循环流化床煤泥煤矸石混烧应用.docx
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循环流化床煤泥煤矸石混烧应用
煤泥、煤矸石混烧在220t/h循环流化床锅炉中的工业应用
张月军1张桂英1胡亦工1
（1.山东电力工程咨询院,山东济南250013）
［内容摘要］本文计算并分析了混烧比例在较大范围内波动时，对燃烧系统诸参数的影响。
根据浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室的实验公式，通过计算，分析混烧煤泥煤矸石时燃料投入次序不同对启动的影响，提出了机组启动时的投入燃料次序要求：
先投入原煤燃烧，其次是煤矸石和煤泥。
［关键词］煤泥煤矸石混烧循环流化床
1.绪论
随着煤炭洗选工业的迅速发展，我国每年排放的煤矸石和洗煤泥量也有了很快的增长。
人们往往将废弃的煤矸石堆积起来，占用了大量的土地资源，若将煤矸石投入循环流化床锅炉燃烧，则在利用了低质能源的同时又处理了煤矸石，对煤矿企业有很好的经济效益和社会效益；煤泥遇水即流失，风干即飞扬，极易造成对周围环境的污染。
因而掺烧煤泥不再仅仅是利用低质能源，更在于其环保意义。
洗煤泥的处理极为复杂。
国外有的采用煤泥回填的方式，有的采用循环流化床燃烧的方式，但由于在采用流化床燃烧时，遇到了很多技术上的问题，比如说，煤泥的输送问题，煤泥的杂物处理问题以及煤泥在流化床内燃烧时流化不充分的问题等，总的来说，输送问题在德国研究比较多，也较为成熟，工业应用也较多，其煤泥泵输送方案得到了很好的应用；杂物处理不当，能直接危害煤泥系统的安全运行，但由于煤泥是一些极为粘稠的混合物，过滤极为不易，现在还没有很好的可行的方案来处理杂物，只能采用人工将较大的杂物取出；针对煤泥在流化床内燃烧时流化不充分的问题，浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室及热能工程研究所进行了一些基础性研究，但在基础理论的应用分析及对工业应用中出现的一些具体问题的分析研究方面较为缺乏，当然导致这种情况的主要原因是煤泥煤矸石混烧在全国的应用比较少，其次电厂运行中发现的一些实际困难问题，并不能很好地与研究部门相协调处理。
在查阅国外的研究文献时，也发现这一方面的文献非常少。
本课题的由来，是由于南屯三期工程在实际运行过程中，发现投入煤泥后，锅炉结渣严重，经厂家、电厂方多次分析造成这种情况的原因，没有找到很好的方案。
作者在翻阅相关文献时，对相关问题特别感兴趣，就注意收集相关资料，分析相关问题，全面结合南屯四期实际设计工作的有利条件，分析研究了相关问题，并延伸出了更多的问题和思考。
本文参考中外合资山东兖矿科澳南屯四期工程设计及中外合资山东兖矿科澳南屯三期工程运行的实际情况进行了以下两个问题的分析研究：
（一）煤泥煤矸石混烧对燃烧系统的影响：
重点是根据南屯电厂提供的原始数据，厂家提供的原始资料，运用相关的计算公式，计算在煤泥煤矸石混烧与纯烧原煤的情况下以及在混烧比例不同的情况下，对燃料消耗量、理论空气量、石灰石消耗量、烟量、风量等的影响。
（二）煤泥煤矸石混烧对流化床燃烧及结渣的影响：
重点是运用浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室的实验公式，依据电厂提供的原始数据，计算分析了物料流化的状态，深入分析了煤泥凝聚结团的特性，计算出了煤泥的最小粒度要求。
通过计算，分析混烧煤泥煤矸石时燃料投入次序不同对启动的影响，提出了机组启动时的投入燃料次序要求。
2．参考工程概况
中外合资山东兖矿科澳南屯四期工程（1X50MW），安装一台220t/h高温高压循环流化床锅炉，采用引进Alstom公司技术，哈锅制造的循环流化床锅炉。
中外合资山东兖矿科澳南屯三期工程的基本情况与四期一致。
不同的是四期设计煤种是原煤（40%）、煤泥（25%）、煤矸石（35%），而三期设计煤种是煤泥（25%）、煤矸石（75%）。
锅炉技术规范：
型号：
HG-220/98-L·M
锅炉额定蒸发量220t/h
