超低热值煤矸石发电技术研究

叶培祥，陈渝飞

四川华蓥山广能集团四方电力有限责任公司

超低热值煤矸石发电技术研究

叶培祥，陈渝飞

四川华蓥山广能集团四方电力有限责任公司

通过对超低热值煤矸石入炉燃烧发电技术的研究，运用高低差速燃烧技术，采用超大的炉床面积、炉拱的结构优化、新型的防磨措施、全浇筑的水冷壁设计改造低倍率循环流化床锅炉；能够稳定燃烧800-1000kcal/kg超低热值煤矸石，并产生足够的蒸汽，满足发电要求。

超低热值；发电；混合流速；改造

引言

煤矸石是在煤炭开采和加工过程中产生的，是目前我国排放量最大的固体废弃物，占全国工业固体废弃物的20%以上。现在全国煤矿和选煤厂出产的发热量低于1200kcal∕kg的煤矸石，因为热值过低，绝大部分是作为废弃物放置于煤矸石堆放场，扬尘污染环境，自燃污染环境，浪费国家土地资源。若能直接利用煤矿、选煤厂废弃不用的超低热值煤矸石燃烧发电或产汽供热，不仅减少了煤矸石堆积对环境的污染还实现资源回收利用。

1 、循环硫化床技术研究

1.1 、循环流化床锅炉

用低热值煤矸石发电，首先要解决的就是低热值煤矸石进入锅炉后的燃烧问题。在这方面，循环流化床锅炉性能无疑是最佳。

各种入炉燃烧颗粒状煤矸石的流化床锅炉，差别主要是燃烧系统，其炉膛结构布置、气固分离机理、返料系统设置是核心，而锅炉尾部对流受热面部分与常规锅炉没有根本的不同。循环流化床燃烧系统主要包括在炉膛、气固分离器和返料器这三个关键部件，体现了其优越性。炉膛下部燃烧室料层较厚，客观上具备了较强的蓄热功能，利于低热值的煤矸石着火燃烧，是密相区，炉膛上部为稀相区；气固分离机理主要靠烟气流程扩径降速和烟气转向撞壁失去动能完成分离，含碳颗粒落入返料器内；继续被烟气携带出炉膛的物料被尾部低温分离器再分离后经返料器返回炉膛，物料如此循环返复燃烧；排出锅炉的灰、渣含碳量较低，锅炉燃烧效率和热效率较高、煤耗较低。

1.2 、循环流化床锅炉常见设计难点及解决措施

循环流化床锅炉设计中需要考虑的几个主要问题：

（1）锅炉额定蒸发量需要从受热面富裕系数取偏大值来满足要求；

（2）炉膛密相区流化效果需要从炉膛布风板出风压头提高和变化风速以及减小入炉燃料粒径来达到；

（3）炉膛高温段气固分离器结构要有利于烟气降速和转向，促进粗颗粒静止，床内粒子循环流量不足时，可提高飞灰回收装置的效率，或将锅炉尾部过滤灰投入再循环燃烧，或从系统外补充细灰等以避免物料在返送器内结焦；

（4）耐火材料性能和受热面防磨损措施必须周全。

2 、高、低差速燃烧技术

高低差速燃烧技术其要点是改变现有常规流化床炉膛内风速基本一样，采用不同流化风速的多层床面“差速流化床结构”，这种结构将流化床面分成高速床和低速床，在高速床内不布置受热面，在低速床内均布置埋管受热面，由于其床面的高低差异及不同的流化速度，使物料在炉内形成有序的循环。高低差速燃烧技术与一般流化床相比有以下几方面特点：

（1）磨损小：

高、低混合循环流速流化床锅炉的易损部份是密相区的埋管受热面，根据磨损公式：

△∝c•d1.5•ω2.3

式中△：磨损量，c：材料耐磨系数，d：颗粒直径，ω：烟气冲刷速度。

由磨损公式可知，降低磨损的三个要素是：降低烟速，减小粒径，选用优质耐热耐磨材料。而且粒径是1.5次方关系，烟气速度是2.3次方关系。烟气速度影响磨损最大。

从高低差速床锅炉结构上看，在高速床内烟气的速度较高，一般W1＜4米∕秒左右，煤的颗粒度也较大，一般为0～10mm左右，但在此区域没有布置受热面，所以不存在磨损问题。在低速床内烟气的速度较低，一般W2＜2米∕秒左右，煤的颗粒度也较小，一般在2mm以下。因此埋管受热面布置在此区域从上面磨损公式中可看出，埋管的磨损将大大降低。

粗的颗粒集中在低层的主床上，细的部分趋于上副床内，由于分离后的副床上床料平均颗径比给料的平均粒径小，因此副床的流化风速可比主床小很多，细的床料和低的流化风速使设置在此处的埋管受热面磨损程度显著减轻，寿命由一般8000小时增加到30000小时以上，很好地解决了中小容量FB和低倍率CFB锅炉的安全可靠性问题。

（2）燃烧效率和脱硫效率高

高、低床之间的不同流化风速，形成了床料的有序内循环，强化了床物料横向混合，同时，由于高速床物料较厚，延长了给料和脱硫剂在床内的停留时间，且蓄热温度场稳定在900Co左右，提高了锅炉的燃烧效率和脱硫效率。通过运行和热工试验表明,飞灰含碳量可降到5%以下，炉渣的含碳量为1.5%以下。

