余热电站循环流化床补燃锅炉结渣原因的分析

引言 

　　水泥厂余热电站与水泥窑生产运行密切相关，水泥窑的波动会影响余热电站余热利用系统的波动以及余热利用的效果。因此水泥窑余热电站较常规电站来讲，波动频繁、调整频繁、负荷调整范围大。近些年来，由于循环流化床锅炉能利用煤矸石等劣质煤做燃料，且调负荷能力强，因此它特别适用于带补燃的水泥窑余热电站。目前在水泥厂带补燃形式的余热电站设计中均普遍地采用了循环流化床锅炉。 
　　
　　葛洲坝水泥厂3号窑余热电站就是我院设计的第一家采用循环流化床锅炉的余热利用电站。该电站采用的CPC循环流化床锅炉在使用过程中出现了锅炉结渣问题，曾困扰该厂很长时间。如何抑制锅炉结渣，实际上是CPC循环流化床管理与运行的精髓所在。本文将在这一方面作一探讨。 

1　葛洲坝水泥厂3号窑余热电站简介 

　　 
1.1　CPC循环流化床锅炉简介 
　　
　　这种循环流化床锅炉由哈尔滨锅炉厂从美国燃烧动力公司(Combustion Power Company简称CPC公司)引进技术，生产设计并制造的。循环流化床锅炉在国内俗称CPC锅炉。应用于葛洲坝水泥厂3号窑余热电站的CPC循环流化床补燃锅炉其设计参数及规范如下: 

　　蒸汽流量　　55t/h 
　　蒸汽压力　　3.82MPa 
　　蒸汽温度　　450℃ 
　　给水温度　　104～150℃ 
　　燃料种类　　煤矸石 
　　燃料粒度　　0～8mm，平均粒度1～3mm 
　　启动燃料　　轻柴油 
　　锅炉鼓风机　风压22000Pa 
　　　　　　　　风量93600m3/h(20℃) 
　　锅炉引风机　风压6400Pa 
　　　　　　　　风量147000m3/h(150℃) 
　　给煤机　　　3台(单台最大出力5t/h) 
　　锅炉运行负荷范围　30%～100%MCR 
　　

　　其锅炉系统见图1：


1.2　葛洲坝水泥厂3号窑余热电站系统简介 
　　
　　葛洲坝水泥厂3号窑余热电站采用CPC循环流化床锅炉在电站系统内作补燃锅炉的电站热力系统简图见图2。 
　
　　水泥窑废气余热的发电能力往往与标准汽轮机规模不匹配，因此常有如下情况:若余热电站的装机规模大，则汽轮机不能长期满负荷运转，或者若余热电站的装机规模小，则不能完全利用余热；另外目前较先进的多级悬浮预热器或预分解窑窑头、窑尾废气余热温度普遍较低，可利用的温降小，换热效率低，且产生的蒸汽参数低，作功能力差。如果按实际可利用的余热品质及能力建一汽轮机，按常规方式进汽的纯余热电站往往收益与投资比偏小。因此经理论计算，适当补燃，建一规模偏大、产生高品质蒸汽作循环工质的带补燃中低温余热发电系统在投资及收益上较为合算。因此在国家“八五”科技攻关项目中专题研究了“带补燃的中低温余热发电技术及装备”，解决了低温余热的利用及电站装机规模与余热利用不匹配的问题，从而使电站在一定投资下能够充分的发挥设备能力。 

2　锅炉结渣状况 

　　CPC补燃锅炉用轻柴油启动点火后，温度达到450～500℃时，投烟煤助燃，以迅速提高床内温度，减少柴油耗量。当床内温度达750～800℃时，逐渐撤烟煤投煤矸石，并调整燃烧系统趋于稳定状态。 
　　
　　2000年元月期间，几次发生整个电站系统在启动点火并带满负荷后，不到18h即因锅炉不能维持正常燃烧而停止运行。首先，流化床上4个温度测点中的No.3测点温度明显升高，最高可达1200℃，之后迅速降低，在30min内可降至200℃，由此判断锅炉发生结渣。在这过程中，运行人员试图加大风量风压把渣块吹散，但仍无济于事，只好停炉。 
　　
　　停炉后进炉内检查，发现循环流化床上在不同的部位有结渣现象，渣块由20mm以下的大块渣粒构成，呈疏松状态，核心部分有熔融的痕迹。床料表层由薄薄的极细灰构成，严重结渣区露出渣块。细灰的下面是粗颗粒的炉渣及床料。CPC循环流化床锅炉的炉内剖面大致结构可参见图1。床上温度测点布置及床上结渣范围如图3所示。 
　



