馬軍朝

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

粉煤灰和煤氣化渣是國(guó)內(nèi)煤炭能源利用過(guò)程中產(chǎn)生的兩種典型燃煤固體廢物[1]；在循環(huán)流化床氣化爐中，殘?zhí)际侵该簹饣a(chǎn)生的固體廢棄物。殘?zhí)家话阕鳛楣I(yè)廢物進(jìn)行簡(jiǎn)單加工后再利用，其利用價(jià)值較低,極少部分利用在電站鍋爐的燃料摻燒中[2]。殘?zhí)嫉膿綗梅绞揭话銥閾綗诿悍蹱t中，目前已知的大參數(shù)電站鍋爐中，摻燒比例不大于35%。

國(guó)際首臺(tái)采用殘?zhí)甲鳛橹魅剂系难h(huán)流化床鍋爐(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“殘?zhí)煎仩t”)應(yīng)用于江西某工程項(xiàng)目中，是電站鍋爐清潔能源再利用的重大突破，對(duì)于化工行業(yè)中氣化爐的氣化飛灰處理及利用具有重大意義。然而目前殘?zhí)煎仩t相關(guān)文獻(xiàn)極少，使得殘?zhí)煎仩t在燃燒試驗(yàn)時(shí)，存在很多未知危險(xiǎn)區(qū)域。本文在此以某殘?zhí)煎仩t項(xiàng)目為例一并分析匯總。

1 依托項(xiàng)目鍋爐介紹

江西某清潔能源燃?xì)鈿執(zhí)脊I(yè)一體化項(xiàng)目，其氣化爐通過(guò)消耗燃煤，為周邊建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)基地內(nèi)的陶瓷企業(yè)供應(yīng)清潔的工業(yè)燃?xì)?。氣化爐制造燃?xì)膺^(guò)程中產(chǎn)生的殘?zhí)?，主要用于殘?zhí)煎仩t，充當(dāng)其主燃料。

1.1 鍋爐參數(shù)

殘?zhí)煎仩t為循環(huán)流化床型鍋爐，設(shè)一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)各1臺(tái)；高壓流化風(fēng)機(jī)2臺(tái)，返料裝置2套；最大連續(xù)蒸發(fā)量130 t/h；過(guò)熱蒸汽壓力13.7 MPa、溫度571 ℃；再熱蒸汽(出口)壓力3.71 MPa、溫度571 ℃；設(shè)計(jì)殘?zhí)既剂虾牧?0.856 t/h。床溫測(cè)點(diǎn)布置共計(jì)12只，自爐左至爐右平均分為4組；每組3個(gè)測(cè)點(diǎn)，自爐前向爐后均等布置。

1.2 燃料系統(tǒng)

燃料系統(tǒng)包括1套燃煤系統(tǒng)和1套為殘?zhí)既剂舷到y(tǒng)。燃煤系統(tǒng)的燃料通過(guò)前墻布置的3臺(tái)給煤機(jī)給煤，使燃煤進(jìn)入爐膛，用以鍋爐的啟/停；殘?zhí)既剂舷到y(tǒng)燃料通過(guò)氣力輸送，由返料器下降段的上部輸入，用以鍋爐的正常運(yùn)行。殘?zhí)嫉幕胰廴谔匦砸?jiàn)表1所列，元素分析見(jiàn)表2所列，工業(yè)分析見(jiàn)表3所列。

表1 殘?zhí)嫉幕胰廴谔匦浴?/p>

表2 殘?zhí)嫉脑胤治?%

表3 殘?zhí)嫉墓I(yè)分析?

