循环流化床锅炉燃用福建无烟煤浅析
摘要: 本文归纳福建无烟煤的固有特性，总结燃用福建无烟煤之DG75/3.82-11型CFB锅炉的设计特点和运行实践，分析影响燃烧福建无烟煤的因素，并提出了优化燃烧的措施。
关键词: CFB锅炉 ；福建无烟煤；优化燃烧；运行效率
一 概述
福建无烟煤挥发份极低、碳化程度高，煤质脆易爆裂，热稳定性差，细粉含量大，着火和燃烬均十分困难，灰熔点低易结焦。这些固有特性使其在传统锅炉上得不到很好的燃烧，热效率较低，燃烧稳定性差，连续运行时间短，煤粉炉还需掺油助燃和稳燃。如何高效燃用福建无烟煤、提高企业经济效益一直是广大工作者努力探索的问题。
我公司在1998年12月投运2×35t/h CFB锅炉取得成功后，于2000年4月和2001年10月陆续投运2台DG75/3.82-11型CFB锅炉。运行实践和测试结果均表明，4台锅炉出力足，燃烧稳定，各项指标均达到或超过设计要求。
本文总结DG75/3.82-11型CFB锅炉的设计特点及运行实践，分析影响福建无烟煤燃烧的因素，提出了优化燃烧的措施，对燃用福建无烟煤CFB锅炉的设计与发展具有参考意义。
二 锅炉结构技术特点
（一） 主要技术规范
额定蒸发量 75t/h
过热蒸汽压力 3.82MPa
过热蒸汽温度 450℃
给水温度 150℃
热一、二次风温度 180℃
排烟温度 138.5℃
设计热效率 85%
物料循环倍率 18.22
燃料消耗量 10542Kg/h
锅筒中心标高： 34000 mm
布风板标高： 4700 mm
炉膛横截面： 4645 mm×5905 mm
布风板截面： 2501 mm×5905 mm
锅炉柱中心： （8.86＋7.0）×8.2 m
（二）锅炉结构
DG75/3.82-11型锅炉为单汽包自然循环、半塔式布置、中温旋风分离、全钢结构炉架的中倍率CFB锅炉（见图1）。
锅炉为室外露天布置，由前部及尾部两个竖井烟道组成。前部竖井采用全悬吊结构，受热时向下自由膨胀，其四壁由膜式水冷壁组成，前后墙水冷壁自标高+11787mm以下呈倒锥形。前部竖井自下而上依次布置一次风室、布风装置、炉膛密相区、稀相区、蒸发管束、高温过热器、低温过热器及烟气转向室。尾部竖井为支承结构，布置有省煤器和钢管式卧式空气预热器。两竖井之间通过两个并列布置的旋风分离器相连通，分离器下部接回料装置。
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图1 DG75/3.82-11型 CFB锅炉主视图 |
（三）锅炉设计特点
DG75/3.82-11型锅炉除了具备CFB锅炉的通常特点外，尚具有以下设计特点：
1无受热面的中温旋风分离器
该分离器直径较小，分离效率较高，可提高燃烧效率；回料温度低于煤着火温度，不存在分离器内燃烧结焦等问题，有利于锅炉安全、连续运行。并且，该分离器不需采用特殊材料，制造工艺简单，成本低。
2风道点火器
在风室底部一次点火风道上并联布置风道点火器，供锅炉点火启动用。它具有较大的调节比，大大地缩短锅炉启动时间，热利用率高，操作简单灵活的特点。
3水冷风室
一次风室由水冷壁管弯制围成，管间鳍片上布置导向风帽，形成膜式水冷布风板。水冷风室整体膨胀性好，易于密封，便于维护。
4非机械式“J”型回料器
单独由高压头小风量罗茨风机供给的回料风多点布置，保证回料可靠，负荷适应范围广，并具有良好的自适应能力，操作简便。
5风力播煤结构
采用增压风气力播煤，克服了绞笼给煤易棚煤、堵煤的缺点，解决了正压给煤的密封难题，又能将煤均匀播散，有利于燃料的迅速加热和着火，并易于实现燃料系统的精确计量和自动控制。
6采用分级燃烧
二次风分为上下两层从前后墙高速射入炉膛，提高空气与煤粒的接触机率，增加煤粒在炉内的停留时间，强化稀相区细煤粒及可燃气体的燃烧，有利于煤粒的燃烬，并且可降低NOx的排放量。
7炉膛上部布置受热面
布置在炉膛上部的蒸发管束、高温过热器、低温过热器等受热面，有效地吸收燃料燃烧释放的大量热能，让更多的细颗粒参与循环燃烧，将密相区的大量热量源源不断地从炉膛底部带到上部，保持炉膛中上部较高的物料浓度以及较大的燃烧份额，有利于煤粒的燃烬[1]。
