循環(huán)流化床煤泥煤矸石混燒應用

煤泥、煤肝石混燒在220t/h循環(huán)流化床鍋爐中的工業(yè)應用張月軍1張桂英1胡亦工1（1.山東電力工程咨詢院,山東濟南250013）［內(nèi)容摘要］本文計算并分析了混燒比例在較大范圍內(nèi)波動時，對燃燒系統(tǒng)諸參數(shù)的影響。根據(jù)浙江大學能源潔凈利用與環(huán)境工程教育部重點實驗室的實驗公式，通過計算，分析混燒煤泥煤矸石時燃料投入次序不同對啟動的影響，提出了機組啟動時的投入燃料次序要求：先投入原煤燃燒，其次是煤矸石和煤泥。［關(guān)鍵詞］煤泥煤砰石混燒循環(huán)流化床緒論隨著煤炭洗選工業(yè)的迅速發(fā)展，我國每年排放的煤砰石和洗煤泥量也有了很快的增長。人們往往將廢棄的煤砰石堆積起來，占用了大量的土地資源，若將煤砰石投入循環(huán)流化床鍋爐燃燒，則在利用了低質(zhì)能源的同時又處理了煤砰石，對煤礦企業(yè)有很好的經(jīng)濟效益和社會效益；煤泥遇水即流失，風干即飛揚，極易造成對周圍環(huán)境的污染。因而摻燒煤泥不再僅僅是利用低質(zhì)能源，更在于其環(huán)保意義。洗煤泥的處理極為復雜。國外有的采用煤泥回填的方式，有的采用循環(huán)流化床燃燒的方式，但由于在采用流化床燃燒時，遇到了很多技術(shù)上的問題，比如說，煤泥的輸送問題，煤泥的雜物處理問題以及煤泥在流化床內(nèi)燃燒時流化不充分的問題等，總的來說，輸送問題在德國研究比較多，也較為成熟，工業(yè)應用也較多，其煤泥泵輸送方案得到了很好的應用；雜物處理不當，能直接危害煤泥系統(tǒng)的安全運行，但由于煤泥是一些極為粘稠的混合物，過濾極為不易，現(xiàn)在還沒有很好的可行的方案來處理雜物，只能采用人工將較大的雜物取出；針對煤泥在流化床內(nèi)燃燒時流化不充分的問題，浙江大學能源潔凈利用與環(huán)境工程教育部重點實驗室及熱能工程研究所進行了一些基礎(chǔ)性研究，但在基礎(chǔ)理論的應用分析及對工業(yè)應用中出現(xiàn)的一些具體問題的分析研究方面較為缺乏，當然導致這種情況的主要原因是煤泥煤砰石混燒在全國的應用比較少，其次電廠運行中發(fā)現(xiàn)的一些實際困難問題，并不能很好地與研究部門相協(xié)調(diào)處理。在查閱國外的研究文獻時，也發(fā)現(xiàn)這一方面的文獻非常少。本課題的由來，是由于南屯三期工程在實際運行過程中，發(fā)現(xiàn)投入煤泥后，鍋爐結(jié)渣嚴重，經(jīng)廠家、電廠方多次分析造成這種情況的原因，沒有找到很好的方案。作者在翻閱相關(guān)文獻時，對相關(guān)問題特別感興趣，就注意收集相關(guān)資料，分析相關(guān)問題，全面結(jié)合南屯四期實際設(shè)計工作的有利條件，分析研究了相關(guān)問題，并延伸出了更多的問題和思考。本文參考中外合資山東兗礦科澳南屯四期工程設(shè)計及中外合資山東兗礦科澳南屯三期工程運行的實際情況進行了以下兩個問題的分析研究：（一）煤泥煤砰石混燒對燃燒系統(tǒng)的影響：重點是根據(jù)南屯電廠提供的原始數(shù)據(jù)，廠家提供的原始資料，運用相關(guān)的計算公式，計算在煤泥煤砰石混燒與純燒原煤的情況下以及在混燒比例不同的情況下，對燃料消耗量、理論空氣量、石灰石消耗量、煙量、風量等的影響。