1.3 殘?zhí)枷到y(tǒng)

殘?zhí)枷到y(tǒng)分為兩部分：外圍殘?zhí)枷到y(tǒng)和爐本體殘?zhí)枷到y(tǒng)。前者包括工業(yè)氣化爐至灰?guī)斓臍執(zhí)驾斔拖到y(tǒng)管路(輸送氣源為氮?dú)?、存儲(chǔ)飛灰的中間灰?guī)旌突規(guī)煜嚓P(guān)設(shè)備；后者包括殘?zhí)冀o料系統(tǒng)和循環(huán)物料(循環(huán)灰)排放系統(tǒng)。

殘?zhí)冀o料系統(tǒng)的作用是向爐內(nèi)提供殘?zhí)既剂希浩渲饕O(shè)備包含殘?zhí)季彌_倉(cāng)、星型給料機(jī)系統(tǒng)(一、二級(jí)給料機(jī)中間設(shè)置緩沖倉(cāng))以及氣力輸送管路系統(tǒng)(輸送氣源為壓縮空氣)。

循環(huán)灰排放系統(tǒng)為殘?zhí)煎仩t運(yùn)行時(shí)必須外排的循環(huán)灰系統(tǒng)，包括正常放灰系統(tǒng)和緊急放灰系統(tǒng)兩部分。正常放灰系統(tǒng)的布置方式為：在每個(gè)返料器底部的布置1路放灰管路，2路匯合后，呈“Y”形進(jìn)入緩沖倉(cāng)，再進(jìn)入水冷式冷灰機(jī)，最后由氣力輸送系統(tǒng)送至灰?guī)?。緊急放灰管路布置在兩個(gè)返料器底部，排放至冷渣器。

1.4 殘?zhí)煎仩t相關(guān)MFT聯(lián)鎖保護(hù)

鍋爐設(shè)計(jì)燃料為煤化工項(xiàng)目氣化爐產(chǎn)生的飛灰(殘?zhí)?，氣化細(xì)粉灰粒徑為0～40 μm。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，鍋爐的主燃料為殘?zhí)既剂?，殘?zhí)纪ㄟ^(guò)壓縮空氣氣力輸送至爐內(nèi)，在氣力輸送閥關(guān)閉時(shí)，切斷燃料。

主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)觸發(fā)聯(lián)鎖：在燃料僅為殘?zhí)紩r(shí)，當(dāng)2路殘?zhí)細(xì)饬χ鬏斔烷y有過(guò)“開(kāi)到位”記憶，且氣力輸送閥都在關(guān)閉位置時(shí)，延時(shí)2 s，觸發(fā)MFT“全燃料喪失”保護(hù)。

MFT聯(lián)動(dòng)殘?zhí)枷到y(tǒng)設(shè)備包括三部分：“保護(hù)關(guān)”殘?zhí)細(xì)饬斔拖到y(tǒng)主輸送氣動(dòng)閥；“保護(hù)關(guān)”殘?zhí)細(xì)饬斔拖到y(tǒng)吹掃氣動(dòng)閥；“保護(hù)?！睔?zhí)枷到y(tǒng)一級(jí)、二級(jí)星型給料機(jī)。

1.5 殘?zhí)既剂贤哆\(yùn)方式

鍋爐啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)燃燒燃煤，使鍋爐床溫達(dá)到殘?zhí)荚试S投入的溫度，一般為850～900 ℃。

殘?zhí)纪度牒?，逐步減少燃煤量，增加殘?zhí)剂?，最終實(shí)現(xiàn)全部燃料為殘?zhí)?。鍋爐計(jì)劃停爐時(shí)加入燃煤，逐步替換掉殘?zhí)既剂?，至全部替換為燃煤后，按照規(guī)程停爐。

2 殘?zhí)煎仩t物料燃燒分析

2.1 殘?zhí)既紵匦?/h3>

2.1.1 判斷殘?zhí)际欠袢紵?/p>

爐膛中、上部溫度測(cè)點(diǎn)是判斷殘?zhí)既剂贤度牒?，是否著火燃燒的重要依?jù)。殘?zhí)既剂陷斎牒?，爐膛上部溫度最先顯示上升趨勢(shì)，爐膛中部溫度較上部溫度顯示(溫度變化)滯后約1 min，只有中、上部溫度測(cè)點(diǎn)持續(xù)上升，且幅度大于20 ℃/min時(shí)，才認(rèn)為殘?zhí)荚跔t內(nèi)持續(xù)燃燒；爐膛上部溫度大于820 ℃時(shí)，判定殘?zhí)纪哆\(yùn)成功。

