內容摘要：本文指出提高CFB鍋爐熱效率關鍵在于降低機械(固體)不完全燃燒損失q4。并根據q4的理論計算式和我省CFB鍋爐運行實際，指出影響q4關鍵因素是飛灰含炭量；其次是飛灰份額；然后從理論和實踐上詳細討論了降低飛灰含炭量和飛灰份額具體措施。

關健詞  機械不完全燃燒損失  飛灰含炭量  飛灰份額  流化氣速  旋風分離器

用鍋爐熱平衡理論分析，不難發現影響我省燃燒無煙煤的CFB鍋爐的熱效率最主要熱損失是機械(固體)不完全燃燒損失（通常用q4表示）和排煙熱損失（通常用q2表示）。降低q2可從降低排煙溫度和減少排煙處過量空氣系數來考慮，但目前已沒有多大潛力。而q4則還有降低的空間。以下從理論和運行經驗來全面分析。

1  機械(固體)不完全燃燒損失q4的計算式及主要影響因素

q4理論計算式如下：

其中Aar與Qnet.ar分別表示燃料灰份和低位發熱量；ana與afh分別表示灰渣和飛灰的份額；與Cfh分別表示灰渣和飛灰的含炭量。從運行實際和理論計算可知，影響q4關鍵因素是飛灰含炭量Cfh；其次是飛灰份額afh；灰渣含炭量Chz影響很小。

2  飛灰含炭量的影響因素

目前，我省運行好的CFB鍋爐飛灰含炭量也在15-20%，運行一般的在25%，運行差的和小容量的爐子在30%以上。這說明降低飛灰含炭量還有潛力可挖。以下從討論飛灰含炭量的影響因素入手來分析可采用的措施。

2.1  福建無煙煤特性

福建無煙煤燃料揮發份很低，2 - 4%，著火溫度大約高達900℃，床溫必須控制在900℃以上，穩定燃燒溫度一般950～1000℃；由于揮發份低，顆粒氣孔率低，燃燒速度很低，燃燼時間長。因而飛灰中來不及燃燼炭的比率就高。

表1   福建無煙煤質分析資料

表2   燃料揮發份對220t/hCFB鍋爐飛灰含炭量的影響[1]

* 這里是指布風板至爐頂的高度，而不是指布風板至爐膛出口中心線。

表2可看出，隨著燃料揮發份從46.65%(褐煤)降低到到5.98%（無煙煤），盡管爐膛高度相應從28.5m增加到30.2m，而且爐膛溫度也由890℃上升到930℃，但飛灰含炭量仍然從6.91%提高到27.12%。這指出了燃料揮發份對220t/hCFB鍋爐飛灰含炭量的決定性影響。

2.2  床層和爐膛溫度

燃燒無煙煤的CFB鍋爐飛灰含炭量高，說明許多細小顆粒來不及燃燼就離開爐膛。

提高床層和爐膛溫度是加快碳和氧化學反應速度有效措施。根據阿倫尼烏斯理論，化學反應速度系數K：

K = A e –E/RT

上式中A為頻率因子，E為活化能, 兩者都隨煤種而定；R是氣體通用常數。故從上式可看出，化學反應速度系數K的增長是與絕對溫度T的上升成指數關系，因此，隨爐膛溫度的增加，燃燼時間大大縮短。文獻圖[4]表明溫度對燃燼時間顯著影響。當然，床層和爐膛溫度通常必須控制比該煤種灰的軟化溫度低50至100℃以下

圖1      溫度對燃燼時間的影響[4]

福建省石獅熱電廠等已總結了很好的經驗，他們爐膛運行溫度一般在950℃上下，根據煤的特性，有時甚至還達1000℃以上。

通過調整給煤量﹑返料量﹑流化氣速及燃煤細度一般可以達到期望的爐內溫度。若爐膛溫度仍然調不上去，則可能是設計中存在問題，即爐內受熱面布置過多。這可采用鋪設“衛燃帶”或去掉部分蒸發受熱面來解決。

2.3  顆粒爐內停留時間

2.3.1  爐膛高度

飛灰含炭量的高低除了取決于高溫爐膛外，還決定于煤粒子在高溫爐膛內的停留時間。其主要影響因素是爐膛高度和流化氣速。適當增加爐膛高度，這是延長微細粒子爐內停留時間重要措施之一。石獅熱電廠75t/h鍋爐的爐膛高度(布風板至爐膛蒸發屏下端)為18.1m，濟鍋220 t/h鍋爐的爐膛高度近36 m，無錫鍋爐廠為大田220 t/h鍋爐設計的爐膛高度是35.65 m（見表3）。與表2省外的煙煤爐相比要高出5-6 m 。 這將為微細粒子在爐內燃燒取得更長的停留時間。

