煤粉燃烧系统的优化设计 0 燃烧过程的影响 循环流畅性是一种新型的清洁煤燃烧技术。它具有燃料适应性广、负荷调节性好,能够在燃烧过程中有效地控制NOX和SOX的产生和排放等许多优点,因此在国内外得到愈来愈广泛的运用。从循环流化床对煤的燃烧方式来说,与煤粉炉有很大的差异。 1 煤粉燃烧系统存在的问题 从两者的特点看,煤粉燃烧是将煤磨成细粉,然后用空气送入炉膛中,在悬浮状态下燃烧。因此必须把煤磨成很细的煤粉,煤粉直径一般在100μm以下。使煤的表面积增大,才有利于煤的着火和燃尽。当煤粉与一次风混合,从喷嘴喷入炉膛后,受到炉内火焰、高温烟气的加热,温度上升,开始析出水分和挥发份,并着火燃烧,同时使煤粉进一步加热燃烧,直到燃尽为止。在炉膛中,由于煤粉的运动速度和运载它的气流速度基本上相同。因此煤粉在炉膛中停滞时间很短,约1s～2s,所以必须在很短的时间里使煤粉燃烧完全。 显然为了使煤粉燃烧完全,必须将煤粉加热到一定的温度才能着火。煤粉浓度越高,炉膛温度越高,煤粉挥发份越高,越容易着火燃烧。因此在高温下的煤粉燃烧会排放大量的二氧化硫(SO2),氮氧化物(NOX)和粉尘,造成环境污染。 由此看来,在煤粉燃烧系统中存在如下问题: (1) 燃料在燃烧区停留的时间很短,需要较高的热风温度和燃烧温度以及细的煤粉粒度来保证煤粉的着火和燃尽。 (2) 炉膛温度通常高于980℃以上。在煤粉炉膛的高温度区,一般可达1200℃～1500℃,造成了NOX的形成和环境的污染。 (3) 燃烧温度过高,炉膛内不可以进行脱硫,而只能采取脱硫装置来除去SO2,费用高。 (4) 许多低挥发份、低灰熔点的煤种,无法采用常规的燃烧系统,因为炉膛温度偏高会引起锅炉受热面的结渣。 2 循环流化床锅炉 循环流化床的燃烧方式不需要将煤磨成粉末,仅仅将原煤破碎成1mm～10mm的颗粒,然后投放到锅炉炉膛中。在锅炉炉膛底部附近的布风板处为燃烧密相区。炉膛中含有大量的固体物料,此物料为石灰石、砂子、灰和煤粒等其它燃料。一次空气从布风板底下的风室通过风帽强制送入炉底。使床料层保持扰动状态。随着空气流速的提高,炉膛烟气速度增大,从而将固体物料(燃料、石灰石和灰)的浓混合物带起向上流动并通过炉膛燃烧室,进入旋风分离器。绝大部分的物料在旋风分离器中被分离下来。再次送回炉膛燃烧,从而形成循环流化的燃烧过程。 在这过程中,固体在低于空气和烟气混合物的速率下流经炉膛燃烧室,颗粒在燃烧室的停留时间可长达数分钟,在这一相当长的停留时间内,燃烧颗粒在摩擦过程中被不断被破碎、消耗,同时燃烧过程中燃料颗粒尺寸变小,并能与石灰石及其余床料充分混合,这一作用造成了循环回路中有许多床料所必须的“细粉”——即床料中的小颗粒。 由于在循环流化床锅炉的床料中燃料份额仅占3%～5%,大部分床料为石灰石和灰。因此,煤种的变化,即煤的挥发份、水分、灰分的变化对锅炉燃烧的影响很小。所以对燃料适应性广泛。同时由于循环流化床锅炉的炉膛温度能控制在860℃～900℃之间。在此燃烧温度范围内是采用炉内石灰石脱硫的最佳温度区域。因此可以采用较少的石灰石,通过与煤粒的长时间停留接触,经过强烈扰动,从而得到高的脱硫效率。 循环流化床锅炉中没有固定的床深。由于颗粒重量不同,大小不同,其炉膛中的流化床料有不同的密度。较重的颗粒处在炉膛较低的区域,随着高度的上升,更小的床颗粒进入旋风分离器。然后被分离下来,返回炉膛,当颗粒分解到一定程度,就以飞灰的形式随烟气进入对流受热面。 