的环境污 染问题。大量的燃煤使燃烧产生的硫氧化物，氮氧化物，烟尘和二氧化碳排放量逐渐增加， 致使一些地区酸雨危害严重，大气环境不断恶化，给人们的生产和生活带来了严重影响。二 氧化硫的排放已经超过了美国成为世界第一，二氧化碳排放量仅次于美国居世界第- - 1 l 。根 据联合国气候变化公约，我国的二氧化碳排放压力越来越大。电力行业是我国的用煤大户， 据1 9 9 9 年的统计资料表明，发电行业用煤占煤炭消耗总量的3 1 3 6 ，而我国是以火力发电 为主的国家，2 0 0 0 年我国电力工业统计资料表明目前我国火力发电量占总发电额的8 0 以 上，预计到2 0 2 0 年将占到7 5 左右。与此同时在我国很大一部分燃煤锅炉都存在着热效率 偏低的问题，出于对成本的考虑，很多锅炉没有配备相应的脱硫脱氮装置，给环境带来了相 当的负担。以上可以看出在导致环境恶化的众多因素中煤炭的利用首当其冲，而燃煤发电是 我国主要煤耗方式之一。 进入二十世纪7 0 年代，人类对于环境的保护的要求和认同日益提高，发达国家都先后 制定了环境保护法规。我国的能源环境面临重大的问题：一方面大量的使用煤炭不可避免， 另外一方面还必须解决环境污染问题。这就要求我国在能源结构调整方面和环境治理方面加 大力度，在发展我国经济的同时，也要将洁净煤燃烧技术作为可持续发展和实现环境根本转 变的战略措施之一，给予高度的重视。洁净煤技术是当前世界各国解决由煤炭引发的环境问 题的主导技术之一，也是国际高技术竞争的一个重要领域。世界发达国家极为重视洁净煤燃 烧技术，制定了一系列强有力的政策法规，投入了巨额资金研究开发和推广应用洁净煤技术。 美国制定并实施了庞大的洁净煤技术示范计划，己经取得了很好的成果；欧共体指定了“兆 卡计划”，旨在促进欧洲能源利用新技术的开发，减少对石油的依赖和煤炭利用造成的环境 污染；日本于1 9 9 3 年在“新能源综合开发机构”内组建了“洁净煤技术中心”，负责全日本 的新能源和洁净煤技术的规划、管理和实施【1 j 。经过多年的发展洁净煤技术取得了阶段性的 成果。从长远看，洁净煤技术的发展，必将对世界能源供应格局、煤炭的前景以及改善环境 的努力产生重大的影响。我国必须大力推进清洁煤技术的发展和利用，减轻环境压力。目前， 燃煤发电是我国主要煤耗方式之一，提高发电效率，节省燃煤，减少污染是整个洁净煤技术 发展的重点。国际上发展基本成熟的高效清洁煤发电技术主要有四种【1 1 ：整体煤气化联合循 环( 1 0 c o 、增压流化床燃烧联合循环( p f b c ) 、常压循环流化床燃烧( c f b c ) 和超临界煤粉炉 东南大学硕士学位论文 蒸汽循环加烟气脱硫和氮的氧化物还原( s c p c f g d s c r ) 。从技术完备性和经济适用性角度 来看，i g c c 和p f b c 都存在技术难度、研制费用及设备投资比较大的问题，而且商业化还 存在一定问题。s c p c f g a - s c r 在技术上最为成熟，国际上应用最广，但由于超临界锅炉 要使新材料和f g d - s c r 烟气净化技术投资和运行成本过高而使其在我国商业化存在困难； 相比之下，循环流化床燃烧技术已经基本成熟，制造和运行成本都较低，在保证高效燃烧的 基础上能显著降低废弃物排放，可以满足目前世界上最严格的环保标准，并且循环流化床锅 炉对煤种的适应性好，适应我国煤炭供应变化的情况，所以无论是新建电厂还是旧电厂的改 造都大力提倡使用循环流化床锅炉燃烧技术。综上所述，在当前及今后较长的时间内，循环 流化床燃煤技术是洁净煤技术的主要形式和发展重点。 