Fuel&Chemical Processes
第52卷第1期
•煤焦技术•
摘要：介绍了利用高倍率循环流化床锅炉试烧半焦的实际运行情况，主要从运行调整、锅炉能效及环保性能等方面展开讨论。经测试证明，高倍率循环流化床锅炉燃烧半焦的锅炉效率可达88%耀90%曰氮氧化物的原始排放高于锅炉的原始性能，需要采取SNCR、SCR等措施满足环保要求；二氧化硫的原始排放极低，环保设备无需投用即可满足环保要求。经分析，选择合适的进料粒度分布和空气过量系数，是提高燃半焦循环流化床锅炉效率的有效措施，对燃半焦锅炉的研发和运行有借鉴意义。
关键词：半焦燃烧；循环流化床锅炉；锅炉效率；环保性
中图分类号：TQ520.5文献标识码：A文章编号：1001-3709(2021)01-0005-04
Application of high-rate circulating fluidized bed boiler
in semi-coke combustion
Song Weijuan(Qingdao Clear Environmental Group Co.,Ltd.,Qingdao266073,China)
Abstract:This paper introduces the actual situation of the experimental burning of the semi-coke by using a high-rate circulating fluidized bed boiler.Discussion mainly focuses on operation adjustment, boiler energy efficiency and environmental performance,etc..Test result shows that the thermal efficiency of the semi-coke fired high-rate circulating fluidized bed boiler can reach up to88%〜90%;NO曾emission concentration is higher than the designed emission limit of the boiler,which should needs to take measures such as SNCR and SCR to meet the requirement for environmental protection；the emission of SO?is extremely low,thus there is no need to use environmental equipment. After analysis,selecting an appropriate feed particle size distribution and the air excess coefficient are effective measures to improve the efficiency of the semi-coke fired circulating fluidized bed boiler so as to provide suggestive ideas for development and operation of the semi-coke fired boiler.
Key words:Combustion of semi-coke；Circulating fluidized bed boiler；Thermal efficiency of boiler；
Environmental benefits