表3    燃燒無煙煤的220 t/hCFB鍋爐的爐膛高度

2.3.2  選擇合適的流化氣速（指爐膛熱態煙氣平均流速）

目前，我省CFB鍋爐流化氣速一般是這樣選擇：35t/h爐大約取 3m/s；75t/h爐取4 m/s；220t/h以上爐取4.4～5.5m/s 。

流化氣速的選擇與鍋爐容量和煤種關系密切；氣速高低影響到爐膛中上部顆粒濃度﹑回料量多少和磨損程度。顯然，容量越小的鍋爐，由于爐膛高度限制，只能選擇低限的流化氣速，以取得一定的停留時間。而容量大的爐子在高度上略有優勢。

東鍋75t/hCFB鍋爐流化氣速一般調整到3.8 ～ 4.2 m/s。這樣按18.1m的爐膛高度，一次通過爐膛的那些細顆粒平均停留時間大約4. 5秒。這對于福建無煙煤是不夠的，因而飛灰ｑ4仍然比較大；而在分離器被分離下來粗顆粒還能再次返回爐膛，停留時間隨返回次數增加而成倍延長，盡管其燃燒反應活性呈下降趨勢，燃燼程度仍然相對提高。對于那些根本就無法飛出爐膛的大顆粒，其停留時間很長，有達數十分鐘，甚至達到數小時，因此作為大顆粒的灰渣，其含炭量就很低。其數值大約保持在2 %。

濟南鍋爐廠為安溪煤矸石電廠設計的220t/hCFB鍋爐，由于燃料多灰，設計取低流化氣速4.4 m/s，其爐膛高度近31.35m (這里指布風板至爐膛出口中心線)，一次通過爐膛的那些細顆粒平均停留時間超過7秒。

哈鍋440t/hCFB鍋爐為燃燒龍巖無煙煤而設計的，設計的流化氣速約5 m/s，可保證爐膛上部有合適的顆粒濃度。

2.4  旋風分離器的分離效率

2.4.1  旋風分離器類型及效率

細微顆粒在爐內停留時間與旋風分離器效率關系很大，由于在爐內停留時間與該顆粒被分離下來的次數成對應倍數增長。因此，一個好的分離器，既能降低飛灰含炭量，又能降低飛灰份額。這正是國內外同行致力改善分離器設計和優化回料器配風動力。圖2為CFB鍋爐常用旋風分離器的分類圖。按分離效率效率由高到低排列應是：蝸殼形﹑圓筒形﹑八邊形﹑方形。

圖2   CFB鍋爐常用旋風分離器分類

2.4.2  旋風分離進口尺寸（高寬比）對分離效率的影響

福建無煙煤微細顆粒多，同容量同樣流化氣速下，顆粒濃度更高。煙氣流入旋風筒，眾多顆粒在離心力驅動下向筒壁運動，在這過程中很多顆粒相互碰撞，趨向筒壁的動能被削弱，然后被主氣流帶走。這將影響分離效率。高寬比越低，相互碰撞越嚴重，影響越大。這也是大尺寸顆粒出現在靜電除塵器的原因。文獻[4]指出，靜電除塵器下飛灰中大于105mm顆粒重量比達到71.6 %，與石獅熱電廠的測試結果比較一致。為了降低高顆粒濃度對分離效率的影響，日本住友公司為廈門一客戶220t/h鍋爐的緊湊式水冷旋風分離器設計了狹長的進口斷面（見圖3），其進口斷面高度為8002 mm。薄片氣流貼壁進入旋風筒可減少由于顆粒相互碰撞導致二次飛揚，有利于提高分離效率。但該爐高度低是主要矛盾，因而燃燒福建無煙煤時機械不完全燃燒損失很大。

圖3  八邊形緊湊式水冷旋風分離器

3  飛灰份額的影響因素

3.1  燃料粒度特性的影響：福建無煙煤細顆粒多，從0～8mm粒度的篩分比例中得知：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，在燃燒過程中細顆粒容易爆裂，造成飛灰份額大，一般在50 – 60 % ；燃料中微細顆粒爐內停留時間短，飛灰含炭量高；這兩個因素導致q4就增大。由于煤種無法改變，人們只能通過完善設計和優化運行來降低飛灰份額。

