全烧石油焦CFB锅炉运行分析.doc

全烧石油焦CFB锅炉运行分析

郑伟军
中国石化镇海炼化公司公用工程部

摘要 分析了全烧石油焦CFB锅炉运行中优势所在，对运行前期存在问题的解决；锅炉运行可靠性大大提高。介绍了作为以焦化为重油加工路线的石油化工企业，选择全烧石油焦CFB锅炉作为工厂蒸汽锅炉在生产技术还应着重解决的几个问题。
关键词 CFB锅炉 石油焦 运行分析
1 概述
镇海炼化公司公用工程部2台220 t/hCFB循环流化床锅炉，从美国FOSTER WHEELER公司引进，1999年建成投产，1999年11月2台CFB锅炉通过宁波市劳动局验收，同年12月由上海电力成套所进行了性能测试。
CFB锅炉以延迟焦化装置副产品—高硫石油焦作为燃料，是国内第一次引进全烧石油焦的CFB锅炉。锅炉是由膜式水冷壁炉膛、汽冷高温旋风分离器、J阀和尾部竖井等组成，在炉膛下部还原区布置有燃料、石灰石、旋风分离器回料进口和二次风喷嘴，并敷设了耐磨耐火衬里，在炉膛上部与前墙垂直布置有2片蒸发屏和4片屏式一级过热器，在尾部竖井烟道布置有二级过热器和三级过热器、省煤器、一次风空气预热器、二次风空气预热器，在一级二级过热器和二级三级过热器之间分别布置有一级和二级喷水减温器，通过喷水减温器可以控制锅炉过热器温度。锅炉的设计参数见表1。
表1 锅炉设计参数
参数
设计值

参数
设计值
额定蒸发量(MCR)/ （t·h-1）
220

屏过出口温度/℃
375
过热蒸汽温度/℃
540

包墙管过热器出口温度/℃
400
过热蒸汽压力/ MPa
9.81

二级过热器出口温度/℃
514
汽包压力/ MPa
11.12

炉膛出口烟气温度/℃
871
给水温/℃
215

旋风筒出口烟温/℃
843
运行水容积/ m3
53.36

三级过热器出口烟/℃
779
水压试验水容积/m3
92.64

二级过热器出口烟温℃
558
冷风温度/℃
20

省煤器出口烟温/℃
290
热风温度/℃
209

底渣/飞灰
65/35
排烟温度/℃
143

NOx排放量/（mg·m-3）
200
锅炉效率，%
90.36

SO2排放量/（mg·m-3）
771
脱硫率，%
91

O2量，%
3.84
Ca/S/（mol·mol-1）
1.97

燃料量/（kg·s-1）
5.15
一次风量/总风量，%
71.85

石灰石量/（kg·s-1）
1.54
二次风量/总风量，%
26.67

灰渣总量/（kg·s-1）
1.52
省煤器出口水温/℃
295

总烟气量/（kg·s-1）
80.6

锅炉的负荷适应性强，2台锅炉在1999年12月和2000年1月进行了性能测试，锅炉的负荷可从40%MCR到110%下稳定运行，在40%MCR负荷下锅炉的主汽温度只有503℃，但锅炉仍能在不加辅助燃料的情况下稳定运行，表现出较好的低负荷稳定性，具体测试数据见表2。
表2 锅炉性能测试数据
项目
110%MCR
100%MCR
70%MCR
40%MCR
主汽流量/（kg·s-1）
66.84
60.54
42.03
23.87
主汽压力/MPa
9.32
9.19
9.11
9.18
主汽温度/℃
538.13
537.97
538.11
503.77
汽包压力/ MPa
10.46
10.16
9.64
9.39
主给水流量/（kg·s-1）
64.35
59.23
42.52
25.81
主给水温度/℃
179.92
181.16
184.05
186.13
减温水流量/（kg·s-1）
1.52
1.33
0.68
0.03
一次风量/（kg·s-1）
44.41
38.09
29.46
26.22
一次风箱风压/ kPa
14.91
14.19
15.08
10.1
一次风温/℃
186.22
188.73
186.61
173.02
二次风量/（kg·s-1）
17.85
16.75
13.91
4.88
二次风压/ kPa
9.74
10.05
7.22
9.76
二次风温/℃
179.07
174.57
170.37
203.27
石油焦量/（kg·h-1）
21406.62
19845.77
14250.59
7842.61
石灰石量/（kg·h-1）
4115.2
4153.66
1754.82
454.87
锅炉床温/℃
878.62
870.32
850.46
796.09
炉膛出口烟温/℃
853.75
824.67
729.65
530.77
旋风筒出口烟温/℃
862.41
842.7
778.34
622.13
空预器进口烟温/℃
233.09
229.27
223.37
213.21
排烟温度/℃
136.06
133.98
128.74
134.42
注：测试时间为2000年1月5日至2000年1月8日，测试单位是上海电力成套所