(二)煤泥煤砰石混燒對流化床燃燒及結(jié)渣的影響：重點是運用浙江大學能源潔凈利用與環(huán)境工程教育部重點實驗室的實驗公式，依據(jù)電廠提供的原始數(shù)據(jù)，計算分析了物料流化的狀態(tài)，深入分析了煤泥凝聚結(jié)團的特性，計算出了煤泥的最小粒度要求。通過計算，分析混燒煤泥煤砰石時燃料投入次序不同對啟動的影響，提出了機組啟動時的投入燃料次序要求。參考工程概況中外合資山東兗礦科澳南屯四期工程(1X50MW)，安裝一臺220t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，采用引進Alstom公司技術(shù)，哈鍋制造的循環(huán)流化床鍋爐。中外合資山東兗礦科澳南屯三期工程的基本情況與四期一致。不同的是四期設(shè)計煤種是原煤(40%)、煤泥(25%)、煤砰石(35%)，而三期設(shè)計煤種是煤泥(25%)、煤砰石(75%)。鍋爐技術(shù)規(guī)范：型號：鍋爐額定蒸發(fā)量過熱蒸汽出口壓力(表壓)過熱蒸汽溫度型號：鍋爐額定蒸發(fā)量過熱蒸汽出口壓力(表壓)過熱蒸汽溫度給水溫度預熱器進口溫度鍋爐效率：制造廠：HG-220/98-L?M220t/h9.81MPa(100kgf/cm2)540C215°C25°C89.85%哈爾濱鍋爐有限責任公司洗煤泥與煤砰石混燒對燃燒系統(tǒng)的影響3.1煤種特性3.1.1洗煤泥特性洗煤泥是煤洗選過程中的廢棄物，其特點是顆粒很細(一般顆粒小于0.5mm)，水分高，灰分高，粘度大，不易運輸，而且在堆積狀態(tài)下形態(tài)也極不穩(wěn)定。各礦所產(chǎn)生洗煤泥成分差別較大，南屯礦的洗煤泥成分為:項目名稱符號單位數(shù)值項目名稱符號單位數(shù)值收到基碳Car%46.11收到基氫Har%3.14收到基氧Oar%6.05收到基氮Nar%0.86收到基硫St,ar%0.43收到基灰份Aar%20.76收到基水份Mt%22.65低位發(fā)熱值Qnet,arkJ/kg17480干燥無灰基揮發(fā)份Vdaf%22.35灰軟化溫度C>1400灰變形溫度J2_C>1400

灰流動溫度T3°C>14003.1.2煤砰石特性煤砰石也是采礦過程中的廢棄物，其發(fā)熱量很低，顆粒大，易脫水，便于運輸，在堆積狀態(tài)下也比較穩(wěn)定。除占用土地外，對環(huán)境影響不大。南屯礦的煤砰石成分為:項目名稱符號單位數(shù)值項目名稱符號單位數(shù)值收到基碳Car%30.46收到基氫Har%2.07收到基氧Oar%8.20收到基氮Nar%0.52收到基硫St,ar%0.62收到基灰份Aar%53.83收到基水份Mar%4.3低位發(fā)熱值Q—、net,arkJ/kg11182干燥無灰基揮發(fā)份Vdaf%43.32灰軟化溫度—C>1400灰變形溫度C>1400灰流動溫度T3C>14003.225%煤泥與75%煤砰石混燒與純燒原煤的比較3.2.1燃燒計算的原始數(shù)據(jù)：南屯采用原煤的成分為:項目名稱符號單位數(shù)值項目名稱符號單位數(shù)值收到基碳Car%62.92收到基氫Har%3.95收到基氧Oar%7.84收到基氮Nar%1.13收到基硫Star%0.56收到基灰份Aar%13.9收到基水份Mt%9.7低位發(fā)熱值Q—'netarkJ/kg24732干燥無灰基揮發(fā)份Vdaf%38.73灰軟化溫度T1C>1400灰變形溫度T2C>1400灰流動溫度J3C>140025%煤泥與75%煤砰石混合后的成分:項目名稱符號單位數(shù)值項目名稱符號單位數(shù)值收到基碳Car%34.37收到基氫Har%2.34收到基氧Oar%7.66收到基氮Nar%0.61收到基硫St,ar%0.57收到基灰份Aar%45.56收到基水份Mt%8.89低位發(fā)熱值Qnet.arkJ/kg12757

