1．問(wèn)題提出：

福建省Ⅱ類無(wú)煙煤揮發(fā)分很低(一般3—5％)，著火和燃燼十分困難；煤顆粒組分中細(xì)顆粒比例大，小于lmm的顆粒占50％以上；此外，這種無(wú)煙煤還有很強(qiáng)受熱爆裂細(xì)化特性，故入爐后，新煤熱態(tài)下細(xì)顆粒比例將更大，其中0一0．5毫米超過(guò)一半．針對(duì)無(wú)煙煤這樣的燃燒特性和粒度分布，我省循環(huán)流化床鍋爐(以下簡(jiǎn)稱CFB鍋爐)一般按“低倍率、設(shè)埋管、高爐膛、高爐膛溫度”設(shè)計(jì)，企圖以這些措施來(lái)保證鍋爐的熱效率和出力。廈門僑星化工廠一臺(tái)蒸發(fā)量為20噸／時(shí)的CFB鍋爐就是遵循上述原則設(shè)計(jì)的，但實(shí)際運(yùn)行取得的效果卻很有限。該爐配有平流高溫分離器，尾部采用文丘里水膜除塵。該爐燃燒0一10mm無(wú)煙煤，其平均粒徑2．389mm(即本文所謂“細(xì)顆粒”)，飛灰含碳量經(jīng)測(cè)定高達(dá)61．15％左右；且飛灰量很大，鍋爐熱效率受到很大影響；煙氣的林格曼黑度大于1級(jí)，只要這臺(tái)鍋爐一燒這種“細(xì)顆粒”無(wú)煙煤，就有人向環(huán)保局投訴。為了提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，并達(dá)到煙塵排放指標(biāo)，決定在這臺(tái)鍋爐上進(jìn)行燃燒粗顆粒(平均粒徑5．160mm和6．147mm)無(wú)煙煤的工業(yè)試驗(yàn)。

2．工業(yè)實(shí)驗(yàn)：

熱態(tài)實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)低倍率蒸發(fā)量為20噸／時(shí)的CFB鍋爐上進(jìn)行的。該鍋爐布風(fēng)板至爐膛出口高為7．5米，原設(shè)計(jì)爐膛空截面流化熱態(tài)氣速是2．47m／s，以保證一次性帶出爐膛的細(xì)顆在爐內(nèi)大約有3秒停留時(shí)間。實(shí)際運(yùn)行熱態(tài)氣速為1．94～2.06m／s，細(xì)顆粒停留時(shí)間接近4秒。圖1為鍋爐及主要測(cè)點(diǎn)布置示意圖。沿爐膛高度從下而上(沸騰層內(nèi)1、沸騰層上部2、懸浮段下部3、懸浮段上部4)的布置有4個(gè)鉑銠鉑熱電偶來(lái)測(cè)量煙氣溫度；在懸浮段上部接近爐膛出口布置一固體顆粒采樣點(diǎn)，采用不銹鋼水冷卻等速取樣管(由浙江大學(xué)熱能工程研究所制造)來(lái)測(cè)定并計(jì)算不同工況下煙氣的顆粒濃度；燃燒空氣量可由安裝在進(jìn)風(fēng)總管上的笛形管所測(cè)定的動(dòng)壓頭經(jīng)換算取得。

細(xì)、中和粗三種顆粒實(shí)驗(yàn)用煤直接從煤炭公司購(gòu)來(lái)。經(jīng)篩分并計(jì)算出它們的平均粒徑(按重量法平均)分別為2.389、 5.160、 6.147mm。實(shí)驗(yàn)根據(jù)給煤的平均粒徑分三組進(jìn)行，每組實(shí)驗(yàn)分別取樣3—5次，用取樣器收集爐膛上部稀相區(qū)固體顆粒，每次取樣時(shí)間為5分鐘，間隔30分鐘，在取樣的同時(shí)記錄爐膛內(nèi)各段溫度、鍋爐蒸發(fā)量、汽壓、一次風(fēng)壓、氧含量、給煤量等數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還對(duì)布風(fēng)板下灰渣、尾部飛灰同步進(jìn)行取樣。熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)所取各樣品進(jìn)行稱重、并放在1000℃電爐中煅燒，由試樣損失的重量計(jì)算出爐膛懸浮段出口處顆粒含碳量，及灰渣和飛灰含碳量。