1 2 循环流化床燃烧原理和特点 1 2 1 循环流化床的原理 图1 - 1 循环流化床锅炉的工作过程 循环流化床锅炉的燃烧过程是鼓泡流化床和气力输送叠加的燃烧技术，处于鼓泡流化床 和气力输送之间，它的基本原理是燃料在流化状态下进行燃烧产生蒸汽的设备。图1 - 1 所示 为一个典型的循环流化床锅炉系统图。循环流化床锅炉主要有燃烧室、气固分离器、返料系 统、尾部受热面和辅助设备组成的。一般粗颗粒在燃烧室下部燃烧，细颗粒在燃烧室上部燃 烧，而被吹出燃烧室的细颗粒被气固分离器收集之后，送回炉膛循环燃烧。其中气固分离器 是循环流化床锅炉所特有的，进入燃烧室内的颗粒在分离器里将烟气中的固体颗粒分离出来 送回燃烧室继续燃烧，这样一次未燃烬而飞出燃烧室的颗粒可以继续参与燃烧，大大提高了 燃料颗粒的燃烬率。 循环流化床燃烧的特点就是气固相之间的强烈反混和混合，形成了内外两个循环。循环 2 第一章绪论 流化床锅炉属于快速流化床，但是由于底部床料的加速效应和大量的颗粒从返料系统送回， 因此下部的物料密度大，空隙率小，形成了密相区，而上部则由于空隙率的增大以及颗粒粒 径的减小，物料密度比较小，转变成典型的稀相区，固体颗粒在炉膛中心区域颗粒浓度小， 缝隙率大，颗粒向上运动，在四周边壁固体颗粒浓度大，缝隙率小，颗粒沿边壁向下流动， 并且下降环流和上升中心流发生参混，在炉内形成了内循环。循环流化床燃烧时由于流化速 度较快，绝大多数的固体颗粒被烟气带出炉膛，在炉膛出口处的分离器将固体颗粒分离下来 并经过返料器送回炉床内再燃烧，如此反复循环，炉膛、气固分离器和返料系统又组成了一 个封闭的外循环。正是内外两种循环使循环流化床锅炉使燃料在炉膛内的停留时间大大增 加，使循环流化床具有了良好的传热、传质和燃烧条件，保证了较高的燃烧效率。 1 2 2 循环流化床燃烧技术的特点 循环流化床锅炉的循环流化燃烧方式与其他燃烧方式的锅炉相比主要有以下特点 1 j 2 l 1 l 】1 1 2 i ： 1 燃料适应性广：这是循环流化床锅炉的主要优点之一，循环流化床锅炉特殊的流 体动力特性使得气一固和同一固混合的很好，燃料进入炉膛后很快与床料混合，被迅速加热 至着火，而床层温度不会明显降低，只要燃料的热量大于加热燃料本身和燃烧所需的空气 至着火温度所需的热量，循环流化床锅炉就可以不用辅助燃料而燃烧任何燃料，既可以燃 用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤，也可以使用油页岩、石油焦、垃圾等： 2 燃烧效率高：燃烧效率通常在9 7 5 - 9 9 5 的范围内。这主要是由c f b 很好的气 固混合，高燃烧速率和末燃烬燃料颗粒循环至炉膛继续燃烧的特点决定的： 3 高效脱硫：向循环流化床锅炉内直接加入石灰石、白云石等脱硫剂，脱硫剂是在最 佳反应温度下进行的，并且由于循环流化床的特殊结构使得脱硫剂在炉膛的平均停留时间 长，可以脱硫充分。通常情况下的脱硫效率可以达到9 0 以上； 4 低n o x 排放：数据表明，c f b 锅炉n o x 的排放范围为5 0 1 5 0 p p m ，这是由于c f b 的低温( 8 5 0 9 0 0 c ) 燃烧，空气中的氮一般不会生成n o 。，在炉膛的下部采取欠氧燃烧 和二次风的分段进入等方式，抑制氮转化成n o 。