循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题徐金龙

循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题徐金龙

徐金龙

中粮生化能源（肇东）有限公司黑龙江肇东市151100

摘要：循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题近年来受到关注。对实际运行的多台燃烧各种燃料的220t/h锅炉的飞灰样品测定表明:飞灰的含碳量具有明显的不均匀性。分析了煤质、分离器及运行条件对飞灰含碳量的影响。结果表明:循环流化床锅炉燃烧过程中焦炭反应性逐渐下降;焦炭燃烧过程中发生的爆裂、磨损、失活等行为与煤种有关,对循环流化床锅炉飞灰碳燃尽有很大影响。气固混和不均匀是导致较高的飞灰含碳量的原因之一。

关键词：循环流化床锅炉;飞灰含碳量;气固混和

到目前为止,已有许多关于循环流化床中碳颗粒燃尽问题的报道,主要集中在实验模拟煤在炉内燃烧过程中其反应活性随燃烧时间和燃烧温度的变化过程。郑洽余等人利用单颗粒等径缩核模型计算出,焦炭粒子的燃尽时间随粒径变化曲线呈峰值特征,40～50Λm的颗粒相对难燃尽。燃料本身燃烧反应活性对飞灰含碳量有重要影响。不同煤种对应的飞灰含碳量分布有差异。较高的床层温度及较高的炉膛高度无疑有助于降低飞灰含碳量[1～8],这里不再讨论;试图对循环流化床锅炉飞灰含碳量影响因素进行分析,以期提出提高燃烧效率的措施。

一、关于循环流化床燃烧技术

循环流化床燃烧技术是国内外公认的一种洁净煤燃烧技术，近二十年来才应用于电站锅炉领域并逐渐成熟起来。近几年来，循环流化床燃煤电站锅炉在我国迅速崛起。它的主要特点是具有良好的脱硫和脱硝特性，能很好地控制有害气体的排放，减少酸雨形成，满足日益严格的环保要求。

二、锅炉飞灰中残碳的形成机理

循环流化床锅炉的发展速度使循环流化床锅炉运行出现了一些问题。诸如炉膛、分离器以及回送装置及其之间的膨胀和密封问题。特别是锅炉经过一段时间运行后，由于选型不当和材质不合格，加上锅炉的频繁起停，导致一些部位出现颗粒向炉外泄漏现象。还有由于设计和施工工艺不当导致的磨损问题。炉膛、分离器以及返料装置内由于大量颗粒的循环流动，容易出现材料的磨损、破坏问题。炉膛温度偏高以及石灰石选择不合理导致的脱硫效率降低问题。灰渣综合利用率低的问题。根据研究，从密相区扬析出的细小焦炭颗粒时飞灰中未燃碳的主要来源。煤粒在进入高温流化床后，受到炽热床料的快速加热，首先是水分蒸发，然后当煤粒温度达到热解温度时，煤粒中挥发分析出，随着热解的进行，颗粒内部将产生明显的压力梯度，一旦压力超过一定值，颗粒表层将崩裂而形成破碎。煤粒破碎后形成了大量的细小粒子，这些细小粒子在挥发分析出后成为活性较低、不易燃尽的焦炭粒子。

飞灰中的焦炭粒子可根据其反应特性分为两类；

（1）反应性行对较高，甚至还有未析出的挥发分，这类颗粒在炉膛内停留时间不长，主要分布在较大的飞灰颗粒中。

（2）挥发分基本已经析出，并且在燃烧室、分离器反复循环燃烧，焦炭的反应性随着停留时间的增长而逐渐降低，这类颗粒主要集中在较细的飞灰颗粒中。在热解最初阶段反应性下降非常快，接下来下降速度减缓，最后达到由热处理温度决定的一个渐进值，温度越高，此渐进值越低。循环流化床燃烧温度下，焦炭在10～30min内，反应性下降至最低，炉膛中的细小颗粒一般不能停留这么久，所以飞灰中低反应性焦炭极有可能是来自于原煤形成的大颗粒焦炭。大颗粒焦炭在引爆裂、磨损达到可扬析的细小颗粒之前会在炉膛内停留较长时间。

三、气固混和问题

循环流化床锅炉运行时会有大量的固体颗粒从密相区杨析出来,炉膛内存留的物料对于气固混和有较大影响。气固混和对于燃烧的影响,曾对一台床截面宽6m、深3m锅炉的二次风位置以上的炉膛内氧浓度分布和固体颗粒浓度分布进行了测量。测量结果发现,在炉膛中心区域固体浓度小,而在近壁区域,存在颗粒回落,固体浓度较高。而炉膛中心区域的氧浓度接近于零,富氧区域则靠近壁面。在二次风喷口以上不同高度的炉膛截面的测量结果均如此,位于炉膛中央的贫氧区域。这表明二次风的穿透浓度并没有达到炉膛中央,贫氧芯的存在显然使得炉膛中央的焦炭颗粒的燃尽变得困难。这一现象在其他的测量中被重复。实践中提高二次风的刚性以增强二次风的混和,结果飞灰含碳量明显减少。

