循环流化床煤泥煤矸石混烧应用

1 煤泥 煤矸石混烧在煤泥 煤矸石混烧在 220t h 循环流化床锅炉中的工业应用循环流化床锅炉中的工业应用 张月军 1 张桂英1 胡亦工1 1 山东电力工程咨询院 山东 济南 250013 内容摘要 内容摘要 本文计算并分析了混烧比例在较大范围内波动时 对燃烧系统诸参数的影响 根据浙 江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室的实验公式 通过计算 分析混烧煤泥煤矸石时 燃料投入次序不同对启动的影响 提出了机组启动时的投入燃料次序要求 先投入原煤燃烧 其次是 煤矸石和煤泥 关键词 关键词 煤泥 煤矸石 混烧 循环流化床 1 绪论绪论 随着煤炭洗选工业的迅速发展 我国每年排放的煤矸石和洗煤泥量也有了很快的 增长 人们往往将废弃的煤矸石堆积起来 占用了大量的土地资源 若将煤矸石投入 循环流化床锅炉燃烧 则在利用了低质能源的同时又处理了煤矸石 对煤矿企业有很 好的经济效益和社会效益 煤泥遇水即流失 风干即飞扬 极易造成对周围环境的污 染 因而掺烧煤泥不再仅仅是利用低质能源 更在于其环保意义 洗煤泥的处理极为复杂 国外有的采用煤泥回填的方式 有的采用循环流化床燃 烧的方式 但由于在采用流化床燃烧时 遇到了很多技术上的问题 比如说 煤泥的 输送问题 煤泥的杂物处理问题以及煤泥在流化床内燃烧时流化不充分的问题等 总 的来说 输送问题在德国研究比较多 也较为成熟 工业应用也较多 其煤泥泵输送 方案得到了很好的应用 杂物处理不当 能直接危害煤泥系统的安全运行 但由于煤 泥是一些极为粘稠的混合物 过滤极为不易 现在还没有很好的可行的方案来处理杂 物 只能采用人工将较大的杂物取出 针对煤泥在流化床内燃烧时流化不充分的问题 浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室及热能工程研究所进行了一些基 础性研究 但在基础理论的应用分析及对工业应用中出现的一些具体问题的分析研究 方面较为缺乏 当然导致这种情况的主要原因是煤泥煤矸石混烧在全国的应用比较少 其次电厂运行中发现的一些实际困难问题 并不能很好地与研究部门相协调处理 在 查阅国外的研究文献时 也发现这一方面的文献非常少 本课题的由来 是由于南屯 三期工程在实际运行过程中 发现投入煤泥后 锅炉结渣严重 经厂家 电厂方多次 分析造成这种情况的原因 没有找到很好的方案 作者在翻阅相关文献时 对相关问 题特别感兴趣 就注意收集相关资料 分析相关问题 全面结合南屯四期实际设计工 作的有利条件 分析研究了相关问题 并延伸出了更多的问题和思考 本文参考中外 合资山东兖矿科澳南屯四期工程设计及中外合资山东兖矿科澳南屯三期工程运行的实 际情况进行了以下两个问题的分析研究 一 煤泥煤矸石混烧对燃烧系统的影响 重点是根据南屯电厂提供的原始数据 厂 家提供的原始资料 运用相关的计算公式 计算在煤泥煤矸石混烧与纯烧原煤的情况 下以及在混烧比例不同的情况下 对燃料消耗量 理论空气量 石灰石消耗量 烟量 2 风量等的影响 二 煤泥煤矸石混烧对流化床燃烧及结渣的影响 重点是运用浙江大学能源洁净利 用与环境工程教育部重点实验室的实验公式 依据电厂提供的原始数据 计算分析了 物料流化的状态 深入分析了煤泥凝聚结团的特性 计算出了煤泥的最小粒度要求 通过计算 分析混烧煤泥煤矸石时燃料投入次序不同对启动的影响 提出了机组启动 时的投入燃料次序要求 2 参考工程概况 参考工程概况 中外合资山东兖矿科澳南屯四期工程 1X50MW 安装一台 220t h 高温高压循环 流化床锅炉 采用引进 Alstom 公司技术 哈锅制造的循环流化床锅炉 中外合资山东 兖矿科澳南屯三期工程的基本情况与四期一致 不同的是四期设计煤种是原煤 40 煤泥 25 煤矸石 35 而三期设计煤种是煤泥 25 煤矸石 75 锅炉技术规范 型号 HG 220 98 L M 锅炉额定蒸发量 220t h 过热蒸汽出口压力 表压 9 81MPa 100kgf cm2 过热蒸汽温度 540 给水温度 215 预热器进口温度 25 锅炉效率 89 85 制造厂 