330MW循环流化床锅炉运行优化

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330MW循环流化床锅炉运行优化

作者: 山东成远实业有限公司

　　循环流化床(CFB)锅炉以其优越的综合环保特性､燃料适应性和良好的运行性能受到广泛欢迎,并得到了迅速发展｡最近十多年,CFB机组的大型化取得了突破性的进展｡随着法国Gardanne电厂的250MWCFB锅炉,波兰Turow电厂的235MWCFB锅炉以及韩国Tonghan电厂的220MWCFB锅炉的相继投运,CFB锅炉正式成为大型电站锅炉中的重要一员｡

2003年,东方､上海和哈尔滨三大锅炉厂联合引进了ALSTOM的大型CFB锅炉技术,随后分别完成了多台300MW等级CFB锅炉的设计和制造,成功实现了对引进技术的消化和吸收｡引进型300MWCFB锅炉技术以四川白马电站锅炉为代表,采用裤衩腿型炉膛,两侧对称布置4个绝热旋风分离器和4个外置式换热器｡外置换热器内分别布置过热器和再热器受热面,通过调节外置换热器的入口灰流量可以方便地调节炉膛内床温和再热汽温｡

东方锅炉厂针对ALSTOM技术中裤衩腿型炉膛风烟系统自动控制困难,容易发生翻床事故的特点,在300MW等级CFB设计中采用简约型布置,将炉膛改回了单炉膛单布风板结构,彻底避免了运行翻床事故,还将一次风机压头降低了5kPa;通过在炉膛中设置屏式受热面,取消了外置式换热器,从而避免了复杂的运行操作和检修困难,节省了耗钢量,降低了锅炉的制造成本和厂用电耗｡另外还采用汽冷分离器取代绝热分离器,较好地解决了分离器超温的问题｡

随着电力工业节能环保标准的提高,循环流化床机组也逐渐增加炉外脱硫,脱硝等设备,加上一次风机等耗电较多,循环流化床锅炉运行经济性差､污染物排放等问题尤为突出｡自2010年建成投产以来,国华宁东电厂在提高运行经济性和环保性方面开展了大量有益的探索｡本文根据国华宁东电厂2×330MWCFB锅炉投产近三年来的运行调整经验,分别从床压､床温调整,入炉煤粒径的控制,风量的调整上给出了提高锅炉经济运行优化的方法｡

设备概况

宁夏国华宁东发电有限责任公司(下称宁东电厂)配套2×330MW亚临界自然循环､一次中间再热､汽冷式旋风分离器､单炉膛､平衡通风､固态排渣的循环流化床锅炉,东方锅炉厂制造,型号为DG1177/17.5-Ⅱ3｡锅炉前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置10个给煤口,炉膛底部是由水冷壁管弯制围成的水冷风室,进风型式为两侧进风｡燃烧空气分为一､二次风,分别由炉底和前､后墙送入,约占总风量35%的一次风作为一次燃烧用风和床内物料的流化介质送入;二次风在前､后墙沿炉高方向上分两层布置,以保证提供给煤粒足够的燃烧用空气并参与燃烧调整｡同时,分级布置的二次风在炉内能够营造出局部还原性气氛,从而抑制氮氧化物的生成｡在炉前下部布置4个石灰石口(石灰石口布置在前墙下二次风管内),将粉状石灰石注入燃烧室,与燃烧过程中的SO2反应,实现炉内脱硫｡

床压､床温的调整

2.1床压的调整

床压是指布风板上物料密相区的压力,反映了此处(一般距离布风板50~100mm)物料的分布情况｡增大床压一方面使炉膛内物料浓度增加,导致颗粒在炉膛互相碰撞的频率增加,煤颗粒在炉内的停留时间延长,提高燃料的燃烬率,降低飞灰含碳量｡但另一方面密相区物料浓度的增加,降低了二次风的穿透能力,使得进入中央贫氧区的氧气减少;同时一次风机等需要更高压头克服系统阻力,风机电耗随之上升｡因此床压的调整对锅炉的经济运行有重要影响,合理的床压应使床温较为均匀,锅炉具备带额定负荷能力,且风机电耗尽可能低,锅炉效率尽可能高｡