（3）负荷调节性能好

多床面的结构，使锅炉具有良好负荷调节性能，特别是改善了单一流化床低负荷时因流化风速低，结焦和过剩空气较高的不足，使之可在40%负荷下可靠运行。高低差速流化床锅炉其高、低流化床燃烧时是独立配风，因此负荷调节范围较大，一般在40%～105%。

（4）环保性能好

①SO2：流化床锅炉的低温燃烧特性——炉膛温度控制在900℃左右，是炉内喷钙脱硫的最佳温度，可以采用添加石灰石这一简单的方法达到固硫脱硫目的，当钙硫比为Ca∕s=2时,炉内固硫脱硫效率可达到70%以上。

②NOX：高低差速循环流化床的低温燃烧和分段供风两大特点，可以显著地降低NOX排放量。

通过对高、低混合流速流化床的技术特点分析，改进高、低混合流速流化床锅炉燃烧超低热值煤矸石是目前国内最理想的选择。

3 、改造低倍率硫化床锅炉

广能集团绿水洞电厂现有两台东方锅炉厂生产的低倍率中温分离循环流化床锅炉，其入炉燃烧值为2000kcal∕kg。为了使煤矿所排放的超低热煤矸石（发热量800-1200kcal∕kg）回收利用，广能集团绿水洞电厂决定对现有的锅炉进行改造以实现超低热值煤矸石燃烧发电。经过对高、低差速混合流化床技术的研究和对稳定锅炉燃烧，提高锅炉效率，防止锅炉磨损等关键技术的理论分析研究。电厂提出一系列能燃烧800-1200kcal∕kg超低热值煤矸石的锅炉改造技术方案。

（1）采用较大的床面积和适当的风帽小孔流速

床面积大，床内热容积大，大量的低热值煤的加入不至于对温床造成较大的影响，保证了劣质煤的着火。由于矸石、石煤比重较大，适当的风帽小孔流速既满足燃烧的需要，同时也满足炉内正常流化的需要。

（2）合理布置埋管

布置埋管是低速床保证床内不超温的有效手段，燃用劣质煤的流化床，既要保证锅炉负荷，又要保证床温，故埋管受热面的布置成为技术的关键之一。

（3）采用新型的防磨措施

锅炉非顺流受热面的磨损会严重影响锅炉的安全运行，造成的直接危害是使承压的金属管子壁厚减薄直至爆管停炉。为了解决锅炉受热面磨损，电厂拟对改造的锅炉燃烧室内受热面全部使用高铝质挂砖防磨，锅炉埋管采用铁铝瓷护瓦防磨。

（4）合理布置水冷壁受热面

炉膛内水冷壁布置得多，烟气温度下降得快，不利于细颗粒的燃烧；布置得少，大量的飞灰燃烧可能使烟气超温，导致炉内挂焦，电厂拟采用膜式水冷壁加敷设浇注料的方式进行水冷壁受热面的设计，运行实践中可以调整，能合理的解决这一问题。

（5）合理布置尾部受热面

由于燃用劣质煤的锅炉烟气量及飞灰量较大，而炉膛内吸热量少，尾部受热面须布置较少的过热器受热面和较多的蒸发受热面，这与常规煤种锅炉是不一样的，这也是劣质煤燃烧的关键技术之一。

（6）炉拱的结构优化

采用重型炉墙，用两扇膜式壁将炉膛分为三回程。使改造后的锅炉具备高、低混合流速流化床内的高、中温两级分离，两级回送的功能。

另外电厂还提出一系列配套技术方案来保证超低热值煤矸石在改造的锅炉中高效、稳定燃烧。

（1）采用负压给煤技术替代正压给煤，解决螺旋给煤机堵煤和给煤不畅问题；

（2）配套改造烟风系统，扩大引送风机能力，保证锅炉燃烧和锅炉负压运行；

（3）利用高含钙煤矸石进行炉内固硫，降低过路出口烟气中二氧化硫的浓度，在锅炉尾部加装不锈钢空气预热；

（4）利用汽轮发电机冷凝水冷却锅炉灰渣，回收锅炉灰渣余热，并解决锅炉间断人工排渣导致渣管故障频繁，排渣困难等问题。

绿水洞电厂根据超低热值煤矸石入炉燃烧发电的实际情况决定根据上述改造技术方案对原锅炉在利旧原则的基础上进行改造。改造后的锅炉保留了原有的汽包、钢架、减速器、过热器等设施，拥有高低差速燃烧技术和低磨损的特点。为了保证锅炉燃烧和锅炉负压运行，配套改造烟风系统，扩大引送风机能力；为了回收炉渣余热，配套改造锅炉除渣系统。为了解决锅炉给煤机堵、堵煤的老大难问题，将原来锅炉的正压给煤方式改为负压给煤。

改造后的锅炉经多次试运行后得出结论：800kcal∕kg煤矸石能够在锅炉中燃烧、入炉燃料为1000kcal∕kg的煤矸石时锅炉能够满负荷出力，入炉燃料为1200kcal∕kg的煤矸石时能够达到经济效率。经实践证明改造后的锅炉能够稳定、高效燃烧超低热煤矸石发电。

5.结论

广能集团绿水洞电厂通过对现有的循化硫化床技术研究，运用高低差速燃烧技术成功的改造了低倍率锅炉，实现了超低热煤矸石直接入炉燃烧发电。它不仅提供了一种超低热值煤矸石发电方式，节约了发电成本还解决了超低热煤矸石综合利用问题，具有显著的经济效益和社会效益，是小型煤矸石发电技术的重大突破。