，并使部分已经生成的n o ，还原： 5 炉膛截面积小：即单位截面热负荷高，一般为3 5 4 0 m w m 2 ，接近或高于煤粉炉， 这是由炉膛内截面风速高，传热效果好决定的； 6 给料点少：燃料供给系统简单，c f b 炉膛截面积小，混合良好，燃烧区域大，使 得一个给料点就可供给很大的区域： 7 负荷调节比例大，调节快：当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量， 一股而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达3 4 ，此外，由于截面风速高和吸热控制 容易，循环流化床锅炉的负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4 - 5 ； 8 灰渣综合利用性能好：循环流化床锅炉燃烧温度低，灰渣不会软化和粘结，活性比 较好，可以用于制造水泥的掺和料和其他建筑的原料，有利于灰渣的总和利用。 1 2 3 循环流化床燃烧技术的缺点 循环流化床虽然有很多优点，但是与常规的煤粉炉相比也存在一些缺点f 1 1 2 1 ： 1 大型化问题：目前与煤粉炉相比循环流化床的锅炉容量小，主要是由于受技术和 辅机设备的限制，循环流化床的大型化比较困难。 2 电机的用电量大：由于循环流化床锅炉送风系统的布风板及料层的阻力远大于煤粉 3 东南大学硕士学位论文 炉的送风阻力，而烟气再循环系统里又增加了气固分离器的阻力，相应的通风电耗也较高。 3 磨损问题严重：由于床内流速高，燃烧颗粒的粒径大，炉膛内物料浓度高，使其受 熟面的磨损速度比常规锅炉大的多。 4 自动化水平要求高：由于循环流化床锅炉风烟系统和灰渣系统比常规锅炉复杂，各 炉型燃烧调整方式有所不同，控制点较多，所以采用计算机自动控制比常规锅炉困难得多。 5 辅机要求高：由于辅机的性能会严重影响锅炉的正常安全运行，因此对于辅机设备 的要求比常规锅炉高。 1 3 循环流化床锅炉的发展现况【1 川 正是基于上述的诸多优点，循环流化床自出现以来褥到了迅速的发展目前循环流化床 锅炉的容量和数量都在迅速的发展，国外已有5 0 0 多台循环流化床锅炉投入运行或正在建造 过程中。中国最近几年也加快了循环流化床锅炉发展的步伐，向大型化的方向发展。 1 3 1 国外循环流化床技术的发展 循环流化床燃烧设备是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一项新型燃烧技术，它在鼓泡流化床 的基础上克服其飞灰含碳量高，燃烧效率低，埋管受热面磨损严重，脱硫剂利用率低等同有 缺点发展起来的。气固分离器是循环流化床锅炉的核心部件，分离器的设计、布置是否合理 直接关系着锅炉系统制造、运行、维修等各个方面的经济性和可靠性，循环流化床技术的发 展也取决于气固分离技术的发展，气固分离器的发展经历了绝热旋风分离器、水( 汽) 冷圆 形旋风分离器和水冷方形分离器，循环流化床的发展也经历了从第一代到第三代的发展1 1 1 。 经过了近2 0 年的发展，国外的循环流化床技术已趋于成熟，现在已有了许多不同的流 派，其中比较有代表性的是芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司的p y r o f l o w 循环流化床锅炉、德国 鲁奇( i j l r g i ) 公司的循环流化床锅炉、美国福斯特惠勒( f o s t e rw h e e l e r ) 的f w 型循环流 化床锅炉以及德国b a b c o c k 公司的c i r c o f l u i d 循环流化床锅炉等。它们各自的特点见表1 - 1 1 l 2 i 5 1 s 。 表1 - 1 国外主要循环流化床锅炉的特点 公司名称引进技术燃烧技术特点 p y r o f l o w采用高温旋风分离器，无外置式换热器，循环物 芬兰奥斯龙( a h l s t r o m )型循环流化床料通过j 阀送回炉膛，炉膛内布置。型管过热 锅炉器 l u r g i 外置式流化床热交换器同时布置有过热器和再 德国鲁奇( l u r g i )型循环流化床 热器，用水冷椎型阀控制循环灰的流量。 