镇海炼化公司全烧石油焦CFB锅炉通过近五年半的运行，总体工况稳定，锅炉的连续运行时间最长为420天，达到国际先进水平，在同类的CFB锅炉相比较，具有较好的安全性、经济性、稳定性，体现出许多优势，同时也存在飞灰含碳量高等问题。
2 炉内磨损低
镇海炼化公司的2台CFB锅炉运行五年多来，未发生过一次因炉内受热面的磨损而停炉事故；在锅炉的几次停炉检查中也未发现锅炉水冷壁管的减薄或炉内衬里的磨损或脱落。衬里情况见图1、图2；具体测厚数据见表3。
图1 旋风筒衬里 图2 炉膛衬里

表3 锅炉年检测厚表
1号炉
2号炉
受热面
设计厚度/mm
平均测量值/mm
受热面
设计厚度/mm
平均测量值/mm
2000年
2002年
2004年
2000年
2002年
2004年
水冷壁管
4.34
4.84
4.94
4.836
水冷壁管
4.34
4.765
4.77
4.683
蒸发屏
4.34
4.865
4.885
4.89
蒸发屏
4.34
4.8
4.73
4.562
一过
4.59
5.05
5.037
5.208
一过
4.59
5.105
5.046
5.094
二过
7
7.695
7.24
7.458
二过
7
7.75
7.367
7.48
三过
5.72
6.24
6.1
6.22
三过
5.72
6.28
6.36
6.217
包墙管
3.83
4.385
4.308
4.26
包墙管
3.83
4.325
4.2
4.206
省煤器
3.43
3.975
3.954
3.967
省煤器
3.43
3.965
3.736
4.03
注：数据来源于宁波市锅炉压力容器检验所2000年、2002年、2004年 锅炉内部检验报告。
炉内防磨是CFB锅炉一个不可回避的技术难题。作为全烧石油焦CFB锅炉床料的特性与煤粉CFB锅炉床料的特性不同，石油焦的灰份不到1%，决定了石油焦CFB锅炉床料的主要成份是石灰石锻烧物CaO及其脱硫后的硫酸盐CaSO4，其它氧化物的含量很少，因此硬度低、稀相区床料浓度低、床料粒径相对较细，而煤粉CFB锅炉由于煤矸石的存在床料硬度大、稀相区床料浓度高且粒径相对较粗；镇海炼化公司的两台CFB锅炉防磨设计中普遍采用摩根公司的MORFLO自流浇注料，衬里养护后平整、接缝过渡光滑，施工质量好，另外水冷壁管的对焊缝质量好，焊接后又进行全面修理，做到光滑过渡。与国内其它的煤粉循环流化床锅炉相比，在炉内防磨损这个关键技术上镇海炼化公司的全烧石油焦CFB锅炉有着十分明显的优势，为CFB锅炉的长周期运行创造了条件，同时锅炉本体的故障率低，检修时间短，这大大节省了检修费用。[1]
根据经验，一些烧煤CFB锅炉在掺烧一定比例的石油焦后，锅炉的磨损有了较大的改善，锅炉的灰渣系统运行状况也更加稳定。如石油焦/煤比例达到2：1后，锅炉运行状况更优。
3 运行稳定性好，运行周期长
锅炉的运行稳定性好，长周期运行水平高，1号CFB锅炉在2001年7月13日到2002年1月21日连续运行了193天，2号CFB在2001年9月20日到2002年10月9日连续运行时间更是达到了385天，1号CFB锅炉在2003年4月8日到2004年5月30日连续运行420天。2002年以后锅炉的年可用率更是达到了95%以上，达到常规PC锅炉的运行水平。
国内外大中型CFB锅炉要做到长周期运行必需在锅炉设备上解决二个主要问题，一是解决CFB锅炉的炉内的磨损问题，二是解决锅炉三大主力风机的长周期运行。全烧石油焦的CFB锅炉在生产技术上还需解决J阀堵塞、布风板漏料等问题，这在CFB锅炉的运行中可以采取一些必要的措施加以控制，如减少热启动次数和提高锅炉负荷可以减少布风板漏料，加强J阀吹堵操作可以控制J阀结焦等，在2001年前主要停炉的原因是布风板漏料和J阀堵塞，另外还会因热工仪表测点故障引起锅炉跳车，2002年以后未发生一次因锅炉设备引起的强迫停炉。运行时间见表4。
表4 锅炉行时间统计表
时间
1号炉
2号炉
最长连续运行时间/h
非计划停工次数/次
年累计运行时数/h
年可用率，%
最长连续运行时间/h
非计划停工次数/次
年累计运行时数/h
年可用率，%
2000年
1 845
3
8 171
93.28
2 395
4
7 585
86.59
2001年
3 730
0
7 875
89.90
3 238
1
7 898
90.16
2002年
4 609
2
8 297
94.71
6 756
0
8 518
97.24
2003年
5 318
0
8 503
97.07
3 706
1
8 448
96.44
2004年
10 045
1
8 547
97.30
7 104
1
8 506
96.84
注：跨年度时计入下一年度；连续运行时间统计时不管何原因锅炉供汽中断即统计一次。
4 环保性能好
以高硫石油焦作为燃料的CFB锅炉，在燃烧过程产生大量的二氧化硫，要求锅炉具有较好的脱硫环保性能。在石油焦硫含量高达4.5%时，在保证Ca/S摩尔比为2的前提下锅炉的二氧化硫排放仍在450 mg/m3以下；但当石油焦的硫含量进一步上升时，石灰石量的需大量加入，仍能保证排放，但往往因石灰石系统跟不上，使排放超标（高硫石油焦作为火电厂的燃料可作为资源综合利用火力发电锅炉，二氧化硫的排放标准为低于800 mg/m3）。CFB锅炉还因燃烧温度低（小于1000℃）[2][3]，NOx的排放量也能达到国家环境排放要求。
5 经济性好
石油焦作为炼油的副产品，不需要进行燃料长途运输，不需支付运输费，炼化企业也不用为高硫石油焦的出厂发愁。国外首次使用高硫石油焦作CFB锅炉也是从经济、技术、环保上考虑的[4]。锅炉运行的技术经济指标见表5。
表5 锅炉运行的技术经济指标
指标值
2000年
2001年
2002年
2003年
2004年
供电标煤单耗/（g·kWh-1）
519.24
480.65
467.06
457.58
423.14
供热标煤单耗/（kg·GJ-1）
41.63
38.89
38.77
38.39
38.38
发电厂用电率，%
13.19
12.88
12.76
12.35
11.49
供热厂用电率,%
18.45
17.85
13.9
11.73
11.1
锅炉产汽量/t
2 496 782
2 859 684
3 206 020
3 343 443
3556512
发电量/kW.h
375 916 260
429 839 373
471 283 080
462 335 292
489 908 760
外供电量/kW.h
286 512 635
336 542 709
370 594 404
361 727 846
387 655 368
外供汽量/t
664 260
970 442
1 201 358
1 236 257
1 405 074

