循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题_吕俊复

第 24卷 第 2期 2004年 4月 动力工程 POW ER EN GINEERING Vol 24 No 2 Apr 2004 收稿日期 2003 03 11 修订日期 2003 11 18 基金项目 国家 十五 攻关项目 200113A401A03 国家重点基 础研究发展规划项目 G2000026309 作者简介 吕俊复 1967 男 辽宁大连人 副教授 目前主要从 事循环流化床燃烧理论研究和技术开发 文章编号 1000 6761 2004 02 0170 05 循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题 吕俊复 1 张守玉 1 刘 青 1 张建胜 1 杨海瑞 1 岳光溪1 沈解忠 2 于 龙 3 1 清华大学 热能工程系 北京 100084 2 无锡华光锅炉股份有限公司 无锡 214026 3 哈尔滨锅炉有限责任公司 哈尔滨 150040 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 图 7表 2参 13 关键词 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 TK229 6 6 文献标识码 A Investigation of Carbon Content in Fly Ash in Circulating Fluidized Bed Boilers LU Jun fu 1 Z HANG Shou yu 1 LIU Qing 1 Z HANG Jian shen 1 YANG Hai rui 1 YUE Guang xi1 YU Long 2 1 Dept of Thermal Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 2 Wuxi Huaguang Boiler Works Co Ltd Wuxi 214026 3 Harbin Boiler Works Co Ltd Harbin 150040 China Abstract More attention have been paid on high carbon content in fly ash of coal firing Circulating Flu idized Bed CFB boilers The fly ashes from partial 220t h CFB boilers were collected and the carbon con tent for different size particles was measured The results show the ununiformity of residual carbon in dif ferent size particles The effects of coal rank cyclone and operation condition on the carbon content in fly ash were analyzed The results showed that char deactivation happens during char burnout in fluidized bed combustion condition The behavior of char during combustion such as fragmentation deactivation was connected with coal kind which influences the carbon content in fly ash The bad gas solids mixing are one of the important causes of the higher carbon content in fly ash Figs7 tables 2 and refs 13 Key words power and mechanical engineering circulating fluidized bed carbon content in fly ash reac tivity gas solids mixing 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 80年代即已开始发 展循环流化床锅炉 至今已有超过 800台循环流化 床锅炉运行 绝大多数小容量循环流化床锅炉 35 130t h 采用中国自己的技术 220t 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 1 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性燃料的实践表 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 无烟煤以及矸石等劣质燃料 飞灰含碳量 比期望值要高出许多 2 尤其是低挥发份高热值燃 料 燃烧效率更低 3 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 40 50 m的颗粒相对难燃尽 4 燃料本身燃烧 反应活性对飞灰含碳量有重要影响 5 6 7 不同煤种 对应的飞灰含碳量分布有差异 6 8 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量 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 40 50 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 图 1 不同粒径飞灰含碳量的分布 Fig 1 Distribution of carbon content in fly ash 尽管 1台循环流化床锅炉可被设计用于燃烧几 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 220t 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 220t h循环流化床锅炉飞灰含碳量及其运行 条件 Table 1 Carbon content in fly ash of 220t h CFB boilers and their operation parameter 锅炉数 床温 炉膛出口过量 空气系数 飞灰含 碳量 流化速 度 m s 炉膛 高度 m A880 9051 2117 175 1929 4 B880 9051 2313 745 2329 4 C 860 8901 238 915 0529 7 D 880 9101 227 054 7528 8 E 892 9151 218 724 2229 5 F 900 9151 2622 204 7529 5 G885 9001 318 383 9430 2 H900 9101 246 793 9428 5 I890 9001 256 914 2128 5 J890 9201 288 724 2529 5 K875 8851 326 304 8529 5 L880 9001 265 614 8528 6 M890 9151 265 304 9329 4 N880 9001 2618 015 1229 4 O 875 8951 265 015 0829 4 P 900 9301 2527 124 8929 2 Q 860 8901 2616 315 0730 2 2 煤种和飞灰含碳量关系 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 Thorpe公布的数据基本一致 9 总之 循环流化床锅 炉中大型分离器的切割粒径 50 似乎很少低于 100 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 171 第 