CFB锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析.pdf

第 48 卷增 1煤炭学报Vol.48Supp.12023 年4 月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYApril2023CFB 锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析赵强1，杜常宗2，卢宇飞3，刘宏林2，王东亮1，陈毅烈2，杜建鹏3，张宝利1，马涛2，戴思远2，郭伟2，罗春桃2，曲献伟3，匡建平2(1陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西 渭南714000;2宁夏神耀科技有限责任公司，宁夏 银川750011;3上海复洁环保科技股份有限公司，上海200438)摘要:目前我国煤化工行业多年持续发展使得国内煤气化系统细渣处理量高速增加。气化细渣经真空带式或板框过滤机过滤后含水率普遍达到 40%60%，干基残碳质量分数通常在 18%50%。煤气化细渣的无害化处理和资源化利用已成为当前国内外煤化工行业亟待解决的痛点。以水煤浆气化细渣的特性为基础，从气化细渣的残碳(热值)、含水率、掺烧比例和混合燃烧特性等方面研究了水煤浆气化细渣对掺烧的影响。陕煤集团渭化公司水煤浆气化炉气化细渣经过深度脱水干化后含水率降低到 28%，输送简单方便，与原料煤掺混后混合燃料的流动性不会造成堵煤断煤，调整混合燃料的含水率和热值等满足 CFB 锅炉要求后，对锅炉换热效率和运行寿命影响不大。针对气化细渣掺烧进 CFB 锅炉的运行情况进行分析，掺烧后锅炉运行参数如床层温度、烟气氧含量、排烟温度、床层差压等变化不大;烟气中 SO2，NOx质量浓度未剧烈变化，不会影响到锅炉脱硫脱硝系统。掺烧前锅炉飞灰含碳量在 10%20%，掺烧后降低到 5%10%，证明合适的掺加量对燃烧有促进作用。气化细渣掺烧后，由于其灰分较原料煤高，进入烟道的飞灰总量将增加，在掺烧比例15%时，布袋除尘器的设计裕量可以满足掺烧工况。将气化细渣的含水率一次性降低至 28%左右，然后掺烧至 CFB 锅炉，可以节省细渣的处置费，并利用细渣内残碳燃烧产生蒸汽以达到节能的目的，掺烧后增加的灰渣可用于建材，经济收益和环保效益十分可观，是一条节能环保，切实可行的固废资源化利用途径。关键词:气化细渣;CFB 锅炉;掺烧;运行特性;资源化利用中图分类号:TQ546文献标志码:A文章编号:02539993(2023)S1030509移动阅读收稿日期:20220701修回日期:20220801责任编辑:钱小静DOI:1013225/jcnkijccs20220994作者简介:赵强(1977)，男，陕西渭南人，高级工程师，硕士。Email:zhaoqiang6505 163com通讯作者:杜常宗(1990)，男，河南新乡人，工程师，硕士。Email:duchangzong nxsytccom引用格式:赵强，杜常宗，卢宇飞，等 CFB 锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析J 煤炭学报，2023，48(S1):305313ZHAO Qiang，DU Changzong，LU Yufei，et al Study and operation analysis on blended combustion of coal waterslurry gasification fine slag in CFB boilerJ Journal of China Coal Society，2023，48(S1):305313.Study and operation analysis on blended combustion of coal waterslurry gasification fine slag in CFB boilerZHAO Qiang1，DU Changzong2，LU Yufei3，LIU Honglin2，WANG Dongliang1，CHEN Yilie2，DU Jianpeng3，ZHANG Baoli1，MA Tao2，DAI Siyuan2，GUO Wei2，LUO Chuntao2，QU Xianwei3，KUANG Jianping2(1Shaanxi Weihe Coal Chemical Corporation Group