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超超臨界機(jī)組煤泥摻燒的干法應(yīng)用

2020-02-12 06:25王林偉崇培安
發(fā)電設(shè)備 2020年1期
關(guān)鍵詞:飛灰煤泥蒸汽

王林偉, 崇培安, 張 磊

(1. 淮北申皖發(fā)電有限公司, 安徽淮北 235000; 2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 上海 200240)

近年來,隨著環(huán)境問題不斷凸顯和社會對可持續(xù)發(fā)展問題認(rèn)識的日益深入,煤炭洗選廢棄物的處理和利用方式受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。2016 年,我國進(jìn)入了第十三個(gè)五年規(guī)劃和全面建設(shè)小康社會的階段,社會的發(fā)展和不斷完善推動著我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。中國作為能源消費(fèi)大國,近十年以來,煤炭、石油、天然氣等化石能源消費(fèi)總量一直保持穩(wěn)步增長,煤炭的消耗最為顯著,我國以煤炭為主導(dǎo)的能源現(xiàn)狀在較長的時(shí)間內(nèi)不會改變。

洗選是進(jìn)行煤炭清潔利用的主要手段,原煤入洗量及煤泥產(chǎn)量呈逐年上升趨勢。我國能源部印發(fā)的《煤炭清潔高效利用行動計(jì)劃(2015—2020)》中指出,預(yù)計(jì)2020年我國煤炭產(chǎn)量將達(dá)到45 億t,原煤入洗率接近 80%,屆時(shí)按入洗原煤質(zhì)量的10%計(jì)算,煤泥產(chǎn)量約為3.6 億t[1]。目前煤泥大規(guī)模處理技術(shù)水平依然較低,處理方式不合理,煤泥利用率為70%,其中回?fù)街忻?、直接燃燒等為主要方式,遠(yuǎn)不能達(dá)到煤泥的處理能力及清潔利用的要求。因此,煤炭洗選廢棄物對提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級的要求更加緊迫,國家加強(qiáng)了對煤泥處置的力度。

為了提高煤泥利用率、實(shí)現(xiàn)煤泥規(guī)模化利用,筆者進(jìn)行超超臨界煤泥摻燒試驗(yàn),重點(diǎn)研究了煤泥的干法應(yīng)用。

1 煤泥燃燒利用技術(shù)

煤泥燃燒發(fā)電是實(shí)現(xiàn)煤泥規(guī)?;玫氖滓x擇途徑[2],煤泥的循環(huán)流化床燃燒處理是一種常見的方式,興起于20世紀(jì)90年代,雖然只有不到30 a的時(shí)間,但是在國內(nèi)得到了較快的發(fā)展。目前國內(nèi)煤泥燃燒利用方法主要有以下幾個(gè)方面:

(1) 濕法利用是將濕煤泥直接入爐燃燒發(fā)電。該方法在流化床中應(yīng)用較多,濕煤泥在床內(nèi)形成凝聚結(jié)團(tuán),為了防止煤泥塊團(tuán)在流化床內(nèi)沉積破壞流化質(zhì)量,通常采用異比重流化床技術(shù)[3]。

(2) 煤泥與中煤摻燒可利用現(xiàn)有設(shè)備資源,具有較好的經(jīng)濟(jì)性,但同時(shí)存在很多問題,如輸煤穩(wěn)定性下降、鍋爐效率下降、機(jī)組安全性降低等。

(3) 煤泥制漿燃燒是基于高濃度水煤漿技術(shù)發(fā)展起來的一項(xiàng)煤泥綜合利用手段[4]。但是煤泥制成的漿液含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,約為40%,造成大量燃燒熱損失,產(chǎn)生大量煙氣,對煙風(fēng)系統(tǒng)、燃燒設(shè)備和燃燒條件有較高的要求,適用性不強(qiáng)。

