循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题.pdf

第 2 4 卷 第2 期 2 0 0 4 年 4月 动力工程 P OW ER ENGI NEERI NGV o l 2 4A P r N o 2 0 0 4 文章编号 1 0 0 0 6 7 6 1 2 0 0 4 0 2 0 1 7 0 0 5 循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题 吕俊复 张守玉 刘青 张建胜 杨海瑞 击光澳 沈解忠2 于龙 1 清华大学 热能工程系 北京 1 0 0 0 8 4 2 无锡华光锅炉股份有限公司 无锡 2 1 4 0 2 6 3 哈尔滨锅炉有限责任公司 哈尔滨 1 5 0 0 4 0 摘要 循环流化床锅炉的飞灰含破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 2 2 0 t 小 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 条件对飞灰含破贡的影响 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破1的原因之一 图7 表2 参1 3 关健词 动力机械工程 循环流化床锅炉 飞灰含碳量 反应性 气固混和 中图分类号 T K2 2 9 6 十 文献标识码 A I n v e s t i g a t i o n o f C a r b o n C o n t e n t i n F l y A s h i n C i r c u l a t i n g F l u i d iz e d B e d B o i l e r s L U J u n f u Z HA NG S h o u y u L I U Q i n g Y A N G Ha i r u i Y U E G u a n g r i Z HA NG J i a n s h e n Y U L o n g 1 D e p t o f 2 T h e r m a l E n g i n e e r i n g T s i n g h u a U n i v e r s i t y B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 C h i n a Wu x i H u a g u a n g B o i l e r Wo r k s C o L t d 3 Ha r b i n B o i l e r Wo r k s C o L t d Ha r b i n Wu x i 2 1 4 0 2 6 1 5 0 0 4 0 Ch i n a A b s t r a c t Mo r e a t t e n t i o n h a v e b e e n p a i d o n h i g h c a r b o n c o n t e n t i n f l y a s h o f c o a l f i r i n g C i r c u l a t i n g F l u i d i z e d B e d C F B b o i l e r s T h e f l y a s h e s f r o m p a r t i a l 2 2 0 t h C F B b o i l e r s w e r e c o l l e c t e d a n d t h e c a r b o n c o n t e n t f o r d i f f e r e n t s i z e p a r t i c l e s w a s m e a s u r e d T h e r e s u l t s s h o w t h e u n u n i f o r mi t y o f r e s i d u a l c a r b o n i n d i f f e r e n t s i z e p a r t i c l e s T h e e f f e c t s o f c o a l r a n k c y c l o n e a n d o p e r a t io n c o n d i t i o n o n t h e c a r b o n c o n t e n t i n f l y a s h w e r e a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t c h a r d e a c t i v a t i o n h a p p e n s d u r i n g c h a r b u r n o u t i n f l u i d i z e d b e d c