Ltd，Weinan714000，China;2Ningxia Shenyao Technology Co，Ltd，Yinchuan750011，China;3Shanghai Ceo Environmental Protection Technology Co，Ltd，Shanghai200438，China)Abstract:At present，the many yearsdevelopment of China s coal chemical industry has led to a rapid increasein the amount of fine slag treatment in the domestic coal gasification system After being filtered by vacuum belt orplate frame filter，the moisture content of gasification fine slag generally reaches 40%60%，and the mass fractionof dry basis residual carbon is usually 18%50%The harmless treatment and resource utilization of coal gasification煤炭学报2023 年第 48 卷fine slag has become a pain point that needs to be solved urgently in the coal chemical industry at home and abroadBased on the characteristics of coal water slurry gasification fine slag，the influence of coal water slurry gasification fineslag on mixing combustion was studied from the aspects of carbon residue(calorific value)，moisture content，mixingproportion and mixing combustion characteristics of coal water slurry gasification fine slag After deep dehydrationand drying，the moisture content of the gasification fine slag of the coal water slurry gasifier of a group in ShaanxiCoal Group Weihua Company is reduced to about 28%After blending with the raw coal，the blended fuel is easy tobe transported and its fluidity will not cause raw coal blockage and interruption After adjusting the moisture contentand calorific value of the blended fuel to meet the requirements of the CFB boiler，it will have little impact on the heatexchange efficiency and operating life of the boiler Based on the analysis of the operation of the CFB boiler blendedwith gasification fine slag，the boiler operation parameters such as bed temperature，flue gas oxygen content，flue gas temperature，bed differential pressure and so on have little change after blended combustion The concentrationof SO2and NOxin flue