2期吕俊复 等 循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题 表 2 锅炉燃用煤种的工业分析和元素分析 Table 2 The property of the coals fired in the 220t h CFB boilers 锅炉数CarHarOarNarSarAarMarVdafQar net p M J kg A61 503 067 390 670 6614 3012 4221 4922 76 B54 752 736 580 600 8216 3218 2020 5520 52 C52 913 337 200 810 849 0025 9122 5119 83 D 53 252 825 741 040 6530 595 9228 8820 80 E 49 452 826 301 000 5532 387 5030 5219 87 F 55 112 905 611 110 6126 278 4211 2521 00 G52 752 746 070 990 7328 028 7027 7920 10 H43 683 645 802 240 5132 9111 2435 5418 00 I44 292 826 301 000 5537 857 1946 6517 10 J49 452 826 301 000 5532 387 5030 5218 84 K47 822 914 540 950 5635 257 9729 9318 82 L44 153 857 451 011 1334 597 8240 5818 00 M31 283 498 180 440 1048 038 4845 5813 13 N58 492 974 460 660 5825 237 6113 0021 56 O 38 483 577 790 550 2143 825 5849 5915 90 P 61 711 331 810 440 7228 825 175 9821 39 Q 60 372 907 320 660 7511 3416 6619 2822 70 图 2 飞灰粒径分布范围 Fig 2 Fly ash particle size distribution 表 1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 Vdaf Qar net p g M J 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 图 3 飞灰含碳量随煤质指标 Vdaf Qar net p 的变化 Fig3 The Carbon content in fly ash vs coal index defined as Vdaf Qar net p 未燃碳损失减小 但飞灰含碳量相比煤粉炉仍要高 出许多 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 10 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 10 1 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 172 动 力 工 程第 24卷 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 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 10 30min 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 50 200 焦炭因热处理引起 的反应性下降实际不需要 10 30min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 图 4 焦碳反应性随停留时间的下降 Fig 4 Char reactivity with resident time 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 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 11 12 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 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 13 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 11 图 6 图 5 循环流化床锅炉中的贫氧芯 Fig 5 The lean Ox yg en core in CFB furnace 图 6 二次风穿透深度提高后飞灰含碳量的下降 Fig6 The Carbon content in fly ash decreased by improv ement of secondary air nozzles 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 173 第 2期吕俊复 等 循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题 图 7 给煤 飞灰粒度及飞灰含碳量分布比较 a 给煤粒度分布 b 飞灰粒度分布 c 飞灰 中含碳量分布 Fig 7 Comparsion of particle size distribution of feed coal fly ash and carbon content a Feed coal particle size distribution b Fly ash particle size distribution c Distribution of carbon content in fly ash 4 结论 1 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 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验室开放基金 资助 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 1998 6 6 50 2 周一工 流化床燃烧技术在煤燃烧领域的地位 J 电力建设 1998 1 3 7 3 王智微 张岩丰 张彦军 循环流化床锅炉燃料适应性的研究 分析 J 锅炉制造 2002 1 1 3 4 郑恰余 刘信刚 金 燕 循环流化床锅炉燃烧事内焦炭离子燃 烧特性的研究 J 工程热物理学报 1995 16 1 106 110 5 于广辉 路霁 岳光溪 循环流化床锅炉飞灰残炭生成机理 研究 J 煤炭转化 2000 23 3 19 25 6 Li Yong Yue Guangxi Lu Junfu et al An inv estigation of carbon loss of boilers burning hard coals C In Donald W Geiling Donald L Bonk eds Proceeding of16th International Conference on Fluidized Bed Combustion ASM E 2001 Neva da CD 7 Li Y Zhang J Liu Q et al A study of the reactivity and for mation of the unburnt carbon in CFB fly ashes J Develop ments in Chemical Engineering and Mineral Processing 2001 9 3 4 8 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 中国电机工程学会第四届青年学术会议论文集 2002 10 9 Dallas W Thorpe Iqbal Abdulally An update of oper