干燥無灰基揮發(fā)份Vdaf%38.08灰軟化溫度°C>1400灰變形溫度J2_C>1400灰流動溫度°C>1400循環(huán)流化床鍋爐的基本參數(shù)序號內(nèi)容符號單位設(shè)計依據(jù)數(shù)值鍋爐型號及參數(shù)1鍋爐型號2蒸發(fā)量%rt/h鍋爐廠資料2203過熱蒸汽溫度grtgrC鍋爐廠資料5404過熱蒸汽壓力PgrMPa鍋爐廠資料9.85過熱蒸汽焓igrkJ/kg查水蒸汽表3477.166汽包工作壓力PHMPa鍋爐廠資料10.87排污水焓ipwkJ/kg查水蒸汽表14428排污率apw/鍋爐廠資料0.029給水溫度tgsC鍋爐廠資料21510給水壓力PgsMPa鍋爐廠資料11.0211給水焓igskJ/kg查水蒸汽表923.612鍋爐效率ngl%鍋爐廠資料89.8513鍋爐脫硫效率ntl(Esor)%鍋爐廠資料90.714鈣、硫摩爾比Ca/S(R)/鍋爐廠資料2.115空預器出口風溫tkyC鍋爐廠資料18216空預器進口風溫tky'C鍋爐廠資料2517排煙溫度tpyC鍋爐廠資料13818化學未完全燃燒損失q3%鍋爐廠資料19機械未完全燃燒損失q4%鍋爐廠資料3.1120爐膛出口過?？諝庀禂?shù)al/鍋爐廠資料1.221爐膛漏風系數(shù)△al/鍋爐廠資料0.022爐膛飛灰系數(shù)afh/鍋爐廠資料0.4空預器出口過?？諝庀禂?shù)apy/鍋爐廠資料燃料消耗量及理論空氣量的計算比較

燃料消耗量Bg=Dgr[(igr-igs)+apw(ipw-igs)]/Q.pqgl原煤Bg=25.383t/h混燒Bg=49.213t/h計算燃料消耗量Bj=Bg(100—q4)/100原煤Bj=24.594t/h混燒Bj=47.682t/h理論空氣量V0=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har—0.0333Oar原煤V0=6.573Nm3/kg混燒V0=3.439Nm3/kg3.2.3石灰石消耗量的計算比較序號內(nèi)容符號單位計算公式數(shù)值數(shù)值石灰石消耗量的計算原煤混燒1碳酸鈣的分子量CaCO3/1001002硫的分子量S/32323碳酸鈣與硫的分子量比M/p=CaCO3/S3.1253.1254石灰石消耗量Bst/hB=[(Ca/S)SU/(CaCO3)]B1.0051.9923.2.4煙量的計算比較序號內(nèi)容符號單位計算公式數(shù)值數(shù)值煙量的計算原煤混燒1理論氮氣量V￡Nm3/kgVo=0.79V0+0.008NN2ar5.0632.7222理論三原子量VRO20Nm3/kgV0=1.866(C+0.375S)/1001.1780.6453理論水蒸汽量RO2VH2O0Nm3/kg—ROararVH2O0=0.111Har+0.0124Mar+0.0161V00.6620.4254理論煙氣量V0Nm3/kgV0=V"0+Vro2+Vh2o06.9033.7925理論干煙氣量yVNm3/kgyV0=V0+V0gN2RO26.2413.3676實際煙氣量gVNm3/kgV=v0+1.0161(a—1)V08.2034.4917實際干煙氣量y—V-g—Nm3/kg—yypyVg=Vg0+(ay—1)V07.5214.0553.2.5風量分配比較項目名稱單位原煤混燒空預器進口計算一次風量Kg/s34.435.443計算二次風量（含給煤機和給煤口密封風）Kg/s28.6530.948流化器流化風量Kg/s1.11.1冷渣器冷卻風量Kg/s2.92.95給煤機密封風風量（含在二次風量中）Kg/s1.241.24石灰石輸送風Kg/s0.350.35