為了使各試驗(yàn)工況具有可比性，對(duì)螺旋給煤機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)保證在給煤量相同的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。各試驗(yàn)工況均在負(fù)荷基本穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行。

3．實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：

3．1  圖2為實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同給煤粒徑時(shí)爐膛懸浮段溫度與懸浮段顆粒濃度的相互關(guān)系。由該圖可知，無(wú)論給煤是細(xì)顆粒還是粗顆粒，隨著懸浮段顆粒濃度的增大，懸浮段的煙氣溫度也相應(yīng)提高．從圖2可看出，燃燒細(xì)顆粒時(shí)懸浮段固體顆粒濃度大約是粗顆粒的2倍。這一方面是因?yàn)槠渌麠l件相同時(shí)，在細(xì)顆粒工況時(shí)將有更多的固體顆粒被帶到爐膛中上部稀相區(qū)，顆粒濃度的增加則有效地加大了燃燒放熱量，提高了懸浮段的溫度水平；使懸浮段溫度達(dá)923℃一990℃，懸浮段維持這樣高的溫度水平對(duì)保證福建Ⅱ類無(wú)煙煤焦炭粒子的燃燼是非常重要的．這是我省CFB鍋爐運(yùn)行和設(shè)計(jì)人員的共同看法。對(duì)于燃燒粗顆粒時(shí)懸浮段溫度則只有859℃一875℃，這樣溫度范圍對(duì)燃燒煙煤或褐煤的CFB鍋爐是合適的，但對(duì)燃燒福建Ⅱ類無(wú)煙煤則偏低。通過(guò)適當(dāng)減少布置在懸浮段的受熱面(在設(shè)計(jì)時(shí))；對(duì)于已建成的CFB鍋爐，可以覆蓋一部分水冷壁，均可達(dá)到適當(dāng)提高懸浮段溫度的目的。

3．2  圖3指出了不同給煤平均粒徑與爐膛懸浮段的顆粒濃度(折算到900℃同一溫度)的影響。圖中表明，隨著給煤平均粒徑的增大，懸浮段顆粒濃度明顯下降，并近似呈線性規(guī)律變化。由理論分析可知，對(duì)于一定的流化氣速，給煤的平均粒徑越小，則被氣流帶到爐膛中上部的顆粒數(shù)量就越多，必然增加爐膛中上部(即懸浮段)的顆粒濃度。對(duì)于粗顆粒煤，因其在爐內(nèi)受熱爆裂細(xì)化，產(chǎn)生一定數(shù)量細(xì)粒子，加上部分經(jīng)一次或多次循環(huán)回來(lái)的顆粒，其懸浮段出口顆粒濃度也能大約保持在180mg／m3。

3．3  給煤粒度對(duì)爐膛內(nèi)各段溫度水平有較大影響，其實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。其中沸騰層內(nèi)溫度(即爐膛密相區(qū)溫度)隨給煤平均粒徑的增大而增大；而懸浮段和懸浮上段(即爐膛上部稀相區(qū))溫度變化則相反，隨給煤平均粒徑的增大反而降低。在基本相同的流化氣速下(熱態(tài)1．94~2．06m／s)，在粗顆粒工況時(shí)，能進(jìn)入爐膛中上部的煤顆粒數(shù)量較少，所占的燃燒份額就小，懸浮段的溫度自然比燃燒細(xì)顆粒的煤低；而粗顆粒煤在爐膛密相區(qū)相對(duì)就多，所占的燃燒份額也大，對(duì)于同樣的埋管冷卻面積，密相區(qū)溫度就高，這一結(jié)果與圖3一致。

3．4  圖5指出不同給煤平均粒徑對(duì)灰渣、飛灰、和懸浮段顆粒含碳量的影響。從中可知，無(wú)論燃燒細(xì)顆粒或粗顆粒煤，從冷渣管收集的灰渣含碳量均很低，都在1％左右，這是因?yàn)椴硷L(fēng)板上料層的溫度高(約980℃～1050℃)，蓄熱量大，絕大部分較粗燃煤在此停留時(shí)間很長(zhǎng)，故燃燼率很高；但飛灰含碳量卻從燃燒細(xì)顆粒煤的61．15％下降到燃燒粗顆粒煤的40.8％。其原因在于燃燒細(xì)顆粒燃煤時(shí)，有大量細(xì)顆粒煤來(lái)不及燃燼，它們也沒(méi)有被分離器分離下來(lái)，只一次通過(guò)爐膛即被帶到尾部成為“飛灰”。因此含碳量非常高。但從圖5的曲線可以看出，本鍋爐燃燒粗顆粒煤時(shí)飛灰含碳量也很高，這是因?yàn)樵摖t配置的是平流高溫分離器，運(yùn)行細(xì)顆粒煤后分離器又受到高濃度顆粒流的強(qiáng)烈磨損，分離效率就變得比較低。此外，還與懸浮段煙氣溫度只維持在859℃～875℃有關(guān)。圖5還顯示不同實(shí)驗(yàn)工況下，由等速取樣管抽取的懸浮段顆粒的含碳量處于43—44％變化范圍，其數(shù)值隨著給煤粒徑增加僅僅略有下降。

