CFB锅炉运行存在的问题分析与探讨

摘要：循环流化床锅炉燃烧技术作为一种低污染清洁燃烧技术受到重视，得到广泛应用，但是运行中暴露出不少问题亟得解决，如锅炉风量调整控制、炉膛结焦、给煤系统问题、锅炉出力调整控制、飞灰可燃物高等问题。本文结合现场锅炉运行、检修、试验等工作，对这些问题进行分析探讨，对CFB锅炉的安全、经济运行有一定的指导意义。关键词：循环流化床锅炉风量调整控制结焦给煤系统出力调整CFB锅炉燃烧技术作为一种低污染的清洁燃烧技术，不仅可以大幅度减少NOX的排放、还具有炉内加入脱硫剂后易于实现脱除SO2的技术优势，同时具有优越的调峰经济性、良好的煤种适应性和劣质煤燃烧的可靠性，加之国家环保产业政策的因素，使CFB在国内外发电行业中受到重视，得到了广泛的应用。1CFB运行的基本原理CFB锅炉以携带大量高温固体颗粒物料的循环燃烧为重要特征，固体颗粒充满整个炉膛，处于悬浮并强烈掺混的燃烧方式，炉膛出口的分离器将炉膛出口的绝大部分高温的固体颗粒收集，由其下部的回料阀将他们再次送入炉内参与燃烧，原理简图见图1。循环的燃烧方式，延长了燃料在炉膛内的燃烧时间。与常规的煤粉炉悬浮燃烧过程比较，CFB炉膛内的颗粒浓度远大于煤粉炉，颗粒与烟气间的相对速度大，明显区别于煤粉炉的气力输送式的煤粉悬浮燃烧。在这种燃烧方式下，炉膛内的温度水平受到煤燃烧过程中灰熔点的限制，料层温度过高，使灰渣熔化形成高温结焦，温度过低容易发生煤的低温结焦，不利于煤的稳定燃烧，因此CFB炉膛温度一般控制为850～900℃左右，这一温度范围和石灰石脱硫剂的脱硫反应最佳温度范围相一致。2CFB运行的基本特点（1）蓄热量大，对煤种的适应性好。CFB炉内有大量高温固体颗粒物料（95%高温床料，5%的新燃料），为有效利用劣质煤等燃料提供了基础。但是根据某一特定燃料设计的CFB炉，并不能适应于差别特性较大的燃料。CFB锅炉在煤种变化时，会对调节带来影响，各种煤的燃尽率差别极大，在更换煤种时，必须调节分段送风和床温，适应煤种的变化。（2）高的颗粒浓度和固体物料循环过程、高强度的热量传递过程。通过操作，改变物料循环量，适应不同的燃烧工况，使整个炉膛高度的温度分布均匀。（3）低温燃烧，低污染物排放。由于CFB炉内燃烧的温度水平相对煤粉炉较低，使得NOX生成量大大减少；在炉内添加脱硫剂，可以在相对较低的钙硫摩尔比下，得到较高的脱硫效率，但是根据有关资料介绍当Ca/S摩尔比超过3时，NOX生成量迅速增加，另外脱硫剂过多的加入不仅增加底灰份额，物理热损失增加，而且炉内分解石灰石吸热量增加，锅炉热效率降低。CFB由于燃烧温度低，会产生N2O（笑气），尤其在燃烧烟煤时最高。随炉膛温度的升高和Ca/S摩尔比增加，生成的NOX增加，N2O减少，SO2减少；过量空气系数的增加，NOX和N2O都将增加，增加的程度与燃料特性有关，就N2O排放而言，CFB的炉膛温度不宜低于900℃，提高燃烧温度，可减少N2O的排放，且能提高燃料的燃烧效率。（4）良好的负荷调节特性。CFB炉内燃烧不存在火焰中心，温度和热负荷沿炉膛高度分布较煤粉炉均匀得多，无论锅炉负荷如何变化，炉内温度始终保持均匀且变化不大，对锅炉的炉膛水循环和金属安全有利，由于床温在很大负荷范围内总保持一定，采用改变燃煤量、送风量、循环灰量和床层厚度等手段，实现负荷的调节。适应较大的负荷调节范围和调节速率，一般为100～25%。（5）比较高的厂用电率。CFB锅炉风机的数量多于煤粉炉，风机压头较高，电耗大，但CFB的优势在于实现炉内脱硫，脱硫时的厂用电率和煤粉炉+FGD大致相当，但目前的运行情况是，大部分CFB燃用的煤含硫量不高，0.5%左右，不添加脱硫剂运行，SO2的排放量也符合当前的环保排放标准要求，在这种情况下，CFB比煤粉炉的厂用电率高。3CFB运行中的问题分析3.1风量的调整控制CFB锅炉的风量由一次风、二次风和其它流化风量组成。一次风经炉膛底部的布风板送入炉膛，首先是流化床料，其次提供燃烧初期的氧量供应，将密相区产生的热量带到稀相区，维持一定的床层温度，保证炉膛的热量传递。