锅炉 美国福斯特惠勒 采用了蒸汽冷却的膜式壁作外壳的旋风分离器、 ( f o s t e rw h e e l e r ) f 型循环流化水冷风箱和床下启动技术，以及具有导向喷嘴的 床锅炉 水冷布风板。 c i r c o f l u i d 采用了低流化风速和低循环倍率，保留了鼓泡流 型循环流化床化床的基本特点，采用的是工作温度为4 0 0 中 德国b a b c o c k 锅炉温分离器。 4 第一章绪论 1 3 2 国内循环流化床技术的发展 我国对循环流化床锅炉的研制起步较晚，大体上可以分为四个阶段【9 】：第一阶段为上世 纪6 0 - 8 0 年代的沸腾炉发展阶段，政府部门给予了长期支持，经过了长期发展形成了自己的 沸腾炉燃烧设计理论和设计标准。第二阶段为上世纪8 0 - 9 0 年代学习循环流化床的初级阶 段，注意到循环流化床锅炉的燃烧效率，污染控制方面的优势开始研发循环流化床锅炉的， 但是由于受鼓泡流化床的影响出现严重的负荷不足问题和磨损问题。第三阶段为上世纪9 0 年代- 2 0 0 0 年的循环流化床技术完善阶段，这段时期内对循环流化床锅炉的内在机理，大型 循环流化床锅炉的关键部件，重要辅机系统都进行了深入的研究，完成了从理论到工程实践 的系统认识，形成了一系列自己的知识产权专利。第四阶段为2 m 2 0 0 5 年循环床技术发 展成熟阶段，我国许多的锅炉厂( 如东方锅炉厂，上海锅炉厂，哈尔滨锅炉厂等) 在大力引 进、消化、吸收国外大型循环流化床锅炉的先进经验，研制具有自己特色的循环流化床锅炉 1 1 1 1 9 1 其主要特点见表1 2 。 表1 2 国内主要循环流化床锅炉的特点 公司名称引进技术燃烧技术特点 东方锅炉厂f w 公司的1 0 0 m w 循环流化床气冷分离器，单回路返料腿进入炉膛 锅炉技术 采用绝热式分离器，床上点火系统，前烟 上海锅炉厂c 琶公司的1 3 5 m w 循环流化床 道内布置有高低温再热器，后烟道内布置 锅炉技术 有高温过热器和高温省煤器， 哈尔滨锅炉厂e v t 公司的1 3 5 m w 循环流化床高温绝热分离器，自动平衡u 型阀，分 锅炉技术离器双回路返料腿进入炉膛 此外我国的许多学校，科研院校也开展了相关方面的研究已经开发了具有中国特点的循 环流化床锅炉，其中比较有特色的是由清华大学和有关锅炉厂开发的异性水冷分离循环床锅 炉、中科院工程热物理所与有关锅炉厂开发的百叶窗加旋风两级分离循环床锅炉以及由华中 理工大学与有关锅炉厂开发的下排气旋风分离循环床锅炉。这三种锅炉的共同特点就是锅炉 结构紧凑，呈典型的订型布置，未用冷灰床，都没有采用国外普遍采用的高温上排气旋风 分离器【6 j 。 1 4 循环流化床燃用无烟煤的情况 1 4 1 无烟煤的特点 我国煤炭资源在地区分布上极不平衡，总体分布特征呈北多南少，西多东少的特点。我 国煤炭从北到南含硫量逐渐增加。根据表征煤的煤化程度的主要参数将煤分为褐煤、烟煤和 无烟煤，在储量上褐煤和无烟煤各占1 4 。而烟煤占7 0 。无烟煤是炭化程度最高的煤， 含碳量最多，一般是c a 一5 0 ，灰分和水分较少，发热量高，挥发分含量少，焦炭没有粘结 性，着火和燃烬都比较困难。无烟煤i + 1 前主要用作电站和工业锅炉的燃料，是我国的主要工 业燃料和动力用煤之一。表1 - 3 是几种典型中国无烟煤的煤质分析1 3 1 0 5 东南大学硕士学位论文 1 4 2 循环流化床锅炉燃用无烟煤的特点 无烟煤是一种着火和燃烬都很困难的煤种，而循环流化床锅炉具有燃料适应性广，燃烧 效率高，负荷调节范围大等优势，同时由于物料的循环燃烧而具有较高的燃烧效率，被认为 是燃用无烟煤的最合适的炉型。