石煤循環(huán)流化床潔凈燃燒與綜合利用

施正倫 王文龍 駱仲泱 王勤輝 程樂鳴 方夢祥 倪明江 岑可法

【摘 要】本文針對石煤熱值低，硫分高，灰分高的特點，研究了石煤在循環(huán)流化床中的燃燒特性，脫硫特性，以及高效的灰渣綜合利用方式，為石煤的潔凈燃燒與綜合利用指明了途徑，也為石煤循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計運行提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵字】石煤；循環(huán)流化床；脫硫；灰渣利用

Clean Combustion and Comprehensive

Utilization of Stone coals in CFBC

Zhenglun Shi; Wenlong Wang; Zhongyang Luo; Qinhui Wang;

Leming Cheng; Mengxiang Fang; Mingjiang Ni; Kefa Cen

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization , Hangzhou,China, 310027.)

Abstract: Stone coal is a low-grade coal, with low heat value, high sulfur and ash contents. This paper studied the combustion and desulfurization of stone coals in CFBC(Circulating Fluidized Bed Combustion). The comprehensive utilization of stone coal ashes was also discussed. The research can provide a base for the design and running of CFBC boilers burning stone coals.

Key words:stone coal; CFBC(Circulating Fluidized Bed Combustion); desulfurization; ash utilization

0前言

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭消費量占能源消費量的70%以上，隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，對煤炭的需求量逐年增長，因而煤炭的儲存量也就日益減少。開發(fā)和利用劣質(zhì)煤資源是我國資源綜合利用的一項基本國策。我國南方的經(jīng)濟發(fā)展相對較快，但煤炭資源卻比較貧乏。而我國南方的劣質(zhì)煤（石煤）資源相當豐富，僅浙江省就有106億噸的石煤儲量，是南方十省區(qū)石煤儲量最豐富的省份[1]。然而由于石煤的熱值低、灰分高、硫分高，這對石煤資源的利用帶來一定困難。

循環(huán)流化床燃燒[2]作為一種高效的潔凈煤技術(shù)，近年發(fā)展較快，該技術(shù)的一大優(yōu)點就是適宜燃用石煤、垃圾之類的低熱值燃料。近年來隨著循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的發(fā)展和我國資源綜合利用政策的制定，有效促進了石煤資源的開發(fā)利用，一些以燃用石煤為主的熱電廠相繼建立。但是，由于石煤本身的特點，其燃燒特性，燃燒脫硫問題以及燃燒產(chǎn)生的大量灰渣的綜合利用途徑是實現(xiàn)石煤潔凈燃燒與綜合利用的關(guān)鍵所在，也是石煤熱電廠能否正常運行發(fā)揮效益的決定因素。

1石煤特性

表1給出了浙江省幾種典型石煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果。從中可以看出，石煤的熱值都非常低，一般都在10000KJ/kg以下，如此低熱值的煤在通常的煤粉燃燒鍋爐中是難以應(yīng)用的。而它們的灰分都相當高，可達70－80％；另外硫分也都比較高，多數(shù)都是硫分高于2％的高硫煤，因此脫硫及灰渣的處理利用都是燃燒石煤所必須面對的問題。

2石煤循環(huán)流化床燃燒特性

2.1試驗過程

表1典型石煤與部分煙煤的工業(yè)分析和元素分析

為探索石煤在循環(huán)流化床中的燃燒特性，浙江大學熱能工程研究所進行了大量的試驗工作。首先，在的一座0.5MW多功能流化床試驗臺上進行了一系列試驗，主要目的是了解單純石煤的燃燒特性以及加入石灰石后的脫硫特性。圖1示出了浙江大學熱能工程研究所用于進行石煤燃燒特性的試驗臺架系統(tǒng)圖。試驗臺主要由爐膛，分離器，固體顆粒返料機構(gòu)，尾部受熱面，空氣-煙氣系統(tǒng)，點火器，給料機和冷卻水系統(tǒng)組成。

1.送風機 2.自動空氣控制閥 3.空氣流量計 4.空氣控制閥 5.油點火器 6.油點火器燃燒室 7.放灰閥 8.返料灰放灰閥 9.風箱 10.水冷管 11.水流量計 12.水流量控制閥 13.給料機 14.煤倉 15.固體顆粒返料閥 16.爐膛 17.分離器 18.換熱器 19.蒸汽放氣閥 20.水平面顯示器 21.尾部煙道測點 22.煙道控制閥 23.引風機24.布袋除塵器 25.煙囪

圖1 0.5MW多功能流化床試驗臺系統(tǒng)圖

試驗臺架爐膛截面為200mm×200mm，高4.5m。空氣經(jīng)布風板進入爐膛，摻有或不摻有石灰石的石煤由給料機給入爐膛流化床中流化并燃燒。被爐膛氣流攜帶到爐膛頂部的固體顆粒經(jīng)分離器分離后通過J閥送回爐膛。經(jīng)過分離器后的熱煙氣則通過換熱器和尾部煙道，然后經(jīng)布袋除塵器后從煙囪排出。共進行了6個工況的試驗，具體如表2所示：