gas does not change dramatically and will not affect the boiler desulfurization and denitrificationsystem The carbon content of boiler fly ash is reduced from 10%20%to 5%10%after blended combustion，whichproves that the appropriate amount of blending can promote the combustion After the blended combustion of gasifica-tion fine slag，the amount of fly ash entering the tail flue will increase because its ash content is higher than that ofraw coal When the mixing proportion is less than 15%，the design margin of bag filter can meet the mixing conditioneducing the moisture content of gasification fine slag to about 28%at one time，and then burning it in the CFB boil-er can save the disposal cost of fine slag，and burning the residual carbon in fine slag to produce steam can achieve thepurpose of energy conservation，and the increased fly ash after burning can be used for building materials，so the eco-nomic and environmental benefits are very considerable It is an energy-conserving，environment-friendly，and practicalway for the resource utilization of solid wasteKey words:fine slag of gasification;CFB boiler;blended combustion;operating characteristics;resource utilization我国 2020 年能源消费结构中煤炭占比 567%1，煤炭消费量同比保持增长态势。随着煤化工行业的快速发展，行业耗煤逐年增加2，同时煤气化渣排放量逐年增加，在 2019 年已达 3 300 万 t/a3，国内外对气化渣的应用研究主要有以下几个方向:浮选分离、燃烧设备掺烧、土壤改良、制备材料、水处理4，浮选分离是将气化细渣中的灰分和未燃固定碳分离后进行分级利用，灰分作建材等添加材料，未燃碳进入燃烧设备掺烧;由于气化细渣固定碳含量高，气化细渣可以直接在燃烧设备掺烧，但由于含水率高，大规模掺烧时，燃烧效率不高，易对锅炉设备造成磨损，需先对气化细渣进行干燥;气化细渣中硅铝成分高，孔隙发达，比表面积大，能够成为调节剂和肥料改善盐碱地和沙地的土质，但需针对不同土壤配制不同配方，不利用推广;利用气化细渣制备建筑材料及合成复合材料，尚处于试验阶段;利用气化细渣孔隙发达，比表面积大可以作为吸附剂对污水进行处理，但工艺复杂，工业化风险高。上述应用方向都存在各种各样的瓶颈，尚无法进行大规模工业化综合利用。目前气化渣只能大量外送至渣场进行填埋，处置过程中会对生态环境造成严重的破坏，如扬尘、水体及土壤污染等。气化细渣残碳和热值很高，填埋也造成了资源的大量浪费。随着各地化工园区环保力度的提高，气化细渣堆放和填埋费逐年高昂。煤气化细渣的大规模无害化处理和资源化利用已成为国内外煤化工行业亟待解决的行业痛点。气化细渣来源于原料煤与氧化剂发生不完全燃烧反应生成合成气过程中，煤中矿物质和固定碳在高温高压环境中经过复杂的物化反应形成的。