結(jié)論：煤泥煤砰石混燒與純燒原煤相比較而言，對燃煤消耗量、石灰石消耗量、煙風量及一、二次風量影響很大，對各雜項用風影響較小，見下表。燃煤量t/h煙氣量Nm3/kg一次風量Kg/s二次風量Kg/s石灰石耗量t/h純燒原煤25.3836.90334.428.651.005煤泥煤砰石混燒49.2133.79235.44330.9481.992綜上所述，如果流化床鍋爐設(shè)計煤種是原煤，而改燒煤泥煤砰石的話，給煤系統(tǒng)、石灰石系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)應重新改造。若不然，耗煤量、耗石灰石量、煙風量變化太大，系統(tǒng)運行不經(jīng)濟，也不安全。3.3混燒比例不同的比較我們比較一下25%煤泥、75%煤砰石混燒與40%煤泥、60%煤砰石混燒的計算結(jié)果:（在以下的比較過程中25%煤泥、75%煤砰石混燒簡稱為混燒1；40%煤泥、60%煤砰石混燒簡稱混燒2）。3.3.140%煤泥與60%煤砰石混合后的成分：項目名稱符號單位數(shù)值項目名稱符號單位數(shù)值收到基碳Car%36.72收到基氫Har%2.50收到基氧Oar%7.34收到基氮Nar%0.66收到基硫Star%0.54收到基灰份Aar%40.60收到基水份,Mt%11.64低位發(fā)熱值Qnet.arkJ/kg13701干燥無灰基揮發(fā)份Vdaf%34.93灰軟化溫度°C>1400灰變形溫度J2_C>1400灰流動溫度T3°C>14003.3.2燃料消耗量及理論空氣量的計算比較燃料消耗量Bg=Dgr[(igr-igs)+apw(ipw-igs)]/Q.pqgl混燒1Bg=49.213t/h混燒2Bg=45.82t/h計算燃料消耗量Bj=Bg(100—q4)/100混燒1Bj=47.682t/h混燒2Bj=44.395t/h理論空氣量V0=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har—0.0333Oar混燒1V0=3.439Nm3/kg混燒2V0=3.700Nm3/kg3.3.3石灰石消耗量的計算比較石灰石消耗量的計算混燒1混燒21碳酸鈣的分子量CaCO3/100100

2硫的分子量S/32323碳酸鈣與硫的分子量比M/p=CaCO3/S3.1253.1254石灰石消耗量Bst/hB=[(Ca/S)SU/(CaCO3)]B1.9921.7633.3.4煙量的計算比較序號內(nèi)容符號單位計算公式數(shù)值數(shù)值煙量的計算混燒1混燒21理論氮氣量V￡Nm3/kgVn20=0.79V0+0.008N“2.7222.9282理論三原子量VRO20Nm3/kgV0=1.866(C+0.375S)/1000.6450.6893理論水蒸汽量^t^O2VH2O0Nm3/kg—RO2ararVH2O。=0.111Har+0.0124Mar+0.0161V00.4250.4814理論煙氣量V0Nm3/kgVy0=VN20+V"VH2O03.7924.0995理論干煙氣量yV0Nm3/kgVg0=VN20+VRO203.3673.6176實際煙氣量gVNm3/kgV=v0+1.0161(a—1)V04.4914.8507實際干煙氣量^―VgNm3/kgyypyVg=Vg0+(ay—1)V04.0554.3573.3.5風量分配比較項目名稱單位混燒1混燒2空預器進口計算一次風量Kg/s35.44335.38計算二次風量(含給煤機和給煤口密封風)Kg/s30.94830.9流化器流化風量Kg/s1.11.1冷渣器冷卻風量Kg/s2.952.95給煤機密封風風量(含在二次風量中)Kg/s1.241.24石灰石輸送風Kg/s0.350.35結(jié)論：當混燒比例在較大范圍內(nèi)波動時，對燃煤消耗量、石灰石消耗量、煙風量及一、二次風量、各雜項用風影響都很小，在實際運行中這種影響完全可以接受。