燃烧无烟煤CFB锅炉的机械不完全燃烧损失

    2 飞灰含炭量的影响因素
    目前，我省运行好的CFB锅炉飞灰含炭量也在15-20%，运行一般的在25%，运行差的和小容量的炉子在30%以上。这说明降低飞灰含炭量还有潜力可挖。以下从讨论飞灰含炭量的影响因素入手来分析可采用的措施。
    2.1 福建无烟煤特性
    福建无烟煤燃料挥发份很低，2 - 4%，着火温度大约高达900℃，床温必须控制在900℃以上，稳定燃烧温度一般950～1000℃；由于挥发份低，颗粒气孔率低，燃烧速度很低，燃烬时间长。因而飞灰中来不及燃烬炭的比率就高。

    * 这里是指布风板至炉顶的高度，而不是指布风板至炉膛出口中心线。
    表2可看出，随着燃料挥发份从46.65%(褐煤)降低到到5.98%（无烟煤），尽管炉膛高度相应从28.5m增加到30.2m，而且炉膛温度也由890℃上升到930℃，但飞灰含炭量仍然从6.91%提高到27.12%。这指出了燃料挥发份对220t/hCFB锅炉飞灰含炭量的决定性影响。
    2.2 床层和炉膛温度
    燃烧无烟煤的CFB锅炉飞灰含炭量高，说明许多细小颗粒来不及燃烬就离开炉膛。
    提高床层和炉膛温度是加快碳和氧化学反应速度有效措施。根据阿伦尼乌斯理论，化学反应速度系数K：
  

    上式中A为频率因子，E为活化能, 两者都随煤种而定；R是气体通用常数。故从上式可看出，化学反应速度系数K的增长是与绝对温度T的上升成指数关系，因此，随炉膛温度的增加，燃烬时间大大缩短。文献图[4]表明温度对燃烬时间显著影响。当然，床层和炉膛温度通常必须控制比该煤种灰的软化温度低50至100℃以下

    福建省石狮热电厂等已总结了很好的经验，他们炉膛运行温度一般在950℃上下，根据煤的特性，有时甚至还达1000℃以上。
    通过调整给煤量﹑返料量﹑流化气速及燃煤细度一般可以达到期望的炉内温度。若炉膛温度仍然调不上去，则可能是设计中存在问题，即炉内受热面布置过多。这可采用铺设“卫燃带”或去掉部分蒸发受热面来解决。
    2.3 颗粒炉内停留时间
    2.3.1 炉膛高度
    飞灰含炭量的高低除了取决于高温炉膛外，还决定于煤粒子在高温炉膛内的停留时间。其主要影响因素是炉膛高度和流化气速。适当增加炉膛高度，这是延长微细粒子炉内停留时间重要措施之一。石狮热电厂75t/h锅炉的炉膛高度(布风板至炉膛蒸发屏下端)为18.1m，济锅220 t/h锅炉的炉膛高度近36 m，无锡锅炉厂为大田220 t/h锅炉设计的炉膛高度是35.65 m（见表3）。与表2省外的烟煤炉相比要高出5-6 m 。 这将为微细粒子在炉内燃烧取得更长的停留时间。

    2.3.2 选择合适的流化气速（指炉膛热态烟气平均流速）
    目前，我省CFB锅炉流化气速一般是这样选择：35t/h炉大约取 3m/s；75t/h炉取4 m/s；220t/h以上炉取4.4～5.5m/s 。
    流化气速的选择与锅炉容量和煤种关系密切；气速高低影响到炉膛中上部颗粒浓度﹑回料量多少和磨损程度。显然，容量越小的锅炉，由于炉膛高度限制，只能选择低限的流化气速，以取得一定的停留时间。而容量大的炉子在高度上略有优势。
    东锅75t/hCFB锅炉流化气速一般调整到3.8 ～ 4.2 m/s。这样按18.1m的炉膛高度，一次通过炉膛的那些细颗粒平均停留时间大约4. 5秒。这对于福建无烟煤是不够的，因而飞灰ｑ4仍然比较大；而在分离器被分离下来粗颗粒还能再次返回炉膛，停留时间随返回次数增加而成倍延长，尽管其燃烧反应活性呈下降趋势，燃烬程度仍然相对提高。对于那些根本就无法飞出炉膛的大颗粒，其停留时间很长，有达数十分钟，甚至达到数小时，因此作为大颗粒的灰渣，其含炭量就很低。其数值大约保持在2 %。
    济南锅炉厂为安溪煤矸石电厂设计的220t/hCFB锅炉，由于燃料多灰，设计取低流化气速4.4 m/s，其炉膛高度近31.35m (这里指布风板至炉膛出口中心线)，一次通过炉膛的那些细颗粒平均停留时间超过7秒。
    哈锅440t/hCFB锅炉为燃烧龙岩无烟煤而设计的，设计的流化气速约5 m/s，可保证炉膛上部有合适的颗粒浓度。
    2.4 旋风分离器的分离效率
    2.4.1 旋风分离器类型及效率
    细微颗粒在炉内停留时间与旋风分离器效率关系很大，由于在炉内停留时间与该颗粒被分离下来的次数成对应倍数增长。因此，一个好的分离器，既能降低飞灰含炭量，又能降低飞灰份额。这正是国内外同行致力改善分离器设计和优化回料器配风动力。图2为CFB锅炉常用旋风分离器的分类图。按分离效率效率由高到低排列应是：蜗壳形﹑圆筒形﹑八边形﹑方形。

