石煤循环流化床洁净燃烧与综合利用

施正伦 王文龙 骆仲泱 王勤辉 程乐鸣 方梦祥 倪明江 岑可法

【摘 要】本文针对石煤热值低，硫分高，灰分高的特点，研究了石煤在循环流化床中的燃烧特性，脱硫特性，以及高效的灰渣综合利用方式，为石煤的洁净燃烧与综合利用指明了途径，也为石煤循环流化床锅炉的设计运行提供了依据。

【关键字】石煤；循环流化床；脱硫；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

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭消费量占能源消费量的70%以上，随着我国国民经济的高速发展，对煤炭的需求量逐年增长，因而煤炭的储存量也就日益减少。开发和利用劣质煤资源是我国资源综合利用的一项基本国策。我国南方的经济发展相对较快，但煤炭资源却比较贫乏。而我国南方的劣质煤（石煤）资源相当丰富，仅浙江省就有106亿吨的石煤储量，是南方十省区石煤储量最丰富的省份[1]。然而由于石煤的热值低、灰分高、硫分高，这对石煤资源的利用带来一定困难。

循环流化床燃烧[2]作为一种高效的洁净煤技术，近年发展较快，该技术的一大优点就是适宜燃用石煤、垃圾之类的低热值燃料。近年来随着循环流化床燃烧技术的发展和我国资源综合利用政策的制定，有效促进了石煤资源的开发利用，一些以燃用石煤为主的热电厂相继建立。但是，由于石煤本身的特点，其燃烧特性，燃烧脱硫问题以及燃烧产生的大量灰渣的综合利用途径是实现石煤洁净燃烧与综合利用的关键所在，也是石煤热电厂能否正常运行发挥效益的决定因素。

1石煤特性

表1给出了浙江省几种典型石煤的工业分析和元素分析结果。从中可以看出，石煤的热值都非常低，一般都在10000KJ/kg以下，如此低热值的煤在通常的煤粉燃烧锅炉中是难以应用的。而它们的灰分都相当高，可达70－80％；另外硫分也都比较高，多数都是硫分高于2％的高硫煤，因此脱硫及灰渣的处理利用都是燃烧石煤所必须面对的问题。

2石煤循环流化床燃烧特性

2.1试验过程

表1典型石煤与部分烟煤的工业分析和元素分析

为探索石煤在循环流化床中的燃烧特性，浙江大学热能工程研究所进行了大量的试验工作。首先，在的一座0.5MW多功能流化床试验台上进行了一系列试验，主要目的是了解单纯石煤的燃烧特性以及加入石灰石后的脱硫特性。图1示出了浙江大学热能工程研究所用于进行石煤燃烧特性的试验台架系统图。试验台主要由炉膛，分离器，固体颗粒返料机构，尾部受热面，空气-烟气系统，点火器，给料机和冷却水系统组成。

1.送风机 2.自动空气控制阀 3.空气流量计 4.空气控制阀 5.油点火器 6.油点火器燃烧室 7.放灰阀 8.返料灰放灰阀 9.风箱 10.水冷管 11.水流量计 12.水流量控制阀 13.给料机 14.煤仓 15.固体颗粒返料阀 16.炉膛 17.分离器 18.换热器 19.蒸汽放气阀 20.水平面显示器 21.尾部烟道测点 22.烟道控制阀 23.引风机24.布袋除尘器 25.烟囱

图1 0.5MW多功能流化床试验台系统图

试验台架炉膛截面为200mm×200mm，高4.5m。空气经布风板进入炉膛，掺有或不掺有石灰石的石煤由给料机给入炉膛流化床中流化并燃烧。被炉膛气流携带到炉膛顶部的固体颗粒经分离器分离后通过J阀送回炉膛。经过分离器后的热烟气则通过换热器和尾部烟道，然后经布袋除尘器后从烟囱排出。共进行了6个工况的试验，具体如表2所示：

表2 0.5MW多功能流化床试验台燃烧试验工况表

另外，为验证采用循环流化床燃烧技术以综合利用超低热值石煤的技术可行性，为循环流化床锅炉设计、运行提供参考依据，浙江大学热能工程研究还在0.5MW大型循环流化床多联产试验台上进行了石煤和烟煤的混烧试验。

