410 t/h循环流化床锅炉燃烧调整试验
0 引 言
CFB锅炉是目前发展最快、应用最广的一种流化床燃烧技术，具有良好的经济性、环保性和调峰控制能力，能适应多种煤种[1]。自20世纪末，CFB锅炉技术在我国经历了由技术引进到自主研发的阶段。据统计现阶段具有自主知识产权的不同容量机组的CFB锅炉已经投运近3 000台。目前约60%的CFB锅炉都不同程度存在出力不足、运行周期短、灰渣不完全燃烧损失高、排烟损失大等问题，部分原因是由于设计不当或运行煤质差异较大，运行方式不合理等，可通过优化调整改善CFB锅炉运行性能[2-5]。李士瑾等[2]通过技术优化进一步提高了循环流化床锅炉的燃烧效率。张敏[3]建立完善CFB锅炉燃烧调整试验方法，优化调整CFB锅炉运行参数，实现CFB锅炉安全、稳定、长周期运行和节能减排。杨勇等[4]对1台1 177 t/h CFB锅炉燃烧优化调整试验，锅炉热效率提高1.5%～2.0%，每年可节约燃料成本约840万元；降低燃烧总风量可减轻炉膛内受热面的磨损，稀相区空截面烟气速度由调整前的4.22 m/s降低至调整后的3.87 m/s，计算磨损量减少约25%。孟志东[6]采用Muschelknautz 计算法的Hoffmann旋风筒模型计算分离器的设计效率，在运行中也可通过锅炉的运行参数计算分离器运行效率，再辅以飞灰粒度分析作为计算结果可靠性的佐证。
A厂CFB锅炉飞灰含碳量20.82%、底渣含碳量9.72%，锅炉效率远低于设计保证效率。锅炉稳定性较差，严重影响锅炉带负荷能力。因此，本文以410 t/h CFB锅炉为例，通过一次风量、返料系统、燃料粒度试验查找锅炉飞灰、底渣含碳量过高的原因。
1 试 验
1.1 试验锅炉概况
A厂锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的410 t/h CFB锅炉，主蒸汽温度540 ℃、压力9.81 MPa。锅炉主要由炉膛、汽冷分离器、自平衡“U”形回料阀和尾部对流烟道组成。燃烧室蒸发受热面采用膜式水冷壁，水循环采用单汽包、自然循环、单段蒸发系统。布风板为水冷方式，大直径钟罩式风帽，2台直径约7 m的汽冷分离器。锅炉主要设计参数见表1。
1.2 试验内容
对锅炉一次风量、返料风量、床温，床压、入炉煤粒度等主要运行参数进行优化调整，确定锅炉最佳运行参数组合，以降低灰渣可燃物含量、减轻磨损、提高锅炉热效率，改善锅炉运行稳定性等[7]。
表1 锅炉主要设计参数
Table 1 Main design parameters of boiler
项目设计煤种校核煤种锅炉负荷/%100% BMCR100% BMCR过热蒸汽流量/(t·h-1)410410过热蒸汽出口压力/MPa9.819.81过热蒸汽出口温度/℃540540给水温度/℃215215燃煤量/(kg·s-1)10.8613.78实际燃煤量/(kg·s-1)11.2314.11锅炉总风量/(kg·s-1)128.3130.2烟气量/(kg·s-1)138.5141.4
1.2.1 一次风量试验
CFB锅炉氧量调节到最佳状态，随着氧量提高，燃尽程度提高，即灰渣含碳量降低[8-9]。
A厂现阶段燃用燃料为烟煤+石油焦，掺烧比例为1∶1。试验发现，穿过布风板的实际运行一次风量仅为130～140 t/h，远低于设计风量值，具体见表2。410 t/h等级不同厂一次风量运行值对比见表3。
表2 一次风量设计值与运行值对比
Table 2 Comparison of primary air volume design value with operation value
项目一次流化风量密相区流化布风板/(t·h-1)/(m3·h-1)风速/(m·s-1)阻力/Pa设计值231.1183 0005.666 522运行值135.0104 0003.532 114
表3 410 t/h等级不同厂一次风量运行值对比
Table 3 Operational value comparison of primary air volume in 410 t/h grade different plants
型号一次流化风量运行值/(m3·h-1)HG-410/9.8-L.SYJ25104 000FW-410/12.5178 000HG-440/13.7-L.MG8205 000SG-440/13.7-M565190 000SG-440/13.6-M566185 000UG-480/13.7-M185 000