循环流化床锅炉燃用无烟煤主要有以下特点： 1 着火困难，着火时颗粒表面观察不到明显的火焰，稳定燃烧所需温度高。研究表明 西茶无烟煤在c f b 中的稳定着火温度约为7 5 0 c ，但是福建无烟煤则需要9 0 0 ( 2 以上，通 常在9 5 0 左右； 2 燃烧与运行温度高，而且随着炉膛高度的增加而增高； 3 。燃烧室内的物料浓度大，燃料碳含量大。主要是无烟煤的低挥发分和热爆性造成的； 4 为了延长细颗粒的停留时间，燃用无烟煤的c f b 锅炉通常维持较低的流化速度； 5 飞灰可燃物含量高。有调查表明西茶无烟煤的飞灰含碳量在1 8 左右【4 】，而福建无 烟煤的飞灰含碳量在3 0 以上，有的甚至高达4 0 ： 6 污染物捧放的浓度低。无烟煤自身含硫量小，s 0 2 排放浓度低；循环流化床采用了 分级送风燃烧技术，n o , 排放浓度低： 1 4 3 循环流化床锅炉燃用无烟煤的问题及原因分析 1 4 3 1 存在问题 循环流化床锅炉被认为是燃烧无烟煤的最合适的炉型，但是由于无烟煤的后燃特性以及 循环流化床锅炉的中温燃烧特性，造成了在燃用无烟煤时飞灰含碳量偏高，燃烧效率达不到 设计值等问题。许多的运行实践表明我国运行的燃用无烟煤的循环流化床锅炉不管是使用何 种分离器，也不管分离器的类型是高温，低温或者中温分离器，尾部飞灰含碳量普遍偏高， 燃烧效率偏低。我国内江电厂的4 1 0 t hc f b 锅炉，在燃用当地芙蓉半无烟煤时燃烧效率也 未能达到设计值，在采用了飞灰回燃技术后其飞灰含碳量也有1 3 。飞灰含碳量偏高，燃 烧效率偏低是现在c f b 锅炉燃用无烟煤存在的普遍问题。 1 a 3 2 原因分析 引起飞灰含碳量偏高的原因很复杂，它与很多因素有关。国内外很多的学者专家对其进 6 第一章绪论 行了研究。他们主要是针对飞灰碳的来源以及形成原因，无烟煤的燃烧特性和破碎特性进行 了研究。清华大学等p l 【6 j 【”l 认为煤焦在流化床燃烧中其颗粒的晶格挥发生变化，c f b 入炉煤 中的大颗粒可能是飞灰碳的主要来源之一，建立了燃烧模型，燃烧后的飞灰含碳量随着粒径 变化呈峰值特征，在粒径在2 0 - 5 0 u m 范围内含碳量相对较高。b r a t e k l 7 j 发现无烟煤随着挥发 分的减少，固定碳含量增大，煤颗粒的晶格化程度提高，无烟煤飞灰含碳量高。范宏丽认为 每一种不同类型的无烟煤，其燃烧反应速率也不相同。飞灰含碳量高说明无烟煤的燃烬率低， 国内外的学者认为热破碎特性是影响无烟煤在c f b 中燃烬的主要因素。对于煤的热破碎特 性研究较早的是意大利的学者c h i r o n e 。国内主要有清华大学、华中理工大学对热破碎特性 展开了研究并且得到一些有关方面的结论，认为热破碎特性与煤种有关并且随着颗粒尺寸的 增大热破碎强烈等。 根据以上的研究结合循环流化床自身的特性，我们将造成燃用无烟煤的c f b 锅炉飞灰 含碳量高，影响无烟煤燃烬的因素总结为： a 1 燃料的燃烧特性 b 1 燃料的粒度分布 c ) 分离器的分离特性 d ) 锅炉的运行工况，主要包括燃烧的过量空气系数和一、二次风比例以及料层厚度等。 1 5 本章小结 本章阐述了当今世界能源与环境的现状，在今后及相当长的时间里循环流化床燃烧技术 将是洁净煤燃烧发展的重点。综合叙述了循环流化床的燃烧原理、主要特点以及在国内外的 发展现况。总结了燃用无烟煤的循环流化床锅炉的特点以及存在的问题并分析了主要的影响 因素。 参考文献 【1 1 吕俊复，张建胜等。