循环流化床锅炉系统配置常见问题浅析

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  摘 要:循环流化床锅炉作为一种新的洁净能源技术,近年来得到了广泛的推广应用。为充分发挥循环流化床锅炉的优点,使其具有较高的运行可靠性,本文结合锅炉实际运行情况,对循环流化床锅炉常见问题进行了分析论述,并提出了推荐建议和意见。
  关键词:循环流化床;锅炉;结焦;磨损
  1、概述
  隨着物质文化生活水平的提高,环保问题越来越受到人们的关注。国家也出台了相关的法律法规。能耗低、污染排放物高的电厂将强令关停。燃煤电厂如何处理能源供应和环保的问题已经成为新建和扩建电厂的决定性因素。循环流化床锅炉是一种洁净煤燃烧技术,可在炉内加石灰石粉脱硫,由于燃烧温度低,降低了Nox排放浓度;该炉适宜燃用劣质煤,因而得到了广泛的普及和应用。我国目前已是世界上在电厂使用循环流化床锅炉(CFB)最多的国家,已经运行的大小循环流化床电站锅炉有2000多台,其中410t/h以上大型循环流化床电站锅炉有近200多台。220t/h以下 CFB锅炉更是数不胜数。循环流化床锅炉在国内发展了十几年,目前已趋于成熟,其可靠性越来越强,本身独特的特点也越来越多的显示出来。循环流化床锅炉正在向大型化、高效性方向发展。然而同煤粉炉相比,大型循环流化床电站锅炉因制造、设计、安装、调试等方面存在先天不足,目前仍存在许多问题,影响锅炉正常运行和稳定。现就目前国内循环流化床锅炉经常遇到的问题和基本的解决方法做一下总结和说明,以供参考。
  2、给煤不畅,煤斗形状设计不合理,易堵煤
  2.1堵煤的原因
  实际运行的各循环流化床锅炉都存在不同程度的堵煤现象,给生产运行造成了很大的麻烦。
  煤斗出现的问题基本上都是堵煤。煤斗堵煤的表现形式主要是在煤斗的不同部位形成煤拱,堵煤原因本质上可以归纳为两方面:煤质成分原因和煤斗设计原因。
  影响原煤流动性的主要因素是煤的粘结性,它通常与煤灰的成分和煤的水分有关。当煤含水较高时,在原煤斗及落煤管内就容易出现物料堆积、搭桥、粘壁的状况。工程上通常会采取设置干煤棚的措施来防止煤的水分受外界过多的影响,但有的工程由于考虑到造价或者场地受限等因素并未设置干煤棚,这就要求在设计时就考虑煤斗的适应性。
  随着原煤斗容量和高度的增加,下部煤炭所受到的压力不断增大,流动性差,滞流或堵煤的情况时有发生。出现堵煤现象的原因除了煤的粒度小,水份高外,还有一个重要原因就是原煤斗的设计不合理。
  常见的煤斗外形有方形和圆形之分,它们各有优缺点。方煤斗储煤量大,制作简单,耗材量大;圆煤斗流动性好,耗材少。目前工程中煤粉炉使用圆煤斗多一些,右图为最常见的锥形煤斗及其受力情况。煤粉在重力作用下,克服阻力向下运动,煤的水份增加会导致煤粉之间摩擦增加;同时随着煤粉的流动,其流通截面积不断缩小,煤粉之间的空隙会越来越小,相互之间不停的错动和挤压。当煤粉快要到达出口时,截面积减小到最小,煤粉受到的摩擦力也增加到最大。因此煤斗通常会在出口附近出现堵煤现象。堵煤严重时在煤斗出口处会形成拱形,由于拱形有很好的承载力,这会导致堵煤堆积越来越密实使得堵煤现象进一步加剧。
  从上面分析不难看出,锥形筒要减少堵煤需要很大的锥度以减少摩擦力和反力的影响。相对来说,双曲线型小煤斗有着更好的受力情况。由于摩擦力方向不在同一个方向上,这对减少煤粉的阻力有很好的作用。因此在条件允许的情况下应尽量选用双曲线的煤斗形式。
  2.2 解决措施
  2.2.1煤斗设计采用非对称结构
  从上图可以看出,常规的煤斗都有一个对称中心,从受力角度分析,煤斗的对称中心也是煤斗对原煤作用力的汇聚中心,两对称侧煤斗面的合力会聚集在中心,形成一个向上的合力阻碍煤的下落,因此一个非对称的煤斗结构更有利于煤粉的流动。下图为某工程的煤斗的示意图,可以看出该煤斗的出口达到了惊人的4000mm长度,且两个煤斗的采用了非常明显的非对称结构。在实际运行中,该煤斗对煤种的适应性极强,几乎从未出现过堵煤现象,即使是湿度非常大的煤种运行起来也没有问题,效果非常好。
  2.2.2煤斗设计采用大出口
  受给煤机皮带宽度的限制,国内煤斗落煤口的尺寸一般为#650~1000 mm。如果煤斗在落煤口处突破常规,在给煤机皮带方向上尽量放大落煤口的尺寸,设计出长方形出口的煤斗,对解决落煤口处的堵煤情况也会有很大的帮助。
