余熱電站循環(huán)流化床補燃鍋爐結渣原因的分析

引言 

　　水泥廠余熱電站與水泥窯生產運行密切相關，水泥窯的波動會影響余熱電站余熱利用系統(tǒng)的波動以及余熱利用的效果。因此水泥窯余熱電站較常規(guī)電站來講，波動頻繁、調整頻繁、負荷調整范圍大。近些年來，由于循環(huán)流化床鍋爐能利用煤矸石等劣質煤做燃料，且調負荷能力強，因此它特別適用于帶補燃的水泥窯余熱電站。目前在水泥廠帶補燃形式的余熱電站設計中均普遍地采用了循環(huán)流化床鍋爐。 
　　
　　葛洲壩水泥廠3號窯余熱電站就是我院設計的第一家采用循環(huán)流化床鍋爐的余熱利用電站。該電站采用的CPC循環(huán)流化床鍋爐在使用過程中出現(xiàn)了鍋爐結渣問題，曾困擾該廠很長時間。如何抑制鍋爐結渣，實際上是CPC循環(huán)流化床管理與運行的精髓所在。本文將在這一方面作一探討。 

1　葛洲壩水泥廠3號窯余熱電站簡介 

　　 
1.1　CPC循環(huán)流化床鍋爐簡介 
　　
　　這種循環(huán)流化床鍋爐由哈爾濱鍋爐廠從美國燃燒動力公司(Combustion Power Company簡稱CPC公司)引進技術，生產設計并制造的。循環(huán)流化床鍋爐在國內俗稱CPC鍋爐。應用于葛洲壩水泥廠3號窯余熱電站的CPC循環(huán)流化床補燃鍋爐其設計參數(shù)及規(guī)范如下: 

　　蒸汽流量　　55t/h 
　　蒸汽壓力　　3.82MPa 
　　蒸汽溫度　　450℃ 
　　給水溫度　　104～150℃ 
　　燃料種類　　煤矸石 
　　燃料粒度　　0～8mm，平均粒度1～3mm 
　　啟動燃料　　輕柴油 
　　鍋爐鼓風機　風壓22000Pa 
　　　　　　　　風量93600m3/h(20℃) 
　　鍋爐引風機　風壓6400Pa 
　　　　　　　　風量147000m3/h(150℃) 
　　給煤機　　　3臺(單臺最大出力5t/h) 
　　鍋爐運行負荷范圍　30%～100%MCR 
　　

　　其鍋爐系統(tǒng)見圖1：


1.2　葛洲壩水泥廠3號窯余熱電站系統(tǒng)簡介 
　　
　　葛洲壩水泥廠3號窯余熱電站采用CPC循環(huán)流化床鍋爐在電站系統(tǒng)內作補燃鍋爐的電站熱力系統(tǒng)簡圖見圖2。 
　
　　水泥窯廢氣余熱的發(fā)電能力往往與標準汽輪機規(guī)模不匹配，因此常有如下情況:若余熱電站的裝機規(guī)模大，則汽輪機不能長期滿負荷運轉，或者若余熱電站的裝機規(guī)模小，則不能完全利用余熱；另外目前較先進的多級懸浮預熱器或預分解窯窯頭、窯尾廢氣余熱溫度普遍較低，可利用的溫降小，換熱效率低，且產生的蒸汽參數(shù)低，作功能力差。如果按實際可利用的余熱品質及能力建一汽輪機，按常規(guī)方式進汽的純余熱電站往往收益與投資比偏小。因此經理論計算，適當補燃，建一規(guī)模偏大、產生高品質蒸汽作循環(huán)工質的帶補燃中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在投資及收益上較為合算。因此在國家“八五”科技攻關項目中專題研究了“帶補燃的中低溫余熱發(fā)電技術及裝備”，解決了低溫余熱的利用及電站裝機規(guī)模與余熱利用不匹配的問題，從而使電站在一定投資下能夠充分的發(fā)揮設備能力。 