由此可见循环流化床锅炉具有如下的特点: (1) 煤种的适应性广泛; (2) SO2、NOX排放低,环保性能好; (3) 可燃烧灰熔点低的煤质; (4) 锅炉负荷调节比大; (5) 低负荷稳燃性好。 因此随着环保要求的愈来愈严格,循环流化床锅炉作为一种清洁燃烧技术得到愈来愈广泛的应用。 3 循环流的燃烧 由于循环流化床的燃烧方式不同,因此锅炉的点火方式也与常规煤粉燃烧器有很大的不同。 3.1 煤粉锅炉冷凝 通常煤粉锅炉的点火均使用液体燃料或气体燃料。采用多次点火方式,先由高能点火器发火,逐级点燃液体燃料(或气体)。再点燃煤粉。点火过程可以在主燃烧器上进行,也可先点燃启动燃烧器,再点燃主燃烧器。点火燃烧器的最小容量约为所点燃的主燃料喷口设计输入热功率的1%～3%。 煤粉锅炉在冷态启动时,用于点火燃烧器的燃油出力,通常为锅炉额定负荷时所需燃烧出力的三分之一。并且必须持续燃烧几个小时。使炉膛各处均达到高温后,才能投入煤粉。等煤粉燃烧稳定后,并且锅炉达到一定的最低稳燃负荷时,才能断油。通常对燃无烟煤来说,锅炉最低不投油稳燃负荷在55%～60%MCR以上。 3.2 煤炭床或床下点火 循环流化床的点火方式与煤粉炉有很大差异。由于在炉膛内有大量的固体物料。锅炉启动时,首先必须通风,使床料流化起来。因此点火过程中首先要加热炉膛中的固体物料。使炉膛内的固体物料达到一定的温度,即煤的着火温度,才能投放燃料。 循环流化床的点火燃料不仅有液体和气体燃料,点火方式也分为床上点火(炉膛中点火)和床下点火(即布风板下的风室中点火)。不同的点火方式形成不同的点火燃烧器和运行方式,现分别介绍如下: 3.2.1 床温点火技术 (1) 我厂早期在130t/h低倍率流化床锅炉上的点火方式,是将流化床分成两排共6个分床,在锅炉一侧靠近侧墙,距炉底风帽的上部约600mm高度处安装点火油枪(见图1)。点火步骤如下: 首先在布风板上铺一定量的符合要求的床料,粒度为6mm～8mm。料高200mm～250mm左右,然后使床层流化起来。并送入粒度为100mm～170mm的原煤,使静止料层高度保持在350mm～370mm左右,防止引燃时发生超温结焦。 启动锅炉有油枪处的一侧的分床,使其床料流化,而其余分床处于微流化状态。点燃点火油枪,调整燃油的风量,使燃烧稳定。逐步加热该分床的燃料,使燃料着火。然后控制汽包壁温升不超过2℃/min。点火的持续时间约为40min～50min。 然后调整油枪,点燃2号、5号分床。保持1号、4号分床的风量不变。减少3号、6号分床风量。以减少带走的热量。随着床温上升逐步加大各床的风量。使各床之间进行热交换。从开始点火至引燃结束。床温由100℃升至800℃～1000℃。各床平均升温速度为100℃/min～150℃/min。全床引燃时间约为12min～15min。当床温升至800℃以上时可以加入煤。投煤由少至多,待全床着火后,停止油枪。 在此点火过程中由于是分床启动点火,相互干扰影响大,操作繁琐。 (2) 我厂在200t/h循环流化床锅炉也采用了床上点火(见图2)。在220t/h循环流化床锅炉床上点火启动燃烧器的设计中,共采用4台轻油启动燃烧器。4台点火器总输入热量为锅炉总额定负荷的30%。布置方式为炉膛前墙两台。两侧各一台。当4台都投入时,可向炉膛水冷壁表面提供均匀的热量分配。每台点火器都具有电磁阀控制的气缸。能控制燃烧器的伸出和退缩动作。采有高能点火器。先点燃丙烷气体。当丙烷气体火焰稳定后。就可以投入轻油启动燃烧器。轻油必须雾化。 点火器上还设有火焰检测器,将来自火焰检测器的信号输入到管理系统中。