  2.2.3加装平衡风
  在原煤仓适当位置加装平衡风。因CFB锅炉的给煤机为压力式,为防止炉膛热烟气倒灌,给煤机采用一次风进行密封,压力较高,理论上会在煤斗落煤口部位形成上托力,这也是形成堵煤的重要因素。为减少堵煤,可以在煤斗壁下方l/3处设一次风环形母管,从四壁向煤斗送入一次风,以平衡一次风的上托力。
  2.2.4其它防止堵煤的措施
  此外,还有其他防止堵煤的措施,对防止堵煤均有较好的效果:
  原煤斗的内部采用圆形或圆弧过渡,下部内衬不锈钢板;
  提高交线与水平面的夹角(要求≥70°);
  设置有效、可靠的振打设施(空气炮和疏松机)。
  3、锅炉磨损性强
  相对与煤粉炉而言,由于高倍率循环灰的流动,使流化床锅炉炉内磨损十分严重,由于磨损造成的停炉事故接近停炉总数的50%,因此成为影响运行可靠性的主要因素。就目前来看,循环流化床锅炉磨损较为严重的部位主要集中在水冷壁管和外置床,过热器、再热器以及省煤器等部位受热面也出现过一些磨损现象。
  3.1 磨损原因分析
  锅炉水冷壁管磨损机理:一方面大量烟气和固体颗粒在上升过程中对水冷壁管进行冲刷;另一方面由于内循环的作用,大量固体颗粒沿炉膛四壁重新回落,对水冷壁管进行剧烈冲刷。特别在水冷壁管和耐火材料层过渡区的凸出部位,沿水冷壁管下来的固体颗粒形成涡流,对局部水冷管壁起到一种刨削作用。
  影响水冷壁磨损的主要因素有:
  (1)入炉煤粒度和烟气流速的影响:循环流化床锅炉受热面磨损速率与颗粒速度的三次方和颗粒粒径的平方呈正比,因此降低一次风量和风速是减轻水冷壁磨损的主要条件之一。   一次风量越大,磨损量越大。另外二次风量越大,对炉内燃烧情况的扰动越剧烈,水冷壁磨损量也越大。因此应在保证炉内床料流化良好的前提下,减小总风量。设计方面,由于在设计之初往往取得安全余量较大,这不仅导致了在运行中厂用电率较高,而且也导致了床料流化速度高,从而加剧了水冷壁管的磨损;烟气流速越高磨损越严重,因此炉膛烟气设计流速是控制整体磨损的关鍵。一般设计最好为5米/秒左右;超过5.5米/秒将产生较大的磨损。
  (2)烟气颗粒浓度的影响:循环流化床锅炉炉内的固体物料密度为煤粉炉的几十倍到百倍以上,烟气内颗粒浓度越大,水冷壁磨损量越大。
  (3)燃料性质的影响:燃料颗粒硬度、灰分越大,对水冷壁管壁的切削作用越强烈,磨损量越大。尤其在掺烧煤矸石或其它高硬度燃料时,会大大缩短水冷壁管爆管的运行时间。
  3.2 防磨措施和方法
  磨损缩短了循环流化床锅炉连续运行周期,使锅炉的运行维护费用增大,机组利用率降低,还限制了CFB锅炉的一些优点的发挥。因此,磨损已成为CFB锅炉长周期运行中一个亟待解决的问题。几年来,循环流化床锅炉的防磨技术也在实践中不断发展。目前对CFB锅炉受热面实施防磨的技术主要有以下几种:
  (1)让管技术和凸台技术;
  (2)超音速电弧喷涂防磨技术 ;
  (3)く形高铝高耐磨瓦防磨技术 ;
  (4)堆焊耐磨合金防磨技术 ;
  (5) 耐火耐磨可塑料或浇注料技术;
  (6) 防磨槽技术;
  循环流化床锅炉内部非金属耐火耐磨炉衬结构,对锅炉运行过程中受热面的防磨及点火器的防火保护起到非常关键的作用。随着耐磨材料的发展,循环流化床锅炉耐火耐磨衬里的设计、材料、施工及运行技术,正在不断的改进和发展,CFB锅炉的磨损问题正在逐步得到解决,广州宝丽华电厂已经创下了300多天连续运行的新纪录。
  4、飞灰可燃物含碳量较高
  根据燃烧理论和实际经验,在流化床燃烧室中要获得理想的燃烧效果必须要有强烈的扰动、高的温度和长的停留时间。对于循环流化床锅炉飞灰含碳量的大小,主要由锅炉的设计特性、燃煤特性和运行参数决定,煤种、粒度分布、燃烧温度、给煤方式、补氧与混合、分离器是决定飞灰中含碳量的主要因素。
  提高运行床温可有效地降低飞灰含碳量。在烟气量一定时,对于分离器不能捕集的细颗粒在炉内的停留时间与炉膛高度和截面积有关。下表是国内几个220~240t/h CFB锅炉的炉膛高度和炉膛的截面积,及运行中的飞灰含碳量情况。炉膛截面积和炉膛高度对飞灰含碳量的大小影响很大,从细煤颗粒在炉内的停留时间看,若大于9秒钟就可保证较小的飞灰含碳量 。
  炉膛高度和炉膛截面积(停炉时间)