o m b u s t i o n c o n d i t i o n T h e b e h a v i o r o f c h a r d u r i n g c o m b u s t i o n s u c h a s f r a g m e n t a t i o n d e a c t i v a t i o n w a s c o n n e c t e d w i t h c o a l k i n d w h i c h i n f l u e n c e s t h e c a r b o n c o n t e n t i n f l y a s h T h e b a d g a s s o l i d s m i x i n g a r e o n e o f t h e i m p o r t a n t c a u s e s o f t h e h i g h e r c a r b o n c o n t e n t i n f l y a s h F i g s 7 t a b l e s 2 a n d r e f s 1 3 K e y w o r d s p o w e r a n d m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d b e d c a r b o n c o n t e n t i n f l y a s h r e a c t i v i t y g a s s o l i d s m i x i n g 收稿日期 2 0 0 3 0 3 1 1修订日期 2 0 0 3 1 1 1 8 茜金项目 国家 十五 攻关项目 2 0 0 1 1 3 A 4 0 I A 0 3 6 t 研究发展规划项目 G 2 0 0 W2 6 3 0 9 作奢筒介 吕俊复 19 6 7 男 辽宁大连人 副妞授 事循环流化床徽烧理论研究和技术开发 国家重点基 目前主要从 循环流化床技术由于其煤种适应性和低成本污 染物排放控制等优点 已成为很有竞争力的一种洁 净煤技术 中国早在上个世纪的8 0 年代即已开始发 万方数据 第 2期吕俊复 等 循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题 1 7 1 展循环流化床锅炉 至今已有超过8 0 0台循环流化 床锅炉运行 绝大多数小容量循环流化床锅炉 3 5 1 3 0 t h 采用中国自己的技术 2 2 0 t h及以上容量 的循环流化床锅炉则是以引进国外设备或技术为 主 无论技术来源如何 多年来的运行实践已经表 明 循环流化床锅炉燃用中国频繁多变的煤种 燃烧 效率尤其是飞灰含碳量是一个问题川 一般认为 循环流化床锅炉具有很高的燃烧效 率 国外大量的燃烧褐煤等高反应牲燃料的实践表 明 循环流化床锅炉飞灰含碳量非常低 实际上 我 国绝大多数循环流化床锅炉多燃用低反应活性的烟 煤 贫煤 无烟煤以及研石等劣质燃料 飞灰含碳量 比期望值要高出许多川 尤其是低挥发份高热值燃 料 燃烧效率更低D J 高飞灰含碳量使得循环流化床 锅炉的市场竞争力下降 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 4 0 5 0 p m的 颖 粒相对难 燃尽C Q 燃料本 身燃烧 反应活性对飞 灰含碳量有重要影响 5 6 7 1 不同 煤种 对应的飞灰含碳量分布有差异 L 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 1 部分循环流化床锅炉飞灰含碳It 图 1 给出了实际运行的循环流化床锅炉的各粒 径组的含碳量分布 呈现了不均匀性 高含碳量颗粒 集中于粒径为4 0 5 0 fA m的飞灰中 这一趋势与颗 粒燃烧过程中传质 传热和灰壳的形成有关 4 8 乎所有不同类型的固体燃料 但实际运行的循环流 化床锅炉的飞灰含碳量远没有所设想的低 表 1 列 举了实际运行的2 2 0 t h 循环流化床锅炉的飞灰含 碳量测试结果和相应运行工况 相应的锅炉燃用燃 料性质如表 2 所示 表 1 2 2 0 t h 循环流化床锅炉飞灰含碳f及其运行 条件 T a b l e 1 C a r b o n c o n t e n t i n f l y a s h o f 2 2 0 t h C F B b o i l e r s a n d t h e i r o p e r a t i o n p a r a m e t e r 锅炉数 W M C 炉膛出口过量 空气系数 飞灰含 碳量 流化速 度c m 1 炉膛 高度c m1 8 8 0 9 0 5 8 80 9 0 5 一 8 6 0 8 9 0 D 8 8 0 9 1 0 9 9 2 9 1 5 9 0 0 9 1 5 8 8 5 9 0 0 9 