残碳颗粒与矿物质颗粒结合后经过水浴洗涤从黑水出口排出，经过多级闪蒸后进入澄清槽，再经过真空带式或板框过滤机进行脱水处理后得到了气化细渣，脱水处理后含水率通常为 40%60%，含水率仍过高，虽然干基残碳和热值较高，但燃烧过程中水分会先吸热汽化，如无法降低含水率，残碳热值不足以维持自身的燃烧，即无法在煤粉炉和循环流化床锅炉中自稳定燃烧，从而限制了气化细渣大规模掺烧利用。循环流化床锅炉燃料品种多，燃烧效率高，床内传热不随负荷变化，能够利用劣质燃料56。如果解决了气化细渣的含水率过高的问题，虽然其热值相对于原料煤低，但在 CFB 锅炉中大规模掺烧已具有较强的可行性。笔者针对陕煤集团渭化公司水煤浆气化炉气化细渣进行特性分析，对经过深度脱水干化含水率降低到 30%以下后，掺烧进 240 t/h603增刊 1赵强等:CFB 锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析CFB 锅炉的运行情况进行研究，并对掺烧进行经济性分析，得出 CFB 锅炉掺烧是解决煤气化细渣的有效途径，利用渣中残碳产生蒸汽实现节能的同时避免了污染问题，为今后气化细渣如何进行工业化规模掺烧利用提供参考。1气化细渣的特性研究目前，不同煤气化工艺气化细渣的化学组成、矿相性质、形状特征等已被充分研究。煤气化渣主要由大量的非晶态物质和少量的矿物结晶组成。宋瑞领等7 对多种气流床气化细渣的矿物组成进行汇总(表 1)。表 1气流床气化细渣矿物学组成7 Table 1Mineralogical composition of entrained-flowgasification fine slag7 炉型矿物组成神木化工玻璃态+残碳90%，石英+方解石等10%宁煤集团玻璃态为主，部分石英，少量镁铝柱石宁煤集团玻璃态为主，部分石英，含有机质贵州天福玻璃态质量分数74%，微量莫来石、石英、铁相煤粉气流床莫来石晶体，各相态石英气化细渣中非晶态玻璃体结构和残碳质量分数远超过矿物结晶。气化细渣的矿物组成是与气化炉内的转化过程、炉内反应温度、灰渣停留时间等密切相关的。高旭霞等8 研究得出，气化细渣相对于粗渣在炉内停留时间短。气流床气化炉中多相流动模型介于平推流反应器和全混流反应器之间，原料煤气化反应经过返混停留时间长，碳转化率高于固定床和流化床气化炉，而煤中难燃灰分和未燃残碳共同组成灰渣，其中渣通过附着在耐火砖热壁面或水冷壁面形成流动渣层向下渣口流动，经过激冷水浴后形成粗渣进入捞渣机;灰跟随合成气快速通过下渣口进入水浴，少量跟随合成气进入下游，大部分留在水中形成黑水，再经过闪蒸工艺和澄清槽后脱水形成细渣，因此细渣在炉内停留时间短，由于未进行充分燃烧渣中残碳含量高，也为后续能在锅炉中掺烧利用提供了基础。气化细渣的化学组成除了固定碳外以 SiO2，CaO，Fe2O3，Al2O3为主4，9，与原煤相比，其灰分占比较高，几乎无挥发分，属于相对难以燃烧的燃料，N 元素和 S 元素低于原煤，因此将气化细渣脱水后掺烧进CFB 锅炉不会对脱硫脱硝装置产生不利影响。笔者针对水煤浆气流床气化细渣的可能会影响到掺烧的特性进行研究分析。1.1水煤浆气化细渣结构特性分析对不同项目不同炉型水煤浆气化细渣比表面积和孔容积特性进行分析，见表 2。序号 1 为针对陕煤集团渭化公司水煤浆气化细渣取样分析的结果，与序号 26 所在文献中的分析结果进行对比可知，不同炉型不同煤种的气化炉，产生的气化细渣比表面积和孔容积也各不相同，但都处于同等数量级，比表面积都大于 100 m2/g，孔容积都大于 014 cm3/g，而较高的比表面积和孔容积在掺烧过程中能够与氧气接触的更充分。表 2水煤浆气化细渣比表面积和孔容积分析Table 2Analysis of specific surface area and pore volume offine slags from coal water slurry gasification序号炉型比表面积/(m2g1)孔容积/(cm3g1)1四喷嘴2062360270 024 Texaco2582900235 434 Texaco2029800162 144 四喷嘴1048800141 854 四喷嘴1117000148 567 四喷嘴1785800237 9对陕煤集团渭化公司水煤浆气化细渣进行扫描电镜观察，其显微结构如图 1 所示，图 1(a)为放大1 000倍后气化细渣表面形状，图 1(b)，(c)为放大2 000倍后气化细渣表面细节处形状，图 1(d)为针对多孔微团表面放大 20 000 倍后的形状。