  5 锅炉结焦
  5.1结焦的原因分析
  床温偏高和炉内流化工况不良是造成结焦的两个最主要的原因。结焦无论在点火或在正常运行调整中都可能发生,一旦出现就会迅速增长。由于烧结是个自动加剧的过程,因此焦块长大的速度会越来越快。床料流化不良造成堆积、给煤不均、播煤不均、燃烧不充分等会造成局域结焦。
  5.2防止结焦的技术措施
  (1)良好的炉内空气动力场,可有效控制旋风分离器的二次燃烧,避免燃烧室、旋风分离器、回料器的超温结焦。提高播煤风压、低负荷时适当减少两侧边给煤可基本避免炉膛低温结焦。
  (2) 加快启动速度,避免结焦。尤其投煤初期煤油混烧阶段,大量的煤投到炉内不能完全燃烧,很容易和未燃的油粘在一起形成局部高温结焦。
  (3)严格控制好床温床压。当发现床温过高时应立即采取措施,增加一次风量或减少燃料以降低床温。控制床温涨幅不得过快,避免床温大幅度变化,造成恶性循环。
  6、冷渣器运行可靠性差
  当前最为普及的冷渣器型式主要为风水联合冷渣器和滚筒式冷渣器。各有优缺点。风水联合冷渣器采用风水联合冷却,出力大,有效床料可动态回收,热效率高,但电耗大,运行调整不当时易结渣和堵塞。尤其不能适应中国复杂的煤质情况。
  滚筒式冷渣器为机械传动,低转速运行,只有水冷,多为凝结水冷却热渣。运行可靠性较高。存在的主要问题是:由于受力不平衡引起机械磨损严重,细颗粒不送回炉膛,降低了电厂的热效率。
  对目前冷渣器调查和研究后认为:理想的冷渣器应该具有以下特点:
  (1)要安全运行可靠,能连续运行
  (2)能适应燃料变坏,适应灰渣比例变化即底渣量增加
  (3)能适应入炉煤粒变粗相应底渣颗粒变粗。
  (4)防止炉内受热面及冷渣器的磨损
  (5)回收底渣热量,提高锅炉效率
  (6)减小空气冷却的份额;增加水冷冷却的份额,可减小冷渣器体积。
  受到技术的制约,两种冷渣器运行现在还不能做到尽如人意,但是经过多年的运行与总结,目前从锅炉厂、辅机厂和终端用户都已经达成共识,目前情况下,滚筒式冷渣器是比较适合的选择。下一阶段应集中力量进行技术攻关,充分调动国内冷渣器的研发、制造力量,以开发出满足大容量循环流化床锅炉机组的需要,达到安全、出力大、排渣温度低、无泄漏、方便维修的冷渣器。
  7、风机选型偏大,厂用电率高
  目前,大部分CFB锅炉满负荷运行时,一次风机挡板的开度为35%左右,造成的原因如下:
  (1)锅炉厂对风压有一个裕度要求;(放大一次:1.08)
  (2)设计院对风机有一个裕度要求;(放大一次:1.20)
  (3)选型的时候,风机型号向上靠;(放大一次:不定)
  风机裕度通过3次放大,造成厂用电率提高,浪费能源,所以合理选取风机的裕量系数是非常必要的。应要求锅炉厂提供准确的数据,然后进行适度的放大,对于已经提供最大阻力的设备,设计时可不再考虑该设备的裕度系数。
  一次风、二次风和烟气的运行压力随锅炉负荷变化很大,因此一次风机、二次风机采用液力偶合器调节,引风机采用静叶可调轴流式风机是正确有效的,节约了厂用电,提高了电厂效率。
  8、 结语
  循环流化床锅炉的劣质燃料综合利用特性以及环保性能是常规煤粉锅炉所不能比拟的。循环流化床锅炉的特有优势决定了其在我国得以迅速发展,截至2009年末,国内投运的300MW等级CFB锅炉机组已达17台,总装机容量510万千瓦,数量超过世界上其他国家的总和 。四川内江白马电厂600MW超临界循环流化床锅炉机组已开工建设。大量装备的循环流化床锅炉对于优化我国电力结构、改善电力供应品质、提高我国整体资源利用效率以及降低污染物排放方面发挥出了重要的作用。随着对流化床锅炉认识的加深和经验的进一步积累,流化床锅炉的安全可靠性和稳定性也得到了很大提高,也为自主研发更大容量的CFB锅炉技术积累大量经验。虽然目前仍存在一些问题,但是我们相信根据现有的技术、经验和研究成果,同时通过引进与消化、技术研究与锅炉系统的改造实践,能够使流化床锅炉的可靠性、经济性取得更好发展和提高。相信中国的流化床燃烧技术将有更大的发展。
  参考文献
  1、《中国大型循环流化床锅炉机组运行现状》李建锋
  2、《大容量CFB锅炉运行关键技术研究》孙献斌
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