我国是富煤贫油少气的国家，煤炭在国家能源结构中占主要地位。随着环保要求的提高，国家更注重煤炭清洁高效利用，煤炭分级分质利用得到长足发展。半焦是低变质煤分级利用的产物之一，广泛应用于冶金和电石行业。由于半焦的燃烧性能较动力煤差且价格较动力煤贵，所以早期在燃烧领域应用不广。但是，由于政策限制煤炭的燃烧应用，半焦作为一种清洁的燃煤替代燃料，具有比无烟煤更好的燃烧性能而备受重视。2016年国家环境保护部正式发布了《民用煤燃烧污染综合治理技术指南（试行）》，在民用燃煤污染综合治理技术中，明确了优质煤替换的方式。要求“煤炭资源丰富、经济条件较好且污染严重的地区应优先选用低硫、低挥发分的优质无烟煤、型煤、半焦和民用焦炭”，自此半焦的燃烧应用被提上日程。对于半焦的燃烧方式探讨有人做了研究：陈曦茁、史向华［2］设计层燃半焦锅炉；杨忠灿等［3］在煤粉炉基础上掺烧半焦；张孝禹⑷做了半焦在流化床中的燃烧特性研究，但关于半焦在高倍率循环流化床锅炉中的应用效果鲜有报道。本文用燃煤高倍率循环流化床锅炉进行半焦试
收稿日期：2020-05-10
作者简介：宋伟娟（1982-），女，工程师
烧，并对效果进行总结分析。
1锅炉概况
现有1台116MW的高倍率循环流化床燃煤热水锅炉，于2019年投产。锅炉由炉膛、分离器和尾部烟道3部分组成。锅炉分离器采用高效绝热旋风分离器，分离效率在99.6%以上，飞灰粒径为凿50= 10~15Jim、凿99=100~110Jim。一次风由一次风室通过布风板进入炉膛，二次风从布置在炉膛前后墙上的进风管喷入炉膛，单层布置。煤颗粒由给煤机经过落煤管送入炉膛下部。锅炉设计进煤粒径为0~3mm，设计一二次风配比为43：57。锅炉设计性能见表1。
表1锅炉设计性能
额定热功率/酝宰丿116
额定出水压力/MPa 1.6
额定出水温度/益130
额定回水温度/益70
排烟温度/益〜130
循环水量/(t・h-1)1665
空气预热器进风温度/益20
锅炉设计热效率/%逸90
2半焦基本特性
半焦的挥发分低、着火温度高，需要更好的着火环境。循环流化床锅炉炉膛温度为850-950可以满足半焦的着火要求。有研究表明咱5暂，入炉煤粒度对燃烬率有影响，随着入炉煤粒度的增大，燃烬率呈先增大后减小的趋势。
为了提高半焦颗粒的燃烬率，选取的半焦颗粒粒度为0~8mm。粒度分布见表2。半焦的元素分析见表3。
表2半焦粒度分布
粒度大小/mm0~0.50.5~33~55~8
哺乳睡衣
四氢呋喃除水粒度占比/%员55020员5
表3半焦元素分析豫
收到收到收到收到收到收到收到基碳基氢基氧基硫基氮基灰分基水分
C ar H ar O a r S ar
64.01 3.48 2.180.070.8710.9918.4
3运行情况
3.1进料粒度调整
锅炉设计时采用的煤粉粒度为0~3mm，设计煤种为烟煤。由于烟煤的挥发分高，可燃性能好，大多数煤粉颗粒沿着炉膛高度可充分燃烧。改成燃用半焦后，因为半焦着火性能不佳，为防止一次燃烧不充分造成飞灰含碳量高，采取0~8mm的半焦颗粒，配合高效旋风分离器，实现半焦的循环多次燃烧，提高燃烬率。
3.2一二次风配比调整
由于入炉的半焦颗粒较设计煤种增大，保持床料流化的一次风比例增加到47%，二次风比例也相应调整到53%。
4燃半焦锅炉性能
为了验证半焦在高倍率循环流化床锅炉中燃烧的实际效果，从锅炉能效和环保性能两方面做了测试。
4.1锅炉能效
机组式柔印机采用反平衡法对高倍率循环流化床锅炉燃烧半焦工况进行能效测试。
4.1.1机械未完全燃烧热损失择4
本锅炉机械未完全燃烧损失主要考虑灰渣和飞灰携带的未完全燃烧的可燃固体。根据锅炉的设计性能，飞灰低渣比取8：2。炉渣和飞灰的可燃物含量为实测值，炉渣取样位置在除渣口，飞灰取样位置在除尘器。机械不完全燃烧热损失计算见表4。
表4机械不完全燃烧热损失计算
序号名称数据数据来源1半焦低位发热量/(kJ・kg-1)21460化验数据2炉渣可燃物含量/%0.4化验数据3飞灰可燃物含量/%9.67化验数据4炉渣含灰量占入炉煤总灰量重量百分比/%20选取5飞灰含碳量占入炉煤总灰量重量百分比/%80选取6机械未完全燃烧热损失择4，%员.45计算
4.1.2排烟热损失择2