过热蒸汽出口压力（表压）9.81MPa（100kgf/cm2）
过热蒸汽温度540℃
给水温度215℃
预热器进口温度25℃
锅炉效率：
89.85%
制造厂：
哈尔滨锅炉有限责任公司
3.洗煤泥与煤矸石混烧对燃烧系统的影响
3.1煤种特性
3.1.1洗煤泥特性
洗煤泥是煤洗选过程中的废弃物，其特点是颗粒很细（一般颗粒小于0.5mm），水分高，灰分高，粘度大，不易运输，而且在堆积状态下形态也极不稳定。
各矿所产生洗煤泥成分差别较大，南屯矿的洗煤泥成分为：
项目名称
符号
单位
数值
项目名称
符号
单位
数值
收到基碳
Car
%
46.11
收到基氢
Har
%
3.14
收到基氧
Oar
%
6.05
收到基氮
Nar
%
0.86
收到基硫
St,ar
%
0.43
收到基灰份
Aar
%
20.76
收到基水份
Mt
%
22.65
低位发热值
Qnet,ar
kJ/kg
17480
干燥无灰基挥发份
Vdaf
%
22.35
灰软化温度
T1
℃
>1400
灰变形温度
T2
℃
>1400
灰流动温度
T3
℃
>1400
3.1.2煤矸石特性
煤矸石也是采矿过程中的废弃物，其发热量很低，颗粒大，易脱水，便于运输，在堆积状态下也比较稳定。
除占用土地外，对环境影响不大。
南屯矿的煤矸石成分为：
项目名称
符号
单位
数值
项目名称
符号
单位
数值
收到基碳
Car
%
30.46
收到基氢
Har
%
2.07
收到基氧
Oar
%
8.20
收到基氮
Nar
%
0.52
收到基硫
St,ar
%
0.62
收到基灰份
Aar
%
53.83
收到基水份
Mar
%
4.3
低位发热值
Qnet,ar
kJ/kg
11182
干燥无灰基挥发份
Vdaf
%
43.32
灰软化温度
T1
℃
>1400
灰变形温度
T2
℃
>1400
灰流动温度
T3
℃
>1400
3.225%煤泥与75%煤矸石混烧与纯烧原煤的比较
3.2.1燃烧计算的原始数据：
南屯采用原煤的成分为：
项目名称
符号
单位
数值
项目名称
符号
单位
数值
收到基碳
Car
%
62.92
收到基氢
Har
%
3.95
收到基氧
Oar
%
7.84
收到基氮
Nar
%
1.13
收到基硫
St,ar
%
0.56
收到基灰份
Aar
%
13.9
收到基水份
Mt
%
9.7
低位发热值
Qnet,ar
kJ/kg
24732
干燥无灰基挥发份
Vdaf
%
38.73
灰软化温度
T1
℃
>1400
灰变形温度
T2
℃
>1400
灰流动温度
T3
℃
>1400
25%煤泥与75%煤矸石混合后的成分：
项目名称
符号
单位
数值
项目名称
符号
单位
数值
收到基碳
Car
%
34.37
收到基氢
Har
%
2.34
收到基氧
Oar
%
7.66
收到基氮
Nar
%
0.61
收到基硫
St,ar
%
0.57
收到基灰份
Aar
%
45.56
收到基水份
Mt
%
8.89
低位发热值
Qnet,ar
kJ/kg
12757
干燥无灰基挥发份
Vdaf
%
38.08
灰软化温度
T1
℃
>1400
灰变形温度
T2
℃
>1400
灰流动温度
T3
℃
>1400
循环流化床锅炉的基本参数
序号
内容
符号
单位
设计依据
数值
锅炉型号及参数
1
锅炉型号
2
蒸发量
Dgr
t/h
锅炉厂资料
220
3
过热蒸汽温度
tgr
℃
锅炉厂资料
540
4
过热蒸汽压力
Pgr
MPa
锅炉厂资料
9.8
5
过热蒸汽焓
igr
kJ/kg
查水蒸汽表
3477.16
6
汽包工作压力
PH
MPa
锅炉厂资料
10.8
7
排污水焓
ipw
kJ/kg
查水蒸汽表
1442
8
排污率
αpw
／
锅炉厂资料
0.02
9
给水温度
tgs
℃
锅炉厂资料
215
10
给水压力
Pgs
MPa
锅炉厂资料
11.02
11
给水焓
igs
kJ/kg
查水蒸汽表
923.6
12
锅炉效率
ηgl
％
锅炉厂资料
89.85
13
锅炉脱硫效率
ηtl（Esor）
％
锅炉厂资料
90.7
14