表2 0.5MW多功能流化床試驗臺燃燒試驗工況表

另外，為驗證采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)以綜合利用超低熱值石煤的技術(shù)可行性，為循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計、運行提供參考依據(jù)，浙江大學熱能工程研究還在0.5MW大型循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)試驗臺上進行了石煤和煙煤的混燒試驗。

試驗臺系統(tǒng)簡圖見圖2。該試驗臺建立于2001年，是目前國內(nèi)外最大的循環(huán)流化床熱態(tài)試驗臺之一，可進行各種固體燃料的循環(huán)流化床燃燒、脫硫脫硝、汽－氣聯(lián)產(chǎn)等試驗研究，具有操作方便、運行穩(wěn)定、自動化程度高等優(yōu)點。該系統(tǒng)主要由爐膛﹑旋風分離器﹑固體顆粒返料機構(gòu)﹑尾部受熱面﹑煙風系統(tǒng)﹑點火器﹑給料機構(gòu)等部分組成。

1.鼓風機 2.給沙機構(gòu) 3.給煤機構(gòu) 4.點火油槍 5.循環(huán)流化床鍋爐 6.旋風分離器

7.返料器 8.過熱器 9.蒸汽發(fā)生器 10.水位計 11.布袋除塵器 12.引風機 13.給水泵

圖2 0.5MW大型循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)試驗臺系統(tǒng)圖

試驗工況見表3。試驗中所用石煤和煙煤的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果見表1。

表3 0.5MW大型循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)試驗臺試驗工況表

2.2試驗結(jié)果分析與討論

2.2.1燃燒穩(wěn)定性

以上兩組試驗中，不論是單純?nèi)紵�石煤還是石煤煙煤混燒，也不論加與不加石灰石，在循環(huán)流化床里均能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，循環(huán)回路流暢，燃燒狀況良好，這充分驗證了循環(huán)流化床在劣質(zhì)煤燃燒方面的優(yōu)勢。

但從表2中可以看出，在0.5MW多功能流化床試驗臺上進行的一組試驗中，各種石煤的燃燒效率不高。其主要原因為：本裝置是試驗臺，爐膛截面較小，散熱較大，物料給入流化床后在床內(nèi)的停留時間較短，同時爐膛高度也較低，燃料顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間與在工業(yè)鍋爐中相比要短得多，使煤顆粒燃燒不完全，排灰渣中含碳量較高，同時由于石煤熱值較低，排灰渣量很大，造成機械不完全損失較大，所以改組試驗中石煤燃燒效率不高。

而在0.5MW大型循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)試驗臺上進行的石煤煙煤混燒試驗中都可以獲得較高的燃燒效率（92.31～94.56％）。即使全部燃用熱值僅1003kcal/kg(4193kJ/kg)的清平石煤，也獲得了88.56％的燃燒效率，其重要原因是試驗用的入爐燃料粒度較細，為6mm以下，平均粒徑分別為清平石煤＋淮北煙煤1.764mm，茶飛石煤＋煙煤2.396mm。這也說明實際循環(huán)流化床鍋爐運行時，控制燃煤粒度是極為重要的。因此，從燃燒角度，循環(huán)流化床完全可以燃用1000 kcal/kg以上的石煤，且能獲得較高的燃燒效率。

2.2.2脫硫特性

煤燃燒過程中生成的SO2對生態(tài)系統(tǒng)存在很大的危害，它對樹木和谷物、水源及水生物動植物、建筑物和人類健康均有不利的影響[3][4]。因此包括中國在內(nèi)許多國家均制定了SO2的排放標準，為使鍋爐燃燒過程中SO2的排放達到國家排放標準，必須采用一定的降低排放措施。而石煤硫分大多都高于2％，在采用循環(huán)流化床燃燒發(fā)電綜合利用時，必須采取高效的脫硫措施，方能滿足日益嚴格的國家環(huán)保標準。對于循環(huán)流化床鍋爐，采用石灰石爐內(nèi)脫硫技術(shù)是目前公認的最經(jīng)濟最有效的脫硫方式。因此在前面兩組試驗中都包括添加石灰石進行脫硫的工況。

在第一組試驗中，用做脫硫劑的石灰石中CaO的成分占52.08%，石灰石的平均粒徑為1.29mm。試驗中不同Ca/S摩爾比條件下的脫硫效率見表4。與國家排放標準相對照，當Ca/S摩爾比為3.0和3.5時排放可以達到標準（圖3）。

表4 試驗中的脫硫效率

其中，脫硫效率依據(jù)下述公式計算：

請點擊此處輸入圖片描述第二組試驗中的脫硫結(jié)果如表5所示。由于入爐燃料含硫量高，不加石灰石脫硫時，SO2排放濃度遠遠高出國家排放標準。當采用石灰石脫硫，Ca/S為3.33和3.63時，可以達到94％以上的脫硫效率，使SO2排放濃度滿足國家排放標準。因此，燃用石煤的循環(huán)流化床鍋爐，必須采用脫硫技術(shù)，且在較高的Ca/S情況下，嚴格控制石灰石細度和鍋爐運行爐溫，使之在最佳的狀態(tài)下脫硫，以達到國家環(huán)保標準。