排烟热损失与排烟处的空气过量系数、排烟温度和焓值、烟气量等相关。排烟处的烟气成分为实测值。排烟处空气过量系数计算见表5，排烟热损失计算见表6。
表5排烟处空气过量系数计算
序号名称数据数据来源
固废焚烧
1排烟处CO浓度/%0.0024试验数据
2排烟处砸韵2/%10.33试验数据
3排烟处韵2/%9.18试验数据
4排烟处过量空气系数员.75计算
Fuel&Chemical Processes 第52卷第1期
表6排烟热损失计算
序号名称数据数据来源
1理论空气量/（皂窑kg-1） 6.542计算
2理论RO2容积/（皂窑kg-1） 1.195计算
3理论氮气容积/（m3・kg-1） 5.175计算
4理论水蒸汽容积/（m窑kg-1）0.72计算
5排烟处水蒸汽体积/（m3・kg-1）0.799计算
6排烟处干烟气体积/（m3・kg-1）11.2764计算
7排烟处烟气体积/（m3・kg-1）12.08计算
8排烟温度/益114.4试验数据
9RO2定压比热/[kJ•（皂窑益）-1] 1.7128查表
10。2定压比热/[kJ•（皂窑益）-1] 1.3201查表
11弘定压比热/[kJ•（皂窑益）-1] 1.2963查表
12H2O定压比热/[kJ•（皂窑益）-1] 1.5077查表
13飞灰定压比热/[kJ•（皂窑益）-1]0.8015查表
14空气定压比热/[kJ•（皂窑益）-1暂 1.3254查表
15排烟处干烟气平均定压比热/
[kJ•（皂窑益）-1]
1.3415计算
1远排烟处烟气焓值/[kJ・kg-1]1868.4计算17入炉冷空气温度/益19.5试验数据18冷空气焓值/[kJ・kg-1]295.8899计算19修正系数0.9855计算
20排烟热损失择2/%7.22计算
由于锅炉原设计燃料不是半焦，燃烧半焦时出现排烟温度低于设计值的现象，可能是锅炉原设计的换热面积偏大。
4.1.3化学未完全燃烧损失择3
化学未完全燃烧损失根据烟气成分分析计算得到，排烟处CO浓度为0.眈5%，根据《TSG G0003—2010工业锅炉能效测试及评价规则》，C0浓度W0.05%时，选取择3=0.2%。
4.1.4散热损失择5
根据（TSG G0003—2010工业锅炉能效测试及评价规则》，当锅炉负荷大于额定负荷的75%，锅炉额定负荷＞46MW时，选取择5=0.8%。
4.1.5灰渣物理热损失择6
灰渣物理热损失计算数据见表7。
表7灰渣物理热损失计算
序号名称数据数据来源1燃烧室排出炉渣温度/益800选取
2炉渣焓/(kJ・kg-1)759.89查表
3灰渣物理热损失择6/%0.08计算
4.1.6锅炉反平衡效率
经过上述计算可得，锅炉反平衡效率为：
4=100%-（择2+择3+择4+ 择5+择6）=90.25%
该锅炉燃烧半焦时排烟温度低于设计要求，排烟热损失较常规锅炉偏低。假设以文中燃料作为设计燃料来设计循环流化床燃半焦锅炉，折算水分3.6%，排烟温度宜为130-140°C0当排烟温度为135七时，计算排烟热损失为8.79%，锅炉效率为88.68%。通过锅炉效率计算过程可知，排烟热损失关键取决于烟气的比热和烟气体积，是影响半焦锅炉效率的最显著因素。烟气比热取决于燃料的元素组成，半焦燃料本身特点是含碳量高，燃料中的碳最终成为烟气中的RO?，而RO?的定压比热显著高于。2卫2和H2。，因此半焦燃烧生成的烟气比燃煤烟气的平均定压比热高，同样排烟温度下的排烟热损失也高。烟气体积除了由燃料元素的组成决定，还与空气过量系数有关，由于半焦的燃烧性能不好，空气过量系数较燃煤锅炉偏高，这也导致排烟热损失增高。
4.1.7改进思路
通过烟气成分测试CO的含量较低，可知本次燃烧试验中的空气过量系数仍有下调空间，在实际运行过程中可以适当降低空气过量系数，进而降低排烟热损失，提高锅炉效率。
