循环流化床锅炉入炉燃料指标优化

循环流化床锅炉入炉燃料指标优化
王世川，邓雨生
（中国石化茂名分公司动力厂，广东茂名525000）
摘要：选取七种CFB锅炉燃料掺烧典型工况数据，分析入炉燃料指标对CFB锅炉燃烧运行的影响，同时对CFB锅炉设计燃料指标重新修正，并提出适应CFB锅炉安全经济运行的入炉燃料指标，用于指导煤炭掺烧和煤炭采购，对CFB锅炉入炉燃料指标优化提供参考。

关键词：CFB锅炉；燃料掺烧；指标优化
中图分类号：TK16文献标志码：B
文章编号：1001-5523（2013）04-0034-04
1 概述
茂名石化热电二车间循环流化床（CFB）锅炉于2006年5月正式投入运行，先后燃烧过纯石油焦、纯无烟煤、纯烟煤、石油焦掺烧油页岩、石油焦掺烧无烟煤、石油焦掺烧烟煤、烟煤掺烧无烟煤等燃料，但车间没有对其认真分析和总结不同燃料掺烧对锅炉安全经济运行的影响，缺乏锅炉掺烧运行数据和理论依据支持。

为了改变入炉燃料掺烧凭经验确定的现状，更加科学的制定入炉燃料掺烧比例，以满足CFB锅炉安全经济运行的需要。

茂名石化热电二车间CFB锅炉额定负荷为410 t/h，设计煤种热值为21 696 kJ/kg的贵州烟煤，额定投煤量为53.49 t/h，四台给煤机从前墙给料，分离器为紧凑型八角水冷旋风分离器，一、三级过热器布置在竖井烟道里，二级过热器布置在炉膛内，风水联合型流化床冷渣器两台布置在侧墙，除尘设备采用静电除尘器和气力输灰仓泵，系统流程见图1，CFB锅炉设计参数见表1。

2 入炉燃料指标优化
研究表明，燃料的种类及性质对锅炉燃烧设备选型受热面布置运行经济性和可靠性有很大影响。

在（GB/T 7562—2010）《发电煤粉锅炉用煤技术条件》中，一般将全水分、硫分、挥发分、灰分、发热量等指标列为煤质评价指标[1～2]。

2.1 入炉燃料掺烧典型工况
为方便分析不同燃料指标对CFB锅炉安全燃烧经济运行的影响，为入炉燃料指标优化提供数据支持，收集近年来
图1CFB锅炉系统流程简图
表1CFB锅炉设计参数
燃料掺烧典型工况相关数据见表2。

2.2 水分优化
水分过大是引起燃料破碎系统和CFB锅炉炉前给煤系统堵煤的主要原因，依据各企业运行的经验，当入炉燃料水分达10%左右[3～4]，给煤机容易发生堵煤，从我单位煤仓系统改造经验来看，水分控制在8%以内为最佳[5]。

分析水附着在煤粒毛细孔内，进入炉膛后在高温的烘烤和煤的燃烧双重作用下，分析水快速逸出，造成煤粒在没有燃烧或刚开始燃烧时被破碎，煤粒径变细。

一旦入炉燃料分析水超过某一临界值，煤粒过细会造成CFB锅炉灰渣比逐渐增大，排烟温度升高等问题。

图2和图3中的燃料灰分为29.41%和30.61%的两组燃料，排烟温度只有152.2 ℃和
145 ℃，而燃料灰分为27.24%的烟煤
其分析水为2.85%时，排烟温度高达
159.1 ℃，说明排烟温度并非只与燃
料灰分成正比关系，燃料分析水对排
烟温度的影响也不可忽视。

按照排
烟温度为155 ℃进行优化，优化后分
析水控制在1.0%～2.5%之间为宜。

2.3 硫含量优化
受石灰石粒径偏细（＜0.1 mm，
占比为50%～64%）和石灰石给料机
最低转速易卡停的影响，入炉硫含量
在1.1%以下时，钙硫比最低为2.4；三
焦一油页岩由于掺烧不均匀，硫含量
波动大，为防止SO2排放超标及SO2
控制值偏低，虽然入炉燃料硫含量仅
为1.85%，但钙硫比却达到3.05；入炉
硫含量从2.57%开始，钙硫比上升趋
势明显，因此，综合考虑我单位脱硫
设施配置情况，为确保CFB锅炉Ca/S摩尔比控制在最佳状态，入炉硫含量取0.5%～2%为宜。

2.4 挥发分和0.45 mm以下煤粒径优化
除生产操作对飞灰含碳量的影响
外，挥发分和0.45 mm以下煤粒径占
比对飞灰含碳量的影响最直接。

从图5
和图6可以看出，挥发分越高、0.45 mm
以下粒径占比越小，飞灰含碳量越低。

图5中挥发分为16.49%，燃料热值为
20 326 kJ/kg，对应的工况是燃烧烟煤：
无烟煤（1：1）。

入炉燃料热值偏低，造
表2燃料掺烧典型工况
图2灰分对排烟温度影响曲线图3
分析水对排烟温度影响曲线
图4硫含量对钙硫比曲线
成冷渣器排渣量大大增加，为维持炉内床料在正常运行，未投用飞灰再循环系统，所以飞灰含碳量稍有升高。