在運(yùn)行過(guò)程中，殘?zhí)既剂先绻麤](méi)有燃燒，爐膛中部溫度最先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，爐膛上部溫度變化較中部溫度變化滯后約1 min。上部溫度低于810 ℃，且持續(xù)向下降，出現(xiàn)此情況表明殘?zhí)荚跔t膛內(nèi)未被點(diǎn)燃和未持續(xù)燃燒，必須立即停止殘?zhí)枷到y(tǒng)，防止殘?zhí)既剂侠^續(xù)被輸送進(jìn)爐膛。

2.1.2 殘?zhí)荚跔t膛內(nèi)燃燒區(qū)間及溫度控制

殘?zhí)既剂显跔t內(nèi)燃燒時(shí)，燃燒區(qū)域主要集中在爐膛中部及上部。鑒于殘?zhí)既紵齾^(qū)間及殘?zhí)碱w粒特性，鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中，必須嚴(yán)格控制一次風(fēng)量。如果風(fēng)量過(guò)大，燃燒區(qū)間向上移動(dòng)后集中在爐膛上部，容易出現(xiàn)殘?zhí)荚诜蛛x器內(nèi)部繼續(xù)燃燒的危險(xiǎn)工況。

殘?zhí)嫉闹饻囟仍趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定為880 ℃(床溫測(cè)點(diǎn)平均值)。此鍋爐床溫測(cè)點(diǎn)布置方式為穿過(guò)水冷風(fēng)室后從床底插入，床溫測(cè)點(diǎn)頂部與風(fēng)帽齊平，由于風(fēng)帽中流化風(fēng)的直接沖刷和流化風(fēng)溫較低的原因，造成測(cè)出的床面溫度相對(duì)偏低約50 ℃，故在此鍋爐上，推算出殘?zhí)贾饻囟燃s為830 ℃。同時(shí)，結(jié)合多個(gè)殘?zhí)紭拥幕胰廴谛苑治觯袛嗥滠浕瘻囟葹? 120 ℃。由此可見(jiàn)，殘?zhí)嫉娜紵郎囟葏^(qū)間較為狹窄 (830 ℃～ 1 120 ℃ )。

殘?zhí)歼M(jìn)入爐膛，首先由溫度足夠高的床溫引燃，然后進(jìn)入爐膛中上部燃燒，為確保殘?zhí)既紵龝r(shí)溫度能夠控制在830～1 120 ℃，應(yīng)選取爐膛上部溫度測(cè)點(diǎn)作為監(jiān)控測(cè)點(diǎn)：爐膛上部溫度測(cè)點(diǎn)顯示溫度低于810 ℃，停運(yùn)殘?zhí)枷到y(tǒng)；當(dāng)溫度顯示大于1 030 ℃時(shí)，應(yīng)立即降低給料機(jī)頻率，減少殘?zhí)嫉某隽Γ员苊獬霈F(xiàn)殘?zhí)荚诜蛛x器入口及分離器內(nèi)部由于溫度超過(guò)其軟化溫度而導(dǎo)致結(jié)焦的情況。

爐膛上部溫度與停運(yùn)殘?zhí)枷到y(tǒng)目前沒(méi)有聯(lián)鎖，后期改造時(shí)可以根據(jù)溫度顯示值及溫度變化率情況，增加溫度與殘?zhí)枷到y(tǒng)的聯(lián)鎖。如：殘?zhí)纪度霠t膛1 min后，開(kāi)始檢測(cè)爐膛上部溫度，當(dāng)溫度低于810 ℃時(shí)，如果溫度持續(xù)下降時(shí)間達(dá)到90 s或者溫度已經(jīng)低于760 ℃時(shí)，聯(lián)鎖停止殘?zhí)枷到y(tǒng)。