由表2、3可知，A厂锅炉一次流化风量实际运行值严重偏离设计值，也远低于同类型锅炉运行参数。过低的一次流化风量使得密相区缺氧严重，是导致底渣含碳量偏高的主要原因。因此，进行提高一次风量试验研究。
一次风量变化对底渣含碳量的影响如图1所示。随着一次风率的增大，底渣可燃物呈下降趋势。表明密相区一次风量的增大，提高了密相区的氧含量，有利于底渣的燃尽。
图1 一次流化风量对底渣含碳量的影响
Fig.1 Effect of primary fluidized air volume on carbon content of bottom slag
同时发现，随着一次风量的升高，锅炉的运行稳定性降低，主要表现在返料器运行不稳定。据了解，该锅炉2014年投运后，频繁出现运行不稳定，导致汽温汽压大幅波动。实践证明一次风量最大值低于150 t/h有利于缓解运行的不稳定性，也是目前锅炉一次风量偏低的主要原因。为了保证锅炉运行的安全稳定性，未继续增大一次风量进行相关试验。
过低的一次风量虽有利于缓解运行的不稳定性，但造成布风板阻力过低，锅炉炉内均匀性较差。一次风量控制在135 t/h时，锅炉布风板阻力偏低(仅为2 100 Pa)，布风均匀性较差，局部流化不良，主要表现有：密相区温度分布均匀性较差，密相区左侧床温显示仅为497和750 ℃，提高一次风量后，该温度测点显示值在数分钟内回升至与其他密相区温度测点无显著差异(提取锅炉历史运行数据得到)。
综上所述，一次运行风量显著偏低是底渣含碳量过高的主要原因[10]。为有效提高一次风量，需分析锅炉运行不稳定的原因，进行返料系统调整试验。
1.2.2 返料系统试验
回料阀阻力特性和通流特性决定了工作的稳定性。回料阀的通流能力既要保证锅炉整个循环系统对循环流率的要求，还要有合适的阻力以克服系统压力波动可能造成的流量波动和不稳定运行[11]。
在锅炉运行不稳定条件下，返料器各压力点波动幅度剧烈。A厂试验重点分析了返料器内各参数波动情况。锅炉运行的不稳定性主要表现在返料器运行不正常。主要原因为：① 炉内细颗粒物料过多，外循环物料量受一次风量影响较大。过高的一次风量易导致进入分离器的循环灰量显著增大，堵塞在分离器锥段，造成回料不畅，引起锅炉汽温汽压大幅波动。② 返料器运行参数不合理，当循环灰量增大时，致使分离器堵塞。③ 返料器结构设计不合理，致使分离器易出现堵塞现象。
对返料器运行参数进行调整，返料器运行参数设计与运行值对比见表4。
表4 返料器运行参数设计与运行值对比
Table 4 Comparison of design value and operation value of operating parameters of recycler
项目回料器温度/℃回料阀总风量/(Nm3·h-1)松动风布风面积/m2松动风量/(Nm3·h-1)松动风风速/(m·s-1)返料风布风面积/m2返料风量/(Nm3·h-1)返料风风速/(m·s-1)设计值(经验值)8807 088运行值8608 8002.212×1 2270.2～0.32×1 2000.592.494×1 1580.5～0.74×1 6000.69
由表4可知，除了松动风速为0.59 m/s，与设计值有所偏差外，其他运行参数均在合理范围内。试验对返料风及松动风进行相应调整，并未取得显著效果。根据设计值及其他厂运行经验值，建议返料风量可适当增大，控制在1 800～2 000 m3/h；松动风可适当降低，控制在800～1 000 m3/h。
影响循环稳定性的因素除回料阀运行参数外，还包括分离器，立管及回料管的结构。参考CFB锅炉返料器设计尺寸，A厂返料器设计尺寸与常规尺寸无较大差异。A、B、C厂锅炉立管直径对比见表5。与同等级机组比，A厂锅炉设计返料器立管直径较粗，排除了立管设计偏细导致返料器堵塞。
1.2.3 煤粒度试验
1)煤粒度对炉膛灰浓度的影响
CFB锅炉燃料粒度需控制在合适范围，粒度过大，要保证良好流化，需加大一次流化风量，可能导致磨损增大及燃烧不完全，严重时导致无法流化(死床)；粒度过小，料层难以维持，锅炉运行稳定性差，底渣含碳量增大，严重时会导致无法运行[12]。
表5 CFB锅炉返料器立管设计尺寸对比
Table 5 Design size comparison of stand pipe of CFB boiler feedback device