由图 1(a)，(b)可知，气化细渣中玻璃体多为规则的球形，经过 EDS 分析，玻璃体主要元素为 Si，Al，Ca，O 及少量 Fe 等8;由图1(c)，(d)可知，条状微团为多孔结构，图 1水煤浆气化细渣扫描电镜分析Fig1SEM analysis of fine slag from coalwater slurry gasification703煤炭学报2023 年第 48 卷且表面不规则，凹凸不平，这也解释了气化细渣比表面积大和孔容积高的原因。原煤参与气化反应中挥发分从颗粒内部和表面中析出，形成多孔通道，颗粒内部未燃碳残留于多孔微团中。由于存在多孔微团，孔隙密集，吸水性好，故气化细渣即使经过带式过滤机脱水后含水率仍有 40%60%，资源化利用难度大，如果与原煤掺烧前能够脱除大部分水分，多孔微团在锅炉中也能与氧气接触的更充分。不同煤种不同炉型的水煤浆气化细渣的结构特性类似，都具有丰富的孔隙和较高的比表面积，这已成为共识，也为不同地区的锅炉大规模掺烧深度脱水后的气化细渣的技术路线提供了有利条件。1.2水煤浆气化细渣残碳(热值)分析水煤浆气化细渣脱除大部分水分后残碳质量分数高，对应热值也高，再利用的经济价值较大。不同煤种不同炉型的水煤浆气化细渣的干基残碳和热值见表 3，选取宁夏、陕西、内蒙古、浙江及中石化系统中具有代表性的水煤浆气化细渣的残碳，由表 3 可知，虽然各地所用原料煤和气化工艺有所不同，但气化细渣的干基残碳均比较高，较低的都有 2061%，部分区域细渣残碳高达 53%。经过脱水至含水率 30%以下，可测出不同气化细渣热值为 755 到 1180 MJ/kg，接近于褐煤，超过 CFB 锅炉低热值燃料的最低可利用热值 692 MJ/kg12，即水煤浆气化细渣干化至含水率降到 30%以下，理论上能够在 CFB 锅炉中自稳定燃烧，但这种燃烧工况是不经济的，无法将锅炉热效率提升至最佳。因此，从使锅炉装置运行更稳定可靠和系统经济性最佳 2 方面考虑，实际运行工况中应将气化细渣和原煤按一定比例掺烧入 CFB 锅炉。表 3水煤浆气化细渣残碳和热值分析Table 3Analysis of residual carbon and calorificvalue of fine slag from coal water slurry gasification细渣来源气化炉型干基残碳/%收到基热值/(MJkg1)宁夏细渣50001110陕煤渭化公司Texaco3500755内蒙古细渣 14000874内蒙古细渣 2Texaco53001180浙江石油化工四喷嘴3800826陕西未来能源7 四喷嘴3057981宁夏细渣 110 Texaco3128宁夏细渣 210 四喷嘴2061广东茂名细渣10 GE3046陕西神木化学11 Texaco3612注:含水率 30%时测得收到基热值。1.3水煤浆气化细渣含水率分析水煤浆气化系统气化细渣经真空带式或板框过滤机过滤后含水率一般在 40%60%。高含水率是影响气化细渣进入锅炉掺烧的关键，从 12 节可知，含水率降至 30%后水煤浆气化细渣的热值已能够在锅炉中自稳定燃烧，燃烧过程中产生的热量除了满足自身水分汽化吸热外，还足以使锅炉产出合格蒸汽。理论上对于不同地区不同煤种的气化细渣都有一个能满足自身自稳定燃烧对应的最高含水率，对于残碳含量低的细渣，需要将含水率控制到很低才能维持自稳定燃烧，但是干化成本很高，不够经济，对于类似上述水煤浆气化细渣残碳很高，含水率可能还比较高时已足以在锅炉中稳定燃烧，而高含水率必然导致掺烧锅炉前输运困难，造成频繁堵煤堵渣，影响锅炉给料稳定，且尾部烟道中烟气温度升高，水分含量高，又由于气化细渣灰含量较原煤高，导致换热面积灰堵塞风险增高，影响换热效率。综上所述，含水率高的气化细渣掺烧易对 CFB 锅炉的运行产生风险，降低气化细渣的含水率，不仅可以有效提高气化细渣热值和锅炉热效率，也更利于锅炉长周期稳定运行。1.4水煤浆气化细渣掺混比例和混合燃烧特性分析针对陕西某集团水煤浆气化细渣，其与原料煤单独燃烧及按比例混燃后的煤灰矿物组成见表 4。由表 4 可知，煤灰成分差异不大，以 SiO2，CaO，Fe2O3，Al2O3等为主。掺烧细渣后灰成分质量分数介于原料煤灰分和气化细渣单独燃烧灰分。气化细渣灰分中 MgO，Na2O，K2O 等碱金属比原料煤灰中略高，如果气化细渣掺烧比例过大，碱金属有可能在炉膛换热面上冷凝，加速固体颗粒的富集和污垢的形成，对锅炉高效换热和安全运行带来一定风险。