2.2 殘?zhí)煎仩t床溫偏差問(wèn)題

2.2.1 床溫偏差情況

鍋爐首次投運(yùn)殘?zhí)?2 h后，床溫測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大偏差，最大偏差幅度達(dá)到341.7 ℃，見(jiàn)表4所列。

表4 投入殘?zhí)?2?h后床溫顯示值

殘?zhí)煎仩t持續(xù)運(yùn)行，床溫偏差幅度變大，見(jiàn)表5所列。床溫低點(diǎn)為312.5 ℃；床溫中間溫度為516.6 ℃；床溫高點(diǎn)為871.0 ℃。對(duì)比采用燃煤為主燃料的流化床鍋爐，分析床溫情況：在燃煤的流化床鍋爐運(yùn)行時(shí)，床溫出現(xiàn)如此大的偏差，原因是床面結(jié)焦后，局部床面無(wú)法流化所生成的。鑒于燃煤流化床鍋爐的認(rèn)知，所以在此工況下，容易被誤認(rèn)為鍋爐爐膛床面處于結(jié)焦?fàn)顟B(tài)。

表5 長(zhǎng)時(shí)間投運(yùn)殘?zhí)嫉拇矞仫@示值

2.2.2 排查相關(guān)因素

1)測(cè)點(diǎn)顯示準(zhǔn)確性判斷

對(duì)照床溫歷史曲線(xiàn)，判斷床溫測(cè)點(diǎn)的顯示是否準(zhǔn)確；通過(guò)檢查溫度測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)，未發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)有突變情況，溫度顯示在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，床面溫度隨著工況有升有降，可以判斷溫度顯示是正常的。

2)結(jié)焦情況分析

如果有2個(gè)及2個(gè)以上床溫測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間顯示超過(guò)890 ℃，這時(shí)爐內(nèi)流化床床面就容易出現(xiàn)高溫焦塊，大約15 min后，在冷渣器就地視窗處能夠目測(cè)到小熔融狀的焦塊。在此次的運(yùn)行過(guò)程中，床溫最高點(diǎn)為880 ℃，持續(xù)時(shí)間僅2 min。同時(shí)復(fù)查相關(guān)記錄，確定機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)低溫焦塊的情況，機(jī)組啟動(dòng)后，也未有結(jié)焦情況。

2.2.3 綜合分析

首次投入殘?zhí)?，運(yùn)行一段時(shí)間后，才出現(xiàn)此問(wèn)題，可見(jiàn)床溫的偏差與殘?zhí)嫉耐度腙P(guān)聯(lián)較大。殘?zhí)嫉拿芏葹?.56 t/m3，在殘?zhí)纪度牒?，殘?zhí)既剂贤度肓恐饾u增大，燃煤量逐漸減少，殘?zhí)既剂洗娌糠秩济?；爐內(nèi)的循環(huán)物料由全部的燃煤循環(huán)物料，變?yōu)槿济?殘?zhí)嫉幕旌衔锪希捎跉執(zhí)嫉拿芏刃?，在同樣的風(fēng)量下床壓變小，風(fēng)帽周?chē)菀壮霈F(xiàn)床料被局部吹穿的情況。

床溫測(cè)點(diǎn)的爐內(nèi)實(shí)際布置情況為：床溫測(cè)點(diǎn)穿過(guò)水冷風(fēng)室，布置在流化床底部；床溫測(cè)點(diǎn)頂部與風(fēng)帽齊平，流化風(fēng)直接吹掃床溫測(cè)點(diǎn)工作端。在風(fēng)帽孔周邊床料被局部吹穿后，測(cè)點(diǎn)測(cè)量溫度不能夠代表床料的真實(shí)溫度。