试验台系统简图见图2。该试验台建立于2001年，是目前国内外最大的循环流化床热态试验台之一，可进行各种固体燃料的循环流化床燃烧、脱硫脱硝、汽－气联产等试验研究，具有操作方便、运行稳定、自动化程度高等优点。该系统主要由炉膛﹑旋风分离器﹑固体颗粒返料机构﹑尾部受热面﹑烟风系统﹑点火器﹑给料机构等部分组成。

1.鼓风机 2.给沙机构 3.给煤机构 4.点火油枪 5.循环流化床锅炉 6.旋风分离器

7.返料器 8.过热器 9.蒸汽发生器 10.水位计 11.布袋除尘器 12.引风机 13.给水泵

图2 0.5MW大型循环流化床多联产试验台系统图

试验工况见表3。试验中所用石煤和烟煤的工业分析与元素分析结果见表1。

表3 0.5MW大型循环流化床多联产试验台试验工况表

2.2试验结果分析与讨论

2.2.1燃烧稳定性

以上两组试验中，不论是单纯燃烧石煤还是石煤烟煤混烧，也不论加与不加石灰石，在循环流化床里均能实现稳定燃烧，循环回路流畅，燃烧状况良好，这充分验证了循环流化床在劣质煤燃烧方面的优势。

但从表2中可以看出，在0.5MW多功能流化床试验台上进行的一组试验中，各种石煤的燃烧效率不高。其主要原因为：本装置是试验台，炉膛截面较小，散热较大，物料给入流化床后在床内的停留时间较短，同时炉膛高度也较低，燃料颗粒在炉膛内的停留时间与在工业锅炉中相比要短得多，使煤颗粒燃烧不完全，排灰渣中含碳量较高，同时由于石煤热值较低，排灰渣量很大，造成机械不完全损失较大，所以改组试验中石煤燃烧效率不高。

而在0.5MW大型循环流化床多联产试验台上进行的石煤烟煤混烧试验中都可以获得较高的燃烧效率（92.31～94.56％）。即使全部燃用热值仅1003kcal/kg(4193kJ/kg)的清平石煤，也获得了88.56％的燃烧效率，其重要原因是试验用的入炉燃料粒度较细，为6mm以下，平均粒径分别为清平石煤＋淮北烟煤1.764mm，茶飞石煤＋烟煤2.396mm。这也说明实际循环流化床锅炉运行时，控制燃煤粒度是极为重要的。因此，从燃烧角度，循环流化床完全可以燃用1000 kcal/kg以上的石煤，且能获得较高的燃烧效率。

2.2.2脱硫特性

煤燃烧过程中生成的SO2对生态系统存在很大的危害，它对树木和谷物、水源及水生物动植物、建筑物和人类健康均有不利的影响[3][4]。因此包括中国在内许多国家均制定了SO2的排放标准，为使锅炉燃烧过程中SO2的排放达到国家排放标准，必须采用一定的降低排放措施。而石煤硫分大多都高于2％，在采用循环流化床燃烧发电综合利用时，必须采取高效的脱硫措施，方能满足日益严格的国家环保标准。对于循环流化床锅炉，采用石灰石炉内脱硫技术是目前公认的最经济最有效的脱硫方式。因此在前面两组试验中都包括添加石灰石进行脱硫的工况。

在第一组试验中，用做脱硫剂的石灰石中CaO的成分占52.08%，石灰石的平均粒径为1.29mm。试验中不同Ca/S摩尔比条件下的脱硫效率见表4。与国家排放标准相对照，当Ca/S摩尔比为3.0和3.5时排放可以达到标准（图3）。

表4 试验中的脱硫效率

其中，脱硫效率依据下述公式计算：

请点击此处输入图片描述第二组试验中的脱硫结果如表5所示。由于入炉燃料含硫量高，不加石灰石脱硫时，SO2排放浓度远远高出国家排放标准。当采用石灰石脱硫，Ca/S为3.33和3.63时，可以达到94％以上的脱硫效率，使SO2排放浓度满足国家排放标准。因此，燃用石煤的循环流化床锅炉，必须采用脱硫技术，且在较高的Ca/S情况下，严格控制石灰石细度和锅炉运行炉温，使之在最佳的状态下脱硫，以达到国家环保标准。