哈尔滨锅炉有限责任公司 3 洗煤泥与煤矸石混烧对燃烧系统的影响洗煤泥与煤矸石混烧对燃烧系统的影响 3 1 煤种特性 3 1 1 洗煤泥特性 洗煤泥是煤洗选过程中的废弃物 其特点是颗粒很细 一般颗粒小于 0 5mm 水 分高 灰分高 粘度大 不易运输 而且在堆积状态下形态也极不稳定 各矿所产生洗煤泥成分差别较大 南屯矿的洗煤泥成分为 项目名称符 号 单 位 数值项目名称符号单位数值 收到基碳Car 46 11收到基氢Har 3 14 收到基氧Oar 6 05收到基氮Nar 0 86 收到基硫St ar 0 43收到基灰份Aar 20 76 收到基水份Mt 22 65低位发热值Qnet arkJ kg17480 干燥无灰基 挥发份 Vdaf 22 35 3 灰软化温度T1 1400灰变形温度T2 1400 灰流动温度T3 1400 3 1 2 煤矸石特性 煤矸石也是采矿过程中的废弃物 其发热量很低 颗粒大 易脱水 便于运输 在堆积状态下也比较稳定 除占用土地外 对环境影响不大 南屯矿的煤矸石成分为 项目名称符 号 单位数值项目名称符号单位数值 收到基碳Car 30 46收到基氢Har 2 07 收到基氧Oar 8 20收到基氮Nar 0 52 收到基硫St ar 0 62收到基灰份Aar 53 83 收到基水份Mar 4 3低位发热值Qnet arkJ kg11182 干燥无灰基 挥发份 Vdaf 43 32 灰软化温度T1 1400灰变形温度T2 1400 灰流动温度T3 1400 3 2 25 煤泥与 75 煤矸石混烧与纯烧原煤的比较 3 2 1 燃烧计算的原始数据 南屯采用原煤的成分为 项目名称符号单位数值项目名称符号单位数值 收到基碳Car 62 92收到基氢Har 3 95 收到基氧Oar 7 84收到基氮Nar 1 13 收到基硫St ar 0 56收到基灰份Aar 13 9 收到基水份Mt 9 7低位发热值Qnet arkJ kg24732 干燥无灰基 挥发份 Vdaf 38 73 灰软化温度T1 1400灰变形温度T2 1400 灰流动温度T3 1400 25 煤泥与 75 煤矸石混合后的成分 项目名称符号单位数值项目名称符号单位数值 收到基碳Car 34 37收到基氢Har 2 34 收到基氧Oar 7 66收到基氮Nar 0 61 收到基硫St ar 0 57收到基灰份Aar 45 56 4 收到基水份Mt 8 89低位发热值Qnet arkJ kg12757 干燥无灰基 挥发份 Vdaf 38 08 灰软化温度T1 1400灰变形温度T2 1400 灰流动温度T3 1400 循环流化床锅炉的基本参数 序号内容符号单位设计依据数值 锅炉型号及参数 1锅炉型号 2蒸发量Dgrt h 锅炉厂资料220 3过热蒸汽温度tgr 锅炉厂资料540 4过热蒸汽压力PgrMPa 锅炉厂资料9 8 5过热蒸汽焓igrkJ kg 查水蒸汽表3477 16 6汽包工作压力PHMPa 锅炉厂资料10 8 7排污水焓ipwkJ kg 查水蒸汽表1442 8排污率 pw 锅炉厂资料0 02 9给水温度tgs 锅炉厂资料215 10 给水压力PgsMPa 锅炉厂资料11 02 11 给水焓igskJ kg 查水蒸汽表923 6 12 锅炉效率 gl 锅炉厂资料89 85 13 锅炉脱硫效率 tl Esor 锅炉厂资料90 7 14 钙 硫摩尔比Ca S R 锅炉厂资料2 1 15 空预器出口风温tky 锅炉厂资料182 16 空预器进口风温tky 锅炉厂资料25 17 排烟温度tpy 锅炉厂资料138 18 化学未完全燃烧损失q3 锅炉厂资料 19 机械未完全燃烧损失q4 锅炉厂资料3 11 20 炉膛出口过剩空气系数 l 锅炉厂资料1 2 21 炉膛漏风系数 l 锅炉厂资料0 0 22 炉膛飞灰系数 fh 锅炉厂资料0 4 空预器出口过剩空气系数 py 锅炉厂资料1 20 5 3 2 2 燃料消耗量及理论空气量的计算比较 燃料消耗量 Bg gr igr igs pw ipw igs Q p gl 原煤 Bg 25 383t h 混烧 Bg 49 213t h 计算燃料消耗量 Bj Bg 100 