(4) 干法利用是提高煤泥燃燒特性的一種手段。通過對煤泥進(jìn)行干燥,降低煤泥中水分,從而提高發(fā)熱量,改變?nèi)紵匦?。以含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的煤泥為例,降低1%含水質(zhì)量分?jǐn)?shù),其發(fā)熱量可提高1.43%,而且干燥后,不僅能夠單獨(dú)燃燒,還能夠與其他煤種進(jìn)行摻燒[5]。

燃燒煤泥進(jìn)行發(fā)電是煤泥規(guī)?;玫姆绞?,而煤泥的高水分特性是其規(guī)?;玫淖钪饕萍s因素。對煤泥施行干燥處理,降低煤泥水分,其發(fā)熱量得到提高,最終能夠?qū)崿F(xiàn)煤泥規(guī)模化利用。

2 煤泥干燥方案

實(shí)現(xiàn)煤泥干燥的方法主要有機(jī)械干燥和熱力干燥。機(jī)械方法有篩分、離心和壓濾三種方式,但其脫水率不高,處理過后,煤泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍在20%左右,須要經(jīng)過熱力方式進(jìn)一步干燥。在國內(nèi),工業(yè)應(yīng)用的熱力干燥方法主要是煙氣干燥、蒸汽干燥等[6]。

2.1 煙氣干燥

煙氣干燥以高溫?zé)煔庾鳛闊崃υ磳γ耗噙M(jìn)行干燥,具有以下優(yōu)點(diǎn):煤泥與高溫?zé)煔鉄嵩粗苯咏佑|,干燥強(qiáng)度高、傳熱效率高;系統(tǒng)簡單、投資少、處理量大;檢修方便、維護(hù)成本低。煙氣干燥的缺點(diǎn)主要有:300~700 ℃的高溫?zé)犸L(fēng)在烘干高揮發(fā)分含量的煤泥時(shí),存在揮發(fā)分析出、煤塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn),有安全隱患;電廠規(guī)?;稍锩耗鄷r(shí),從鍋爐抽取的煙氣量受到鍋爐運(yùn)行的限制;電廠采用煙氣干燥工藝通常需要在鍋爐較近的地方有工程場地。

2.2 蒸汽干燥

蒸汽干燥是利用低壓蒸汽(溫度通常小于250 ℃)作為熱力源干燥煤泥的技術(shù),對比煙氣干燥,蒸汽干燥有以下優(yōu)點(diǎn):以電廠低品質(zhì)的余熱蒸汽作為熱源,提高熱能利用率;干燥溫度低,系統(tǒng)安全性能好;蒸汽消耗量少,蒸發(fā)煤泥中1 kg水只需要1.3 kg蒸汽;熱交換后的蒸汽經(jīng)處理后可作為鍋爐回水重復(fù)利用,節(jié)約水資源。雖然蒸汽干燥的安全性高、能耗低,但干燥處理量不大,且后期干燥效率低,一般只能將煤泥干燥到含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~15%。

2.3 真空射流干燥

真空射流干燥是一種低溫(60 ℃以內(nèi))非傳遞的脫水方式,將原料在高速氣流中混合,然后通過真空噴射發(fā)生器產(chǎn)生較高速氣流沖擊波,粉碎氣流中的固體物料,在粉碎過程中使固體物料和所含水分分離,再經(jīng)過氣液固三相分離裝置完成脫水和固體顆粒的回收[7]。該干燥技術(shù)由于設(shè)備穩(wěn)定性差、維護(hù)工作量大,所以應(yīng)用較少。

2.4 微波干燥

微波干燥具有干燥均勻、清潔無污染、易于控制等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于化工、食品、木材、礦業(yè)、藥材等領(lǐng)域,但對其在煤泥干燥的應(yīng)用研究很少。煤泥在微波輻射的作用下,吸收微波能轉(zhuǎn)化為自身熱能,用來蒸發(fā)所含水分。微波干燥在煤泥工程化應(yīng)用中運(yùn)行能耗高、運(yùn)行過程操作復(fù)雜,尚未有工程案例。