0 0 91 0 22 208 3R 89 0 9 0 0 一 99 0 9 2 08 7 2 翩131124125 K 8 7 5 8 8 5 L 8 8 0 9 0 0 8 9 0 9 1 5 89 0 9 0 0 1 2 6 5 3 0 1 2 6 1 8 0 1 0 8 7 5 8 9 51 2 6 5 01 1 2 5 2 7 1 2 5 0 8 2 9 4 P 9 0 0 9 3 04 8 9 2 9 2 Q 8 6 0 8 9 0 1 2 0 1 6 11 1 5 0 2 3 0 2 0 5 0 K1 5 0 2 0 0 2 5 0 图1 不同粒径飞灰含碳量的分布 F ig 1 Dis t r i b u t i o n o f c a r b o n c o n t e n t in f l y a s h 尽管 1 台循环流化床锅炉可被设计用于燃烧几 2 煤种和飞灰含碳f关系 从密相区杨析出来的细焦炭颗粒是飞灰未燃碳 的主要来源 因此分离器性能是减少飞灰含碳量的 关键 由于炉膛温度较低 循环流化床锅炉焦炭的燃烧 速率比煤粉炉低 焦炭燃尽时间长 所以分离器的分级 分离效率十分重要 不幸的是 可得到的实际运行循环 流化床锅炉的分离器分级分离效率数据非常少 尽管 飞灰和循环灰的质量尺寸分布与煤成灰特性及灰颗粒 磨耗有关 但仍可在一定程度上表征分离器性能 图2 给出了上述各种条件下锅炉的飞灰的粒径分布 这与 T h o r p e 公布的 数据基本一致I C 总之 循环流化床锅 炉中大型分离器的切割粒径 5 0 似乎很少低于 1 0 0 K m 从图中 可以 基本上 排除 分离器 效率的 差异是 导致飞灰含碳量差异的主要因素 nn 拍1 翻遇如娜尸 万方数据 1 7 2 动力工程第 2 4卷 表2 锅炉燃用煤种的工业分析和元素分析 T a b l e 2 T h e p r o p e r t y o f t h e c o a l s f i r e d i n t h e 2 2 0 t h C F B b o i l e r s 锅炉数H 0N 5 A 材 V i rQ M1 k g A 6 1 5 0 3 0 6 7 3 9 0 6 7 0 6 6 1 4 3 0 1 2 4 2 2 1 4 9 2 2 7 6 5 4 7 56 5 80 8 21 6 321 8 2 0 2 0 5 2 0 8 4 9 0030 59 25 915 92 1 9 83 06008l 2 8 22 8 8 82 0 8 0 2 8 26 3 0 一 7 5 03 0 5 21 9 8 7 0100 一 5 6 12 1 0 0 6 07 一 2 8 0 2 2 0 1 0 3 6 45 8 00 5 11 1 2 41 8 0 0 1710188418821800131321561590 32913785朴 6 3 0 2 2 4 1 0 0 1 0 0 0 9 5 1 0 1 0 5 5 5291532549455511补介44294945 4 7 8 22 9 13 5 2 57 9 72 9 9 3 4 4 1 53 8 57 4 5 3 4 S q7 8 240 5 8 BCDEFG月IJKL 介1300介 一 4 8 0又9 4 8 一 0 7 22 8 8 221 3 9 5l71666 女44 2 9 07 3 20 6 60 7 51 1 3 45 9819 28 2 2 7 0 MNOPQ t 七 5 0 10 0 a 4 m 1 5 02 1 8 1 3 0 3 5 r P rfl nU 加乃加巧1050 目猫如探严 尸lesesesesjeseseseseses卜卫lles卜卜月枯廿口月钊 的7550乃 恤 图2 飞灰粒径分布范围 F i g 2 F l y a s h p a r t i c l e s iz e d is t r i b u t i o n 表 I 的数据清晰地表明飞灰含碳量与煤质强烈 相关 如果以干燥无灰基挥发份除以发热量所得的 数值作为一个煤质指标 即定义煤指数I 为单位热 值中挥发份的质量 I 二V d dQ a e g MJ 则会发现飞灰含碳量和I 之间明显的相关关系 图 3 燃料热值中挥发份的贡献越大 越有利于焦炭颗 粒的燃尽 所以不同煤种在循环流化床锅炉中的焦 炭燃尽是大不相同的 尽管炉膛温度比其它锅炉高 燃用无烟煤的锅 炉B的飞灰含碳量仍然是 5 台锅炉中最高的 实际 上中国燃用无烟煤的循环流化床锅炉的飞灰含碳量 普遍都很高 对于许多燃烧不同烟煤的循环流化床 锅炉 即便煤发热量较高 排放飞灰减少 因而飞灰 3F ig 3 5 1 0 1 5 2 0 2 5 煤 质指 标 g M J 飞灰含碳量随煤质指标 V a t R s T h e C a r b o n c o n t e n t i n f l y a s h