图6中入炉燃料粒径为0.45 mm 以下占比为39.54%，对应的工况是燃烧纯石油焦，为尽可能降低锅炉床温，减少热力型NOx 的生成，一次风配风量偏大，造成飞灰含碳量明显升高。

飞灰含碳量为7.42%和4.77%对应的两组数据分别为纯烟煤和焦：烟煤（1：1）工况，挥发分分别为25.97%和18.32%，当0.45 mm 以下煤粒径占比分别为27.97%和35.16%，这两组数据的飞灰含碳量均在设计值6%附近，符合锅炉指标优化要求。

由于热值相同，挥发分越高的煤炭价格越贵，因此，优化后的挥发分宜控制在18%～25%。

由于受实际煤源煤粒径限制，结合锅炉的实际运行，确定优化后的0.45 mm 以下煤粒径量应小于35%。

2.5 低位热值、固定碳和灰分优化
入炉燃料低位热值、固定碳和灰分这三项指标存在一定平衡关系，它们与CFB 锅炉床温关系最密切，因此在制定指标时，需保证锅炉处于最佳的燃烧工况和最佳的脱硫脱硝效率，并兼顾排渣、除尘和输灰设备不超负荷运行。

从图7中可以看出，随着入炉燃料低位热值的增加，床温整体呈上升趋势。

但图中第二组和第六组数据对应低位热值为20 402 kJ/kg 和26 376 kJ/kg 的两组数据却出现床温反差，原因是第二组燃料为三焦一油页岩，油页岩粒径大，燃料灰分主要停留在炉膛内部以底渣的形式排放，为了保证床料的正常流化，一次流化风比其他工况共高出20 t/h ，加上选择型流化床式冷渣器本身就不宜输送大粒径的底渣，排渣比较困难，同时床压比其他燃烧工况高出1.5 kPa ，造成锅炉床温偏低。

第六组燃料为纯烟煤，由于分析水达2.8%，燃料灰分主要以飞灰的形式排放，灰渣比为6.5:3.5，造成炉内循环灰量减少，所以平均床温偏高。

为保证不发生灰渣比失衡，防止排烟温度升高，优化后的分析水应控制在1.0%～2.5%以内。

为保证CFB 锅炉运行在850～880 ℃的最佳炉膛温度，优化后的低位热值控制在21 352～25 539 kJ/kg 。

同时参考优化后的挥发分百分比，可估算出固定碳含量应控制在48%～60%，灰分在18%～30%为
宜。

此外，同一热值的燃料，固定碳含量越低，挥发分含量越
高，对煤炭着火和燃烬越有利[6]。

2.6 矸石率优化
除了GB/T 7562—2010《发电煤粉锅炉用煤技术条件》中提及的入炉燃料煤质评价指标外，对于采用流化态运行的CFB 锅炉而言，燃料矸石率也是必须控制的重要指标之一。

因
为煤矸石硬度接近岩石，不易破碎，不仅会加速破碎机锤头磨损，还会加
速对水冷壁和风帽磨损，且经燃烧后的矸石粒径变化很小，不容易被冷渣器流化，极易造成冷渣器堵塞。

我单位曾多次因入炉燃料矸石率高造成冷渣器流化不良堵塞[7]，因此入炉
图5
挥发分对飞灰含碳量影响曲线
图60.45 mm 细粒径占比对飞灰含碳量影响曲线
（注：图中数字为燃料分析水）
图7低位热值对平均床温影响曲线
表3
优化前后入炉燃料指标对比
表4优化后入炉燃料指标后运行情况
燃料矸石率应控制在1%以内，确保流化床式冷渣器安全运行。

2.7 优化后入炉燃料指标汇总
优化后的入炉燃料指标见表3。

3 入炉燃料指标优化验证
为了验证优化后的入炉燃料指标是否满足锅炉安全经济运行的需求，车间根据库存煤种和煤质，尽可能按优化后的入炉燃料指标执行燃料掺烧工作，由于对全水、挥发分、低
位热值、0.45 mm以下细粒径这四项
指标控制较好，飞灰、底渣含碳量均
达到设计值以下，排烟温度和钙硫比
因受煤种影响，分析水超标引起灰渣
比增加和飞灰再循环投加量大幅减
少造成排烟温度偏高，钙硫比超过
2.5，相关数据见表4。

4 结论
入炉燃料指标与CFB锅炉的安
全经济运行息息相关，通过对入炉燃
料掺烧工况的分析总结，优化后的入
炉燃料指标经实践验证，能满足CFB
锅炉安全经济运行的需要，为今后科
学制定入炉燃料掺烧比例和指导煤
炭采购有着十分现实的意义。

参考文献：
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收稿日期：2013-03-06。