循环流化床(CFB)锅炉技术作为一种洁净煤燃烧技术,以其煤种适应性广等诸多优点日益得到广泛应用.大多数CFB锅炉燃用低反应活性的烟煤､贫煤､无烟煤及煤矸石等劣质煤,其飞灰含碳量高于煤粉锅炉.分析影响飞灰含碳量的因素对提高CFB锅炉运行经济性有重要意义.
(来源：微信公众号“循环流化床发电” ID：xhlhcfd 作者：索疆舜)
目前,对飞灰含碳量的研究主要是模拟煤颗粒在炉膛内的燃烧情况.李金晶等在加热炉上测量了CFB锅炉燃烧条件下大颗粒煤燃尽时间;庄煌煌等实验研究了福建无烟煤在不同温度和流速下在炉内的燃尽时间和停留时间,给出一次通过炉膛燃尽的细煤颗粒临界粒径约为0.15mm.根据燃烧原理,不同煤种对应的飞灰含碳量分布是不同的,影响飞灰含碳量的因素包括入炉煤粒径､一二次风量比､床层温度､分离器效率､氧量､床层高度等.
本文以燃用平朔煤矸石的某300MW机组CFB锅炉为研究对象,根据不同稳定负荷下的锅炉运行数据,分析飞灰含碳量的影响因素及其影响程度.
1飞灰含碳量影响因素
1.1 入炉煤粒径与燃尽时间
飞灰含碳量能够表征煤粒的燃尽程度,而燃尽程度取决于煤颗粒在炉内的停留时间及燃烧反应速率,入炉煤种的粒径越小,单位质量的颗粒越多,反应表面积增大,燃烧反应速率加快,燃尽时间缩短.
煤粒的燃尽时间由以下经验关系式计算:
细颗粒煤粉进入炉内的最小停留时间τ取决于流化风速及煤的粒径,包括沿炉膛高度停留时间τ1和由炉膛到旋风分离器出口的时间τ2.所研究的锅炉炉膛宽度为15051mm,深度为14703mm,高度为32180mm,旋风分离器内径为8300mm,所以炉膛中心线到分离器出口中心线距离d约为11m,据此可估算τ2值.计算公式如下 :
通过对山西平朔煤矸石样品筛分,将入炉煤颗粒分为7档,具体见表1.
将每档颗粒放入真空管式炉内燃烧,模拟颗粒一次破碎,得到破碎后粒径的分布.一次破碎后的碳颗粒分为14档,其中细颗粒分成0~30μm,>30~40μm,>40~50μm,>50~60μm,>60~100μm,>100~150μm6档.取185,210,240,270MW几种不同试验工况负荷,其流化风速依次为3.1,3.7,4.0,4.3m/s,床温依次为853,875,901,910℃.由上述公式计算得到各档细颗粒在各负荷参数下在炉内的最小停留时间及燃尽时间,分别见表2和表3.由表2和表3可见,床温和流化风速对碳颗粒在炉内的停留时间和燃尽时间影响较大,二者数值增大时,停留时间和燃尽时间均有不同程度地减小.
煤颗粒粒径与停留时间和燃尽时间关系如图1所示.从图1可以看出:粒径在30μm以下的碳颗粒的燃尽时间远小于最小停留时间,可以在炉内充分燃尽;粒径在30~60μm的煤颗粒在炉内停留时间内基本可以充分燃尽,而粒径大于60μm的煤颗粒的燃尽时间随煤颗粒增大而增大,且远大于停留时间;临界逃逸粒径随流化风速增大而增大,负荷在185MW至270MW变化时,其范围在50~70μm之间.
1.2 二次风动量
二次风穿透深度影响着氧到达燃烧中心的程度,对飞灰中碳颗粒燃烧影响较大.影响二次风穿透深度的因素很多,如射流速度､喷口直径､射流角度､射流气体的密度,以及主气流的速度､温度､黏度､密度等.杨建华等基于Patrick提出了针对单相流的射流经验公式,以及气固两相流中二次风射流模型,二次风射程正比于二次风的动量(ρ2u22)与气固两相流混合物动量(ρ1u12+ρp(1-ε)up2)的比值.
