循環(huán)流化床鍋爐燃用廢棄物的利用

循環(huán)流化床鍋爐燃用廢棄物的利用

中國的燃料結(jié)構(gòu)主要是煤炭，煤炭污泥是煤炭生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品。2011年我國煤炭總需求量為361722萬t,目前我國入選煤量已達(dá)到原煤的35%左右。循環(huán)流化床鍋爐是高效率、低污染和綜合利用的燃燒技術(shù),它在煤種適應(yīng)性和變負(fù)荷能力以及污染物排放上具有獨(dú)特優(yōu)勢。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高,燃料價(jià)格的上漲,燃料品質(zhì)的下降,大型循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用得以迅猛發(fā)展,尤其是21世紀(jì)以來,國內(nèi)三大鍋爐制造廠依托引進(jìn)技術(shù)自主開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐。近幾年來,三大鍋爐制造廠將成功投運(yùn)的超臨界煤粉爐技術(shù)和成功投運(yùn)的亞臨界循環(huán)流化床爐技術(shù)相結(jié)合,自主研發(fā)了超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)。某工程采用350MW超臨界機(jī)組,配套350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐,無論在國際、國內(nèi)尚屬首臺。因此鍋爐選型、煤泥摻燒比例、煤泥入爐方式等至關(guān)重要,本文對上述問題進(jìn)行簡單分析論述,為生產(chǎn)實(shí)踐起到參考作用。1鍋爐的選擇及其主要參數(shù)1.1東方鍋爐超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)方案評價(jià)在工程的可研階段,項(xiàng)目建設(shè)單位就已開始對國內(nèi)三大鍋爐制造廠進(jìn)行考察、咨詢、調(diào)研,并對各家的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究、分析、比選。2010年2月中國國際工程咨詢公司組織專家針對東方鍋爐300MW~350MW等級超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)方案進(jìn)行了評審。該方案充分吸收了已投運(yùn)的300MW亞臨界CFB鍋爐的成功經(jīng)驗(yàn),并參考了600MW超臨界CFB鍋爐和超臨界煤粉鍋爐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),以寶麗華工程燃用的無煙煤及某工程燃用的劣質(zhì)煙煤加矸石為設(shè)計(jì)燃料而開發(fā)的兩種不同尺寸的鍋爐方案,能基本覆蓋國內(nèi)大部分用戶和電廠的煤質(zhì)條件和需求,具有較廣闊的煤種適應(yīng)性。經(jīng)多方論證、比選、評審,最終確定由東方鍋爐集團(tuán)股份公司為本工程提供350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐。1.2鍋爐的主要參數(shù)鍋爐形式:超臨界、中間再熱、單爐體、平衡通風(fēng)、旋風(fēng)氣固分離器、固態(tài)排渣、前墻給煤、全鋼構(gòu)架、半露天布置。鍋爐的主要參數(shù)見表1。