綜上所述，若流化床鍋爐設(shè)計為煤泥煤砰石混燒，在煤泥或煤砰石單種燃料供應不足時，可適當調(diào)整燃燒比例，對給煤系統(tǒng)、石灰石系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)基本沒有影響。煤泥煤砰石混燒對流化床啟動的影響浙江大學能源潔凈利用與環(huán)境工程教育部重點實驗室為了描述流化床內(nèi)的物料分布，引入中間混合指數(shù)M1：M1=Cs/(Cs+Cx)(a)

式中Cs,Cx分別指流化床內(nèi)上半層和下半層大顆粒的相對分布密度；M1的物理含義為大顆粒在上半層內(nèi)的質(zhì)量百分數(shù)；M1=1/2,表明顆粒在床內(nèi)混合均勻；M1>1/2,大顆粒在床內(nèi)呈上浮趨勢；M1<1/2,大顆粒在床內(nèi)呈下沉趨勢。通過下式，可計算出物料的大致分布情況：M1=0.514+1.5458[0.55e-1/3(Rd-1)-(Rp-0.45)](b)式中，Rd為相對粒度，Rp為相對密度。相對是指物料相對床料。4.1物料相對床料煤砰石渣的相對密度計算煤泥的真實密度序號項目內(nèi)容符號單位公式計算結(jié)果1煤泥的干燥無灰基碳量Cdaf%Cf=100C/(100—M—A)dafararar81.4812煤泥的干燥無灰基氫量Jdf%H一=100H/(100—M—A)dafararar5.5493煤泥的有機質(zhì)比重Yjt/m3Y；=100/(0.334C睥+4.25H辦f+23)1.3554煤泥的干燥基灰分J%Ad=100Aar/(100—Mar)26.8395煤泥的真正比重Yzht/m3Y尸100Yj/[100—A(1—Y"2.9)]1.581煤砰石的真實密度序號項目內(nèi)容符號單位公式計算結(jié)果1煤矸石的干燥無灰基碳量daf%Cdaf=100Car/(100—Mar—Aar)72.7492煤矸石的干燥無灰基氫量Hfdaf%Hdaf=100Har/(100—Mar—Aar)4.9443煤矸石的有機質(zhì)比重Yjt/m3Y；=100/(0.334C”+4.25H“+23)1.4644煤矸石的干燥基灰分A%Ad=100Aar/(100—Mar)56.2495煤矸石的真正比重Yzht/m3Yzh=100Yj/[100—A(1—Y"2.9)]1.892渣的真實密度約2.0t/m3物料煤砰石相對床料煤砰石渣的相對密度Rp=1.892：2.0=0.946物料煤泥相對床料煤砰石渣的相對密度Rp=1.581：2.0=0.79054.2物料相對床料煤砰石渣的相對粒度計算項目名稱煤泥煤砰石原煤啟動床料煤粒尺寸最大<5mm<2mm細顆粒小于0.5mm89689660%<1mm60%30%100%<0.5mm30%10%98%<0.1mm10%3%30%d503%1.8mm1.8mm0.15mm物料煤矸石相對床料煤矸石渣的相對粒度Rd=8:8=1物料煤泥團相對床料煤矸石渣的相對粒度Rd=100:8=12.5物料煤泥團相對啟動床料的相對粒度Rd=100:1=100通過公式(b),可計算出煤矸石的中間混合指數(shù)：M1=0.514+1.5458[0.55e1/3(Rd-1-(Rp-0.45)]=0.514+1.5458[0.55*3(1--(0.946-0.45)]=0.60也就是說，物料煤矸石在流化床鍋爐中有輕微上浮的趨勢。