经化验分析得知，飞灰含碳量比炉渣含碳量高，这说明半焦燃料中较大颗粒比细小颗粒的燃烧更充分，说明大颗粒能更好地参与物料循环，实现循环燃烧。为解决这一问题，可以尝试改变半焦的粒度分布，减少一次燃烧的颗粒，使更多的颗粒能在循环系统中循环燃烧。或者在设计锅炉时，考虑适当增加锅炉高度，以增加半焦颗粒在炉膛的停留时间。
4.2锅炉环保性能
为测评高倍率循环流化床锅炉燃烧半焦的烟气污染物排放情况，试烧时对烟气的氮氧化物和二氧化硫进行了检测。
4.2.1氮氧化物排放
用来试烧半焦的循环流化床锅炉原设计通过低温燃烧以及合理的一二次风配比在炉膛中下部形成还原性气氛，降低NO”的原始排放，原锅炉性能NO”原始排放W200mg/m3。试烧半焦过程中经检测NO”排放浓度为447mg/m3，高于锅炉的设计值。这是因为一方面为了保证半焦的充分燃烧，调整了一二次风的比例，一次风增大后，破坏了炉膛中下部的还原性气氛，导致燃料型NO”原始排放升高。根据原始排放浓度反算，燃料中大约18%的N转化成NO”。另一方面，燃烧半焦时炉膛温度高于设计值，控制在950七以上，而且空气过量系数也比设计值偏高，炉膛温度和氮气浓度高导致热力型NO”原始排放量略有增加。
鉴于燃半焦锅炉氮氧化物原始排放升高，需要采取SNCR、SCR等措施来满足最终排放W50mg/m3的环保要求。
4.2.2二氧化硫排放蒸汽熨刷
在生产半焦的过程中，绝大多数的黄铁矿硫和有机硫与挥发分一起被干馏出去，所以半焦自身含硫量低。本次试烧的半焦含硫量0.07%，假设燃料内硫90%转化为二氧化硫，则二氧化硫的计算原始排放值约为140mg/m3，实际在燃烧半焦时检测二氧化硫的结果＜3mg/m3。说明半焦中的硫大多数以硫酸盐的形式固定在半焦中，属于不可燃硫。少量可燃硫被半焦中含有的碳酸盐分解后的碱金属氧化物固定在灰中，没有进入烟气，因此二氧化硫的原始排放极低，原锅炉配套的炉内喷钙脱硫以及尾部烟气脱硫设施无需启用，即可达标排放。
5结论
高倍率循环流化床锅炉应用到半焦燃烧领域，锅炉效率及环保性能都表现出良好的应用效果。半焦中的Fe2()3、CaO等含量较高，与灰中的SiO2反应生成的铁铝硅酸盐、钙长石等为低温共熔物，导致半焦的灰熔点低。循环流化床锅炉的炉膛温度可以控制在900~1000既满足半焦燃烧的需求，又能避免半焦燃烧过程中达到灰熔点产生的结焦问题，比高效煤粉炉更适合用于半焦的燃烧领域。
通过高倍率循环流化床锅炉试烧半焦的能效分析可以看出，利用高倍率循环流化床锅炉燃烧半焦时产生的飞灰含碳量较高，炉渣含碳量较低，说明较大颗粒的循环重复燃烧更有利于半焦的燃烬。因此，入炉半焦燃料的粒度分布有改进空间，可以通过适当减少0.5mm以下颗粒的含量，并采取延长颗粒在炉膛的停留时间等措施，进一步降低飞灰含碳量。排烟热损失随着空气过量系数的增大而增大，是影
响燃半焦锅炉效率的关键因素。对于以半焦为燃料的锅炉，为了保证燃烧效果，空气过量系数不宜过低，选择合理的空气过量系数对于燃半焦锅炉的设计尤为关键。
从燃半焦锅炉的环保测试结果来看，高倍率循环流化床锅炉自身具有的原始NO曾排放低的优点得不到充分利用。主要是因为一二次风配比改变，炉膛中下部的还原性气氛被破坏。锅炉烟气需要借助SNCR、SCR等措施实现达标排放。由于半焦含硫量低且主要为不可燃硫，因此半焦在燃烧过程中二氧化硫的排放量很低，不需要脱硫设施也可以达标排放，可节省脱硫运行成本。
综上所述，经实测采用高倍率循环流化床锅炉燃烧半焦的锅炉效率可达到88%~90%，烟气污染物SO2的排放极低,N0曾通过合理的措施也可超低排放，锅炉的燃烧效率和环保性能良好。因此，高倍率循环流化床锅炉在半焦燃烧领域具有较高的工业应用价值。
参考文献
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业大学,2018：1-67.
[5]单娟娟，陈荣生，杨亚平.粒度对循环流化床锅炉燃烧影响的试
引向器验研究[J].能源研究与信息,2007,23(1)：40-45.
张晓林编辑
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