循环流化床锅炉运行与检修，水利水电出版社，2 0 0 3 4 【2 】岑可法，倪明江，骆仲泱等循环流化床锅炉理论设计与运行，中国电力出版社，1 9 9 7 【3 】杜美梅芳，张忠孝典型中国无烟煤燃烧特性研究【j 】热能动力工程1 9 9 4 ，9 6 ( 6 ) ： 3 3 6 - 3 4 0 【4 】王智微，孙献斌，吕怀安等循环流化床燃烧无烟煤的试验研究【j 】发电设备2 0 0 1 ，4 ： 5 - 8 【5 】“y z h e n gj i j u 0 a s t u d y o f t h er e a c t i v i t y a n d f o r m a t i o n g o f t h e u n b u r n tc a i r n i n c f b f l y a s h e s t h e4 山i n t e r n a t i o n a ls y s p o s i u m0 1 1c o a lc o m b u s t i o n d e v e l o p m e n ti nc h e m i c a l e n g i n e e r i n ga nm i n e r a lp r o c e s s i n g 2 0 0 1 ，9 【6 1 陈旭t 路霎鸽，杨小勇煤焦晶格结构变化对流化床锅炉飞灰残碳生成影响忉煤炭科 学技术( 1 ) ：4 9 - 5 1 阴b r a t c kk ，b r a t e kw , p i a s c c k a1 ，g ，e ta 1 p r o p e r t i e sa n ds t u c t u r eo fd i f f e r e n tl a n k a n t h r a c i t e j f u e l 2 0 0 2 8 1 ：9 7 - 1 0 8 【8 】大屯煤电集团责任公司电业分公司组编循环流化床锅炉应用及事故处理，中国水利水 电出版社，2 0 0 4 【9 】岳光溪，循环流化床锅炉燃煤技术在中国的快速发展【j 】c h i n ae n e r g ys c i e n c ea n d 7 东南大学硕士学位论文 t e c h n o l o g y ，2 0 0 6 【1 0 】刘德昌国内外循环床锅炉的发展及其特点【j 】锅炉压力容器安全技术，n 0 2 ，1 9 9 8 【1 l 】房德山循环流化床锅炉整体动态数学模型及运行特性分析东南大学硕士学位论 文2 0 0 2 【1 2 】卢啸风大型循环流化床锅炉设备与运行【j 】中国电力出版社，2 0 0 6 【1 3 1 李纬琪，吕复俊，凌晓聪等循环流化床中飞灰碳形成的模型研究【j 】中国电机工程学 会第七届青年学术会议论文集 8 第二章有关福建无烟煤的研究综述 第二章有关福建无烟煤的研究综述 2 1 研究背景 福建省是个缺煤的省份，但无烟煤资源相当丰富，从己探明的1 3 7 亿吨的煤炭储量中 无烟煤占9 8 3 ，每年开采能力达千万吨以上，但福建无烟煤的用量不到全省煤炭用量的一 半。随着经济的发展和能源结构的变化，目前煤炭生产和消费不平衡，自给率趋于下降，省 外调入烟煤量仍将上升。从煤炭的总体供应上看，省外调入煤炭因运距长、运价高、矿点杂、 煤质变化大，难以长期满足各厂家锅炉设计的用煤要求，且常受铁路、市场供应等多种因素 制约，无法保证稳定供应，以至影响正常生产。为了充分利用当地资源和节省运输费用，福 建省的燃煤由烟煤变为无烟煤或燃用以无烟煤为主的配煤，而循环流化床锅炉具有清洁燃料 适应性广的特点，克服了煤粉炉和沸腾炉燃用福建无烟煤的问题，近几年利用循环流化床 ( c f a ) 锅炉技术燃烧当地无烟煤的试验研究在积极开展和广泛应用，已有6 0 多台循环流化床 锅炉在建设和运行中，其中最大容量已达4 4 0 t h ，在设计和运行方面都取得了许多优良成果， 但仍出现较多的问题，比如出力不足、结焦严重等，经过几年的研究在锅炉出力和燃烧稳定 性方面都得到了良好效果，但燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉飞灰含碳量偏高( 一般在 2 0 以上) ，热效率偏低( 一般 8 5 ) 的问题仍旧没有取得良好进展。 