2　鍋爐結渣狀況 

　　CPC補燃鍋爐用輕柴油啟動點火后，溫度達到450～500℃時，投煙煤助燃，以迅速提高床內溫度，減少柴油耗量。當床內溫度達750～800℃時，逐漸撤煙煤投煤矸石，并調整燃燒系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 
　　
　　2000年元月期間，幾次發(fā)生整個電站系統(tǒng)在啟動點火并帶滿負荷后，不到18h即因鍋爐不能維持正常燃燒而停止運行。首先，流化床上4個溫度測點中的No.3測點溫度明顯升高，最高可達1200℃，之后迅速降低，在30min內可降至200℃，由此判斷鍋爐發(fā)生結渣。在這過程中，運行人員試圖加大風量風壓把渣塊吹散，但仍無濟于事，只好停爐。 
　　
　　停爐后進爐內檢查，發(fā)現(xiàn)循環(huán)流化床上在不同的部位有結渣現(xiàn)象，渣塊由20mm以下的大塊渣粒構成，呈疏松狀態(tài)，核心部分有熔融的痕跡。床料表層由薄薄的極細灰構成，嚴重結渣區(qū)露出渣塊。細灰的下面是粗顆粒的爐渣及床料。CPC循環(huán)流化床鍋爐的爐內剖面大致結構可參見圖1。床上溫度測點布置及床上結渣范圍如圖3所示。 
　



3　鍋爐結渣原因的分析 

　　一般來講，鍋爐結渣的發(fā)生是由鍋爐結構、燃料特性和運行方式這3個因素互相作用的結果。 

3.1　鍋爐循環(huán)流化床結構特點 
　　
　　(1)  風帽及布風板。CPC循環(huán)流化床鍋爐的爐膛截面積大，高溫床料攜帶燃料在床上逆時針方向一邊攪動旋轉、一邊燃燒并向上運行。保證了燃料在爐內停留時間長，保證燃盡率。床料及燃料的運行是靠平板定向風帽的定向射風組合而成的結果，這種風帽與國內常見的立式風帽不同，其形式如圖4所示。風帽下部與一次風室相通。由許多個不同射風方向的風帽組成的布風板在爐內形成了按設計者意向的空氣動力場，從而形成CPC爐特有的配風方式。 

　　 

　(2)  排渣方式。排渣口設在給料口左面的一端，見圖3，以保持煤和石灰石在爐內有較長的流動路線，達到完全燃燒和脫硫反應。排渣口排出的渣，經冷渣器冷卻后排掉。 
　　 
   (3)  高效旋風分離器及直接回料。CPC的高效旋風分離器布置在爐頂，回料管直接插入爐膛密相區(qū)，不設“L”或“U”型閥，在回料管內形成與爐膛上下部之間壓差相平衡的物料高度，在鍋爐運行中自動維持物料的被分離并返回爐膛密相區(qū)內，形成爐內物料的循環(huán)。循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)倍率:計算值為14.6，實測可達20以上。 
　　
      這種循環(huán)流化床鍋爐爐床面積大，存儲物料量多，燃料在爐內行進的路線長，停留時間長。對于這種爐型的爐子，要保證燃燒均勻，則必須燃燒布風均勻，物料流動均勻，沒有死區(qū)。這樣就要求風帽的射風角度及方向設計合理、風帽射風組合方向即其形成的空氣動力場合理、風帽制造和安裝的精度高。尤其對于床上的排渣點、旋風分離器回灰點、溫度測點以及爐膛四角等處應著重考慮風帽射風方向，避免空氣動力場死點，從而避免物料循環(huán)的死區(qū)。 

3.2　燃料特性 
　　
　　3號窯余熱電站補燃鍋爐燃料為煤矸石。電站煤制備為二級環(huán)錘破碎，經破碎后的燃料設計粒徑小于8mm。在電站運行初期，煤制備基本合格。但隨著運行時間的增長，錘頭磨損嚴重，直接影響了破碎合格率。在鍋爐結渣運行期間，進行了一次煤樣篩分。篩分結果見表1。 
　
　　當?shù)貧夂驖駶櫠嘤辍＿B下幾天雨后，煤中的水分遠不止3%。在上述取煤樣進行篩分時明顯感到煤中水分偏高。 
　　
　　鍋爐結渣停爐后，對床料也進行了取樣分析。取樣點見圖3。之所以選取圖示位置，是考慮該位置介于結渣區(qū)和非結渣區(qū)之間，其粒徑分布亦應該介于二者之間，具有一定的平均性。取樣裝置內徑為邊長155mm的方筒。在從取樣方筒中向外掏床料時，明顯感到上面的灰渣或床料粒徑小，下面的灰渣或床料粒徑粗。對灰樣進行了篩分，結果見表2。 

　　對照表1、表2發(fā)現(xiàn): 
　　
　　(1)  入爐煤>8mm的顆粒所占比例太大，遠高于鍋爐規(guī)范要求。相應的床料中大顆粒所占比例也偏大。 
　　
　　(2)  雖然煤矸石在爐內燃燒時熱爆性很差，但畢竟它在600～900℃的高溫下還會爆一些，也就是說，入爐煤在爐內有變細的趨勢。但從篩分結果看，灰渣中大顆粒(>8mm)所占比例(16.62%)高于煤中的大顆粒比例(12.8%)。因此可以得到如下結論: 鍋爐進煤大顆粒比例明顯偏大，并且在運行中床料細灰流失量相對于粗渣排放量比例偏大。 

