余熱電站循環(huán)流化床補燃鍋爐結(jié)渣原因的分析

引言 

　　水泥廠余熱電站與水泥窯生產(chǎn)運行密切相關(guān)，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(diào)整頻繁、負(fù)荷調(diào)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(zhì)煤做燃料，且調(diào)負(fù)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(shè)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(shè)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(jié)渣問題，曾困擾該廠很長時間。如何抑制鍋爐結(jié)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(jìn)技術(shù)，生產(chǎn)設(shè)計并制造的。循環(huán)流化床鍋爐在國內(nèi)俗稱CPC鍋爐。應(yīng)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(shè)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(fēng)機　風(fēng)壓22000Pa 
　　　　　　　　風(fēng)量93600m3/h(20℃) 
　　鍋爐引風(fēng)機　風(fēng)壓6400Pa 
　　　　　　　　風(fēng)量147000m3/h(150℃) 
　　給煤機　　　3臺(單臺最大出力5t/h) 
　　鍋爐運行負(fù)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷運轉(zhuǎn)，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(jìn)的多級懸浮預(yù)熱器或預(yù)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(chǎn)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(zhì)及能力建一汽輪機，按常規(guī)方式進(jìn)汽的純余熱電站往往收益與投資比偏小。因此經(jīng)理論計算，適當(dāng)補燃，建一規(guī)模偏大、產(chǎn)生高品質(zhì)蒸汽作循環(huán)工質(zhì)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(guān)項目中專題研究了“帶補燃的中低溫余熱發(fā)電技術(shù)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(shè)備能力。 

2　鍋爐結(jié)渣狀況 

　　CPC補燃鍋爐用輕柴油啟動點火后，溫度達(dá)到450～500℃時，投煙煤助燃，以迅速提高床內(nèi)溫度，減少柴油耗量。當(dāng)床內(nèi)溫度達(dá)750～800℃時，逐漸撤煙煤投煤矸石，并調(diào)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(fù)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(dá)1200℃，之后迅速降低，在30min內(nèi)可降至200℃，由此判斷鍋爐發(fā)生結(jié)渣。在這過程中，運行人員試圖加大風(fēng)量風(fēng)壓把渣塊吹散，但仍無濟(jì)于事，只好停爐。 
　　
　　停爐后進(jìn)爐內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)循環(huán)流化床上在不同的部位有結(jié)渣現(xiàn)象，渣塊由20mm以下的大塊渣粒構(gòu)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(xì)灰構(gòu)成，嚴(yán)重結(jié)渣區(qū)露出渣塊。細(xì)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(nèi)剖面大致結(jié)構(gòu)可參見圖1。床上溫度測點布置及床上結(jié)渣范圍如圖3所示。 
　



3　鍋爐結(jié)渣原因的分析 

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

3.1　鍋爐循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)特點 
　　
　　(1)  風(fēng)帽及布風(fēng)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(zhuǎn)、一邊燃燒并向上運行。保證了燃料在爐內(nèi)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(fēng)帽的定向射風(fēng)組合而成的結(jié)果，這種風(fēng)帽與國內(nèi)常見的立式風(fēng)帽不同，其形式如圖4所示。風(fēng)帽下部與一次風(fēng)室相通。由許多個不同射風(fēng)方向的風(fēng)帽組成的布風(fēng)板在爐內(nèi)形成了按設(shè)計者意向的空氣動力場，從而形成CPC爐特有的配風(fēng)方式。 

　　 