8敷设长卫燃带
在炉膛标高4700～18500 mm之间敷设13.8m高的卫燃带，使燃料在密、稀相区处于近似绝热状态下燃烧，保证了炉膛内有分布均匀的950～1020℃燃烧温度，而此正是福建无烟煤燃烧的较适宜温度[2]，煤粒燃烬度高，机械不完全燃烧热损失q4低。
（四） 燃料特性
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表1 设计燃料与实际燃料特性
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设计燃煤推荐粒度范围：0~8mm。其中99%≤6mm，50%≤1.5mm，30%≤1mm。设计燃煤平均粒度：dp=1.769mm。
实际入炉煤粒度范围为：0~13mm。其中94.67%≤10mm，80.81%≤5mm，62.62%≤2mm，44.68%≤0.9mm。实际入炉燃煤平均粒度：dp=2.498 mm。
三 运行实践分析
（一）运行情况
1 燃料适应性广
我公司锅炉主要燃用福建龙岩无烟煤，当煤炭相对紧张时，公司通过不同渠道购进龙岩、永定、天湖山等地无烟煤以及京西无烟煤，例如2002年5月份购进的煤种达到12种。运行实践证明，该锅炉对低位发热量在13.58～27.46 MJ/kg、固定碳含量在35.8%～86.14%、灰份含量10.42%～58.90%范围内的煤种均能燃烧并能保持正常负荷，但以低位发热量为22MJ/kg左右的龙岩无烟煤最好烧，运行效率也最高。
2 负荷调节性能好
在CFB锅炉中，大量物料在强烈湍流下通过炉膛对受热面放热，通过人为调节循环物料量可以改变炉内物料的分布规律，从而改变传热强度以适应不同的燃烧工况和锅炉负荷，所以负荷调节性能好、幅度大，在保证稳定、连续运行的情况下，该炉最大出力可达92t/h，最低出力小于40t/h而无需油助燃。
3 热效率高
该炉在设计时针对福建无烟煤提高了炉膛高度，即布风板至烟气出口转向室中心垂直高度为25.58m，煤粒在炉膛内停留时间达到5s[3]；较高的炉膛燃烧温度适宜福建无烟煤燃烧，煤粒燃烬度高，从而达到较高的运行效率。两台75t/h炉2002年平均热效率达到84.36%，月度平均运行效率为83.29～85.38%（图2），比同容量燃用福建无烟煤的煤粉炉高出3～5%以上[4]，实现了福建无烟煤的高效燃烧。
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图2 2002年度锅炉月平均效率柱形图 |
2000年8月，四川省锅炉产品质量检测站对3号炉进行性能试验，各项指标均达到设计要求，100%额定负荷试验工况下锅炉热效率均在86%以上，75%额定负荷工况下热效率达到87.33%。
4 燃烧系统密闭性较好
该炉采用全膜式水冷壁、水冷布风板结构和护板炉墙，以及所有管道穿墙部分都有合理的密封结构，在燃烧室炉门内加耐火塞、炉膛上部炉门处砌耐火墙，确保锅炉燃烧系统密闭良好。在省煤器后测得的烟气中空气过量系数为1.24～1.32，与设计值相符，即减少了排烟热损失q2，也保持了清洁的生产环境。
5 炉内受热面和砌体磨损基本正常
由于CFB锅炉高颗粒浓度和高运行烟速，锅炉部件的冲刷磨损问题较为突出。研究表明，磨损与烟速的3.6次方成正比，与浓度成正比[5]。该炉在设计时选取了适当的烟气流速（3.8～4.0m/s），对蒸发管束、高温过热器、低温过热器等迎风受热面设有防磨片，在落煤口、回料口和二次风口都采取了有效的防磨措施，在炉膛密相区炉墙和炉膛顶部水冷壁处均采用了较好的耐火防磨材料。运行以来，上述部分的磨损轻微，没有发生爆管或防磨材料脱落而造成故障停炉。
6 安全可靠性强、连续运行时间长
4年多的运行实践表明，该型锅炉燃烧稳定，安全可靠，运行情况良好，年运行时间均在7000h以上，可用率超过93%。其中3号锅炉曾连续运行2934h（无压火），创造了燃用纯福建无烟煤CFB锅炉连续、安全运行的最好业绩，达到了75t/hCFB锅炉连续、安全运行的较高水平。
