燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉之设计及运行实践评述

1、综述燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉之设计及运行实践评述文章编号:100428774(2003)012072057燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉之设计及运行实践评述苏建民1,何宏舟2(11福建石狮热电有限责任公司,石狮362700;21集美大学机械工程学院,厦门361021)摘要:当前新投入运行的、针对于燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉(CFBB)具有超负荷运行能力强、连续运行时间长和运行效率高等优点。它们在设计上主要采取了敷设长卫燃带、炉膛出口布置蒸发受热面、燃料供给系统采用气力播煤方式和增强抗磨损能力等措施,但存有分离器的回料温度、返料点和返料量等设计不尽合理的问题。工业实验结果显示,对燃烧福

2、建无烟煤的35t/h循环流化床锅炉而言,炉内添加石灰石的脱硫工艺是可行的。当Ca/S取2.53.0、石灰石平均颗粒径取0.20.5mm时,可以取得较佳的脱硫效果和运行效益。关键词:CFB锅炉;福建无烟煤;设计;运行;脱硫中图分类号:TK22916+6文献标识码:ACommentsontheCharacterofDesign&RunningofCFBBBurningFujianAnthraciteSUJian2min1;HEHong2zhou2(11ShishiRedianCo.Ltd,Shishi362700,China;21CollegeofMechanicalEngineering,Jim

3、eiUniversity,Xiamen361021,China)Abstract:ThosenewinputrunningCirculationFluidizedBedBoiler(CFBB)whosefuelisFujian2typeanthracitehavetheseadvantagesasgoodoverloadoperationcapability,longsuccessivelyrunningcapacity,andhighoperationeffi2ciency.BythesenewdesignedCFBB,somemeasuresuchaslayinglongcombustio

4、n2guardband;settingevaporate2heated2surfacetotheexitofthechamber;supplyingcoalintochamberwithpressed2air;applyingnewtechnologytoresistwear&tear,havebeenadopted;buttheseproblemsincludetheirrationaldesigninthetemperature,position,andquantityofre2cycles2substance,arealsonotresolved.Industryexperimentha

5、sshowedthatputtinglimestonetogetherwithcoalintofurnacetocombustionisafeasiblewayfortheseCFBBburningFujiananthraciteindesulphurization.AconclusionisdrawedfromtheindustryexperimentthatwhenlettheproportionofCa/Slyingbetween2.53.0andtheaveragediameterofthelimestoneparticlelyingbetween0.20.5mm,agoodcombu

6、stiondesulphurizationresultcanbeobtained.Keywords:CFBBoiler;FujianAnthracite;Design&RunningCharacter;CombustionDesulphurization1引言福建无烟煤具有着火点高、挥发分低、灰熔点低及燃烧爆裂、细颗粒含量多等特性,使得它甚至在链条炉上都很难燃烧,长期以来一直得不到充分利用。循环流化床(以下简称CFB)锅炉因具有燃料适应性广、燃烧效率高等优点而成为燃烧福建无烟煤的首选炉型,经过十多年来的推广,循环流化床锅炉在收稿日期:2002-09-02福建省的应用得到了迅猛的发展,目前已有近

7、40台在运行和建设中,其中最大的容量已达75t/h1。这些CFB锅炉的设计各有特点,运行的效果也差别较大。对它们特别是对近期投产的CFB锅炉的设计特点、运行性能、燃烧脱硫和存在问题等进行分析总结,使针对于燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉的开发和应用水平得到进一步提高,具有重要的参考价值。2CFB锅炉设计特点及存在问题 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.8工业锅炉2003年第1期(总第77期)2.1.2炉膛出口布置蒸发受热面2.1设计特点2.1.1敷设卫燃带根据燃烧理论2,CFB锅炉的燃烧效

8、率主要取决于煤颗粒的机械不完全燃烧损失,即燃尽度。提高燃烧室的燃烧强度,从而提高煤颗粒的燃尽度,是目前提高CFB锅炉燃烧效率的主要手段。提高燃烧室的燃烧强度可通过在炉膛密相区至稀相区之间敷设一定高度的耐磨材料作为卫燃带来实现。卫燃带一方面保护了水冷壁免受冲蚀磨损,另一方面使该区域处于绝热状态下燃烧,有利于提高燃烧室的燃烧强度。在炉膛高度、床温一定时,卫燃带区域的大小决定了细颗粒的一次燃尽效果的好坏。对于福建无烟煤,因反应活性较低,就更要求有较大的卫燃带区域,以便能提供足够的热容量,使其能够充分燃烧。近期投产的CFB锅炉采取了在布风板至炉膛上部之间敷设厚度约为70mm的耐磨砖作为卫燃带的技术措施