4．幾點(diǎn)看法：

4．1  工業(yè)實(shí)驗(yàn)證明，粗顆粒無(wú)煙煤很適合我省20噸／時(shí)低倍率CFB鍋爐燃燒，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。按氣固兩相理論，燃燒平均粒徑6．147mm粗顆粒煤，在爐膛熱態(tài)氣速2.06m／s條件下，爐膛懸浮段的顆粒濃度是很低的；然而，由于我省無(wú)煙煤受熱容易爆裂細(xì)化，即使入爐的是粗顆粒煤，也能保證爐膛中上部有足夠的顆粒濃度。

4．2  對(duì)于蒸發(fā)量20噸／時(shí)或35噸／時(shí)CFB鍋爐，由于爐膛高度增加很有限，細(xì)顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間很難延長(zhǎng)，飛灰多且含碳量高則難以避免；這時(shí)，如何降低機(jī)械不完全燃燒損失成為提高鍋爐熱效率的關(guān)鍵。采用粗顆粒煤是解決這一矛盾的好辦法。從本次試驗(yàn)中可以看出(圖5)，粗顆粒和細(xì)顆粒的飛灰含碳量可減少20％左右。同時(shí)粗顆粒的飛灰量將大大降低，估計(jì)鍋爐熱效率可接近甚至超過(guò)80％．

4．3  由于燃燒粗顆粒無(wú)煙煤，隨鍋爐出口煙塵濃度的降低，即使采用文丘里水膜除塵，也能使鍋爐煙氣的林格曼黑度和煙塵排放濃度達(dá)到環(huán)保要求。此外，也正由于爐膛出口顆粒濃度的下降，顯著減輕了其后的高溫除塵器及其相關(guān)各部件的磨損，提高了鍋爐運(yùn)行可靠性。

4．4  對(duì)于燃燒粗顆粒無(wú)煙煤CFB鍋爐，由于爐膛懸浮段顆粒濃度相對(duì)下降，燃料燃燒份額下移，故在爐膛密相區(qū)要布置一定數(shù)量埋管，以保證鍋爐的出力。與此同時(shí)，爐膛懸浮段的受熱面要相應(yīng)減小些，以維持懸浮段區(qū)域處于大約950℃的高溫，這更有利于Ⅱ類無(wú)煙煤焦炭粒子的燃燼，飛灰含碳量有望降低到30％以下。

4．5  從以上分析可知，CFB鍋爐更適合燃燒我省粗顆粒無(wú)煙煤，但本省無(wú)煙煤的顆粒組成中，小于1毫米卻占50％以上，這就要求煤炭公司要盡快適應(yīng)市場(chǎng)需求，對(duì)原煤略加篩選，粗顆粒供應(yīng)CFB鍋爐或鏈條爐；細(xì)顆粒作為動(dòng)力用煤，也可添加石灰石制成型煤或供有爐前成型機(jī)的鏈條爐之用。經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益可兼得。

由于本課題熱態(tài)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)難度大，消耗大量人力物力，還不能影響生產(chǎn)；因此，我們的實(shí)驗(yàn)次數(shù)有限，盡管這樣，所得到的數(shù)據(jù)及上述結(jié)論是合乎實(shí)際的，具有應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

1．岑可法等，循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行，中國(guó)電力出版社，北京，1997;

2．毛健雄、毛健全等，煤的潔凈燃燒，科學(xué)出版社，北京，1998；

Title：

Industry Experiment on CFB Boiler Firing Thick Particle Anthratic Key Words：CFB boiler；Fluidized air velocity；Suspended part；Particle density. 

文章作者：俞建洪 鄒 崢 翁其穎 鄒哲民 邢玉榮 葉安全