钙、硫摩尔比
Ca/S（R）
／
锅炉厂资料
2.1
15
空预器出口风温
tky
℃
锅炉厂资料
182
16
空预器进口风温
tky'
℃
锅炉厂资料
25
17
排烟温度
tpy
℃
锅炉厂资料
138
18
化学未完全燃烧损失
q3
％
锅炉厂资料
19
机械未完全燃烧损失
q4
％
锅炉厂资料
3.11
20
炉膛出口过剩空气系数
αl
／
锅炉厂资料
1.2
21
炉膛漏风系数
Δαl
／
锅炉厂资料
0.0
22
炉膛飞灰系数
αfh
／
锅炉厂资料
0.4
空预器出口过剩空气系数
αpy
／
锅炉厂资料
1.20
3.2.2燃料消耗量及理论空气量的计算比较
燃料消耗量Bg=Ｄgr[（igr-igs）+αpw（ipw-igs）]／Q.pηgl
原煤Bg=25.383t/h混烧Bg=49.213t/h
计算燃料消耗量Bj＝Bg（100—q4）／100
原煤Bj=24.594t/h混烧Bj=47.682t/h
理论空气量V0＝0.0889（Car＋0.375Sar）＋0.265Har—0.0333Oar
原煤V0=6.573Nm3/kg混烧V0=3.439Nm3/kg
3.2.3石灰石消耗量的计算比较
序号
内容
符号
单位
计算公式
数值
数值
石灰石消耗量的计算
原煤
混烧
1
碳酸钙的分子量
CaCO3
／
100
100
2
硫的分子量
S
／
32
32
3
碳酸钙与硫的分子量比
μ
／
μ＝CaCO3／S
3.125
3.125
4
石灰石消耗量
Bs
t/h
Bs＝[（Ca／S）Sarμ／（CaCO3）]Bg
1.005
1.992
3.2.4烟量的计算比较
序号
内容
符号
单位
计算公式
数值
数值
烟量的计算
原煤
混烧
1
理论氮气量
VN20
Nm3/kg
VN20＝0.79V0＋0.008Nar
5.063
2.722
2
理论三原子量
VRO20
Nm3/kg
VRO20＝1.866（Car＋0.375Sar）／100
1.178
0.645
3
理论水蒸汽量
VH2O0
Nm3/kg
VH2O0＝0.111Har＋0.0124Mar＋0.0161V0
0.662
0.425
4
理论烟气量
Vy0
Nm3/kg
Vy0＝VN20＋VRO2＋VH2O0
6.903
3.792
5
理论干烟气量
Vg0
Nm3/kg
Vg0＝VN20＋VRO20
6.241
3.367
6
实际烟气量
Vy
Nm3/kg
Vy＝Ｖy0＋1.0161（αpy—１）V0
8.203
4.491
7
实际干烟气量
Vg
Nm3/kg
Vg＝Ｖg0＋（αpy—１）V0
7.521
4.055
3.2.5风量分配比较
项目名称
单位
原煤
混烧
空预器进口计算一次风量
Kg/s
34.4
35.443
计算二次风量（含给煤机和给煤口密封风）
Kg/s
28.65
30.948
流化器流化风量
Kg/s
1.1
1.1
冷渣器冷却风量
Kg/s
2.9
2.95
给煤机密封风风量（含在二次风量中）
Kg/s
1.24
1.24
石灰石输送风
Kg/s
0.35
0.35
结论：
煤泥煤矸石混烧与纯烧原煤相比较而言，对燃煤消耗量、石灰石消耗量、烟风量及一、二次风量影响很大，对各杂项用风影响较小，见下表。
燃煤量
t/h
烟气量
Nm3/kg
一次风量
Kg/s
二次风量
Kg/s
石灰石耗量
t/h
纯烧原煤
25.383
6.903
34.4
28.65
1.005
煤泥煤矸石混烧
49.213
3.792
35.443
30.948
1.992
综上所述，如果流化床锅炉设计煤种是原煤，而改烧煤泥煤矸石的话，给煤系统、石灰石系统、烟风系统应重新改造。
若不然，耗煤量、耗石灰石量、烟风量变化太大，系统运行不经济，也不安全。
3.3混烧比例不同的比较
我们比较一下25%煤泥、75%煤矸石混烧与40%煤泥、60%煤矸石混烧的计算结果：
（在以下的比较过程中25%煤泥、75%煤矸石混烧简称为混烧1；40%煤泥、60%煤矸石混烧简称混烧2）。
3.3.140%煤泥与60%煤矸石混合后的成分：
项目名称
符号
单位
数值
项目名称