项目锅炉型号立管直径/mm推荐尺寸—0.5～2.0A厂(试验锅炉)HG-410/9.8-L.SYJ251.91B厂HG-440/13.7-L.MG81.30C厂DG-480/9.8--II11.51
由一次风量对锅炉炉内上中下部灰浓度的影响可知：密相区压力(床压)随一次风量的增加而降低，随一次风量的降低而增大，呈反向趋势。而密相区中部压力及密相区上部压力随一次风量的增加而增大。炉内灰浓度分布受一次风影响较大，表明炉内细颗粒较多。一次风增大时，密相区细颗粒上扬量较多，使密相区下部床压下降，较多细颗粒上升到炉膛密相区中上部，使炉膛密相区中上部压差增大。
对入炉煤及底渣进行筛分试验，粒度分布见表6。
表6 粒度分布
Table 6 Particle size distribution
项目筛余量/%入炉煤底渣筛孔孔径/μm10 0004.600.805 60014.803.804 00022.608.102 80028.5012.301 00049.7019.0045063.3039.609888.4086.500100100中位径d50/μm1 037.97375.64均匀性指数n0.610 460.847 03细度系数b0.009 990.004 57
由表6可知，入炉煤中位径仅为 1 037.97 μm，与同类型机组相比，该入炉煤粒度偏细，入炉煤粒度应控制在2 000～3 000 μm较为合理；底渣中位径仅为375.64 μm，通常底渣的中位径在1 000～2 000μm较为合理。说明入炉煤和炉内物料均偏细，致使炉内物料浓度分布易受到一次风量的影响。因此进行入炉煤粒度调整试验，通过加大入炉煤粒度，提高炉内粗颗粒物料量，降低炉膛上部细灰浓度，降低一次风量对炉内灰浓度分布的影响。分析认为物料粒度分布合理后，可提高一次流化风量至设计参数。增大一次风量能有效提高布风板的阻力(设计一次风量下对应布风板阻力约6 000 Pa)，提高炉膛的布风均匀性，消除两侧循环灰量的不均匀性；增大一次风量还能有效提高密相区的氧浓度，显著降低底渣含碳量。
2)煤粒度调整试验
A厂入炉煤破碎流程为：原煤—一级筛分—一级破碎—二级筛分—二级破碎—入炉煤。试验前取3处煤样，取样点分别为原煤、一级破碎后、二级破碎后入炉煤。
入炉煤破碎前后粒度对比见表7，可知原煤粒度较细，通过合理调节可将入炉煤适当增大，满足运行要求。
表7 入炉煤破碎前后粒度对比
Table 7 Particle size comparison of coal before and after crushing
项目筛余量/%原煤一级破碎煤样二级破碎入炉煤筛孔孔径/μm10 00062.4658.693.395 60069.8067.50 12.954 00073.5272.4521.042 80076.4676.3527.461 00085.3784.3350.2245090.1189.5563.829896.7795.8388.960100100100中位径d50/μm21 113 16 914 1 032均匀性指数n0.491 920.514 900.640 25细度系数b0.005 170.004 610.008 15
A厂煤破碎系统通过调节锤头间隙实现入炉煤粒度调节。经数次调整，入炉煤及底渣粒度有所增加，但受限于设备可调性，未达到预期效果。调节后入炉煤及底渣粒度分布和粒度对比见表8、9。可知入炉煤粒度及底渣粒度有所增加，但远小于常规经验值。破碎系统二级筛网孔径为8 mm，为固定不可调式。为便于提高入炉煤粒度，建议重新定制二级筛网，孔径调整为12 mm。
1.2.4 床压调整试验
炉内床压是CFB锅炉稳定运行的重要参数之一，对锅炉床温及燃烧等产生影响[13]。考虑A厂机组的安全性，不具备低床压试验条件，为此选取低床压运行参数进行对比，具体见表10。
表8 调整后入炉煤及底渣粒度分布
Table 8 Particle size distribution of coal and bottom slag after adjustment
项目筛余量/%入炉煤底渣筛孔孔径/μm10 0009.645.385 60018.8312.074 00027.1018.412 80034.0022.371 00058.4927.1545071.8842.079895.3784.490100100中位径d50/μm1 528.39459.14均匀性指数n0.683 720.491 78细度系数b0.004 610.034 02
表9 调整前后入炉煤及底渣粒度对比