实际锅炉运行中,通常会采取调节二次风挡板开度,以调整二次风喷入炉膛深度.二次风出口压力会随挡板开度变化而改变,一定程度上反应了二次风的穿透力.基于上述模型的思路,可以将试验研究中二次风出口压力与密相区压降的比值作为反映二次风穿透力的无量纲量,通过不同负荷下的试验,得到了5组比较典型运行负荷下,飞灰含碳量(质量分数,下同)随二者压比的变化情况,结果如图2所示.由图2可见:在各个负荷下随着二次风出口压力与密相区压降比值的增大,飞灰含碳量均下降;在不同运行负荷下,二次风出口压力与密相区压降比对飞灰含碳量影响不同.在185,240,280MW负荷时,飞灰含碳量随二者压比升高降低缓慢;在270,210MW负荷时,飞灰含碳量变化较为明显,随压比升高显著下降.
1.3 省煤器出口氧量
炉膛出口烟气含氧量(体积分数,下同)是表征炉内燃烧所需氧量与实际进入炉膛氧量的比例.氧量的高低直接影响着炉内未完全燃烧损失和排烟热损失的大小,从而影响锅炉效率.有研究发现不同负荷下,锅炉热效率对省煤器出口氧量变化的敏感程度不同.通过对试验数据分析,得到不同负荷下省煤器出口氧量与飞灰含碳量的关系如图3所示.
由图3可见,飞灰含碳量随省煤器出口氧量的增大而降低,在不同负荷下,氧量对飞灰含碳量影响程度不同,185,210,270,280MW负荷下的影响明显高于240MW.
1.4 一二次风量比
一次风通过布风板进入炉内,其风量主要起流化作用,并提供燃烧初期所需的氧量.二次风在密相区上方进入炉膛,对气固两相物料起搅拌混合作用,让颗粒充分接触氧气,保证充分燃烧,减小机械未完全燃烧热损失,降低飞灰含碳量.所以,一二次风量比对炉内物料充分燃烧及飞灰含碳量有重要影响.在不同的运行负荷下,一二次风量比对飞灰含碳量影响如图4所示.
由图4可见,随一二次风量比的增大,各负荷下的飞灰含碳量均呈上升趋势,这是因二次风动量减小､一次风动量增大所致.
1.5 床温
床温作为CFB锅炉重要的参数,在实际运行中有严格的控制.床温升高,床层中碳颗粒挥发物的析出和碳颗粒的反应速率增大,燃尽时间缩短,从而使飞灰含碳量降低.另由于温度上限受高温结焦的限制,故应考虑脱硫最佳温度(850℃左右)的因素.综合考虑,CFB锅炉最佳运行床温应在850~950℃,通过分析运行数据,得到床温与飞灰含碳量的关系如图5所示.
由图5可见,飞灰含碳量随床温升高而下降.880℃时平均含碳量为5.88%,900℃时为5.71%,910℃时为5.62%,920℃时为5.54%,930℃时为5.45%.
2飞灰含碳量影响因子系数
比较不同运行负荷下各因素与飞灰含碳量的变化关系,可分析得到在不同负荷下床温､一二次风量比､省煤器出口氧量､二次风出口压力与压降比4个运行参数变化对飞灰含碳量的影响程度,将上述各图的直线斜率近似看作飞灰含碳量对各因素的敏感程度,并定义为影响因子系数,据此可得到不同负荷下影响因子系数变化关系如图6所示.
由图6可以看出,在不同运行负荷下,二次风出口压力与密相区压降比和一二次风量比对飞灰含碳量影响程度明显比省煤器出口氧量和床温大,并且在负荷变化时,影响程度大小变化也比较明显.
3结语
本文依据某300MW机组CFB锅炉的运行参数,分析了所用煤种的入炉粒径､二次风动量､一二次风量比､床温､氧量等因素对飞灰含碳量的影响.通过影响因子系数分析方法,得到二次风出口压力与密相区压降比和一二次风量比对飞灰含碳量的影响程度较大,而省煤器出口氧量和床温(880~930℃)的影响相对较小.
文献信息
索疆舜,崔志刚,马素霞,贾建东,王慧,骆丁玲,刘建华. CFB锅炉飞灰含碳量影响因素分析[J]. 热力发电,2016,07:84-87+92.