当某一台点火燃烧器启动后,火焰必须在短时间内得到确认。否则,燃烧器会停止工作(跳闸)。无论何时,只要点火器投用,火焰都必须监测。一旦发生点火器熄火,必须立即停止供油,并进行炉膛吹扫。 点火步骤如下: 首先在检查完锅炉各部件情况下,启动一、二次风机。当风机运行检测正常后,利用燃烧室下部接口,把床料吹入燃烧室(首次加入的床料,可以是砂、石灰石或储存的床料,采用砂的密度均为1442kg/m3)。同时检测床压,以确定床料量。床压力也随之增加,当床压指标压力在到4.5kPa～5.5kPa表压时,停止加床料。这时若停止风机床料下落,进行床料测重,其实际的床料深度约为600mm～700mm。 通常当风机、床压运行正常后,启动并检测点火二次风道的风压和流量。并检测点火系统油枪油压是否正常。每次启动前对锅炉炉膛进行吹扫通风。防止存在可燃气体。 当一切检测就绪后,由控制室发出启动指令。先从其中一支点火油枪开始,插入燃烧器,点火器通电,检测火焰,打开油阀,增加油量。燃烧稳定后,再分别逐步启动其余点火燃烧器。 调节启动燃烧器的燃烧负荷,以逐步增加燃烧室床温,升温速度为28℃/h～50℃/h,将床料加热到高于593℃时可以逐步投煤。当燃料给入量增加时,应慢慢减少启动燃烧器的燃烧负荷。直至启动燃烧器的负荷为最小。当床温指示值为780℃～820℃时。可以停止启动燃烧器。 启动燃烧器提供的热量,主要是将床料提高到煤颗粒着火的温度。不同的燃料,其着火温度不同,通常当床温600℃时,一般煤种都能着火。 随着燃料的投入和着火燃烧,启动燃烧器的输出可以逐渐减小,而燃料可以逐渐增加。当启动燃烧器减至最小输出量时就可以停止工作。此时锅炉就只有主固体燃料了。由于CFB锅炉的炉膛中含有大量固体物料,为了防止对油枪的磨损、高温烧坏和积灰堵塞。因此在床上点火燃烧器的设计中,必须考虑带有伸缩机构,其结构复杂。控制系统繁琐,维修量大,事故也繁多,易发生炉膛爆炸。 3.2.2 床下风道式点火 CFB床下启动点火燃烧器通常布置在炉底风室的一次风道中。对130t/h以下的CFB锅炉能够使用2台点火器。点火器的输出能力为锅炉额定负荷时燃料输入热量的15%～20%。可以采用液体或气体燃料,对液体燃料如轻油、重油能够使用机械雾化或蒸汽雾化方式。 点火步骤: 启动油泵及引风机,作好点火准备工作。 启动一次风机,逐渐开启调节风门至临界流化风量。 检测油压、油温,检测一次风道中的风量及流量。 进行油枪吹扫,启动火焰检测器。 用高能点火器点燃油喷嘴,同时检测着火情况,及时稳定火焰调整炉膛负压,用逐渐开大油阀开度,增加燃料量来调节床温上升速度。床温第一小时控制在200℃～250℃左右。 调整一次风量,既要防止冒黑烟,也可帮助提高床温。 开启返料风,保持正常返料。当床温升到400℃～500℃左右,视煤种而定,即可小量加煤,启动时的加煤量不能超过床料总重量的10%～14%。 当床料温度升至600℃～650℃左右时,根据升温速度(每分钟升温5℃以上)可适当关小油门(或调整一次风门)来控制升温速度。 当床温升至700℃～750℃时,可关闭一支油枪。至750℃～800℃时,关闭另一支油枪,及时调整好给煤量。 关闭启动油枪后,可以增加给煤量和增加一次风量。当床温升至850℃～900℃时,调节给煤和一、二次风比,维持床温在900℃左右,逐渐步入正常运行操作。详见启动点火器运行曲线)。 采用床下风道式点火方式具有设备简洁无积灰堵塞,操作方便,可靠性好,节能省油等优点。 