表 4水煤浆气化细渣和原料煤混合燃烧灰成分分析Table 4Composition analysis of ash of coal water slurrygasification fine slag and raw coal after blended combustion%样品名称SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O原料煤45641461836966509110123气化细渣4968160991181964420021995%煤+5%渣48731511880108147213115590%煤+10%渣4661157472996050615720885%煤+15%渣4984157581980955416721680%煤+20%渣46161612838896580178194表 5 和图 2，3 分别给出原料煤、气化细渣和按比例混燃后的热重分析曲线，以及着火温度及燃烬温度数据等。热重实验结果表明，气化细渣的着火温度为803增刊 1赵强等:CFB 锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析513，燃烬温度为 677，明显高于原料煤的着火温度 355 和燃烬温度 603，主要是由于气化细渣与原煤相比，水分含量高，气化细渣燃烧过程中需要克服更多的水分气化潜热，另外气化细渣的挥发分含量比原煤低，而挥发分的着火温度比固定碳低，当原煤中少量水分蒸发后挥发分很快析出燃烧，又为原煤中固定碳的引燃提供了基础，因此气化细渣的燃烧特性差于原煤。由 TGDTG 曲线可以看出，气化细渣、原煤、按不同比例的掺混料都仅有一个明显的失重峰。气化细渣曲线中快速反应段与原煤相差不大，而由表 5 可见气化细渣反应时间甚至短于原煤，说明气化细渣一旦着火燃烧，其燃烧活性及反应速度也比较好。气化细渣峰值温度范围为 500700，原煤为300600，按不同比例的掺混料的峰值范围几乎与原煤曲线一致，表明与原煤按不同比例(不超过20%时)混合的着火温度和燃烬特性与原煤接近，但原煤 DTG 曲线的峰尖更低，说明其燃烧速度最快，同样说明原煤中水分析出后，挥发分开始快速燃烧，在达到表 5 中最大反应速率温度后开始引燃固定碳，挥发分的存在加快了固定碳的着火和燃烬。同理，掺混后原煤首先着火并引燃气化细渣中固定碳，使其着火温度下移，促进了气化细渣的着火与燃烬。热重反应表明，气化渣与煤的直接混合燃烧具有可行性，掺混比例在不超过 20%时，掺混物料的可燃性和综合燃烧特性接近于原煤。表 5水煤浆气化细渣和原料煤混合燃烧热重分析Table 5Thermogravimetric analysis of blended combustionof fine slag and raw coal from coal water slurry gasification样品名称着火温度/燃尽温度/最大反应速率温度/最大反应速率/(%min1)反应时间/min原料煤35526032523613881238气化细渣51306773598579182095%煤+5%渣3581618552251307130090%煤+10%渣3643629352261248132385%煤+15%渣3651641051981195137880%煤+20%渣363364695178113314162CFB 锅炉掺烧气化细渣运行特性循环流化床锅炉能够燃烧的燃料种类多，适用燃料热值范围很广，基本可以利用目前所有的燃料。巩李明等12 对 CFB 锅炉低热值燃料的研究表明最低可利用燃料热值 692 MJ/kg，低热值燃料热值范围为125146 MJ/kg 时最经济，笔者研究的水煤浆气化图 2水煤浆气化细渣和原料煤混合燃烧 TG 分析曲线Fig2TG analysis curves of coal water slurry gasificationfine slags and raw coal blended combustion图 3水煤浆气化细渣和原料煤混合燃烧 DTG 分析曲线Fig3DTG analysis curve of coal water slurry gasificationfine slags and raw coal blended combustion细渣与原煤掺混时应保证热值满足上述要求。杜杰等13 对气化细渣基础燃烧特性的研究表明:气化细渣由于挥发分含量过低，无法实现在锅炉中维持自身稳定燃烧，但在与原煤掺混后混煤的燃烧特性与原煤比未显著下降。徐文静14 针对气化细渣与原煤混燃的燃烧特性的实验研究也表明，2 者按一定比例混燃时存在显著的协同效应，气化细渣掺加量在 30%时，混煤燃烧动力学参数与原煤相比差别不大。