2 2 福建无烟煤的特性 无烟煤是埋藏年代最久、碳化程度最深、挥发分最低的一个煤种。我国的无烟煤储量较 大，仅次于烟煤，约3 6 0 0 亿t ，多分布于华北、西南和中南区，如阳泉矿区、晋城矿区、焦 作矿区、京西矿区、义矿区、芙蓉矿区的无烟煤都很出名，据调查了解，目前全国已有2 3 个省市( 约4 0 0 矿) 大量开采无烟煤资源，并用于工业锅炉作燃料。无烟煤按其热值和挥发分 高低不分为i 类、类、类i l j 。而福建省的几个矿务局几乎全部为v “5 的低挥发分无 烟煤，其中9 0 以上属于i i 类无烟煤。 福建省电力试验研究院对福建省内8 2 个煤层煤样和1 0 3 个动力用煤进行分析，得出福 建具有代表性的煤种是龙岩煤，天湖山煤和加福煤，经过对这三种煤的研究得出福建无烟煤 的性质如下1 1 1 1 2 1 ： 1 1 挥发分很低，一般在2 4 左右，燃烧化学性能差，热传导能力低； 2 ) 着火难，一般着火温度要在9 0 0 9 5 0 c ，有的高达1 2 0 0 ；福建无烟煤不能直接点 火必须使用烟煤或油点火，待温度上升到9 5 0 以后再切入无烟煤。 3 ) 燃烬时间长，煤粒加热后只有极少的孔隙，氧气很难进入，燃烧产物不易扩散出去， 整个燃烧过程进行得很缓慢，因而燃烬时间长，如0 4 r a m 的煤粒在试验炉内从着火后到燃 烬时间至少要4 秒以上； 4 ) 煤的细颗粒含量大，从o 8 m m 粒度的筛分比例中得知：0 2 o 4 m m 煤粒占2 2 左右， 1 r a m 的煤粒占5 0 左右，0 3 m m 的煤粒占7 0 左右； 5 ) 福建无烟煤煤质脆，强度很低，在高温下会爆裂成很多细片、细粉，大分部立即被 吹离床面； 9 东南大学硕士学位论文 6 ) 煤粒在燃烧过程中也具有强烈的爆裂特性； 7 ) 灰熔点较低，灰的变形温度一般在1 1 0 0 c 左右，低的只有1 0 4 0 c ； 发热量较高，低位发热量一般都在2 1 0 0 m j k g 及以上。 2 3 燃用福建无烟煤循环流化床锅炉的现况及问题 福建省燃用福建无烟煤的研究始于6 0 年代初期，那时只是在链条炉种掺烧并逐渐加大 福建无烟煤的比例，6 0 年代后期开发了沸腾床新型锅炉并燃用福建无烟煤，7 0 年代后期开 始陆续建成了用重油或柴油助燃的燃用福建无烟煤的煤粉电站锅炉。 由福建无烟煤的特性可知，它是一种挥发分极低，细粉含量大，易爆裂，热稳定性差， 着火和燃烬均十分困难的难燃煤种。由于福建无烟煤的这些固有特性，一般沸腾炉的燃烧效 率和热效率普遍不高，煤种的可变性差，烟气排放标准超标等缺陷；使用煤粉炉还需要掺油 助燃和稳燃；使用鼓泡流化床锅炉虽然在燃烧上没有问题，但是灰渣含碳量高，并且尾部烟 道磨损严重；这都使福建无烟煤作为动力用煤燃烧时有相当多难点【7 1 。而循环流化床锅炉是 一种燃料适应性广，燃烧效率高，有利于环境保护的特点成为燃烧福建无烟煤的首选炉型。 1 9 9 2 年在福建建成第一台循环流化床锅炉，取得了良好的经济效益，经过1 0 余年的推 广，循环流化床锅炉在福建得到了广泛应用。从已经投运的锅炉来看，c f b 燃烧技术是可 以较好的燃烧福建无烟煤的，但是仍出现了不少的问题，主要有出力不足，热效率偏低，负 荷调节性能差，磨损严重等，现就其主要问题及其原因分析如下： 2 3 1 出力不足 根据龚凌诸的调查显示早期投运的锅炉都存在不同程度的出力不足问题，一般只能达到 额定蒸发量的7 0 - 8 0 ，有的甚至达到6 5 【6 】，造成这种问题的因素是多方面的，主要有 旋风分离器的分离效率达不到设计值，燃烧份额分配不合理，流化速度过高，受热面布置不 合理。