9、。以DG75/3.82211型CFB锅炉为例,高达13.6m的卫燃带使得密、稀相区处于近似绝热的状态下燃烧,保证了燃烧室有较高的燃烧温度,使得煤颗粒在此能充分燃烧。图1是根据实际运行参数绘制的“沿炉膛高度燃烧温度分布趋势”。由图1可见,沿炉膛18.5m高的燃烧室里,温度分布均匀,介于9501030之间,而此正是福建无烟煤燃烧的较适宜温度3。经过粗略计算可知,当入炉煤的平均颗粒径为2.5mm,运行烟气平均流速为3.84m/s时,颗粒经过炉膛的时间约为4.5s4。在9501000的均匀温度场中,大量的细煤粉在4.5s内足以燃尽,运行实践证实了这一点。该炉型的机械未完全燃烧损失q4为7.5%,比旧炉

10、型(DG35/3.82217)降低了约3个百分点。这使得该炉型具有了较高的燃烧效率。增加炉膛卫燃带区域后,膜式水冷壁的蒸发受热面随之减少,从而影响到水冷壁的吸热量。为满足工质蒸发吸热的需要,一般采取了在炉内布置蒸发受热面的弥补措施。炉内蒸发受热面可布置于炉膛密相区或稀相区。但不同布置的炉型其运行效果有较大差异。近期投产的DG75/3.82211型CFB锅炉的蒸发受热面布置于炉膛出口(见图2)。运行实践表明,与在密相区布置埋管的炉型(DG35/3.82217型)相比,该炉型的优点主要体现在:(1)锅炉可以在较大的烟速下运行,从而保证了炉膛有较高的物料浓度,能够提高燃烧室的燃烧强度,有利于煤颗粒的

11、燃尽;(2)处于绝热状态下燃烧的密相区能够真正发挥“热飞轮”的作用,把热量源源不断地从底部带到上部,保证炉膛上部有足够的热容量。从图1可以看出,燃烧温度沿炉膛高度均匀分布且略有上升,这有利于保障煤颗粒的燃尽和锅炉的稳定运行;图2DG75/3182-11型CFB锅炉炉膛结构及主要测点布置示意图(3)煤颗粒在燃烧室近似绝热燃烧时,释放的热量基本被物料携带出炉膛,依次传递给水冷壁、炉内蒸发受热面、高温过热器、低温过热器等,这部分吸图1沿炉膛高度燃烧温度分布趋势热约占工质总吸热量的75%80%,而其中炉内蒸 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., L

12、td. All rights reserved.综述燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉之设计及运行实践评述发受热面的吸热份额仅占约20%,这样可以使得炉膛设计更紧凑。由于福建无烟煤本身含细颗粒很多(粒径在019mm以下的约占45%),加上煤本身的热爆特性,粗颗粒燃烧时也会产生大量细颗粒,因此在正常流化状态下,炉膛中就有大量的细颗粒参与循环燃烧,在炉膛上部会有较高的物料浓度和较大的燃烧份额5。运行实践表明,当锅炉的回料循环建立后,炉膛上部的温度明显地高于下部密相区温度(图1所示)。因此,将工质的大部分吸热面(蒸发吸热、过热吸热)布置在炉膛的上部更具合理性。2.1.3燃料供给系统采用气力播煤方式9着火

13、;(3)易于实现燃料供给系统的自动控制;(4)对于大容量的CFB锅炉,只有采用气力播煤方式才能满足给煤的需求。以往,小容量CFB锅炉的燃料供给系统大都采用绞笼给煤方式。运行实践表明,绞笼给煤方式容易出现棚煤、堵煤和难于实现燃料供给系统的自动控制等现象。新近投产的循环流化床锅炉(75t/h)改用了气力播煤方式。气力播煤由输煤和播煤两部分组成。燃煤从煤仓进入输送带后,靠重力作用落入播煤段,由播煤风吹送入炉膛。其中,播煤风由专用的增压风机提供,播煤风压比一次风压高35kPa,这一方面可使煤粉更均匀地分撒在密相区,图3气力播煤装置2.1.4增强抗磨损能力磨损问题曾困扰CFB锅炉的设计和运行。因管壁磨损