2.2.4 解決方案

床溫偏差可通過(guò)兩種方法解決。

1)增加床料

通過(guò)床料添加系統(tǒng)，向爐內(nèi)加入床料，彌補(bǔ)殘?zhí)既剂洗嫒济喝剂虾笤斐傻难h(huán)物料密度變小的情況；同時(shí)通過(guò)增加床料，提高床壓。

2)減少一次風(fēng)量

投入殘?zhí)己?，在一次風(fēng)量、風(fēng)壓等各參數(shù)不變情況下，由于殘?zhí)嫉拿芏刃?，顆粒極小，床料的臨界流化風(fēng)量變小。一次風(fēng)量由風(fēng)量46 000 Nm3/h降至30 000 Nm3/h(鍋爐最大連續(xù)出力工況設(shè)計(jì)一次風(fēng)量為53 000 Nm3/h)。

2.3 殘?zhí)佳h(huán)物料特性

2.3.1 高壓流化風(fēng)(返料風(fēng))風(fēng)壓低

由于殘?zhí)嫉拿芏容^小(0.56 t/m3)且顆粒極細(xì)(0～40 μm)，造成殘?zhí)煎仩t長(zhǎng)時(shí)間使用殘?zhí)既剂蠒r(shí)，全部的循環(huán)物料由純煤變成煤和殘?zhí)嫉幕旌衔锪?，隨著時(shí)間推移，殘?zhí)荚谘h(huán)物料中占比會(huì)越來(lái)越大，最終造成返料風(fēng)壓偏低。一般對(duì)比全部燃料為燃煤的情況下，返料風(fēng)壓偏低6～9 kPa。比如高壓流化風(fēng)母管在全部燃料為燃煤時(shí)，壓力為25 kPa，同等負(fù)荷情況下，在全部燃料為殘?zhí)紩r(shí)，壓力變?yōu)?6 kPa。

2.3.2 床料變化

殘?zhí)煎仩t采用殘?zhí)既剂祥L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，排渣系統(tǒng)基本處于停運(yùn)狀態(tài)，燃煤時(shí)留存的床料持續(xù)消耗，殘?zhí)既剂闲纬傻拇擦显黾?。由于物料密度差，需根?jù)床壓變化和床溫偏差值，增補(bǔ)普通床料(由啟動(dòng)床料系統(tǒng)補(bǔ)充床料)；或者啟動(dòng)給煤機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)投入燃煤，維持一段時(shí)間，用以形成床料。

2.3.3 循環(huán)物料需外排

殘?zhí)煎仩t運(yùn)行時(shí)，隨著殘?zhí)汲掷m(xù)加入，循環(huán)物料持續(xù)增加，多余的循環(huán)物料需及時(shí)排出。外排的物料無(wú)法經(jīng)過(guò)機(jī)組排渣系統(tǒng)排出，只能通過(guò)循環(huán)灰排放系統(tǒng)排出。

2.4 殘?zhí)既紵艧崽匦约皻執(zhí)加?jì)量問(wèn)題

根據(jù)大量試驗(yàn)和設(shè)計(jì)循環(huán)倍率可知，殘?zhí)荚跔t內(nèi)釋放熱量的過(guò)程為；在循環(huán)燃燒時(shí)，首輪燃燒大約釋放總熱量的65%，經(jīng)過(guò)分離器循環(huán)2～5次后，燃燒釋放出剩余約25%的總熱量，再經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，最終釋放出剩余10%的熱量。