针对这些情况已经采取了相应的措施，布置卫燃带，增加炉膛高度，在炉膛尾部布置 蒸发受热面，采用合理的流化速度，如石狮电厂采用3 7 4 1 m s ，保证了床料的良好流化， 维持密相区的燃烧份额，又保证了煤粒在炉膛内停留时间长达5 秒，提高细颗粒的一次燃烬 度，达到了额定蒸发量。经过努力这个问题现在已经得到了良好的解决。 2 3 2 磨损严重 由于循环流化床锅炉特有的气固两相流特点，高颗粒浓度和高运行烟速，锅炉部件的冲 刷磨损问题较为突出，其磨损程度明显高于其他炉型。管壁磨损爆裂而引发的锅炉停炉事故 时有发生，因此，c f b 锅炉抗磨损能力的强弱是衡量锅炉设计运行水平优劣的一项重要指标。 循环流化床锅炉中主要的磨损部位是锅炉密相区埋管，炉膛出口处蒸发管束，迎风面埋管以 及旋风筒内部。现在新设计的锅炉在磨损最严重的密相区埋管或炉膛出口处蒸发管束。采用 厚管壁并在埋管上焊接高性能防磨片，并且在旋风分离器的中心筒内壁上衬以适当厚度的 耐磨材料等，应用这些措施后磨损情况得到了良好解决。 2 3 3 结焦现象 1 0 第二章有关福建无烟煤的研究综述 福建无烟煤的着火温度达到9 0 0 以上，而灰的变形温度低的只有1 0 4 0 左右，锅炉受 热面布置不合理或运行中操作不当，都易造成结焦。结焦主要发生在料层、旋风分离器内部 和返料系统。料层结焦主要是由于c f b 密相区的受热面布置不够，料层厚度太大，以及在 实际运行时为了提高出力而增大给煤量等因素造成局部超温而结焦。为此要合理分配燃烧份 额，布置密相区受热面，对料层厚度进行调整，保证流化均匀。旋风分离器和返料系统是 c f b 的重要组成部分，它们的安全可靠是保证c f b 良好流化和安全运行的主要条件之一。 被旋风分离器分离下来的可燃物颗粒在高温分离器中遇到氧气再次燃烧达到灰的熔点而造 成旋风分离器内部和返料器结焦。因此要注意返料系统密封，防止漏风；对返料管采用冷却 返料措施，如在料腿布置水冷套；增加料位监测装置，防止料位过低而导致系统漏风。 2 3 4 燃烧效率偏低 目前燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉在出力，稳定运行和磨损方面已经取得了较大的 提高，但是燃烧效率普遍不高，特别是目前大型发电机组的热效率均在9 0 以上，其至达 到9 2 ，相比之下燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉其热效率只有8 5 ，对实际运行的循 环流化床锅炉燃烧效率较好的也只有8 5 - 9 0 ，而国外a d a n e z 等在c f b 试验台试烧研究中 发现无烟煤的燃烧效率在9 0 5 - - 9 3 之间，这严重影响了燃用福建无烟煤的循环流化床锅 炉的发展，是当前要解决的主要问题。 2 4 影响燃烧效率的主要因素 2 a 1 概况 通过对燃用福建无烟煤的循环流化床锅炉的运行效果和实验分析可知造成燃烧效率偏 低的主要原因是由于福建无烟煤挥发分低，含碳量高，所需燃烬时间长，细粉含量大，造成 飞灰可燃物含量高，机械不完全燃烧热损失q 。大，燃烧效率偏低。根据何宏舟，吕复俊【8 1 1 9 1 等人的研究表明造成机械不完全损失过大的主要原因是由于飞灰的含碳量过高，碳粒子的燃 烬度不高，当前福建省实际运行的c f b 锅炉的飞灰平均含碳量一般在2 0 以上，石狮电厂 的飞灰含碳甚至一度高达3 5 ，而燃烧效率较好的也仅8 5 9 0 左右，