符号
单位
数值
收到基碳
Car
%
36.72
收到基氢
Har
%
2.50
收到基氧
Oar
%
7.34
收到基氮
Nar
%
0.66
收到基硫
St,ar
%
0.54
收到基灰份
Aar
%
40.60
收到基水份
Mt
%
11.64
低位发热值
Qnet,ar
kJ/kg
13701
干燥无灰基挥发份
Vdaf
%
34.93
灰软化温度
T1
℃
>1400
灰变形温度
T2
℃
>1400
灰流动温度
T3
℃
>1400
3.3.2燃料消耗量及理论空气量的计算比较
燃料消耗量Bg=Ｄgr[（igr-igs）+αpw（ipw-igs）]／Q.pηgl
混烧1Bg=49.213t/h混烧2Bg=45.82t/h
计算燃料消耗量Bj＝Bg（100—q4）／100
混烧1Bj=47.682t/h混烧2Bj=44.395t/h
理论空气量V0＝0.0889（Car＋0.375Sar）＋0.265Har—0.0333Oar
混烧1V0=3.439Nm3/kg混烧2V0=3.700Nm3/kg
3.3.3石灰石消耗量的计算比较
石灰石消耗量的计算
混烧1
混烧2
1
碳酸钙的分子量
CaCO3
／
100
100
2
硫的分子量
S
／
32
32
3
碳酸钙与硫的分子量比
μ
／
μ＝CaCO3／S
3.125
3.125
4
石灰石消耗量
Bs
t/h
Bs＝[（Ca／S）Sarμ／（CaCO3）]Bg
1.992
1.763
3.3.4烟量的计算比较
序号
内容
符号
单位
计算公式
数值
数值
烟量的计算
混烧1
混烧2
1
理论氮气量
VN20
Nm3/kg
VN20＝0.79V0＋0.008Nar
2.722
2.928
2
理论三原子量
VRO20
Nm3/kg
VRO20＝1.866（Car＋0.375Sar）／100
0.645
0.689
3
理论水蒸汽量
VH2O0
Nm3/kg
VH2O0＝0.111Har＋0.0124Mar＋0.0161V0
0.425
0.481
4
理论烟气量
Vy0
Nm3/kg
Vy0＝VN20＋VRO2＋VH2O0
3.792
4.099
5
理论干烟气量
Vg0
Nm3/kg
Vg0＝VN20＋VRO20
3.367
3.617
6
实际烟气量
Vy
Nm3/kg
Vy＝Ｖy0＋1.0161（αpy—１）V0
4.491
4.850
7
实际干烟气量
Vg
Nm3/kg
Vg＝Ｖg0＋（αpy—１）V0
4.055
4.357
3.3.5风量分配比较
项目名称
单位
混烧1
混烧2
空预器进口计算一次风量
Kg/s
35.443
35.38
计算二次风量（含给煤机和给煤口密封风）
Kg/s
30.948
30.9
流化器流化风量
Kg/s
1.1
1.1
冷渣器冷却风量
Kg/s
2.95
2.95
给煤机密封风风量（含在二次风量中）
Kg/s
1.24
1.24
石灰石输送风
Kg/s
0.35
0.35
结论：
当混烧比例在较大范围内波动时，对燃煤消耗量、石灰石消耗量、烟风量及一、二次风量、各杂项用风影响都很小，在实际运行中这种影响完全可以接受。
综上所述，若流化床锅炉设计为煤泥煤矸石混烧，在煤泥或煤矸石单种燃料供应不足时，可适当调整燃烧比例，对给煤系统、石灰石系统、烟风系统基本没有影响。
4.煤泥煤矸石混烧对流化床启动的影响
浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室为了描述流化床内的物料分布，引入中间混合指数M1：
M1=Cs/（Cs+Cx）（a）
式中Cs,Cx分别指流化床内上半层和下半层大颗粒的相对分布密度；
M1的物理含义为大颗粒在上半层内的质量百分数；M1=1/2,表明颗粒在床内混合均匀；M1>1/2,大颗粒在床内呈上浮趋势；M1<1/2,大颗粒在床内呈下沉趋势。
通过下式，可计算出物料的大致分布情况：
M1=0.514+1.5458[0.55e-1/3（Rd-1）-（Rp-0.45）]（b）
式中，Rd为相对粒度，Rp为相对密度。
相对是指物料相对床料。