2燃煤的成灰特性流化床鍋爐的最基本特征是有一定量的床料在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。作為一進(jìn)二出的平衡系統(tǒng),流化床床料來自于給煤中的灰和脫硫劑。物料的循環(huán)率、床料的粒徑分布等參數(shù)直接影響燃燒效率和脫硫效率,并決定燃燒室內(nèi)的熱負(fù)荷分布,它們對于流化床的運(yùn)行是極其重要的。在特定流化風(fēng)速條件下,物料循環(huán)流率是由床料的質(zhì)量決定的,而床料質(zhì)量由系統(tǒng)物料平衡決定。循環(huán)流化床的物料平衡基本是灰的物料平衡,為了合理地進(jìn)行鍋爐本體和附屬設(shè)備的設(shè)計(jì),有必要了解燃煤的成灰特性。某工程以選煤廠提供的劣質(zhì)燃料進(jìn)行混配后的混煤為燃料。項(xiàng)目單位提取選煤廠的劣質(zhì)燃料委托清華大學(xué)進(jìn)行煤樣成灰試驗(yàn),根據(jù)測算結(jié)果計(jì)算本工程鍋爐燃燒設(shè)計(jì)比例(矸石、洗中煤、煤泥)時(shí)摻燒石灰石的物料平衡預(yù)測,給出灰渣比、循環(huán)物料粒度分布及對運(yùn)行時(shí)可能需要的最低床壓降要求預(yù)測值。2.1煤炭樣品分析清華大學(xué)采用的實(shí)驗(yàn)煤種為矸石、中煤及煤泥3種煤樣,工業(yè)分析和元素分析以及發(fā)熱量見表2。2.2煤泥粒度分布的影響清華大學(xué)采用靜態(tài)燃燒冷態(tài)振篩方法研究了國金煤樣的成灰和磨耗特性,在流化床實(shí)驗(yàn)臺上研究了煤樣的爆裂特性。矸石煤樣在燃燒過程中,熱爆裂性能較差,且硬度較大;中煤煤樣的本征成灰具有鮮明的特點(diǎn),不同檔煤樣燃燒后生成細(xì)顆粒均較多,且原始粒度越粗,爆裂性能越好,粒度在0μm~100μm的灰樣占有比例較大,不過隨原始粒度變粗,爆裂性能變差,因此要注意控制中煤的入爐煤粒度;泥煤在燃燒過程中基本無爆裂導(dǎo)致的粒度變化,煤泥粒度主要在0μm~1000μm范圍,500μm以下質(zhì)量份額超過80%,因此可以用煤泥的粒度分布直接代替成灰的粒度分布。因此通過在中煤中摻入煤泥可以有效地改善外循環(huán)流率和飛灰的流率。m(矸石∶中煤∶泥煤)=45∶25∶30時(shí),可滿足鍋爐的物料平衡要求,大顆粒在爐膛內(nèi)停留時(shí)間很短,從燃燒角度看不利于大顆粒的燃盡。當(dāng)床壓降從10kPa增加到15kPa時(shí),停留時(shí)間有所增加。m(矸石∶中煤∶泥煤)=50∶40∶10時(shí),可滿足鍋爐的物料平衡要求,大顆粒在爐膛內(nèi)停留時(shí)間很短,從燃燒角度看不利于大顆粒的燃盡。當(dāng)床壓降從10kPa增加到15kPa時(shí),停留時(shí)間增加不明顯,燃燒效果改進(jìn)不理想,同時(shí)帶來風(fēng)機(jī)能耗增加等問題,因此不建議摻燒如此高比例的矸石。由于各煤樣的灰分普遍偏高,因此推薦采用m(矸石∶中煤∶泥煤)=10∶50∶40的摻混,同時(shí)嚴(yán)格控制給煤粒度,消除6mm以上大顆粒,盡量增加3mm~6mm的細(xì)顆粒,這樣可以實(shí)現(xiàn)7000Pa的床壓運(yùn)行。2.3鍋爐運(yùn)行情況CFB鍋爐摻燒煤泥在近年來發(fā)展很快,尤其是在一些煤電一體化的電廠率先實(shí)施,如兗州礦務(wù)局、濟(jì)三礦摻燒煤泥的50MW和135MW鍋爐分別于2003年和2004年投入運(yùn)行,運(yùn)行情況良好,且逐步增加了煤泥摻燒比例,為煤泥在國內(nèi)電力行業(yè)的應(yīng)用開創(chuàng)了先河。