7 污染物排放低
CFB锅炉的低温燃烧、分级送风的特点，能够抑制热力型NOx的形成，数次实测NOx排放浓度均小于150mg /m3(标态，干基，6% O2)，不到煤粉炉的20%。同时，加石灰石炉内脱硫是投资最省、成本最低的方法。与国电热工研究院、集美大学联合进行的工业试验结果证明，在Ca/S约为3时，脱硫效率为66%，比DG35/3.82－17型CFB锅炉提高了12%，能满足较严格的SO2排放标准。同时配置高效的静电除尘器，石狮市环保局实测除尘效率高达99.9%，粉尘排放浓度小于30mg/Nm3，低于国家排放标准。
（二）提高锅炉热效率的措施
燃用福建无烟煤的锅炉，热效率普遍不高，主要原因为：福建无烟煤挥发份低、含碳量高，燃烬时间长；细粉含量大，造成飞灰可燃物含量高，机械不完全燃烧热损失q4大。
降低q4，是提高锅炉热效率的关键。我公司采取下列措施，将75t/h锅炉飞灰可燃物含量控制在较低的范围内（相对福建无烟煤而言），q4为7.5～8.5%，比DG35/ 3.82-17型CFB锅炉降低了约3个百分点。
1 适宜的运行烟速
正常运行时，炉膛烟速控制在适宜的水平（3.7～4.1m/s），即可保证床料流化良好，维持密相区的燃烧份额，又保证了煤粒在炉膛内停留时间长达5秒，提高细颗粒的一次燃烬度。
2 维持较高的炉内温度
实践表明，炉床料层温度维持在950～1000℃（设计值为820～930℃），炉膛出口温度控制在1000℃左右，整个炉膛维持均衡的高温，能加大挥发份的析出速度，加快煤粒的着火及燃烧，提高煤粒在整个炉膛内的燃烧强度。
3 适当的风配比
二次风能加剧炉内物料的扰动，加强气固两相的混合，增加煤粒在炉内的停留时间，强化稀相区细煤粒及可燃气体的燃烧，并改变炉内物料浓度的分布，防止局部烟气温度过高。额定负荷时，一次风率控制在55～60%，上下层二次风比为55:45～60:40，省煤器后烟气含氧量控制在4～5％，可达到较佳的燃烬效果。
4 适当的料层厚度
密相区料层厚度对燃烧的稳定性和燃烧效率有很大关系。料层厚，炉床蓄热量大，床温稳定，煤粒和回料灰能迅速加热和燃烧。但料层太厚则风压高、耗电量大，并可能影响流化效果和燃烧效率[6]。运行实践证明，一次风室压力控制在10～11KPa时效果最为理想。
5 确保回料畅通
物料的正常循环是CFB锅炉安全、可控运行的前提。正常运行时，配风严格按照要求，回料温度维持在540～560℃（设计值552℃），与分离器进口烟温基本同步，从而保证炉内有较高的物料浓度和燃烧强度。
（三）目前存在和有待于解决的问题
1 风室漏渣问题
每次停炉检查，风室内均有漏渣。漏渣是床料反向穿越布风板风帽而造成的。锅炉连续运行时间越长，漏渣越多，阻力越大，一次风机的出口压力和电流也随之增大。在运行中，这些床料不能及时排除，被一次风吹起，可能将风帽堵死烧坏。
2 返料偏流现象
返料偏流现象主要表现在：停炉时分离器两侧料位偏差较大；运行中炉膛左右侧存在热偏差，有时超过80℃；两侧旋风分离器中心筒磨损情况有较大差别。
3号炉调试期间，曾出现过热蒸汽超温现象，影响锅炉出力。根据锅炉厂建议，我们把低温过热器面积割除75.2m2，占低温过热器总面积的24.5%。但是锅炉低负荷运行时（55t/h以下），过热蒸汽温度有时偏低，一般在415～430℃，若煤质较差汽温会低于410℃。这主要是燃料颗粒度分布和烟气物料浓度发生变化，影响过热器传热效果而造成的。
四 影响福建无烟煤燃烧的因素
（一）原煤粒度分布不均
原煤细粉含量所占比例过大（粒径小于0.9mm粒子重量百分比为44.68%），加上煤粒在挥发份析出阶段破碎和燃烧过程磨损、挤压又产生大量细粉。一方面造成以扬析夹带形式离开床层的细颗粒增多，在一定程度上降低了燃烧效率；另一方面造成炉膛密、稀相区的燃烧份额较难控制，易出现床温及炉膛温度的波动，影响燃烧的稳定性，严重时在炉膛中上部卫燃带形成挂焦。