4.1物料相对床料煤矸石渣的相对密度计算
煤泥的真实密度
序号
项目内容
符号
单位
公式
计算结果
1
煤泥的干燥无灰基碳量
Cdaf
％
Cdaf＝100Car／（100—Mar—Aar）
81.481
2
煤泥的干燥无灰基氢量
Hdaf
％
Hdaf＝100Har／（100—Mar—Aar）
5.549
3
煤泥的有机质比重
γj
t/m3
γj＝100／（0.334Cdaf＋4.25Hdaf+23）
1.355
4
煤泥的干燥基灰分
Ad
％
Ad＝100Aar／（100—Mar）
26.839
5
煤泥的真正比重
γzh
t/m3
γzh＝100γj／[100—Ad（1—γj／2.9）]
1.581
煤矸石的真实密度
序号
项目内容
符号
单位
公式
计算结果
1
煤矸石的干燥无灰基碳量
Cdaf
％
Cdaf＝100Car／（100—Mar—Aar）
72.749
2
煤矸石的干燥无灰基氢量
Hdaf
％
Hdaf＝100Har／（100—Mar—Aar）
4.944
3
煤矸石的有机质比重
γj
t/m3
γj＝100／（0.334Cdaf＋4.25Hdaf+23）
1.464
4
煤矸石的干燥基灰分
Ad
％
Ad＝100Aar／（100—Mar）
56.249
5
煤矸石的真正比重
γzh
t/m3
γzh＝100γj／[100—Ad（1—γj／2.9）]
1.892
渣的真实密度约2.0t/m3
物料煤矸石相对床料煤矸石渣的相对密度Rp=1.892：
2.0=0.946
物料煤泥相对床料煤矸石渣的相对密度Rp=1.581：
2.0=0.7905
4.2物料相对床料煤矸石渣的相对粒度计算
项目名称
煤泥
煤矸石
原煤
启动床料
煤粒尺寸
最大
<5mm
<2mm
<1mm
<0.5mm
<0.1mm
d50
细颗粒小于0.5mm
8
96
60%
30%
10%
3%
1.8mm
8
96
60%
30%
10%
3%
1.8mm
100%
98%
30%
0.15mm
物料煤矸石相对床料煤矸石渣的相对粒度Rd=8：
8=1
物料煤泥团相对床料煤矸石渣的相对粒度Rd=100：
8=12.5
物料煤泥团相对启动床料的相对粒度Rd=100：
1=100
通过公式（b），可计算出煤矸石的中间混合指数：
M1=0.514+1.5458[0.55e-1/3（Rd-1）-（Rp-0.45）]
=0.514+1.5458[0.55e-1/3（1-1）-（0.946-0.45）]
=0.60
也就是说，物料煤矸石在流化床锅炉中有轻微上浮的趋势。
4.3煤泥煤矸石混烧对锅炉启动的影响
1）在机组启动时，如果煤矸石为物料，沙子为床料，则情况如下：
物料煤矸石相对床料沙子的相对密度Rp=1.892：
2.5=0.7568
物料煤矸石相对床料沙子的相对粒度Rd=5：
1=5
则计算得M1=0.2637
说明此时煤矸石有较大的下沉趋势。
2）在机组启动时，如果原煤为物料，沙子为床料，则情况如下：
物料原煤相对床料沙子的相对密度Rp=1.501：
2.5=0.6
物料原煤相对床料沙子的相对粒度Rd=5：
1=5
则计算得M1=0.506238
说明此时原煤与床料流化状态很好。
3）在机组启动时，如果煤泥为物料，沙子为床料则情况如下：
假定煤泥团粒径在25mm以内，已能满足正常运行要求
物料煤泥相对床料的相对密度Rp=1.581：
2.5=0.6324
物料煤泥团相对启动床料的相对粒度Rd=25：
1=25
则计算得M1=0.2323
说明此时煤泥团比煤矸石有更大的下沉趋势。
通过以上比较分析得出：
为了保证循环流化床的流化状态，在锅炉点火启动时，投入燃料是有次序要求的：
先投入原煤燃烧，其次是煤矸石和煤泥。
如果改变投入次序，极易造成流化状态的恶化，启动时造成流化床底部结渣，以及冷渣器内的二次燃烧。
综上所述，混烧煤泥煤矸石应注意的问题有：
1）混烧煤泥煤矸石时，对机组启动时的投入燃料次序有要求：
先投入原煤燃烧，其次是煤矸石和煤泥。
5.结论
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