14、爆裂而引发的锅炉停炉事故时有发生,因此,CFB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。一般情况下,密相区埋管和蒸发管束迎风面管壁是CFB锅炉磨损最严重的部位,下面以两组测试数据,说明近期投运的CFB锅炉的抗磨损情况。(1)测试部位:密相区埋管;规格:608;数量:58根,58个检测点;另一方面也可对给煤输送带起保护作用。图3是气力播煤装置原理示意图。实践证明,相对于绞笼给煤,气力播煤有以下优点:(1)克服了绞笼给煤易棚煤、堵煤的缺点;(2)播煤更均匀,更有利于燃料的迅速加温和表1DG35/3.82217型CFB锅炉密相区埋管磨损情况(炉膛中心烟速:2.83.2m/s;累计

15、运行时间:21240h)磨损量(mm)占测点数的百分比5.53.4%55.55.2%4.556.9%44.538%3.5425.9%33.510.3%2.533.4%2.56.9%表2DG75/3.82211型CFB锅炉炉膛出口蒸发管束迎风面管壁磨损情况(炉膛中心烟速:3.64.2m/s;累计运行时间:14261h)磨损量(mm)占测点数的百分比0.90.81%0.80.73.2%0.70.621.1%0.60.545%0.50.420.6%0.40.35.8%0.33.2%(2)测试部位:蒸发管束迎风面管壁;规格:324;数量:254排,检测点190个;表1是对DG35/3.82217型CF

16、B锅炉密相区埋管磨损情况的测试数据;表2是对DG75/3.82211型CFB锅炉炉膛出口蒸发管束迎风面管壁磨损情况测试数据。测试结果表明,由于采用厚管壁并在埋管上焊接高性能防磨片,新设计投产的CFB锅炉,在磨损最严重的密相区埋管或炉膛出口处蒸发管束,也已能满足在一个大修周期内的安全运行。此外,风帽和旋风分离器中心筒也是CFB锅炉磨损较严重的部件。旋风分离器中心筒的磨损主要出现在筒的内壁,其原始设计为裸壁,运行后发现磨损很严重。经采取在中心筒内壁上衬以适当厚度的耐磨材料等措施后,其使用寿命有了很大提高。而风帽的寿命则主要与制造的材质及布风板的整体布置有关,同时与风帽分布的位置及节距也有很大关系,

17、新近投产的CFB锅炉的风帽寿命一般在45007000h之间,其磨损问题也已基本得到解决。2.2存在的问题近期福建省投运的CFB锅炉所使用的分离器主要是旋风分离器。旋风分离器有高、中温之分,高温旋风分离器的回料温度一般介于900950,中 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.10工业锅炉2003年第1期(总第77期)下来的循环物料在进入炉膛前被分成几股,从而降低床内的局部物料负荷,使循环物料进入料床后,床温变化更平稳、分布更均匀,可提高锅炉运行的可靠性。温旋风分离器的回料温度大都在50055

18、0之间。运行实践发现,因回料温度偏高,高温旋风分离器在回料器部位易结焦,从而影响正常运行;而中温旋风分离的回料温度则偏低,大量回灰进入密相区后,对料床的温度有较大影响。因此,锅炉设计时对回料温度的选择格外重要,如设计时能将回料温度提高到700750,则可能会更适合于福建无烟煤的燃烧及锅炉的运行。另外,福建无烟煤细粉含量较多,正常运行情况下循环物料相对较多。运行时经常发生因回料系统调整不当而导致床温急剧波动、出现流化不均匀等问题,影响到锅炉的安全运行。因此,如在设计时考虑增加返料点,减少每个返料点的返料量,使从每个分离器分离工业分析WAVFCQnet(MJ/kg)3福建省目前投产的典型CFB锅炉