床压受布风板阻力､一次流化风量､负荷等影响较大｡布风板阻力主要是风帽的阻力决定的,而风帽阻力和一次流化风量成正向关联,因此正常运行中布风板阻力对床压的影响主要在于控制一次流化风量｡在保证正常流化的情况下,应控制较低的一次流化风量以期获得较小的布风板阻力和床压｡低负荷时床压应适当低些有利于在较低的流化风量时物料即能充分流化;高负荷时床压应适当高些有利于防止床温偏差大,避免局部流化不良造成结焦,实现正常的灰循环和带负荷能力｡宁东电厂低负荷时调整一次流化风量330kNm3/h左右,控制床压在7.5~8.0kPa;满负荷时调整一次流化风量380kNm3/h左右,控制床压在8.0~8.5kPa,此种运行方式对降低飞灰含碳量､降低各风机电耗效果明显,能很好地提高锅炉效率｡

对于特定煤种(灰分､成灰特性确定),在风量不变条件下,床压直接反应了炉内物料浓度,床压的增大可使炉内物料浓度增加,而炉内物料中有相当比例的CaO存在,增大了脱硫反应的发生几率,有利于提高石灰石的利用率;同时,更高的飞灰浓度还有利于降低飞灰可燃物含量｡因此建议在运行过程中,适当提高床压以获得较高的脱硫效率,如煤质变差时可适度降低床压,避免因冷渣器故障引起排渣不畅等事故｡

床温对石灰石的脱硫效率也有着重要影响｡一般认为燃烧温度在850~860℃左右时达到较高的脱硫效率;燃用无烟煤时,综合燃烧效率的因素,床温可稍微高一些,一般可控制在900℃左右,可以取得较好的脱硫效率｡运行中人工干预调整10台给煤机的给煤量,使床温最高点不超过940℃,平均床温909℃,见图1所示｡

2.2 床温的调整

循环流化床的床温稳定是锅炉安全､经济运行的关键｡床温主要与锅炉负荷､运行风量配比､入炉煤和石灰石粒径分布等运行因素有关｡床温升高有利于碳的反应活性提高,煤的燃烬时间将变短,在一定的停留时间内煤的燃烧效率会提高,同时有利于飞灰和底渣的含碳量的降低｡但从降低氮氧化物排放和防止炉内结焦考虑,床温又不能过高｡宁东电厂入炉燃料的变形温度只有1200℃,而炭颗粒的中心燃烧温度通常比床温高150~200℃,这就意味着实际炭颗粒的燃烧温度在1100~1150℃,已接近燃料的变形温度,如果温度控制不当,则存在着结焦的风险｡CFB锅炉床温一般控制在850~950℃｡

在满负荷工况下,各播煤口给煤量相同时,炉膛两侧床温差别较大,右侧床温明显高于左侧｡由于炉膛出口在宽度方向上为非对称布置,若以炉膛几何中心线为界,则左侧炉膛有两个出口,右侧炉膛只有一个出口｡因为炉膛中心线左右侧流动阻力不同,所以左侧炉膛内的烟气流通量明显高于左侧炉膛｡从风量影响的角度,左侧风量高于右侧,因此左侧床温较低;由于风量的偏差会引起两侧炉膛内流动状态的偏差,从床压影响的角度,左侧炉膛上部物料浓度(炉膛上部差压)略高于右侧炉膛,因此左侧炉膛上部受热面吸热量也比左侧大｡

入炉煤和石灰石粒径的调整

3.1 入炉煤粒径

根据循环流化床锅炉的燃烧特点,要求入炉煤的颗粒粗细有一定范围,颗粒级配有合理的比例｡高挥发分煤粒径应粗大,因为高挥发分煤在炉内燃烧时更容易爆裂和破碎成细颗粒,且相对更容易燃烬｡宁东电厂燃煤以烟煤为主,燃煤发热量一般在3800~4200kcal/kg,干燥无灰基挥发分在30%左右;原煤采用二级破碎,但煤质变化较大,煤中掺杂的石头等杂物较多｡破碎后粒径过细会造成炉膛上部温度偏高,以至超出旋风分离器临界粒径的份额增多而导致飞灰含碳量增加,影响机组带负荷能力;粒径过粗会造成运行风量过大､磨损严重和局部流化不良等后果｡根据设计要求,一般控制入炉煤颗粒的中位粒径d50为1.8~2.0mm,最大粒径<12mm｡