y s 的变化 c o a l i n d e x d e f i n e d a s V d t Q 二 未燃碳损失减小 但飞灰含碳量相比煤粉炉仍要高 出许多口 只有在燃烧褐煤时 中国现运行的循环流化 床锅炉的飞灰碳燃尽才比较彻底 上面得出的煤质 指标较好地反应了煤燃烧活性 便于用来分析比较 飞灰碳燃尽 即使作出了许多努力来提高分离器的收集效 率 在细小颗粒的收集上仍收效甚微R a 7 飞灰回送 是改善飞灰含碳量的一个有效方法 典型的例子是 一台燃烧无烟煤的循环流化床锅炉 当将静电除尘 器一电场飞灰百分之百地回送后 飞灰含碳量减少 了 约1 0 I li 人们对飞灰再循环的期望超过了其实际效果 研究表明 飞灰中的焦炭颗粒可根据其反应性大致 万方数据 第 2期吕俊复 等 循环流化床锅炉的飞灰含破童问题 1 7 3 分为2 类 一类反应性相对较高甚至还有较多未析 出挥发份 这类颗粒停留时间不长 可称为 年轻 颗 粒 年轻 颗粒主要分布在较大的飞灰颗粒中 另一 类恰好相反 挥发份基本已经析出 并在燃烧室 分 离器反复燃烧 焦炭反应性随着停留时间的增长而 逐渐降低 7 J 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近 值 温度越高 此渐近值越低 图4 在循环流化床 锅炉燃烧温度下 反应性下降至最低的有效热解时 间是1 0 3 0 m i n 因煤种而异 炉膛给煤中的细小颗 粒一般并不能停留这么久 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 粒焦炭在因爆裂 磨损达到可扬析的细小颗粒之前 可能会停留较长时间 在炉内焦炭颗粒温度要比环 境温度即床温高出5 0 2 0 0 C 焦炭因热处理引起 的反应性下降实际不需要 1 0 3 0 m i n就会达到最 低 综合这些因素 可以推断 飞灰中的 惰性 未燃 尽颗粒极有可能是来自有较长停留时间的大焦炭颗 粒 如果适当减小给煤中的大粒径颗粒的份额 可能 有利于降低飞灰含碳量 对于 年轻 颗粒 提高分离 器效率或者采用飞灰回送会是保障其燃尽的有效方 法 对于第二类颗粒则不然 因为其反应性很低 即 使被送回炉膛 会否燃尽仍成问题 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 即二次风 口以上存在一个如图 5 所 示的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 1 3 1 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 1 1 I 伙图6 二次风 图5 循环流化床锅炉中的贫氧芯 F ig 5 T h e l e a n O x y g e n c o r e i n C F B f u r n a c e J趁创毯如摇尸 兰 I二 一 三已 谷幻创侧邵形 9 0 0 0 C 4 o胡8 0 停留时间j m m i o n 1 2 n 图6 二次风穿透深度提高后飞灰含碳量的 卜 降 F i g 5 T h e C a r b o n c o n t e n t i n f l y a s h d e c r e a s e d b y 焦碳反应性随停留时间的下降 C h a r r e a c t i i t y w i t h r e s i d e n t t ime 3 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 为考察气固混和对于燃烧的影响 曾对 一台床截面宽 6 m 深 3 m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 1 7 i x 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 I mp r o v e me n t o f s e c o n d a r y a i r n o z z l e s 混合效果对飞灰含碳量的影响在实践中得到进 一步证明 B和D的锅炉结构及运行参数基本一致 的 燃用的燃料比较相近 来自同一煤矿 燃料的粒 度基本相同 图 7 a 仅为二次风布置位置 比例 存在差异 但飞灰含碳量明显不同 图7 c 从图 中可以发现 B的飞灰粒度明显比D的粒度细 b 可以大致认为B的分离器的分离效率要高于 D 但 B的飞灰在任何粒径下均高于D的情况 分析这一 现象的原因 可以认为二次风布置位置 比例及其造 成的气固之间混合较差是主要原因 万方数据 1 7 4 动力工程 第 2 4 卷 1 0 0 助于减小飞灰含碳量 3 炉膛内的气固混和对焦炭燃尽十分重要 二次风的位置 刚性及风配比必须保证其足够的穿 透深度 避免炉膛中央出现贫氧区 致谢 