4.3煤泥煤矸石混燒對鍋爐啟動的影響在機組啟動時，如果煤矸石為物料，沙子為床料，則情況如下：物料煤矸石相對床料沙子的相對密度Rp=1.892：2.5=0.7568物料煤矸石相對床料沙子的相對粒度Rd=5:1=5則計算得M1=0.2637說明此時煤矸石有較大的下沉趨勢。在機組啟動時，如果原煤為物料，沙子為床料，則情況如下：物料原煤相對床料沙子的相對密度Rp=1.501：2.5=0.6物料原煤相對床料沙子的相對粒度Rd=5:1=5則計算得M1=0.506238說明此時原煤與床料流化狀態(tài)很好。在機組啟動時，如果煤泥為物料，沙子為床料則情況如下：假定煤泥團粒徑在25mm以內(nèi)，已能滿足正常運行要求物料煤泥相對床料的相對密度Rp=1.581:2.5=0.6324物料煤泥團相對啟動床料的相對粒度Rd=25:1=25則計算得M1=0.2323說明此時煤泥團比煤矸石有更大的下沉趨勢。通過以上比較分析得出：為了保證循環(huán)流化床的流化狀態(tài)，在鍋爐點火啟動時，投入燃料是有次序要求的：先投入原煤燃燒，其次是煤矸石和煤泥。如果改變投入次序，極易造成流化狀態(tài)的惡化，啟動時造成流化床底部結(jié)渣，以及冷渣器內(nèi)的二次燃燒。綜上所述，混燒煤泥煤矸石應注意的問題有：1）混燒煤泥煤砰石時，對機組啟動時的投入燃料次序有要求：先投入原煤燃燒，其次是煤砰石和煤泥。結(jié)論5.1煤泥與煤砰石可在較寬廣的范圍內(nèi)摻混，成功用于循環(huán)流化床鍋爐的燃燒。5.2煤泥煤砰石混燒與純燒原煤相比較而言，對燃煤消耗量、石灰石消耗量、煙風量及一、二次風量影響很大，但對各雜項用風影響較小。這一點使得煤泥煤砰石混燒鍋爐的煙風系統(tǒng)的設(shè)計、風機和其他輔機的選型等與燃用常規(guī)燃料的鍋爐產(chǎn)生重要區(qū)別。5.3當混燒比例在較大范圍內(nèi)波動時，對燃燒系統(tǒng)諸參數(shù)的影響很小，在實際運行中這種影響完全可以接受。因此，若對于煤泥煤砰石混燒的循環(huán)流化床鍋爐，在煤泥或煤砰石單種燃料供應不足時，可適當調(diào)整燃燒比例，而基本不會影響給煤系統(tǒng)、石灰石系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)的工作。5.4作者根據(jù)浙江大學能源潔凈利用與環(huán)境工程教育部重點實驗室的實驗公式分析，在混燒煤泥煤砰石時，對機組啟動時的投入燃料次序有要求：先投入原煤燃燒，其次是煤砰石和煤泥。參考文獻［1］吳正舜申莉劉德昌循環(huán)流化床鍋爐操作特性的研究［刊，中］熱力發(fā)電.一2002,31(5).—37?38,41［2］姚西增吉憲磊循環(huán)流化床技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［刊，中］西北電力技術(shù).一2002,30(3)一42?43,60［3］陳干錦循環(huán)流化床鍋爐在我國的發(fā)展［刊，中］鍋爐技術(shù).一2002,33(7).—1?6［4］方德山冷偉徐治皋循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)壓降分布及物料粒徑分布的計算［刊，中］鍋爐技術(shù).一2002,33(2).—14?18,27［5］郭平王博錄于海循環(huán)流化床鍋爐燃用濃煤泥輸送系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析［刊，中］發(fā)電設(shè)備.一2002,(6).—15?17［6］王智微吳曉玲冷洪川循環(huán)流化床鍋爐物料分布特征分析［刊，中］熱電技術(shù).一2002,(3).—7?9,17［7］高正陽方立軍周健混煤燃燒特性