q4 100 原煤 Bj 24 594t h 混烧 Bj 47 682t h 理论空气量 V0 0 0889 Car 0 375Sar 0 265Har 0 0333Oar 原煤 V0 6 573 Nm3 kg 混烧 V0 3 439 Nm3 kg 3 2 3 石灰石消耗量的计算比较 序号内容符号单位计算公式数值数值 石灰石消耗量的计算 原煤 混烧 1碳酸钙的分子量CaCO3 100 100 2硫的分子量S 32 32 3碳酸钙与硫的分子量比 CaCO3 S3 125 3 125 4石灰石消耗量Bst hBs Ca S Sar CaCO3 Bg1 005 1 992 3 2 4 烟量的计算比较 序号内容符号单位计算公式数值数值 烟量的计算 原煤 混烧 1理论氮气量VN20 Nm3 kg VN20 0 79V0 0 008Nar 5 063 2 722 2理论三原子量VRO20 Nm3 kg VRO20 1 866 Car 0 375Sar 100 1 178 0 645 3理论水蒸汽量VH2O0 Nm3 kg VH2O0 0 111Har 0 0124Mar 0 01 61V0 0 662 0 425 4理论烟气量Vy0 Nm3 kg Vy0 VN20 VRO2 VH2O0 6 903 3 792 5理论干烟气量Vg0 Nm3 kg Vg0 VN20 VRO20 6 241 3 367 6实际烟气量Vy Nm3 kg Vy y0 1 0161 py V0 8 203 4 491 7实际干烟气量Vg Nm3 kg Vg g0 py V0 7 521 4 055 3 2 5 风量分配比较 项目名称单位原煤混烧 空预器进口计算一次风量Kg s34 435 443 计算二次风量 含给煤机和给煤口密 封风 Kg s28 6530 948 流化器流化风量Kg s1 11 1 冷渣器冷却风量Kg s2 92 95 6 给煤机密封风风量 含在二次风量中 Kg s1 241 24 石灰石输送风Kg s0 350 35 结论 煤泥煤矸石混烧与纯烧原煤相比较而言 对燃煤消耗量 石灰石消耗量 烟风量及一 二次风量影响很大 对各杂项用风影响较小 见下表 燃煤量 t h 烟气量 Nm3 kg 一次风量 Kg s 二次风量 Kg s 石灰石耗量 t h 纯烧原煤25 3836 90334 428 651 005 煤泥煤矸石混烧49 2133 79235 44330 9481 992 综上所述 如果流化床锅炉设计煤种是原煤 而改烧煤泥煤矸石的话 给煤系统 石灰石系统 烟风系统应重新改造 若不然 耗煤量 耗石灰石量 烟风量变化太大 系统运行不经济 也不安全 3 3 混烧比例不同的比较 我们比较一下 25 煤泥 75 煤矸石混烧与 40 煤泥 60 煤矸石混烧的计算结 果 在以下的比较过程中 25 煤泥 75 煤矸石混烧简称为混烧 1 40 煤泥 60 煤矸石混烧简称混烧 2 3 3 1 40 煤泥与 60 煤矸石混合后的成分 项目名称符号单 位 数值项目名称符号单位数值 收到基碳Car 36 72收到基氢Har 2 50 收到基氧Oar 7 34收到基氮Nar 0 66 收到基硫St ar 0 54收到基灰份Aar 40 60 收到基水份Mt 11 64低位发热值Qnet arkJ kg13701 干燥无灰基挥发份Vdaf 34 93 灰软化温度T1 1400灰变形温度T2 1400 灰流动温度T3 1400 3 3 2 燃料消耗量及理论空气量的计算比较 燃料消耗量 Bg gr igr igs pw ipw igs Q p gl 混烧 1 Bg 49 213t h 混烧 2 Bg 45 82t h 计算燃料消耗量 Bj Bg 100 q4 100 混烧 1 Bj 47 682t h 混烧 2 Bj 44 395t h 理论空气量 V0 0 0889 Car 0 375Sar 0 265Har 0 0333Oar 混烧 1 V0 3 439Nm3 kg 混烧 2 V0 3 700Nm3 kg 7 3 3 3 石灰石消耗量的计算比较 石灰石消耗量的计算 混烧 1 混烧 2 1碳酸钙的分子量CaCO3 100100 