3　锅炉结渣原因的分析 

　　一般来讲，锅炉结渣的发生是由锅炉结构、燃料特性和运行方式这3个因素互相作用的结果。 

3.1　锅炉循环流化床结构特点 
　　
　　(1)  风帽及布风板。CPC循环流化床锅炉的炉膛截面积大，高温床料携带燃料在床上逆时针方向一边搅动旋转、一边燃烧并向上运行。保证了燃料在炉内停留时间长，保证燃尽率。床料及燃料的运行是靠平板定向风帽的定向射风组合而成的结果，这种风帽与国内常见的立式风帽不同，其形式如图4所示。风帽下部与一次风室相通。由许多个不同射风方向的风帽组成的布风板在炉内形成了按设计者意向的空气动力场，从而形成CPC炉特有的配风方式。 

　　 

　(2)  排渣方式。排渣口设在给料口左面的一端，见图3，以保持煤和石灰石在炉内有较长的流动路线，达到完全燃烧和脱硫反应。排渣口排出的渣，经冷渣器冷却后排掉。 
　　 
   (3)  高效旋风分离器及直接回料。CPC的高效旋风分离器布置在炉顶，回料管直接插入炉膛密相区，不设“L”或“U”型阀，在回料管内形成与炉膛上下部之间压差相平衡的物料高度，在锅炉运行中自动维持物料的被分离并返回炉膛密相区内，形成炉内物料的循环。循环流化床锅炉的循环倍率:计算值为14.6，实测可达20以上。 
　　
      这种循环流化床锅炉炉床面积大，存储物料量多，燃料在炉内行进的路线长，停留时间长。对于这种炉型的炉子，要保证燃烧均匀，则必须燃烧布风均匀，物料流动均匀，没有死区。这样就要求风帽的射风角度及方向设计合理、风帽射风组合方向即其形成的空气动力场合理、风帽制造和安装的精度高。尤其对于床上的排渣点、旋风分离器回灰点、温度测点以及炉膛四角等处应着重考虑风帽射风方向，避免空气动力场死点，从而避免物料循环的死区。 

3.2　燃料特性 
　　
　　3号窑余热电站补燃锅炉燃料为煤矸石。电站煤制备为二级环锤破碎，经破碎后的燃料设计粒径小于8mm。在电站运行初期，煤制备基本合格。但随着运行时间的增长，锤头磨损严重，直接影响了破碎合格率。在锅炉结渣运行期间，进行了一次煤样筛分。筛分结果见表1。 
　
　　当地气候湿润多雨。连下几天雨后，煤中的水分远不止3%。在上述取煤样进行筛分时明显感到煤中水分偏高。 
　　
　　锅炉结渣停炉后，对床料也进行了取样分析。取样点见图3。之所以选取图示位置，是考虑该位置介于结渣区和非结渣区之间，其粒径分布亦应该介于二者之间，具有一定的平均性。取样装置内径为边长155mm的方筒。在从取样方筒中向外掏床料时，明显感到上面的灰渣或床料粒径小，下面的灰渣或床料粒径粗。对灰样进行了筛分，结果见表2。 

　　对照表1、表2发现: 
　　
　　(1)  入炉煤>8mm的颗粒所占比例太大，远高于锅炉规范要求。相应的床料中大颗粒所占比例也偏大。 
　　
　　(2)  虽然煤矸石在炉内燃烧时热爆性很差，但毕竟它在600～900℃的高温下还会爆一些，也就是说，入炉煤在炉内有变细的趋势。但从筛分结果看，灰渣中大颗粒(>8mm)所占比例(16.62%)高于煤中的大颗粒比例(12.8%)。因此可以得到如下结论: 锅炉进煤大颗粒比例明显偏大，并且在运行中床料细灰流失量相对于粗渣排放量比例偏大。 