    2.4.2 旋风分离进口尺寸（高宽比）对分离效率的影响
    福建无烟煤微细颗粒多，同容量同样流化气速下，颗粒浓度更高。烟气流入旋风筒，众多颗粒在离心力驱动下向筒壁运动，在这过程中很多颗粒相互碰撞，趋向筒壁的动能被削弱，然后被主气流带走。这将影响分离效率。高宽比越低，相互碰撞越严重，影响越大。这也是大尺寸颗粒出现在静电除尘器的原因。文献[4]指出，静电除尘器下飞灰中大于105μm颗粒重量比达到71.6 %，与石狮热电厂的测试结果比较一致。为了降低高颗粒浓度对分离效率的影响，日本住友公司为厦门一客户220t/h锅炉的紧凑式水冷旋风分离器设计了狭长的进口断面（见图3），其进口断面高度为8002 mm。薄片气流贴壁进入旋风筒可减少由于颗粒相互碰撞导致二次飞扬，有利于提高分离效率。但该炉高度低是主要矛盾，因而燃烧福建无烟煤时机械不完全燃烧损失很大。

    3 飞灰份额的影响因素
    3.1 燃料粒度特性的影响：福建无烟煤细颗粒多，从0～8mm粒度的筛分比例中得知：0.2～0.4mm煤粒占22％左右，＜1mm的煤粒占50%左右，0～3mm的煤粒占70%左右。此外，在燃烧过程中细颗粒容易爆裂，造成飞灰份额大，一般在50 – 60 % ；燃料中微细颗粒炉内停留时间短，飞灰含炭量高；这两个因素导致q4就增大。由于煤种无法改变，人们只能通过完善设计和优化运行来降低飞灰份额。
    3.2 燃料系统设计中特别要防止出现粒度合格燃料再破碎

    表4 以50 %和60 %两种不同飞灰份额代入计算式（1-1）进行计算，证明飞灰份额从50 %提高到60 %时，机械不完全燃烧损失q4也从9.457%增加到11.250%。计算说明飞灰份额对q4的重要影响。
    我省有些设计单位不熟悉CFB锅炉对燃煤粒度分布的要求，在燃料系统设计中没有考虑到破碎过细会提高飞灰份额。出现把所有原煤都送破碎的设计系统。这不仅降低锅炉热效率， 还导致锅炉烟尘排放浓度增加，甚至除尘器采用5电场时，其排放浓度还要超过50mg/m3。此外，由于福建无烟煤原煤中10mm以下约占90%，燃料应当先筛分，不合格再破碎，可大大降低燃料破碎电耗。
    3.3 回料器风量的正确调节
    目前，国内外CFB锅炉的回料器不论称U﹑J或L型，其回料通道都是一个U型体（见图4）。U型体下部左右侧配有两个调节阀，左侧为回料风阀，开度大，使U型体流化床左侧的颗粒处于强烈流化状态；而右侧松动风阀开度很小，其调节量只要保证U型体内流化床右侧的颗粒松动即可。这样，使U型体右侧接料腿的颗粒柱处于充气滑移状态；而且料腿中能保持稳定高度的颗粒柱且不受负荷波动影响。由于料腿中这个密相颗粒柱所具有的压头比炉膛内膨胀度高的相对稀疏颗粒柱所产生的压头要高，因此很容易造成颗粒自动地穿过U型体左侧进入炉膛，实现物料可靠的循环。
    松动风的调节对飞灰份额影响很大。在U型体中，接近100%的松动风量将随被松动的颗粒穿过U型通道进入炉膛。但过大的松动风，必然有部分松动风上窜，导致上部的分离器严重漏风，原本可分离下来的相对粗的颗粒也成了飞灰被气流带走，飞灰份额和含碳量大增。不少新建厂的锅炉运行调试单位不了解回料风及松动风调节的重要性，有的也不知如何调节，不利于锅炉经济运行。

    3.4 其他影响因素
    影响飞灰份额的还有流化气速和二次风等因素。流化气速过高，烟气流对颗粒的托力与气速成平方关系增加，细颗粒带出量增加。但流化气速高低的正确选择还要综合考虑炉膛中上部必须的颗粒浓度和煤的粒度分布等其他因素。合理布置二次风不仅有助于降低飞灰份额，也延长颗粒炉内停留时间，并强化混合，提高颗粒燃烬程度。
    4 结论
    提高燃烧福建无烟煤CFB锅炉热效率的关键在于降低机械不完全燃烧损失q4，而影响q4关键因素是飞灰含碳量。这可以通过提高炉温﹑采用延长颗粒炉内停留时间的种种措施﹑根据锅炉容量合理选择分离器等办法来改善。其次，也要注意尽可能地降低飞灰份额，这是不太使人重视﹑但对经济运行又很重要的因素。要从理论上搞通回料器工作原理，并在运行中重视回料器风量的正确调节。此外，对我省燃料系统设计中出现的全部原煤进破碎机现象要采取措施加以改进。