Table 9 Size comparison of coal and bottom slag before and after adjustment
项目中位径d50/μm入炉煤底渣调整前1 037.97375.64调整后1 528.39459.14经验值2 000～3 0001 000～2 000
表10 高低床压运行参数对比
Table 10 Comparisons of operating parameters of high and low bed pressure
项目低床压高床压风室压力/kPa8.612.1密相区床压/kPa6.507.73中下部压力/kPa1.051.59中上部压力/kPa1.081.23平均床温/℃913.0885.7一次风量/(t·h-1)142.4136.3飞灰含碳量/%12.418.7底渣含碳量/%8.75.6
由表10可知，低床压运行，提高了炉内燃烧温度，有利于飞灰燃尽，但不利于底渣燃尽。高床压运行，炉内燃烧温度会降低，不利于飞灰燃尽，但有利于降低底渣含碳量。但目前的飞灰底渣含碳量均高于同类型其他锅炉。试验选取某年纯烧烟煤的试验工况，分析发现纯烧烟煤低床压运行条件下，飞灰≥12%，底渣≥4%。排除石油焦燃尽性较差的特点，该锅炉纯烧烟煤的工况下，灰渣含碳量也远高于其他锅炉。
目前机组采用高床压运行，有利于锅炉的均匀性，但弊端是过高的灰浓度降低了整体床温，不利于灰渣的燃尽性[6]。
1.2.5 床温调整试验
提高燃烧温度可直接提高燃烧反应速度，有利于燃尽。A厂过高床温易造成结焦，影响安全运行。此外随着运行床温升高，烟气中SO2排放增加，只有加入更多石灰石量来控制SO2排放，相当于同时增加了入炉煤的灰分，降低了锅炉热效率。因此，此次床温试验不予考虑。
2 锅炉燃烧调整及改造建议
1)目前锅炉运行稳定性较差，主要原因为入炉煤粒度过细。建议对筛分系统及破碎系统进行相应调整改造，调节入炉煤粒度至合理范围，彻底解决锅炉运行不稳定现象。
2)入炉煤粒度合理，实现锅炉稳定运行要求后，进行燃烧优化调整试验，对锅炉的运行风量、床压、床温、氧量等参数进行优化，降低灰渣含碳量，提高机组的经济性。
3)对布风板风帽进行改造，低风量运行条件下提高布风板的阻力，提高锅炉的布风均匀性[14]。布风板均匀性增加后，可通过降低床压运行来减少炉内灰浓度，缓解返料器堵塞；进入两侧分离器的循环物料量更加均匀，避免出现一侧流化不良、一侧循环物料量过大，致使返料器堵塞。
4)因炉内细颗粒过多，循环灰量较大，易造成分离器堵塞，可在分离器锥段增加扰动风，一是适当降低分离器效率，减少循环灰量；二是发生堵塞时，可起到吹扫、疏通的作用，缓解锅炉运行稳定性较差的情况。弊端是会适当增加飞灰含碳量[15]。
3 结 论
1)A电厂410 t/h循环流化床锅炉存在灰渣含碳量偏高(飞灰含碳量20.79%、底渣含碳量9.72%)、运行稳定性较差等问题，结果表明一次风量偏少是引起灰渣含碳量偏高的主要原因；入炉煤粒度偏细及煤的成灰特性较好，致使炉内物料偏细，循环灰量较大是造成分离器堵塞和返料器运行不畅的根本原因。
2)一次流化风量设计值183 000 m3/h(231.1 t/h)条件下，布风板阻力约为6.5 kPa；目前实际运行风量102 300 m3/h(130 t/h)，布风板阻力为2.1 kPa。与同类型锅炉布风板的阻力相比，布风板阻力偏小，锅炉出现局部流化不良、温度分布不均匀等现象。过低的一次流化风量使密相区缺氧燃烧，是底渣含碳量偏高的主要原因。底渣含碳量随着一次风量的增大有所降低，但因一次风量调整幅度受限，底渣含碳量降幅有限。
3)入炉煤的中位径为1 037.97 μm，与同类型锅炉相比煤粒度偏细。考虑入炉煤的成灰特性较好，建议入炉煤粒度中位径控制在2 000～3 000 μm较为合理；底渣的中位径为375.64 μm，与同类型机组比底渣粒度偏细，底渣的中位径在1 000～2 000 μm较为合理。试验得出入炉煤偏细及成灰特性较好，致使炉内物料偏细，循环灰量较大，易受到一次风量的影响，是造成分离器堵塞的根本原因。
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Experimental analysis on combustion adjustment of 410 t/h CFB boiler
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