二次风在布风板之上0.5～3米（下层二次风位置较低）左右的位置送入炉膛，风速较高、穿透力较强，和密相区未燃尽的碳粒、一氧化碳气体等混合，提供燃烧所需要的空气。如图2所示，循环流化床锅炉的一、二次风量随锅炉负荷的变化而变化，其它风量基本保持稳定，不随锅炉负荷变化而变化。循环流化床锅炉的风量控制要求较高，调整原则：在一次风满足流化的前提下，相应地调整二次风。循环流化床锅炉在运行前均要进行冷态试验，并得到不同料层厚度的临界流化风量曲线，通过温度的修正得到热态不同料层厚度的临界流化风量曲线，在热态运行时以此作为调整一次风风量的下限。二次风量调整主要依据炉膛出口烟气中的氧量调整，在低负荷范围内运行，一般无须投入二次风。通过调节一、二次风量及配比，使煤在炉膛内充分燃烧。贫煤挥发份含量在10～20%，不易点燃，燃烧时火焰短，运行中可使床料厚度比正常时高一些，并增加一次风量，使煤能尽快着火燃烧；烟煤挥发份含量在20～40%，易点燃，燃烧火焰长，且焦碳有焦结性，因此一次风可适当大些，运行中可使二次风量小些，避免主蒸汽超温。一次风量是保证床料正常流化和调节炉温的最主要非常有效的手段之一。一次风量偏少时，一是床料流化不好；二是达不到密相区燃烧需要的氧量，燃料放热量少，过低时床温下降；三是从密相区携带出的热量少，也可使床温升高而发生结焦；当一次风量过大时，从密相区携带出的热量大于燃料燃烧产生的热量，床温也要下降，同时，烟气流速也较大，对受热面磨损加剧。增加燃料之前先增加风量有时不利于控制床温，但减少燃料后须减风。二次风量一般为总风量的40～50%左右，但这不是固定不变的，运行中要根据煤种的不同以及煤的干湿程度及粒度大小进行调节，使锅炉安全、高效运行。在雨季当入炉煤很湿时，可使一、二次风量比正常时适当的大一些，使煤能尽快着火燃烧。对于煤的颗粒度小、煤粉相对较多的煤，运行中可使一次风相应的小些，以免煤粉在旋风分离器聚集燃烧，分离器出口烟温过高，造成主蒸汽超温。反之对于颗粒较大的煤，运行中相应增加一次风量，以保证良好的流化工况，并增加二次风量，以降低床温，避免高温结焦。我省开封火电厂135MWCFB为HG-440/13.7-L.PM4锅炉，设计燃烧贫煤，在2003年1月13日，由于给煤机来煤时断时续，断煤时间长时，负荷下滑，运行人员没有随负荷变化及时减少一次风量，机组负荷为70MW时的一次风量116kNm3/h，负荷到26MW时112kNm3/h，一次风量几乎未变化，床温下降，给煤机来煤又未能及时发现，炉膛进煤后，在炉膛内未能完全燃烧，煤粉在旋风分离器内发生燃烧，造成甲侧过热器主汽温快速超温，达到614℃。同样，8月26日，机组负荷111MW时，下床压13.6kPa呈上涨趋势、一次风量158kNm3/h，开始减负荷加强排渣降低床压，运行人员没有随负荷降低减小一次风量，床温下降较快，负荷55MW时上、中床温度分别为646℃、668℃，提高给煤量后，由于床温低、一次风量大，未在炉膛燃尽的煤到分离器内燃烧，主汽温达到574/569℃。这两次超温情况基本类似，随负荷降低，一次风量没有及时调整减小，造成床温下降，炉内未燃尽的煤粉到旋风分离器内燃烧，造成锅炉主汽超温事故。也有锅炉给煤机断煤后，一次风量调整不及时，机组负荷降速较慢，床温下降较快，投油助燃不及时造成的汽温低而停机的现象。3.2CFB的结焦问题CFB无论是在点火启动或正常运行过程中，都有可能发生结焦现象，原因是局部或整体温度超过烧结温度或灰熔点温度，将结焦分为低温结焦和高温结焦两种。当床层整体温度低于灰渣变形温度，局部超温或低温烧结而引起的结焦叫低温结焦。当灰渣中碱金属钾、钠含量较高时较易发生，结焦的直接原因是床料局部或整体温度超过灰熔点或烧结温度。低温结焦常在启动和压火时的床层中出现，也可能出现在高温旋风分离器的灰斗内，以及外置换热器和返料机构内。避免低温结焦，最好的办法是保证床料良好的流化状态和移动状态，温度均匀，防止局部超温。