四、影响循环流化床锅炉飞灰含碳量的主要因素

4.1燃料特性的影响

循环流化床锅炉煤种适应性广，但对于已经设计成型的循环流化床锅炉，只能燃烧特定的煤种时才能达到较高的燃烧效率。由于煤的结构特性、挥发份含量、发热量、水分、灰份的影响，循环流化床锅炉的燃烧效率有很大差别。我国主要按煤的干燥无灰基挥发分含量对煤进行分类，按照挥发分含量由低到高的顺序将煤分成无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤等。挥发分含量的大小实际上反映了煤形成过程中碳化程度的高低，与煤的年龄密切相关。不同煤种本身的物理组成和化学特性决定了它们在燃烧后的飞灰具有不同的形态和特性。

4.2入炉煤的粒径和水分的影

颗粒过大，一方面床层流化不好，另一方面，碳粒总表面积减少，煤粒的扩散阻力大，导致反应面积小，延长了颗粒燃尽的时间，颗粒中心的碳粒无法燃尽而出现黑芯，降低了燃烧效率，同时造成循环灰量不足，稀相区燃烧不充分，出力下降。另外，大块沉积，流化不畅，局部结焦的可能性增大，排渣困难。颗粒过小，床层膨胀高，易燃烧，但是易造成烟气夹带，不能被分离器捕捉分离而逃逸出去的细颗粒多，对燃尽不利，飞灰含碳量高。通过实验发现：颗粒太小，由于煤粉在炉内停留时间过短，燃不尽，飞灰含碳量就大。相对而言，燃用优质煤，煤颗粒可粗些；燃用劣质煤，煤颗粒要细些。所以对于不同的煤质要调整二级破碎机的破碎能力来调整煤的粒度。煤中水分过大不仅降低床温，同时易造成输煤系统的堵塞，故对于水分高的煤进行掺烧。

4.3过量空气系数的影响

一次风作用是保证锅炉密相区料层的流化与燃烧，二次风则是补充密相区出口和稀相区的氧浓度。调整好一二次风的配比，有效地降低飞灰、灰渣含碳量，是保证锅炉经济燃烧的主要手段。运行中适当提高过量空气系数，增加燃烧区的氧浓度，有助于提高燃烧效率。但炉膛出口过量空气系数超过一定数值，将造成床温下降，炉膛温度下降，总燃烧效率将下降，风机电耗增大。所以在符合变化不大时，一次风量尽量稳定在一个较合适的数值上，少作调整，主要靠调整二次风比例来控制密相区出口和稀相区的氧浓度。一二次风的配比，与锅炉负荷、煤种等有关，通过进行燃烧调整试验可建立锅炉不同负荷与一二次风量配比的经验曲线或表格，供运行调整时参考。

4.4燃烧温度的影响

和煤粉锅炉炉膛温度高达1400～1500℃相比，循环流化床运行温度通常控制在850～900℃之间，属低温燃烧，在此条件下煤粒的本正燃烧速率低得多，加上流化床内颗粒粒径比煤粉炉内煤粉粗得多，所需的燃尽时间长得多。提高燃烧温度，飞灰含碳量低；相反，燃烧温度低，飞灰含碳量高。

4.5分离器分离效率的影响

分离器分离效率高，切割粒径小，飞灰含碳量低；相反，分离器分离效率低，切割粒径大，飞灰含碳量高。经过20年的发展，目前我国循环流化床锅炉使用的高效分离器有三种：上排气高温旋风分离器、下排气中温旋风分离器和水冷方形分离器。

结束语

飞灰含碳量高是流化床锅炉燃烧效率低的主要原因，降低飞灰含碳量是提高燃烧效率的主要措施。综合实际循环流化床锅炉运行中出现的问题，对循环流化床锅炉飞灰含碳量高的原因进行了分析，进一步有针对性地提出了降低飞灰含碳量的措施。

参考文献

[1]岑可法，倪明江，骆仲泱，等.循环流化床锅炉理论设计与运行[M].北京；中国电力出版社，1998.

[2]刘德昌，陈汉平.循环流化床锅炉运行及事故处理[M].北京；中国电力出版社，2006.

[3]路明孙力.循环流化床锅炉降低飞灰含碳量的研究与探索[J].能源与节能.2013.09期

[4]赵立军.240t/h循环流化床锅炉中心筒改造[J].设备管理与维修.2010.08期