3.2  燃料系統設計中特別要防止出現粒度合格燃料再破碎

表4 以50 %和60 %兩種不同飛灰份額代入計算式（1-1）進行計算，證明飛灰份額從50 %提高到60 %時，機械不完全燃燒損失q4也從9.457%增加到11.250%。計算說明飛灰份額對q4的重要影響。

表4    不同飛灰份額 對機械不完全燃燒損失q4影響的計算實例

我省有些設計單位不熟悉CFB鍋爐對燃煤粒度分布的要求，在燃料系統設計中沒有考慮到破碎過細會提高飛灰份額。出現把所有原煤都送破碎的設計系統。這不僅降低鍋爐熱效率， 還導致鍋爐煙塵排放濃度增加，甚至除塵器采用5電場時，其排放濃度還要超過50mg/m3。此外，由于福建無煙煤原煤中10mm以下約占90%，燃料應當先篩分，不合格再破碎，可大大降低燃料破碎電耗。

3.3  回料器風量的正確調節

目前，國內外CFB鍋爐的回料器不論稱U﹑J或L型，其回料通道都是一個U型體（見圖4）。U型體下部左右側配有兩個調節閥，左側為回料風閥，開度大，使U型體流化床左側的顆粒處于強烈流化狀態；而右側松動風閥開度很小，其調節量只要保證U型體內流化床右側的顆粒松動即可。這樣，使U型體右側接料腿的顆粒柱處于充氣滑移狀態；而且料腿中能保持穩定高度的顆粒柱且不受負荷波動影響。由于料腿中這個密相顆粒柱所具有的壓頭比爐膛內膨脹度高的相對稀疏顆粒柱所產生的壓頭要高，因此很容易造成顆粒自動地穿過U型體左側進入爐膛，實現物料可靠的循環。

松動風的調節對飛灰份額影響很大。在U型體中，接近100%的松動風量將隨被松動的顆粒穿過U型通道進入爐膛。但過大的松動風，必然有部分松動風上竄，導致上部的分離器嚴重漏風，原本可分離下來的相對粗的顆粒也成了飛灰被氣流帶走，飛灰份額和含碳量大增。不少新建廠的鍋爐運行調試單位不了解回料風及松動風調節的重要性，有的也不知如何調節，不利于鍋爐經濟運行。

圖4  某220t/h CFB鍋爐水冷回料器的U型回料通道

3.4  其他影響因素

影響飛灰份額的還有流化氣速和二次風等因素。流化氣速過高，煙氣流對顆粒的托力與氣速成平方關系增加，細顆粒帶出量增加。但流化氣速高低的正確選擇還要綜合考慮爐膛中上部必須的顆粒濃度和煤的粒度分布等其他因素。合理布置二次風不僅有助于降低飛灰份額，也延長顆粒爐內停留時間，并強化混合，提高顆粒燃燼程度。

4  結論

提高燃燒福建無煙煤CFB鍋爐熱效率的關鍵在于降低機械不完全燃燒損失q4，而影響q4關鍵因素是飛灰含碳量。這可以通過提高爐溫﹑采用延長顆粒爐內停留時間的種種措施﹑根據鍋爐容量合理選擇分離器等辦法來改善。其次，也要注意盡可能地降低飛灰份額，這是不太使人重視﹑但對經濟運行又很重要的因素。要從理論上搞通回料器工作原理，并在運行中重視回料器風量的正確調節。此外，對我省燃料系統設計中出現的全部原煤進破碎機現象要采取措施加以改進。

參考文獻

[1] 陳朝柱，蔣昌盛，無煙煤特性及在電站鍋爐的應用，福建能源節約與開發，（3）2000.9；

[2] 呂俊復，張守玉，循環流化床鍋爐飛灰含炭量問題，動力工程，（2）2004.4；

[3] 于  龍，岳光溪等，循環流化床燃燒技術的研究展望，熱能動力工程，（4）2004.7；

[4] 李  俊，田子平等，降低循環流化床鍋爐飛灰可燃物，鍋爐技術，（4）2004.7；

[5] 吳劍恒，俞金樹，燃用福建無煙煤的CFB鍋爐優化燃燒，（1）2005.3；

[6] 陳千錦，蔡康忠等，上鍋FLEXTECHTM循環流化床特點技術，鍋爐技術，（3）2003.5

文章作者：俞建洪   陳朝柱