　(2)  排渣方式。排渣口設(shè)在給料口左面的一端，見圖3，以保持煤和石灰石在爐內(nèi)有較長的流動路線，達(dá)到完全燃燒和脫硫反應(yīng)。排渣口排出的渣，經(jīng)冷渣器冷卻后排掉。 
　　 
   (3)  高效旋風(fēng)分離器及直接回料。CPC的高效旋風(fēng)分離器布置在爐頂，回料管直接插入爐膛密相區(qū)，不設(shè)“L”或“U”型閥，在回料管內(nèi)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(nèi)，形成爐內(nèi)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(dá)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(nèi)行進(jìn)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(fēng)均勻，物料流動均勻，沒有死區(qū)。這樣就要求風(fēng)帽的射風(fēng)角度及方向設(shè)計合理、風(fēng)帽射風(fēng)組合方向即其形成的空氣動力場合理、風(fēng)帽制造和安裝的精度高。尤其對于床上的排渣點、旋風(fēng)分離器回灰點、溫度測點以及爐膛四角等處應(yīng)著重考慮風(fēng)帽射風(fēng)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(jīng)破碎后的燃料設(shè)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(yán)重，直接影響了破碎合格率。在鍋爐結(jié)渣運行期間，進(jìn)行了一次煤樣篩分。篩分結(jié)果見表1。 
　
　　當(dāng)?shù)貧夂驖駶櫠嘤?。連下幾天雨后，煤中的水分遠(yuǎn)不止3%。在上述取煤樣進(jìn)行篩分時明顯感到煤中水分偏高。 
　　
　　鍋爐結(jié)渣停爐后，對床料也進(jìn)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(jié)渣區(qū)和非結(jié)渣區(qū)之間，其粒徑分布亦應(yīng)該介于二者之間，具有一定的平均性。取樣裝置內(nèi)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(jìn)行了篩分，結(jié)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(yuǎn)高于鍋爐規(guī)范要求。相應(yīng)的床料中大顆粒所占比例也偏大。 
　　
　　(2)  雖然煤矸石在爐內(nèi)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(nèi)有變細(xì)的趨勢。但從篩分結(jié)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(jié)論: 鍋爐進(jìn)煤大顆粒比例明顯偏大，并且在運行中床料細(xì)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(yīng)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(dá)到600mm，床料循環(huán)調(diào)負(fù)荷系統(tǒng)始終沒有投運、一次鼓風(fēng)機振動嚴(yán)重不敢加大風(fēng)壓風(fēng)量即風(fēng)機始終沒有達(dá)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(jié)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(jīng)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(yīng)為5535Pa，最小流化速度為0.28m/s，最小流化風(fēng)量為34500m3/h。 
　　
　　表3為冷態(tài)流化試驗結(jié)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機。但在實際運行中，仍參照了此冷態(tài)流化試驗結(jié)果。 

　　在上述鍋爐結(jié)構(gòu)、燃料特性及粒徑等條件下，由于風(fēng)量大，造成大量的細(xì)灰被吹走，相應(yīng)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(dǎo)致流化不好，最后導(dǎo)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(jìn)的煤也流化不好，形成堆積，最后發(fā)生結(jié)渣和渣塊板結(jié)現(xiàn)象。 
　　
　　在鍋爐發(fā)生結(jié)渣時，運行人員加大風(fēng)量，試圖吹散渣塊。但這種做法更吹散了細(xì)灰，加快了結(jié)渣速度。因此，鍋爐發(fā)生結(jié)渣后不久就不能維持運行了。 

4　改進(jìn)措施及效果 

4.1　煤制備系統(tǒng)的改進(jìn) 
　　
　　煤的破碎不合格，大顆粒比例偏大，這是造成鍋爐結(jié)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(yán)格控制入廠煤的質(zhì)量，禁止水分含量大的煤進(jìn)廠。改造后的取煤樣篩分結(jié)果見表4。 

4.2　改進(jìn)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(jié)果，適當(dāng)減小風(fēng)量，這樣細(xì)灰得以保持，爐內(nèi)載體多，流化均勻。 

4.3　鍋爐排渣控制 
　　
　　鍋爐結(jié)渣的最直接原因是爐內(nèi)大渣粒堆積，如何排掉大渣粒而保持細(xì)灰是解決問題的又一關(guān)鍵因素。因此在鍋爐排渣口增加了反吹風(fēng)裝置，利用適量的壓縮空氣逆向吹進(jìn)，把細(xì)灰吹回爐內(nèi)，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(jié)構(gòu)見圖5。 

4.4　改進(jìn)效果 
　　
　　改進(jìn)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(jié)渣均被迫停爐。經(jīng)改進(jìn)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(jié)渣現(xiàn)象。 

5　結(jié)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(zhì)煤。 
　　
　　(3)  保證煤制備合格率，調(diào)整鍋爐運行參數(shù)，可避免鍋爐結(jié)渣。  


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