由此可见,采用床下点火方式具有许多优点。 4 点火器及油枪的设计 由于床下启动燃烧器布置在一次风道中,风道中的空气温度为160℃～200℃,而且无固体物料等杂质。因此启动燃烧器的结构可以简洁,无须进退机构,也没有磨损和高温烧坏之忧(见图4,循环流化床炉底风道点火装置),不会发生灰渣堵塞启动燃烧器的问题。高能点火器和火焰检测器的安装也很方便。同时由于床下点火器直接加热了一次空气,这些空气通过布风板的风帽能直接加热床上的固体物料,因此启动燃料热损耗小。与床上点火相比可以节油40%。对220t/h以下的循环流化床锅炉能够使用2台点火器。点火器的输出能力为锅炉额定负荷时燃料输入热量的15%～20%。 启动点火燃烧器的油枪设计,对液体燃料如轻油能够使用机械雾化方式,重油采用蒸汽雾化方式。为了保证着火稳定必须合理选择风道的空气流速,通常设计风道中的空气流速为20m/s～30m/s,同时在油枪喷处须加装稳焰罩。 通常床下启动点火燃烧器的设计主要考虑下列因素: (1) 出力 点火器的热力输出通常为锅炉额定负荷的15%～20%。例如: 75t/h CFB为375kg/h×2支油枪 130t/h CFB为650kg/h×2支油枪 220t/h CFB为600kg/h～1100kg/h×2支油枪 (2) 在设计风道燃烧室时必须着重考虑以下问题: ·风室的大小、空气经过燃烧器后形成的空气动力工况、气流的速度、回流区的大小、火焰的长度和火焰的扩散角的变化等是否与油雾完全燃烧的要求相适应。 ·提供的风量必须和油雾在燃烧阶段的空气需要量相适应。尽可能使油滴都能获得完全燃烧所需要的氧气。 ·稳焰罩和油枪喷嘴的相对距离应保持最佳值,有足够的热烟气回流区域。防止气流直接吹在火焰根部,造成脱火。 ·防止火焰直接烧至床面和其它炉底管道,造成过热损坏。 (3) 对油枪点火器的要求是: ·具有良好的油粒雾化质量,而且雾化微粒要细小。 ·油枪的出力调节比大,能满足点火能量的需要。 ·油枪结构简洁,操作维护方便。 ·油滴微粒与助燃风的混合要均匀充分。 ·在最小的风量和最低的风压下能使油完全燃烧。 5 项目示例 关于130t/h CFB点火油系统的设计(见图5)。 (1) 采用机械通气法主要用于燃烧轻油 其炉前油系统比较简单,能够使用空气吹扫方式。油枪出力的调节范围较小,主要通过调节进油压力,系统设计油压,通常为3.0MPa。 (2) u3000油枪的选择 通常喷油量Q与油压p的平方根成正比(对同一喷孔直径时)见关系式: a∝p√a∝M2a∝pa∝Μ2 式中a——喷油量; kg/h p——油压; MPa 设计选择当油压p=3.0MPa时,燃油量a=400kg/h 当油压变化为2.0MPa时,则:400×(23)2=177.7kg/h400×(23)2=177.7kg/h 这时燃油出力为a=178kg/h,油压再降低将使雾化恶化。因此如果要求更小的油枪出力时,应更换雾化片。通常机械雾化的油压一定要保持在1.5MPa以上。 (3) 设计火力风道时，应避免用火力风道壁面覆盖油雾，并使壁面产生焦 点火风道应有足够的长度,防止火焰立即进入床下风室,冲刷布风板,造成直接烧坏布风板和风帽。 6 点火器的改进 循环流化床的点火燃烧器还有许多型式,有燃烧天然气体的点火器,燃烧重油的点火器等,随着循环流化床锅炉的发展,更可靠、更简洁的点火方式将不断涌现。

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