高温结焦是指床层整体温度水平较高而流化正常时所形成的结焦现象。当床料中含碳量过高，如不及时调整风量或返料量来控制床温，床温将急剧上升，超过灰熔点，便会产生高温结焦。在低负荷或点火过程中容易发生低温结焦，结的焦块越来越大，此时需增大一次风量，充分流化床料，控制焦块增长，及时排渣，及时退油增加负荷加强床料的置换，随着床料的置换该种结焦可以被逐渐磨损至消失，但结焦量大时则需按事故停炉处理。CFB锅炉在点火初期，床温较低，应采用较小的一次风量（不低于临界流化风量），即使床料没有完全流化，也不会结焦，随床层温度升高，升温速度减慢，必须加大一次风量，使床层进入良好的流化状态。停炉前低负荷运行一段时间，充分燃烧床料中累积的燃料，床温明显下降（小于800℃），可快速停炉。CFB的低负荷稳燃能力就是决定于床料在此负荷下是否能充分均匀流化。高温结焦发生在运行中，投煤量过大，床内存煤量过多，煤燃烧后引起床温急剧升高，温度往往超过灰熔点而结焦。当床温超过正常值时，要立即停止给煤，加大一次风量，待床温恢复正常时，再调节风量和煤量。新乡火电厂135MWCFB为HG-440/13.7-L.PM4锅炉，设计燃烧贫煤，在2004年3月31日发生低温结焦。#1机组大修后经历了31小时的启动过程，启动的床料用临炉停炉前的排渣，其中含有大量的可燃成分，机组负荷19MW，床上油枪四只，床温450℃，炉内流化不良，长期的烧油造成床层表面局部温度过高逐渐结块，部分高温的渣块堵塞风帽，恶化了流化状况。开封火电厂#2炉在2003年5月15日运行中曾经发生炉膛和返料系统严重结焦而停炉。该炉的设计煤种：全水8.0%、收到基灰分26.54%、收到基挥发分17.48%、低位发热量21.375MJ/kg；当时的实际煤种：全水8.0%、固水0.76%、收到基灰分17.62%、收到基挥发分10.31%、低位发热量25.22MJ/kg，属于高发热量、低灰分的煤种。锅炉启动后运行正常，连续给煤后，逐渐退出床上燃烧器，炉膛负压在+420Pa和-305Pa之间摆动，氧量12%和3%之间摆动，中、上部床温部分测点突升，最大至1066℃，减煤后床温逐渐恢复正常，回料腿低料位信号消失，高料位信号出现，高压风母管压力低、风量大，回料管结焦，炉膛下部床压由4.28kPa降至1.63kPa，调整不见好转，停炉处理，17日打开人孔后发现床上结焦。燃煤的灰分少，发热量高，加之床压低、床料少，煤燃烧放出的热量不能被床料很好的传递，床温迅速上升；另外煤进入炉膛后开始没有燃尽进入旋风分离器内燃烧，发生了结焦现象，回料阀高压风压力下降，风量上升，是回料阀内结焦后导致物料间隙大造成，后来运行两台高压风机也无济于事，只能对回料管内的物料燃烧提供氧气，加剧结焦。运行中可通过添加床料提高床压，也可以采用断续投煤的方式来攒床压，提高床压在7kPa以上运行比较安全，特别是煤种变好时尤为重要。3.3给煤系统问题CFB锅炉由于给煤系统运行不稳定，往往造成机组负荷频繁变化，特别是象哈锅厂生产的CFB锅炉，设计两条给煤线，后墙给煤，当其中一个发生问题时，机组负荷迅速降低，制约了机组的出力。开封火电厂的#2机组自投产以来给煤系统运行状况很不稳定，出现的问题比较多。由于原煤的外水分较大，给煤机经常出现漂链现象，造成给煤机电流过大而频繁跳闸；原煤仓壁粘煤、煤仓下部经常出现搭桥堵煤现象，造成给煤线来煤不均或频繁断煤；旋转给料阀经常出现堵煤、断链、卡链等现象；二级给煤机电机及减速机振动较大造成台板振裂；回料斜管上的非金属膨胀节多次漏灰烧穿等等。这些问题给锅炉的燃烧和负荷调整造成了很大的困难，有时被迫停炉检修。3.3.1原煤仓下煤不畅的原因分析处理开封火电厂#2炉有两个原煤仓，煤仓为长方锥形，下部分为两个给煤口，为防止煤在仓内粘结煤仓下部内衬为不锈钢材质。但在运行中仍粘结严重。其主要原因是煤仓设计不很合理，成品煤堆积在煤仓内受到挤压，使煤粒之间、煤粒与煤仓壁之间产生摩擦力，