朱玉龙等15 针对宁夏煤粉和气化细渣进行的掺烧实验表明，原煤与气化细渣掺烧反应活性和燃烧效率在质量比为 85 15 时达到最大。何腾蛟16 针对 CFB 锅炉掺烧低热值燃烧的研究表明，原煤与其他燃料混合综合含水率不超过 15%且热值满足要求，锅炉能稳定运行。吴枫等17 对滤饼在 CFB 锅炉中掺烧的探讨表明，在气化细渣含水率 50%以下其发热量大于水分吸热量，掺烧时为放热反应，但掺烧比例高时，烟气中含灰量增加，会加剧锅炉磨损。董永波18 采用沉降离心机将气化细渣水分降低后，通过输送带输送至锅炉掺烧，得到一级粉煤灰。白振波等19 将气化细渣掺烧入 CFB 锅炉，通过调整受热面等措施以及将903煤炭学报2023 年第 48 卷掺烧比例控制在 30%以下，锅炉仍在设计参数范围内运行。马国伟等20 发现，性能差异较大的煤种混煤燃烧时，各组分煤会发生强烈的协同交互作用，当难燃煤比例超过 50%时，混煤的燃尽特性将大幅下降。高继光等21 对水煤浆气化渣掺烧 CFB 锅炉后的效益进行了分析，表明气化细渣的掺烧对过锅炉的发热量起到积极作用。上述研究表明，只要控制好综合含水率、热值以及掺烧比例，CFB 锅炉掺烧气化细渣在技术上是可行的，但目前多进行了实验研究，未进行大规模工业装置验证。笔者针对陕煤集团渭化公司水煤浆气化细渣经过深度脱水后掺烧进 CFB 锅炉，通过对运行结果的分析，验证气化细渣通过大规模掺烧实现资源化利用的可行性。2.1气化细渣脱水干化为了实现大规模掺烧的目的，首先解决气化细渣含水率高的问题，如含水率过高，不仅混煤的综合热值得不到保证，锅炉的运行也可能偏离设计参数范围，且混煤的输运和投煤过程也可能造成架桥堵塞，使得装置频繁停车检修，无法长周期运行。宁夏神耀科技有限责任公司联合上海夏洁环保公司开发了气化细渣深度脱水干化后掺烧锅炉自动化系统，其流程如图 4 所示。对澄清槽中的气化细渣进行深度干化脱水，使得含水率从 90%降低到 28%，保证通过输送带顺利输送到锅炉掺烧过程中不会造成堵煤堵渣。图 4气化细渣深度脱水干化后输送锅炉掺烧工艺流程Fig4Process flow chart of deep dehydration drying of gasifiedfine slag and blended combustion of conveying boiler干化装置自 2022 年 4 月开始连续稳定运行至今，运行过程中含水率波动情况如图 5 所示。由图 5可知，含水率最高为 319%，最低为 244%，平均含水率约 285%，波动范围不大，输送至原煤仓的输送带未产生任何堵渣断煤情况，能满足 CFB 锅炉长周期稳定运行的要求。2.2CFB 锅炉掺烧气化细渣后的运行在解决了含水率高的问题后，陕煤集团渭化公司实施了锅炉掺烧气化细渣。气化炉为 Texaco 水煤浆气化炉。从澄清槽底部经灰浆泵打入气化细渣脱水干化系统中，干化后的气化细渣产量约 100 t/d(含水率30%)，分成 6 个批次输送到锅炉进行掺烧。CFB图 5气化细渣深度脱水干化后含水率曲线Fig5Moisture content curve of gasified fineslag after deep dehydration and drying锅炉的蒸汽产量设计值为 240 t/h，未掺烧前炉膛温度在 900950，该温度远高于气化细渣的着火温度，在此温度下气化细渣容易着火燃烧，采用尾部半干法烟气脱硫和 SNC 脱硝。掺烧前原煤、气化细渣相关分析数据见表 6。由表 6 可知，原煤粒径主要分布在 2 10 mm，掺烧前锅炉飞灰残碳质量分数在10%20%，气化细渣干基残碳质量分数在约 35%。表 6锅炉原料煤和气化细渣掺混前分析数据Table 6Analysis data before blending boilerfeed coal and gasification fine slag取样批次12345原煤水分/%1214121313原煤灰/%16761344104615071346原煤低位发热量/(MJkg1)233231243232235原煤粒径10 mm/%940918955977972原煤粒径2 mm/%390347430470465炉渣残碳/%094180155195199飞灰残碳/%124131169173170气化细渣干基残碳/%309351378328335将气化装置每天产生的气化细渣掺烧进锅炉前后运行数据见表 7。