3 煤泥摻燒的影響

3.1 機(jī)組概況

為了分析煤泥摻燒對鍋爐各方面的影響,某電廠進(jìn)行了煤泥摻燒試驗(yàn)。原料煤泥為宿州北部地區(qū)淮礦所屬煤礦煤泥,均為經(jīng)過機(jī)械脫水的壓濾煤泥。機(jī)組為660 MW超超臨界機(jī)組,鍋爐為SG-1908/27.9-M6006塔式鍋爐,鍋爐設(shè)計(jì)煤種為煙煤,汽輪機(jī)為N660-27/600/600、中間再熱、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)。鍋爐燃煤及煤泥的分析結(jié)果見表1(濕泥煤是指干燥前的煤泥)。

表1 鍋爐燃煤及煤泥分析

3.2 煤泥摻燒的影響

3.2.1 對爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映了鍋爐的燃燒狀況,爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,鍋爐熱效率越低。不同機(jī)組負(fù)荷下,爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨濕煤泥質(zhì)量流量的變化見圖1。

圖1 濕煤泥質(zhì)量流量與爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖1可知:當(dāng)摻燒的濕煤泥質(zhì)量流量在20 t/h以下時(shí),各負(fù)荷下的爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯變化;當(dāng)濕煤泥質(zhì)量流量繼續(xù)增大時(shí),爐渣含碳分?jǐn)?shù)增速明顯提高,負(fù)荷越低增速越快。

3.2.2 對飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也體現(xiàn)了鍋爐燃燒狀態(tài),飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高會使鍋爐經(jīng)濟(jì)性降低,同時(shí)大量飛灰給環(huán)保處理帶來負(fù)擔(dān)。不同機(jī)組負(fù)荷下,飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨濕煤泥質(zhì)量流量的變化見圖2。

圖2 濕煤泥質(zhì)量流量與飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖2可知:摻燒的濕煤泥質(zhì)量流量對飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不大,各個(gè)負(fù)荷下?lián)綗箫w灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的區(qū)間(0.6%~0.9%)。

3.2.3 對引風(fēng)機(jī)電流的影響

煤泥含較多水分,燃燒產(chǎn)生的煙氣量增加,引起引風(fēng)機(jī)電流增加,具體見圖3。

圖3 濕煤泥質(zhì)量流量與引風(fēng)機(jī)電流的關(guān)系

由圖3可知:隨著摻燒的濕煤泥質(zhì)量流量的增大,引風(fēng)機(jī)電流成線性增長,通過控制摻燒比例不會對引風(fēng)機(jī)電流的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

摻燒煤泥對鍋爐性能的影響還有以下幾個(gè)方面:

(1) 爐內(nèi)煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,并且發(fā)熱量降低,在相同負(fù)荷時(shí),所需煤量增加,導(dǎo)致磨煤機(jī)、風(fēng)機(jī)輸出功率增加,電耗增加。

(2) 入爐煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大接導(dǎo)致鍋爐著火和穩(wěn)燃能力下降。

(3) 爐內(nèi)煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大導(dǎo)致鍋爐受熱面磨損加劇,其中省煤器磨損最為嚴(yán)重,會縮短省煤器的壽命。

(4) 入爐煤的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,制粉系統(tǒng)需要更多干燥風(fēng),易造成一次風(fēng)量上升、一次風(fēng)率提高、二次風(fēng)率減小,造成鍋爐結(jié)焦、高溫腐蝕。

通過控制煤泥的干燥程度和摻燒比例、優(yōu)化燃燒、提高電廠運(yùn)行人員的技術(shù)水平,不利影響可以得到有效控制。

4 干法應(yīng)用實(shí)例

4.1 摻燒方案

在主流煤泥干燥技術(shù)的選取方面,對比煙氣干燥技術(shù)和蒸汽干燥技術(shù)特點(diǎn),從安全性、持續(xù)性和可行性綜合考慮,選擇蒸汽干燥技術(shù)。將濕煤泥經(jīng)過給料輸送到干化機(jī)中,利用電廠蒸汽在干化機(jī)中對濕煤泥進(jìn)行干燥,干燥后的干煤泥通過皮帶進(jìn)入干煤泥倉中,再通過皮帶輸送到煤場皮帶與原煤摻混,干燥后的尾氣進(jìn)入電除塵器進(jìn)行處理,干燥后的冷凝水再回電廠的凝結(jié)水系統(tǒng)。該方案的特點(diǎn)和優(yōu)勢為:

(1) 干燥熱源采用低壓蒸汽,蒸汽耗量小、能耗低,同時(shí)便于后期增加干燥出力。

(2) 干燥后的尾氣進(jìn)入電廠煙氣處理系統(tǒng),對環(huán)境影響較小。

(3) 整個(gè)干燥系統(tǒng)對鍋爐不產(chǎn)生影響。

(4) 干燥工藝采用200 ℃以下蒸汽,干燥過程中煤泥爆炸燃燒的風(fēng)險(xiǎn)小。

(5) 干燥機(jī)采用環(huán)式回轉(zhuǎn)干燥機(jī),干燥過程穩(wěn)定,干燥后煤泥揚(yáng)塵少。

4.2 效果分析

根據(jù)電廠的實(shí)際情況進(jìn)行分析,燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí),額定負(fù)荷下鍋爐燃煤質(zhì)量流量為251.9 t/h。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果,摻燒煤泥干燥后的質(zhì)量流量為20 t/h,直接按摻燒量來計(jì)算,摻燒質(zhì)量比約為7.6%,摻燒比例較小,混合后燃料的組分變化非常小,無論是水分、灰分或硫分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱值都在實(shí)際燃燒的燃料變化范圍以內(nèi),不會對鍋爐的穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生太大的影響。

根據(jù)電廠設(shè)計(jì)煤種數(shù)據(jù),w(Mar)=5.4%,w(Aar)=29.77%,而干燥后煤泥的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%~14%,因摻燒質(zhì)量比較小,所以摻燒煤泥送入爐膛燃燒,不會增加原煤的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。干燥后煤泥的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不會高于原煤太多,且摻燒質(zhì)量比較小,可以認(rèn)為摻燒后對燃煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不大。

綜上所述,該電廠摻燒煤泥從鍋爐性能來說,影響不大,可以根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況調(diào)整適當(dāng)比例摻燒。摻燒煤泥改造后的經(jīng)濟(jì)性分析見表2。

表2 評價(jià)數(shù)據(jù)表

根據(jù)項(xiàng)目的具體情況,計(jì)算項(xiàng)目在計(jì)算期內(nèi)每年的資金使用狀況,以充分反映項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性。根據(jù)已確定的價(jià)格,得到財(cái)務(wù)效益主要指標(biāo):稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為15.92%;稅后投資回收期為3.02 a。

5 結(jié)語

筆者以某電廠660 MW超超臨界機(jī)組為例,對其進(jìn)行煤泥摻燒應(yīng)用分析,得出主要結(jié)論如下:

(1) 對比了煙氣干燥、蒸汽干燥、真空射流干燥和微波干燥,從安全性、持續(xù)性和可行性角度考慮,選擇了蒸汽干燥技術(shù)進(jìn)行實(shí)際改造應(yīng)用。

(2) 就煤泥摻燒后對機(jī)組爐渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和引風(fēng)機(jī)電流等的影響進(jìn)行分析,在控制煤泥摻燒質(zhì)量比、優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行方式的情況下,摻燒干燥后煤泥對機(jī)組的性能影響不大。

與傳統(tǒng)流化床燃燒煤泥相比,超超臨界機(jī)組利用蒸汽干燥濕煤泥能有效充分利用現(xiàn)有社會資源,達(dá)到環(huán)保經(jīng)濟(jì)高效處理煤泥的目的。在今后還應(yīng)對超超臨界機(jī)組長時(shí)間摻燒煤泥的影響進(jìn)一步研究分析,保證機(jī)組壽命。

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