目前,國內(nèi)摻燒煤泥的CFB鍋爐機(jī)組為淮北臨渙電廠二期,煤泥摻燒的比例為20%~30%。2.4循環(huán)流暢流的耗煤污泥燃燒理論2.4.1入爐煤泥的燃燒根據(jù)浙江大學(xué)的研究結(jié)論,對于CFB鍋爐,燃燒煤泥的含水率應(yīng)低于35%,否則鍋爐排渣的含碳量就會偏高,原因是煤泥在鍋爐內(nèi)的燃燒為爆炸燃燒,燃燒不充分。經(jīng)過分析,當(dāng)煤泥水分為20%時(shí),結(jié)團(tuán)性能最好,利于燃燒,當(dāng)煤泥水分<15%時(shí),結(jié)團(tuán)性能下降很快,不利于燃燒,所以,入爐煤泥的水分應(yīng)≥20%。經(jīng)過分析,當(dāng)床溫越高時(shí),煤泥結(jié)團(tuán)顆粒強(qiáng)度越大,在床溫900℃~1000℃時(shí),煤泥結(jié)團(tuán)顆粒強(qiáng)度達(dá)到最大,燃燒效果最佳。2.4.2煤泥凝聚團(tuán)的床料組成異重床理論是指由密度差異較大的不同顆粒組成的流化床系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明,由密度不同的顆粒組成的流化床系統(tǒng)中,床內(nèi)顆粒沿高度的分布主要受床內(nèi)顆粒密度的支配,即密度大的顆粒趨于在床層下部分布,而密度小的顆粒趨于在床層上部分布。在實(shí)際工程中,通常選擇具有密度大、耐磨性好、價(jià)廉易得的物料如河沙、電廠灰渣等作為CFB鍋爐的基本床料。由這種床料組成的流化床具有較高的表觀密度,所以對煤泥凝聚團(tuán)會呈現(xiàn)一種“浮力效應(yīng)”,使得運(yùn)行中出現(xiàn)的大煤泥凝聚團(tuán)即使其粒度達(dá)幾十毫米甚至上百毫米,也不會在床內(nèi)沉積。而只要這些大煤泥凝聚團(tuán)不沉積于溫度水平低的布風(fēng)板區(qū)域,它們就有機(jī)會通過燃盡、破碎和磨損等過程而逐漸消亡。因此,在一定范圍內(nèi),大顆粒煤泥凝聚團(tuán)的生成對流化床鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行不會有影響。2.5鍋爐摻燒煤泥情況關(guān)于CFB鍋爐摻燒煤泥比例問題,國內(nèi)目前尚無任何理論說法,僅依賴于電廠的實(shí)踐積累而不斷探索發(fā)展。在300MW級循環(huán)流化床鍋爐上摻燒煤泥的實(shí)例,目前只有淮北臨渙300MWCFB鍋爐,其設(shè)計(jì)摻燒煤泥的比例為15%~25%,實(shí)際達(dá)到30%~40%,最高可達(dá)50%。表3為淮北臨渙300MWCFB鍋爐摻燒煤泥前后鍋爐主要運(yùn)行指標(biāo)對比表。由表3數(shù)據(jù)可知,CFB鍋爐摻燒煤泥后鍋爐運(yùn)行指標(biāo)正常,且由于同等發(fā)熱量時(shí)的煤泥價(jià)格較原煤價(jià)格低50%,所以摻燒煤泥后的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。2.6確定煤種配比和校核煤種配比根據(jù)清華大學(xué)的煤樣成灰試驗(yàn)報(bào)告及多次專家論證,最終確定了設(shè)計(jì)煤種配比為m(煤矸石∶洗中煤∶煤泥)=45%∶25%∶30%,校核煤種配比為m(煤矸石∶洗中煤∶煤泥)=50%∶40%∶10%。3煤泥回收系統(tǒng)原生洗煤泥是選煤廠的副產(chǎn)品,產(chǎn)量約為入選原煤的10%~20%,由煤炭、黏土與矸石混合而成,一般含固量為72%~77%,粒徑小于0.5mm,是一種高濃度、高黏度的黏稠物料,流動(dòng)性小而黏結(jié)度大。