根據(jù)使用要求，燃煤燃料能夠在燃料指令為0%～100%時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出為0%～100%的煤量，其指令和反饋為一條斜線(xiàn)。而殘?zhí)既剂显谕度霑r(shí)，控制燃料量的指令與實(shí)際燃料量的反饋線(xiàn)性很差。經(jīng)分析，主要原因包括：1)氣力輸送不具備線(xiàn)性調(diào)節(jié)功能；2)殘?zhí)季邆淞黧w特性；3)殘?zhí)嫉念w粒僅40 μm，粒徑很小。所以殘?zhí)荚谕ㄟ^(guò)星型給料機(jī)時(shí)，在低頻率轉(zhuǎn)速下，流體狀的殘?zhí)既剂线_(dá)不到線(xiàn)性控制的目標(biāo)。經(jīng)觀察，給料機(jī)處于2%～11%的頻率下，對(duì)應(yīng)燃料量輸入量為總?cè)剂狭康?0%～50%，處于11%～35%時(shí)，輸入燃料量基本不變；處于35%～85%頻率時(shí)，燃料指令與實(shí)際進(jìn)入爐膛內(nèi)的燃料量反饋基本成線(xiàn)性；85%頻率以上，增加頻率指令時(shí)燃料量基本不變；燃料指令與實(shí)際燃料量跟蹤關(guān)系如圖1所示。

圖1 燃料指令與實(shí)際燃料量跟蹤關(guān)系

在機(jī)組投運(yùn)殘?zhí)紩r(shí)，殘?zhí)剂髁繜o(wú)監(jiān)視測(cè)點(diǎn)，輸入爐內(nèi)的殘?zhí)剂恐荒芡ㄟ^(guò)燃煤量換算。因此需要增加流量表計(jì)，以解決此問(wèn)題。

2.5 殘?zhí)计渌匦约板仩t注意事項(xiàng)

1)殘?zhí)贾兴趾炕緸?%，其吸水性強(qiáng)，需要關(guān)注系統(tǒng)的防水，防止殘?zhí)嘉蟀褰Y(jié)；板結(jié)部位通常發(fā)生在輸送管道及殘?zhí)季彌_倉(cāng)內(nèi)壁。

2)由于殘?zhí)剂叫。谕哆\(yùn)后應(yīng)注意觀察分離器的分離效果，防止出現(xiàn)殘?zhí)疾蹲搅坎蛔愕那闆r，造成煙道及空預(yù)器處殘?zhí)季奂那闆r。

3)選擇布袋除塵的機(jī)組，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視除塵系統(tǒng)前后差壓，預(yù)防布袋堵塞后造成引風(fēng)機(jī)負(fù)壓抽吸事故。

4)殘?zhí)纪哆\(yùn)時(shí)，應(yīng)注意給料系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性，避免出現(xiàn)給料不連續(xù)或者給料突然中斷情況，造成鍋爐燃燒的巨大擾動(dòng)。

5)投運(yùn)殘?zhí)既剂蠒r(shí)，應(yīng)注意調(diào)節(jié)爐膛溫度、床壓床溫、返料等相關(guān)參數(shù)的控制范圍等。

3 結(jié)論

1)殘?zhí)煎仩t能夠?qū)崿F(xiàn)100%殘?zhí)既剂祥L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在電站鍋爐清潔能源方向上有重大意義；

2)殘?zhí)煎仩t床溫偏差特性比較明顯，需注意區(qū)別于燃煤燃料的流化床鍋爐；

3)殘?zhí)煎仩t運(yùn)行時(shí)，燃料不同，需注意床溫及流化風(fēng)量等參數(shù)的控制，燃料切換時(shí)，一次風(fēng)流化風(fēng)量必須調(diào)整；

4)殘?zhí)煎仩t運(yùn)行時(shí)，循環(huán)灰需根據(jù)工況適當(dāng)排放；

5)殘?zhí)煎仩t采用殘?zhí)既剂祥L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，需適當(dāng)補(bǔ)充床料；

6)殘?zhí)枷嚓P(guān)MFT聯(lián)鎖邏輯為鍋爐新增主保護(hù)邏輯，需要進(jìn)一步共同完善。