由表 7 可知，锅炉运行稳定，床层温度、烟气含氧量、排烟温度、床层差压等变化不大，由于加入气化细渣，吨煤产汽量下降，蒸汽产量未变化，说明气化渣中残碳已燃烧产生了蒸汽。SO2，NOx浓度数据略有波动，未超过标准规范允许范围，气化细渣经高温气化后所含可燃硫、氮元素低，掺烧后不会增加烟气中 SO2和 NOx原始排放浓度，根据现场 DCS 画面，密相区至炉膛出口的温度分布均匀，说明燃烧状况良好，床层温度随含水率变化略有下降，仍处于锅炉设计运行温度范围内，故不会造成烟气中013增刊 1赵强等:CFB 锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析NOx含量剧烈变化。掺烧前飞灰含碳量在 10%20%，掺烧气化细渣后，飞灰含碳量降低到 5%10%，经过分析，气化细渣中挥发分含量低，含碳量高类似于无烟煤，但内水的水分含量高又类似于褐煤，根据郑航麟22 对于不同水分褐煤低温着火行为的研究，笔者推测，由于气化细渣颗粒的水分比原煤颗粒高，造成爆裂型着火的比例高于其他方式的着火，导致爆裂成更小的颗粒，另外细渣因为水分含量高而黏度更高，与原煤混合后造成颗粒之间的聚合作用增强，使得更多的小颗粒附着在相对大颗粒上，增大了颗粒的粒径，延长了燃烧停留时间;又由于气化细渣颗粒表面具有丰富的孔隙和较高的比表面积，在炉膛密相高温区水分很快蒸出后，能够与氧化剂接触的更充分，增大反应速率，导致燃烧的更充分，因此导致锅炉飞灰含碳量进一步降低，说明添加一定比例气化细渣能够促进混煤燃烧，存在显著的协同效应。表 7气化细渣掺烧锅炉后实际运行数据Table 7Actual operation data of boiler blendedwith gasification fine slag取样批次前 1前 2后 1后 2后 3主蒸汽产量/(th1)23742356235324202300进料量/(th1)28502830294629302910掺烧比/%008910细渣含水率/%283129552860炉膛平均床温/92669319917992149130烟气含氧量/%674624665650680排烟温度/13621267128813201270SO2质量浓度/(mgNm3)685450568640750NOx质量浓度/(mgNm3)610914938810720床层差压/Pa112 1107 6114 0121 3121 5飞灰含碳量/%110815335606031073吨煤产汽量/t832852799725790注:“前”代表掺烧前取样，“后”代表掺烧后取样。2.3CFB 锅炉掺烧气化细渣收益分析针对 28%含水率的水煤浆气化细渣进入锅炉掺烧的经济性进行分析(表 8)。由表 8 可知掺烧 5%，10%，15%气化细渣后锅炉燃烧空气量和烟气量不会明显增加，因为根据工业和元素分析，气化细渣的灰分含量显著高于原煤，挥发分和固定碳总和占比低于原煤，经热力计算，掺烧一定比例含水率 28%的气化细渣，会增加烟气中水蒸汽含量，而气化细渣的挥发分和固定碳含量低，所需的空气量略低于原煤，产生的三原子气体量也低于原煤。总之，掺烧一定比例(如小于 15%时)细渣产生的烟气量并不会随着掺烧比例的升高而线性增加。掺烧后，由于细渣灰分较高，故进入尾部烟道的飞灰量将增加，需要审查布袋除尘器的设计裕量是否可以满足，本装置满足，无需做调整。从目前陕煤集团渭化公司的实际掺烧情况看，原煤发热量约 242 MJ/kg，气化细渣发热量约75 MJ/kg，掺烧气化细渣 80100 t/d，掺烧比例超过10%，装置整体运行稳定。气化细渣掺烧至 CFB 锅炉，首先可节约原本经过带式过滤机处理后含水率 60%气化细渣的运输费和填埋费，总处理费约 100 元/t;其次掺烧后利用细渣内约 35%的残碳产生蒸汽，可以节约原煤用量，动力原煤按 670 元/t;燃烧后增加的灰渣可用作建材原料。随着掺烧比例增加，掺烧产生的经济收益也增加，高达每年千万元，且符合我国节能减排的环保政策。表 8气化细渣掺烧锅炉经济性分析Table 8Economic analysis of gasification fineslag blending in CFB boiler工况不掺烧掺烧5%10%15%主蒸汽流量/(th1)240240240240原煤耗量/(th1)296295290284气化细渣掺烧量/(th1)0163250燃料总耗量/(th1)296310322334燃料热值/(MJkg1)242234225217燃烧空气量/(kNm3h1)2154215221502148燃烧