3.3　运行 
　　
　　按锅炉厂要求，锅炉运行应使床料厚度保持在600mm左右。但在实际运行时，因起炉初始阶段料层高度始终没有达到600mm，床料循环调负荷系统始终没有投运、一次鼓风机振动严重不敢加大风压风量即风机始终没有达到额定出力等原因，锅炉料层厚度一直在450mm以下，平均在380mm左右。由于料层厚度小，因此浓相区粒子浓度低于正常值。 
　　
　　在锅炉结渣停炉冷却后，重新添入床料，作冷态流化试验。此时床料高度360mm，床料由原床料经筛分合格的部分及新的合格河沙组成。此条件下，理论计算其流化压力应为5535Pa，最小流化速度为0.28m/s，最小流化风量为34500m3/h。 
　　
　　表3为冷态流化试验结果。床上压力测点距离床底有一定高度，因此其测得的压力值基本正常。但实际流化风量比计算值偏大。这是因为:对于这种形式的循环流化床锅炉，能够满足其流化过程中要求的流化压力及流化流量的一次鼓风机选型实在困难。几乎找不到与其压力-流量曲线相吻合的风机。但在实际运行中，仍参照了此冷态流化试验结果。 

　　在上述锅炉结构、燃料特性及粒径等条件下，由于风量大，造成大量的细灰被吹走，相应的大块煤渣留在床底。随着抛煤量增多，大块煤渣也越来越多，并且大块煤渣下沉导致流化不好，最后导致大量大块煤渣停留在空气动力场的弱区并堆积。此时抛进的煤也流化不好，形成堆积，最后发生结渣和渣块板结现象。 
　　
　　在锅炉发生结渣时，运行人员加大风量，试图吹散渣块。但这种做法更吹散了细灰，加快了结渣速度。因此，锅炉发生结渣后不久就不能维持运行了。 

4　改进措施及效果 

4.1　煤制备系统的改进 
　　
　　煤的破碎不合格，大颗粒比例偏大，这是造成锅炉结渣最基本的原因。因此在煤制备车间的二级环锤破碎机后增加了一筛孔直径为8mm滚筒筛，把不合格的大煤粒重新入破碎机破碎。大大提高了煤制备的合格率。与此同时，严格控制入厂煤的质量，禁止水分含量大的煤进厂。改造后的取煤样筛分结果见表4。 

4.2　改进运行参数 
　　
　　由于入炉煤大颗粒减少，粒径分布更加均匀。因此可参照冷态流化试验结果，适当减小风量，这样细灰得以保持，炉内载体多，流化均匀。 

4.3　锅炉排渣控制 
　　
　　锅炉结渣的最直接原因是炉内大渣粒堆积，如何排掉大渣粒而保持细灰是解决问题的又一关键因素。因此在锅炉排渣口增加了反吹风装置，利用适量的压缩空气逆向吹进，把细灰吹回炉内，大渣粒掉下排走。事实证明这是一个简单而有效的办法。其结构见图5。 

4.4　改进效果 
　　
　　改进前，锅炉不能连续运行，如在1999年12月31日及2000年1月7日两次点火，到1月2日及1月8日因锅炉结渣均被迫停炉。经改进后，于2000年1月19日及1月25日锅炉两次点火(第一次因辅机故障于1月23日停炉)，锅炉没有发生结渣现象。 

5　结论 

　　
　　(1)  实践证明，CPC循环流化床是一种性能较好的炉型，它适用于水泥窑的这一特殊的余热电站。 
　　
　　(2)  CPC循环流化床锅炉能够燃烧煤矸石等劣质煤。 
　　
　　(3)  保证煤制备合格率，调整锅炉运行参数，可避免锅炉结渣。  


 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(来源：《水泥》杂志 2010年 第五期)