2硫的分子量S 3232 3碳酸钙与硫的分子量比 CaCO3 S3 1253 125 4石灰石消耗量Bst hBs Ca S Sar CaCO3 Bg1 9921 763 3 3 4 烟量的计算比较 序号内容符号单位计算公式数值数值 烟量的计算 混烧 1 混烧 2 1理论氮气量VN20 Nm3 kg VN20 0 79V0 0 008Nar 2 722 2 928 2理论三原子量VRO20 Nm3 kg VRO20 1 866 Car 0 375Sar 100 0 645 0 689 3理论水蒸汽量VH2O0 Nm3 kg VH2O0 0 111Har 0 0124Mar 0 0161 V0 0 425 0 481 4理论烟气量Vy0 Nm3 kg Vy0 VN20 VRO2 VH2O0 3 792 4 099 5理论干烟气量Vg0 Nm3 kg Vg0 VN20 VRO20 3 367 3 617 6实际烟气量Vy Nm3 kg Vy y0 1 0161 py V0 4 491 4 850 7实际干烟气量Vg Nm3 kg Vg g0 py V0 4 055 4 357 3 3 5 风量分配比较 项目名称单位混烧 1混烧 2 空预器进口计算一次风量Kg s35 44335 38 计算二次风量 含给煤机和给煤口 密封风 Kg s30 94830 9 流化器流化风量Kg s1 11 1 冷渣器冷却风量Kg s2 952 95 给煤机密封风风量 含在二次风 量中 Kg s1 241 24 石灰石输送风Kg s0 350 35 结论 当混烧比例在较大范围内波动时 对燃煤消耗量 石灰石消耗量 烟风量 及一 二次风量 各杂项用风影响都很小 在实际运行中这种影响完全可以接受 综上所述 若流化床锅炉设计为煤泥煤矸石混烧 在煤泥或煤矸石单种燃料供应 不足时 可适当调整燃烧比例 对给煤系统 石灰石系统 烟风系统基本没有影响 4 煤泥煤矸石混烧对流化床启动的影响煤泥煤矸石混烧对流化床启动的影响 8 浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室为了描述流化床内的物料分布 引入中间混合指数 M1 M1 Cs Cs Cx a 式中 Cs Cx 分别指流化床内上半层和下半层大颗粒的相对分布密度 M1 的物理含义为大颗粒在上半层内的质量百分数 M1 1 2 表明颗粒在床内混合 均匀 M1 1 2 大颗粒在床内呈上浮趋势 M1 1 2 大颗粒在床内呈下沉趋势 通过下式 可计算出物料的大致分布情况 M1 0 514 1 5458 0 55e 1 3 Rd 1 Rp 0 45 b 式中 Rd 为相对粒度 Rp 为相对密度 相对是指物料相对床料 4 1 物料相对床料煤矸石渣的相对密度计算 煤泥的真实密度 序号项目内容符 号 单位公式计算结 果 1煤泥的干燥无灰基碳量Cdaf Cdaf 100Car 100 Mar Aar 81 481 2煤泥的干燥无灰基氢量Hdaf Hdaf 100Har 100 Mar Aar 5 549 3煤泥的有机质比重 jt m3 j 100 0 334Cdaf 4 25Hdaf 23 1 355 4煤泥的干燥基灰分Ad Ad 100Aar 100 Mar 26 839 5煤泥的真正比重 zht m3 zh 100 j 100 Ad 1 j 2 9 1 581 煤矸石的真实密度 序号项目内容符号单位公式计算结 果 1煤矸石的干燥无灰基 碳量 Cdaf Cdaf 100Car 100 Mar Aar 72 749 2煤矸石的干燥无灰基 氢量 Hdaf Hdaf 100Har 100 Mar Aar 4 944 3煤矸石的有机质比重 jt m3 j 100 0 334Cdaf 4 25Hdaf 23 1 464 4煤矸石的干燥基灰分Ad Ad 100Aar 100 Mar 56 249 5煤矸石的真正比重 zht m3 zh 100 j 100 Ad 1 j 2 9 1 892 渣的真实密度 约 2 0 t m3 物料煤矸石相对床料煤矸石渣的相对密度 Rp 1 892 2 0 0 946 物料煤泥相对床料煤矸石渣的相对密度 