3.2 石灰石粒径

石灰石粒度对CFB锅炉脱硫性能有着重要的影响,粒度过细则旋风分离器对细颗粒不能捕捉,不利于实现脱硫剂的循环反复利用;石灰石粒径过粗,不利于石灰石的输送,易导致现场石灰石输送管道堵塞｡不同粒径石灰石对炉内脱硫影响见表1｡

根据表1中工况1､工况2的对比结果:随着石灰石量的增加,SO2排放没有明显降低的趋势,且SO2排放仍然较高,与内脱硫一般规律不符｡根据飞灰粒径分析结果,中位径d50=30.01μm,dmax<177μm,工况1和工况2使用的石灰石粒径比飞灰粒径还要细,分离器无法将这种细度的石灰石分离下来;石灰石由二次风口进入炉膛后,还没有充分与SO2发生反应就已飞出炉膛进入尾部烟道,循环利用的较少导致脱硫效率低下｡

对比改变石灰石粒径后的工况3和工况4,石灰石耗量明显降低,脱硫效率明显提高,最高可达93%,SO2(折算到6%氧量下)排放为187.5mg/m3｡对比工况4,则由于石灰石颗粒过粗导致输粉系统运行不正常,脱硫效率偏低｡因此为保证较高的脱硫效率和石灰石系统的正常运行,炉内脱硫石灰石的中位径d50宜控制100μm左右｡

风量的调整

4.1对锅炉效率的影响

CFB锅炉燃烧总风量为一次风量与二次风量之和｡一次风主要是由通过布风板的流化风和播煤风组成｡流化风的作用是保证床料的正常流化并提供燃料挥发分和一部分焦炭燃烧所需要的氧气｡播煤风主要是保证燃料可以正常的进入炉膛｡二次风则是提供了大部分焦炭燃烧所需要的氧气｡

宁东电厂1号炉燃用的煤种属于易着火易燃烬型,燃料的爆裂性好,较小的过量空气系数就可以满足其燃烬需要,且固体不完全燃烧热损失随燃烧总风量及排烟氧量的减小逐渐降低｡排烟热损失随燃烧总风量及排烟氧量的增加而增大｡较大的燃烧总风量会导致实际烟气体积的增加,烟气带走的热量也会随之增加,从而导致排烟损失增大｡风量变化对锅炉效率及电耗影响见表2｡

从表2可见,锅炉热效率随燃烧总风量及排烟氧量的增加而减小｡较大的燃烧总风量对燃料的燃烬特性影响不大,反而会导致较高的烟气速度,使得颗粒在炉膛中停留时间减少,并增大锅炉炉内受热面磨损的风险｡而且总风量降低之后一次､二次风机和引风机总电耗由1350A降低至1253A,大大节省了厂用电消耗｡

4.2 对污染物排放的影响

适宜的风量配比是获得锅炉稳定运行和最佳燃烧､脱硫､抑氮工况的基础条件｡对于宁东电厂燃用的烟煤,由于其挥发份较高､燃烧放热快,在进入炉膛后较短时间内反应放热,容易造成密相区超温现象,因此合理分配一､二次风份额有利于控制床温和污染物生成,一次风率占总风量份控制在45%~50%较为合理｡

NOx排放对氧量较为敏感,随氧量增加而增加;但随着二次风率的升高,NOx排放有下降的趋势｡当省煤器出口氧量在3.2%时,NOx排放高达381.2mg/m3(6%O);当氧量在2.0%~2.5%左右时,NOx可控制在230~260mg/m3(6%O2)｡结合对SO2的影响,建议氧量控制在2.0%~2.5%较为合适,同时在保证床温和正常流化的情况下,应尽量提高二次风率｡

结束语

通过调整床压､床温､入炉煤和石灰石粒径､总风量及一､二次风配比等运行参数,有效地降低了飞灰､大渣含碳量,提高了锅炉效率;同时合适的床压和氧量降低了炉内磨损和风机电耗;合理的床温和石灰石粒径提高了炉内脱硫效率并降低了氮氧化物排放｡通过调整,优化了机组在高负荷工况的运行参数,提高了运行经济性｡