19、运行性能的综合评价福建石狮热电厂近期投产的两台75t/h(DG75/3.82211型)CFB锅炉代表了近阶段CFB锅炉在福建省的应用水平。下面以这两台CFB锅炉的运行测试数据为例,综合评价目前福建省内运行的典型CFB锅炉性能。其中,锅炉燃煤为典型的福建类无烟煤,煤的工业分析和元素分析如表3,入炉煤的粒径分布如表4,测试数据见表5。表3煤的工业分析和元素分析元素分析CHNSOAW表4入炉煤的粒径分布粒径(mm)百分比(%)平均粒径(mm)105.3310513.865218.1920.917.942.4980.90.4516.750.450.20.20.10515.358.530.1054.05

20、表5测试数据试验工况(1)锅炉参数单位t/h100%MCR75%MCR(4)灰渣分析75.9444.53.6176.5143.564.234.352114547731815500061544403.3355.214365.914.153543739420257500068单位排渣温度飞灰可燃物大渣可燃物(5)灰、渣比例计算锅炉燃料消耗量锅炉飞灰份额(6)排烟特性排烟温度(7)排烟热损失气体未完全燃烧热损失固体未完全燃烧热损失散热损失灰渣物理热损失锅炉热效率%t/h%100%MCR75%MCR98323.141.6610.9510.3780.6221485.3220.1377.0830.7910

21、.48286.1999222.21.67.4860.3970.6031355.1130.1375.8651.1110.44387.33锅炉负荷过热蒸汽温度过热蒸汽压力给水流量给水温度(2)应用基碳挥发分应用基低位热值(3)一次风流量二次风流量播煤风量一次风份额MPat/h%kJ/kgm3/hmm%33%测试结果表明,DG75/3.82211型CFB锅炉的机械不完全燃烧损失较少,运行热效率可达85%87%。据测试统计,锅炉连续运行时间可达3000h以上,蒸发量为75t/h的锅炉在负荷为8590t/h时也能长时间安全运行。运行实践表明,1998年以后投产的CFB锅炉大多具有良好的可靠性和较强的超负

22、荷运行能力,能在较好的经济水平上长期稳定运行。4燃福建无烟煤的CFB锅炉的脱硫循环流化床锅炉是一种洁净燃烧设备,具有易于实现炉内脱硫脱硝,燃烧排污量少等优点。前阶段,由于CFB锅炉运行的稳定性无法保证,脱硫问 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.综述燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉之设计及运行实践评述题在已投入运行的燃烧福建无烟煤的CFB锅炉中一直没有列入议事日程。现在,CFB锅炉的设计、运行水平已发展到一个新阶段,具备了进行燃烧脱硫的条件。为了检验脱硫效果、积累燃烧脱硫运行经验,得出炉内脱

23、硫的最佳运行参数,石狮热电厂与集美大学合作,于2001年在一台35t/h(DG35/3.82217型)的CFB锅炉上进行了热态脱硫的工业实验,测试钙硫比和脱硫剂粒径变化等因素对脱硫效果的影响。实验采用炉内添加脱硫剂混烧工艺,实验煤种为福建类无烟煤,其含硫量在0.8%1%,脱硫剂为石灰石(其中CaCO3的纯度为93.88%)。图4显示了当石灰石平均粒径为dpj=1.37mm时,Ca/S比变化对脱硫效率的影响,由图4可见,脱硫效率随着Ca/S比的增加而增加,当Ca/S摩尔比为3.15时,脱硫效率可达53.5%。图5给出了当Ca/S为2.17时,脱硫剂粒径变化对脱11由实验结果推断,对于燃烧福建无烟

24、煤的CFB锅炉内添加石灰石脱硫,当Ca/S取2.53.0、石灰石平均颗粒径取0.20.5mm时,可以取得较佳的脱硫效果和运行效益。5总结(1)为改善燃烧运行效果,目前新投入运行的、针对于燃烧福建省无烟煤的循环流化床锅炉在设计上主要采取了敷设卫燃带,炉膛出口布置蒸发受热面,燃料供给系统采用气力播煤方式和增强抗磨损能力等措施,但尚存有分离器的回料温度、返料点和泛料量等的设计不尽合理等问题。(2)近几年来的运行实践表明,阻碍CFB锅炉在福建省推广应用的主要问题,如燃烧稳定性和运行经济性等,已基本得到解决。如近期投运的锅炉具有以下特点:超负荷运行能力强,大部分CFB锅炉都有10%左右的超负荷运行能力;连续运行时间长,连续稳