圖3 不同Ca/S摩爾比下SO2排放隨床溫變化關(guān)系

表5 脫硫試驗結(jié)果

3灰渣綜合利用

石煤本身灰分就很高，還需要再加入一定量石灰石進行脫硫，因此石煤在循環(huán)流化床燃燒過程中會產(chǎn)生大量的灰渣。灰渣的處理和利用是石煤熱電廠必須面對和解決的關(guān)鍵問題。目前，石煤灰渣的綜合利用方面，采用較多的是提釩、蒸汽養(yǎng)護制磚、作路基材料、作水泥混合材等。對于石煤灰渣提釩，已有成熟工藝，但石煤的含釩量必須滿足提釩要求，含釩量較低的石煤沒有提釩價值，況且提釩后的渣仍需處理利用。因石煤渣中含有一定量的放射性元素，近年來，石煤渣制磚逐漸被淘汰。流化床灰渣作路基材料是一種較好的利用方法，但受限于道路建設(shè)及運輸半徑。目前，使用最多也最簡便的方法是將石煤灰渣用于水泥生產(chǎn)，用作生料組分和混合材。

典型石煤煤灰的化學成分以二氧化硅為主，大都在70%左右，其次氧化鋁、氧化鐵的含量也較多，這些都與某些粘土質(zhì)原料的化學成分非常相似，因此可以用石煤煤灰代替水泥生產(chǎn)中所需要的粘土質(zhì)原料。我們對某燃用石煤的35t/h循環(huán)流化床鍋爐排出的粗渣和分離器除塵器排出的細灰作了灰成份分析，見表6：

表6 石煤流化床鍋爐灰渣成分（%）

比較粗渣和細灰的化學成分，可知細灰的燒失量較高，這是由于細灰在鍋爐爐膛停留時間短燃燒不充分所致，根據(jù)GB2847－81《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》人工火山灰質(zhì)混合材料燒失量不得超過10％的規(guī)定，不適宜直接用作水泥混合材，因此我們提出對粗渣和細灰采用不同的利用方法：細灰用作水泥生料組分，而粗渣用作水泥混合材[5]。此項研究成果已經(jīng)在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

由于石煤循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)生的細灰細度與水泥生料細度相近，且具有良好的吸濕性，因此用來代替水泥生料配方中的部分硅鋁質(zhì)材料，不但可以降低生料成本，還可以改善生料粉磨中球磨機工況，減少因原料水份偏高而引起的飽磨、糊磨等現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高粉磨效率，降低粉磨電耗。我們在分析研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)某水泥廠現(xiàn)有原料配比情況，調(diào)整水泥生料配方，用35t/h石煤循環(huán)流化床鍋爐排出的細灰代替原來配方中的頁巖（其成分分析見表6），并減少銅礦渣和鋁釩土的用量，取得了很好的效果，降低了粉磨電耗，增加了生料磨機的臺時產(chǎn)量，見表7。由表中數(shù)據(jù)可知，臺時產(chǎn)量提高了3噸/時.臺，電耗下降了2kw.h/t。

表7 細灰作生料組分應(yīng)用效果

而石煤循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)生的粗渣經(jīng)過冷渣器冷卻，具有很好的活性，是一種良好的水泥混合材。對石煤流化床鍋爐的細灰和粗渣采用不同的利用方式，可以充分發(fā)揮了各自的特性，不但可以降低水泥的生產(chǎn)成本，還能實現(xiàn)了灰渣的全部利用，因此是一種合理高效的綜合利用方式。上述研究成果已成功應(yīng)用于多家立窯水泥生產(chǎn)企業(yè)，使水泥產(chǎn)量提高，生產(chǎn)成本下降，節(jié)約了熟料煤耗和電耗。

4結(jié)論

石煤具有熱值低，硫分高，灰分高的特點，是一種不容易加以利用的劣質(zhì)燃料。而循環(huán)流化床技術(shù)克服了這些缺點，石煤在循環(huán)流化床中完全可以實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，并且通過添加石灰石脫硫可以使SO2的排放達到國家標準。而通過細灰用作水泥生料組分，粗渣用作水泥混合材的方式，可以實現(xiàn)對石煤循環(huán)流化床鍋爐所產(chǎn)生的大量灰渣的有效利用。

參考文獻：

[1]朱紹隆. 浙江省的石煤利用與地質(zhì)工作. 中國煤田地質(zhì). 1989, No.4, 34-36.

[2]岑可法，倪明江，駱仲泱等. 《循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計與運行》. 北京：中國電力出版社 1998.5

[3]徐息，羅永祿. 論我國燃煤電廠脫硫技術(shù)的發(fā)展. 電力環(huán)境保護. 1997, No.2, 38-40.

[4]陶偉強，韓富春. 國內(nèi)外燃煤電廠脫硫技術(shù)的綜述. 電力學報. 2001, No.3, 176-177,182.

[5]駱仲泱，施正倫，王文龍等. 石煤流化床鍋爐灰渣高效綜合利用研究. 熱力發(fā)電. 2002, No.3, 14-17.