本文研究得到清华大学实脸室开放基金 资助 即创钊加 芝肠一拍彩暇彬尸 4500夕一期 0 01 5 0 0 3 0 0 0右 州洲 粒径l a m 1 0 0 即阴40加 欲扁电彩暇拓尸 纷 0 1 0 0 I S O 较ft 胡30加10 碧创洲如褥尸 广 0 1 0 0 1 5 0 一2 0 0 粒径电 m 图 给煤 飞灰粒度及飞灰含碳t分布比较 s 一给煤校度分布 b 一飞灰较度分布 c 一飞灰 中含碳t分布 F i g C o m p a r s io n o f p a r t i c l e s i z e d is t r i b u ti o n o f f e e d c o a l f l y a s h a n d c a r b o n c o n t e n t a F e e d c o a l p a r t i c l e s i z e d i s r d b u t i o n b F l y a s h p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n c D im r i b n t io n o f c a r 肠n c o n t e n t i n f l y a a h 4 结论 循环流化床锅炉在燃烧一些低挥发份高热 值煤时飞灰含碳量通常很高 飞灰含碳量与煤种强 烈相关 可以用单位热值对应的干燥无灰基挥发质 量作为煤反应性指标来判断循环流化床锅炉的飞灰 含碳量 2 循环流化床锅炉循环燃烧过程中 焦炭存 在失活现象 从而产出飞灰中反应性很低的 惰性 未燃尽颗粒 而 年轻 焦炭颗粒的回送对提高燃烧 效率明显 通过适当减小给煤的大颗粒份额可能有 参考文献 1 陶世雄循环流化床锅炉燃烧效率探讨 J 四川电力技术 1 9 9 8 6 6 5 0 月 周一工 流化床燃烧技术在煤燃烧领城的地位C I 7 电力睡设 1 9 9 8 1 3 7 3 王智微 张岩丰 张彦军循环流化床锅炉嫩料适应性的研究 分析 1 铭炉侧造 2 0 0 2 1 1 3 4 郑恰余 刘信刚 金燕 循环流化床锅炉撼烧事内焦炭离子燃 烧特性的研究C 1 工程热物理学报 1 9 9 5 1 6 1 1 0 6 1 1 0 5 于 广辉 路葬钩 岳光澳 循环流化床锅炉飞 灰残炭生成机理 研究 1 热炭转化 2 0 0 0 2 3 0 1 9 2 5 6 L i Y o n g Y o e G u a n g x i L u J u n f u A n in v e s ti g a t i o n o f c a r b o n l a s s o f b o i l e r s b u r n in g h a r d c o a l s C I n D o n a ld W G e i l in g D o n a l d L B a n k e d s P r o c e e d i n g o f 1 6 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n F l u i d i ud日 e d Co mb u s t i o n AS ME 2 0 0 1 Ne v a d a C D 7 U Y Z h a n g 1 1 Q e t l A s t u d y o f t h e r e a c t iv i t y a n d f o c m a d o n o f t h e m b u r n t c a r b o n i n C F B f l y a s h e s J D e v e l o p ree n l s i n C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d Mi n e r a l P r o c e s s i n g 2 0 0 1 9 3 4 e 李玮琪 吕俊复 凌晓聪 等 循环流化床中飞灰碳形成的模型 研究 C 中国电机工程举会第四届 年学术会议论文翻 2 0 0 2 1 0 t 9 D a l l a s W T h o r p e l g b a l A b d u l a l l y A n u p d a t e o f o p e r a t i n g e z p e r ie n c e s b u r n i n g p e t r o l e u m c o k e i n a u t i li t y s c a l e C F B t h e NI S C O c o g e n e c a r i o n p r o je c t C I n P c e t o F D S e d P r o c e e d i n g s o f t h e 1 3 t h I n t e r n a t i o n a l C o