Rp 1 581 2 0 0 7905 4 2 物料相对床料煤矸石渣的相对粒度计算 9 项目名称煤泥煤矸石原煤启动床料 煤粒尺寸 最大 5mm 2mm 1mm 0 5mm 0 1mm d50 细颗粒小于 0 5mm8 96 60 30 10 3 1 8mm 8 96 60 30 10 3 1 8mm 100 98 30 0 15mm 物料煤矸石相对床料煤矸石渣的相对粒度 Rd 8 8 1 物料煤泥团相对床料煤矸石渣的相对粒度 Rd 100 8 12 5 物料煤泥团相对启动床料的相对粒度 Rd 100 1 100 通过公式 b 可计算出煤矸石的中间混合指数 M1 0 514 1 5458 0 55e 1 3 Rd 1 Rp 0 45 0 514 1 5458 0 55e 1 3 1 1 0 946 0 45 0 60 也就是说 物料煤矸石在流化床锅炉中有轻微上浮的趋势 4 3 煤泥煤矸石混烧对锅炉启动的影响 1 在机组启动时 如果煤矸石为物料 沙子为床料 则情况如下 物料煤矸石相对床料沙子的相对密度 Rp 1 892 2 5 0 7568 物料煤矸石相对床料沙子的相对粒度 Rd 5 1 5 则计算得 M1 0 2637 说明此时煤矸石有较大的下沉趋势 2 在机组启动时 如果原煤为物料 沙子为床料 则情况如下 物料原煤相对床料沙子的相对密度 Rp 1 501 2 5 0 6 物料原煤相对床料沙子的相对粒度 Rd 5 1 5 则计算得 M1 0 506238 说明此时原煤与床料流化状态很好 3 在机组启动时 如果煤泥为物料 沙子为床料则情况如下 假定煤泥团粒径在 25mm 以内 已能满足正常运行要求 物料煤泥相对床料的相对密度 Rp 1 581 2 5 0 6324 物料煤泥团相对启动床料的相对粒度 Rd 25 1 25 则计算得 M1 0 2323 10 说明此时煤泥团比煤矸石有更大的下沉趋势 通过以上比较分析得出 为了保证循环流化床的流化状态 在锅炉点火启动时 投入燃料是有次序要求的 先投入原煤燃烧 其次是煤矸石和煤泥 如果改变投入次 序 极易造成流化状态的恶化 启动时造成流化床底部结渣 以及冷渣器内的二次燃 烧 综上所述 混烧煤泥煤矸石应注意的问题有 1 混烧煤泥煤矸石时 对机组启动时的投入燃料次序有要求 先投入原煤燃烧 其 次是煤矸石和煤泥 5 结论结论 5 1 煤泥与煤矸石可在较宽广的范围内掺混 成功用于循环流化床锅炉的燃烧 5 2 煤泥煤矸石混烧与纯烧原煤相比较而言 对燃煤消耗量 石灰石消耗量 烟 风量及一 二次风量影响很大 但对各杂项用风影响较小 这一点使得煤泥煤矸石混 烧锅炉的烟风系统的设计 风机和其他辅机的选型等与燃用常规燃料的锅炉产生重要 区别 5 3 当混烧比例在较大范围内波动时 对燃烧系统诸参数的影响很小 在实际运 行中这种影响完全可以接受 因此 若对于煤泥煤矸石混烧的循环流化床锅炉 在煤 泥或煤矸石单种燃料供应不足时 可适当调整燃烧比例 而基本不会影响给煤系统 石灰石系统 烟风系统的工作 5 4 作者根据浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室的实验公式分 析 在混烧煤泥煤矸石时 对机组启动时的投入燃料次序有要求 先投入原煤燃烧 其次是煤矸石和煤泥 11 参考文献参考文献 1 吴正舜 申莉 刘德昌 循环流化床锅炉操作特性的研究 刊 中 热力发电 2002 31 5 37 38 41 2 姚西增 吉宪磊 循环流化床技术的发展现状 刊 中 西北电力技术 2002 30 3 42 43 60 3 陈干锦 循环流化床锅炉在我国的发展 刊 中 锅炉技术 2002 33 7 1 6 4 方德山 冷伟 徐治皋 循环流化床锅炉炉内压降分布及物料粒径分布的计算 刊 中 锅炉技术 2002 33 2 14 18 27 5 郭平 王博录 于海 循环流化床锅炉燃用浓煤泥输送系统技术经济分析 刊 中 发电设备 2002 6 15 17 6 王智微 吴晓玲 冷洪川 循环流化床锅炉物料分布特征分析 刊 中 热电技术 2002 3 7 9 17 7 高正阳 方立军 周健 混煤燃烧特性的热重试验研究 刊 中 动力工程