图3 不同Ca/S摩尔比下SO2排放随床温变化关系

表5 脱硫试验结果

3灰渣综合利用

石煤本身灰分就很高，还需要再加入一定量石灰石进行脱硫，因此石煤在循环流化床燃烧过程中会产生大量的灰渣。灰渣的处理和利用是石煤热电厂必须面对和解决的关键问题。目前，石煤灰渣的综合利用方面，采用较多的是提钒、蒸汽养护制砖、作路基材料、作水泥混合材等。对于石煤灰渣提钒，已有成熟工艺，但石煤的含钒量必须满足提钒要求，含钒量较低的石煤没有提钒价值，况且提钒后的渣仍需处理利用。因石煤渣中含有一定量的放射性元素，近年来，石煤渣制砖逐渐被淘汰。流化床灰渣作路基材料是一种较好的利用方法，但受限于道路建设及运输半径。目前，使用最多也最简便的方法是将石煤灰渣用于水泥生产，用作生料组分和混合材。

典型石煤煤灰的化学成分以二氧化硅为主，大都在70%左右，其次氧化铝、氧化铁的含量也较多，这些都与某些粘土质原料的化学成分非常相似，因此可以用石煤煤灰代替水泥生产中所需要的粘土质原料。我们对某燃用石煤的35t/h循环流化床锅炉排出的粗渣和分离器除尘器排出的细灰作了灰成份分析，见表6：

表6 石煤流化床锅炉灰渣成分（%）

比较粗渣和细灰的化学成分，可知细灰的烧失量较高，这是由于细灰在锅炉炉膛停留时间短燃烧不充分所致，根据GB2847－81《用于水泥中的火山灰质混合材料》人工火山灰质混合材料烧失量不得超过10％的规定，不适宜直接用作水泥混合材，因此我们提出对粗渣和细灰采用不同的利用方法：细灰用作水泥生料组分，而粗渣用作水泥混合材[5]。此项研究成果已经在实际生产中推广应用。

由于石煤循环流化床锅炉产生的细灰细度与水泥生料细度相近，且具有良好的吸湿性，因此用来代替水泥生料配方中的部分硅铝质材料，不但可以降低生料成本，还可以改善生料粉磨中球磨机工况，减少因原料水份偏高而引起的饱磨、糊磨等现象的发生，从而提高粉磨效率，降低粉磨电耗。我们在分析研究的基础上，根据某水泥厂现有原料配比情况，调整水泥生料配方，用35t/h石煤循环流化床锅炉排出的细灰代替原来配方中的页岩（其成分分析见表6），并减少铜矿渣和铝钒土的用量，取得了很好的效果，降低了粉磨电耗，增加了生料磨机的台时产量，见表7。由表中数据可知，台时产量提高了3吨/时.台，电耗下降了2kw.h/t。

表7 细灰作生料组分应用效果

而石煤循环流化床锅炉产生的粗渣经过冷渣器冷却，具有很好的活性，是一种良好的水泥混合材。对石煤流化床锅炉的细灰和粗渣采用不同的利用方式，可以充分发挥了各自的特性，不但可以降低水泥的生产成本，还能实现了灰渣的全部利用，因此是一种合理高效的综合利用方式。上述研究成果已成功应用于多家立窑水泥生产企业，使水泥产量提高，生产成本下降，节约了熟料煤耗和电耗。

4结论

石煤具有热值低，硫分高，灰分高的特点，是一种不容易加以利用的劣质燃料。而循环流化床技术克服了这些缺点，石煤在循环流化床中完全可以实现稳定燃烧，并且通过添加石灰石脱硫可以使SO2的排放达到国家标准。而通过细灰用作水泥生料组分，粗渣用作水泥混合材的方式，可以实现对石煤循环流化床锅炉所产生的大量灰渣的有效利用。

参考文献：

[1]朱绍隆. 浙江省的石煤利用与地质工作. 中国煤田地质. 1989, No.4, 34-36.

[2]岑可法，倪明江，骆仲泱等. 《循环流化床锅炉理论设计与运行》. 北京：中国电力出版社 1998.5

[3]徐息，罗永禄. 论我国燃煤电厂脱硫技术的发展. 电力环境保护. 1997, No.2, 38-40.

[4]陶伟强，韩富春. 国内外燃煤电厂脱硫技术的综述. 电力学报. 2001, No.3, 176-177,182.

[5]骆仲泱，施正伦，王文龙等. 石煤流化床锅炉灰渣高效综合利用研究. 热力发电. 2002, No.3, 14-17.