CFB鍋爐燃燒煤泥發(fā)電是工業(yè)大量利用煤泥的最佳手段,其環(huán)保節(jié)能效果優(yōu)于任何其他方式,但煤泥問題一直沒有真正解決,原因是煤泥如何才能從洗煤廠輸送到電廠鍋爐,并根據(jù)鍋爐溫度閉環(huán)控制煤泥流量,達(dá)到安全可靠、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用等要求。為了解決煤泥遠(yuǎn)距離輸送技術(shù)難題,北京中礦機(jī)電工程技術(shù)研究所開發(fā)了“MNS煤泥管道遠(yuǎn)距離輸送系統(tǒng)”。該系統(tǒng)解決了煤泥長距離管道輸送中的煤泥高壓泵送、煤泥預(yù)先處理、煤泥流量可控、物料分流分配、管道密封減振、爐前多功能給料、管道磨損等一系列技術(shù)難題,具有煤泥成漿、攪拌、儲存、輸送、給料、清洗等功能,滿足鍋爐燃用煤泥對于輸送環(huán)節(jié)的全部要求。煤泥輸送主要由兩部分組成:一是泵前的預(yù)處理裝置,主要設(shè)備包括上料螺旋、煤泥搓和機(jī)和緩沖攪拌倉。二是輸送裝置,包括預(yù)壓螺旋、高壓煤泥輸送泵、管路分配分流器、高壓低磨阻復(fù)合管路、多功能給料器和電控系統(tǒng)等。管道遠(yuǎn)距離輸送系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地小、布置靈活、全密封輸送、輸送壓力高、輸送距離遠(yuǎn)、輸送高度高、全程自動(dòng)化控制、操作簡單、故障率低、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)本工程煤泥輸送系統(tǒng)擬采用活塞泵輸送系統(tǒng),煤泥摻水后由管道直接輸送到鍋爐內(nèi)燃燒。設(shè)計(jì)煤種和校核煤種的煤泥量分別為83.1t/h和30.6t/h,煤泥量分別占鍋爐燃煤量的30%和10%。4爐頂給料及鍋爐中部給料方式根據(jù)煤泥爆燃理論,為了使煤泥能夠充分燃燒,應(yīng)當(dāng)是其進(jìn)入鍋爐的位置越高越好,使煤泥在到達(dá)床層前能夠爆燃完全。CFB鍋爐煤泥燃燒方式主要有頂部給料和中部給料燃燒兩種方式,中部給料方式由于給料設(shè)備的不同又細(xì)分為煤泥噴槍霧化噴燃和螺旋拋射燃燒兩種。頂部給料無任何驅(qū)動(dòng)的設(shè)備,只有清洗、疏通部位會選用若干液壓部件,但其并不參與給料的過程,相對而言故障率是極低的。中部給料一般采用噴槍式或有源的拋撒設(shè)備,使得煤泥遠(yuǎn)離鍋爐內(nèi)壁,避免因膜式壁的損壞而引起鍋爐故障停機(jī)。經(jīng)過比較,爐頂給料和鍋爐中部給料各有優(yōu)缺點(diǎn),兩種方式均能滿足本工程要求。爐頂給料較鍋爐中部給料更為穩(wěn)定可靠,同時(shí)結(jié)合煤泥輸送設(shè)備制造廠的推薦意見,本工程采用爐頂給料方式。5煤泥摻燒方案確定某工程采用東方鍋爐廠自主研發(fā)的350MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的選型是可行。鍋爐采用單爐膛(單布風(fēng)板)、前墻多點(diǎn)給煤、水冷隔墻、爐內(nèi)屏式受熱面、3臺冷卻式分離器、不帶外置床、尾部雙煙道的M型布置;水冷壁采用低質(zhì)量流速垂直管圈,四周墻及頂棚采用光管,中隔墻及布風(fēng)板采用內(nèi)螺紋管;合理選取了爐膛熱負(fù)荷不均勻分布系數(shù);整體方案合理、可行,能夠保證爐膛運(yùn)行的安全和可靠性,并且具有較廣闊的煤種適應(yīng)性。根據(jù)煤樣成灰試驗(yàn),矸石煤樣在燃燒過程中,熱爆裂