3.3　運行 
　　
　　按鍋爐廠要求，鍋爐運行應使床料厚度保持在600mm左右。但在實際運行時，因起爐初始階段料層高度始終沒有達到600mm，床料循環(huán)調負荷系統(tǒng)始終沒有投運、一次鼓風機振動嚴重不敢加大風壓風量即風機始終沒有達到額定出力等原因，鍋爐料層厚度一直在450mm以下，平均在380mm左右。由于料層厚度小，因此濃相區(qū)粒子濃度低于正常值。 
　　
　　在鍋爐結渣停爐冷卻后，重新添入床料，作冷態(tài)流化試驗。此時床料高度360mm，床料由原床料經篩分合格的部分及新的合格河沙組成。此條件下，理論計算其流化壓力應為5535Pa，最小流化速度為0.28m/s，最小流化風量為34500m3/h。 
　　
　　表3為冷態(tài)流化試驗結果。床上壓力測點距離床底有一定高度，因此其測得的壓力值基本正常。但實際流化風量比計算值偏大。這是因為:對于這種形式的循環(huán)流化床鍋爐，能夠滿足其流化過程中要求的流化壓力及流化流量的一次鼓風機選型實在困難。幾乎找不到與其壓力-流量曲線相吻合的風機。但在實際運行中，仍參照了此冷態(tài)流化試驗結果。 

　　在上述鍋爐結構、燃料特性及粒徑等條件下，由于風量大，造成大量的細灰被吹走，相應的大塊煤渣留在床底。隨著拋煤量增多，大塊煤渣也越來越多，并且大塊煤渣下沉導致流化不好，最后導致大量大塊煤渣停留在空氣動力場的弱區(qū)并堆積。此時拋進的煤也流化不好，形成堆積，最后發(fā)生結渣和渣塊板結現(xiàn)象。 
　　
　　在鍋爐發(fā)生結渣時，運行人員加大風量，試圖吹散渣塊。但這種做法更吹散了細灰，加快了結渣速度。因此，鍋爐發(fā)生結渣后不久就不能維持運行了。 

4　改進措施及效果 

4.1　煤制備系統(tǒng)的改進 
　　
　　煤的破碎不合格，大顆粒比例偏大，這是造成鍋爐結渣最基本的原因。因此在煤制備車間的二級環(huán)錘破碎機后增加了一篩孔直徑為8mm滾筒篩，把不合格的大煤粒重新入破碎機破碎。大大提高了煤制備的合格率。與此同時，嚴格控制入廠煤的質量，禁止水分含量大的煤進廠。改造后的取煤樣篩分結果見表4。 

4.2　改進運行參數(shù) 
　　
　　由于入爐煤大顆粒減少，粒徑分布更加均勻。因此可參照冷態(tài)流化試驗結果，適當減小風量，這樣細灰得以保持，爐內載體多，流化均勻。 

4.3　鍋爐排渣控制 
　　
　　鍋爐結渣的最直接原因是爐內大渣粒堆積，如何排掉大渣粒而保持細灰是解決問題的又一關鍵因素。因此在鍋爐排渣口增加了反吹風裝置，利用適量的壓縮空氣逆向吹進，把細灰吹回爐內，大渣粒掉下排走。事實證明這是一個簡單而有效的辦法。其結構見圖5。 

4.4　改進效果 
　　
　　改進前，鍋爐不能連續(xù)運行，如在1999年12月31日及2000年1月7日兩次點火，到1月2日及1月8日因鍋爐結渣均被迫停爐。經改進后，于2000年1月19日及1月25日鍋爐兩次點火(第一次因輔機故障于1月23日停爐)，鍋爐沒有發(fā)生結渣現(xiàn)象。 

5　結論 

　　
　　(1)  實踐證明，CPC循環(huán)流化床是一種性能較好的爐型，它適用于水泥窯的這一特殊的余熱電站。 
　　
　　(2)  CPC循環(huán)流化床鍋爐能夠燃燒煤矸石等劣質煤。 
　　
　　(3)  保證煤制備合格率，調整鍋爐運行參數(shù)，可避免鍋爐結渣。  


 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(來源：《水泥》雜志 2010年 第五期)