（二）细粒径粒子的分离效率不高
从电除尘飞灰的筛分特性（表2）不难看出，分离器对细粒径粒子（d≈105μm）的分离效率较低，电除尘飞灰中粒径d≥105μm的粒子重量百分比达到71.65%，而这部分粒子的一次燃烬度不高，这正是锅炉q4高的主要原因。若这部分细粒子的燃烬度提高了，锅炉热效率可提高2～4个百分点，达到87～89％。
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表2 电除尘飞灰筛分特性和可燃物含量
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（三）灰量不平衡问题
由于入炉煤细粉含量大，加上实际燃用燃料的灰分含量与设计燃料相差较大，分离器收集的灰量无法全部返回炉膛再燃烧（否则床温无法维持或过热蒸汽超温），就出现了较严重的灰量不平衡问题，其后果为：
①多余的灰随烟气直接从分离器排到尾部烟道，这从表2中可以看出，而磨损与粒径的平方成正比，与浓度成正比[3]，分离器和尾部受热面受到浓度较高的含尘气流的冲刷而磨损严重；
②部分含碳量高的颗粒没有参与循环燃烧，使电除尘飞灰平均含碳量在20%左右，q4高达7.5～8.5%，高于6.27%的设计值；
③静电除尘器的入口飞灰浓度增大，耗电量增加。
五 优化福建无烟煤燃烧的措施
（一）煤质选择
CFB锅炉对燃料适应性广，但并非具体的某台CFB锅炉对所有煤种都能烧好。若煤种及其发热量、水分变化大时，锅炉燃烧工况不易稳定，司炉操作困难；若燃煤变形温度DT低于1100℃，则可能发生结焦事故。实践证明，我厂锅炉燃用低位发热量22MJ/kg左右的龙岩无烟煤（设计煤种）运行效率最高。
因此，为保证锅炉燃烧稳定和较高的效率，CFB锅炉在设计和运行时对煤质应有所选择。
（二）合适的燃料粒径配比
为降低飞灰q4，应尽量提高煤粒的一次燃烬率，尤其提高分离器不能捕捉下来的细小煤粒的燃烬度。因此，在采购燃料时要尽量配备一些块煤，做到粗细搭配；在制备燃料过程中优化筛分破碎系统，避免二次破碎，以减少那些分离器分离不下来的超细粒子的比例，对提高燃烧效率至关重要。
其次，可采取优化燃烧方式，在保证床料流化良好、燃烧强度正常的情况下，适当减小一次风率、增大二次风量尤其增大上二次风量以延长煤粒在炉膛内的停留时间，提高燃烬率。
（三）分离效率和回料温度
为使CFB锅炉达到较高的燃烧效率，旋风分离器至少应把绝大部分粒径大于100μm的粒子收集下来参与循环燃烧。为了提高对细粒子的分离效率，除了完善分离器结构外，设计时可以考虑采用二级分离布置等手段。
分离效率的提高，意味着有更多的物料参与循环燃烧。大量物料返回高温炉膛需要加热升温吸收炉床热量，为不使料层温度大幅度降低而影响燃烧，回料温度应达到750～800℃，即选用次高温分离器。这样既有效地避免了可燃物在分离器内再燃烧引起结焦，又能使回料灰在炉膛内迅速加热和燃烧，从而提高燃烧效率。同时，还可以解决由于灰量不平衡所带来的一系列问题。
若采用次高温分离器，炉膛温度以及物料浓度、燃烧强度等都会发生变化，在设计时应充分考虑这些因素，调整过热、蒸发受热面积及布置，尾部受热面积也需作相应调整，以保持正常的蒸汽温度和合理的排烟温度。
六 结束语
目前，燃用福建无烟煤CFB锅炉的出力和燃烧稳定性已基本得到解决，运行效率也显著提高，DG75/3.82-11型CFB锅炉的运行实践充分证明了这一点。随着CFB燃烧技术的不断完善和运行操作水平的不断提高，CFB燃烧技术将从本质上实现福建无烟煤的高效利用及清洁燃烧。随着能源日趋紧张和环保意识日益增强，相信将出现许多效率更高、容量更大的燃用福建无烟煤的CFB锅炉。
参考文献
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[5]岑可法，倪明江，等．循环流化床锅炉理论设计与运行[M]．中国电力出版社．1998.
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