6　飞灰含碳量高
6.1　原因分析
飞灰碳含量高一直是困扰全烧石油焦CFB锅炉安全运行的一个技术难题，运行中飞灰含碳量高达40%，在石灰石量达不到设计值时，甚至高达50%。究其因，是由石油焦特性引起的：
a)由于石油焦挥发份低热值高灰份低，石油焦自燃温度高达500～550℃，特性与无烟煤相似，更难燃烬；一些燃煤CFB锅炉在控制燃料的热值挥发份比后，飞灰含碳量明显好转，有的还小于10%，达到飞灰再利用的要求[ 5] [6]。
b）石油焦水分含量高，为6%～9%，外在水分在炉膛内加热形成的水蒸气易造成石油焦热爆成更细小的颗粒。石油焦的元素分析见表6。

表6 石油焦的元素分析表
应用基元素分析
CY
NY
HY
OY
SY
AY
WY
QYDW
QYGW
石油焦，%（kJ.kg-1）
79.04
1.17
3.20
0.85
4.75
0.99
10
30341
31316

6.2　解决方法
对石油焦进行造粒，减少细粉量，提高碳粒在炉内的循环次数，经我们试验可达到降低飞灰含碳量的目的，但造粒成本大产量低，无法实际应用；优化运行参数，如调整一二次风比例、适当增加锅炉氧量、增加播煤风量、增加前后墙二次风配比、增加石灰石量、提高床温等，可略微降低飞灰碳含量，效果不明显。
6.3　飞灰再循环技术
国内外CFB锅炉出现飞灰含碳量高后普遍采用飞灰再循环技术，对于烧无烟煤的CFB锅炉国内外飞灰再循环的技术已十分成熟，有成功的经验。2002年FOSTER　WHEELER公司在其二年一次的用户技术年会中介绍了该公司设计的锅炉有7个电厂采用了飞灰再循环技术，飞灰再循环技术还用在全烧石油焦的CFB锅炉上，再循环口的选择也较自由，锅炉前后墙和J阀均可[ 7] [ 8]。
经调研、比较，东南大学的飞灰密相底饲技术在国内一些75 t/h循环流化床上有较好应用。具体内容为：在静电除尘器一电场灰斗下部侧面开一出灰口，并在下灰管上加两级星型给料机控制回送灰量并防止风源向除尘器反串；经一喷射器将飞灰连续输送至J阀接口处；气力输送风源由罗茨风机提供。另外，为适应飞灰循环密相回燃系统控制的需要，在一电场灰斗底部新增一料位计。两级星型给料机控制，第一级采用变频给料机，第二级采用定速给料机。
2003年10月对飞灰再循环系统进行改造，并进行了标定，考查飞灰碳含量、飞灰再循环量最大出力、锅炉效率及脱硫效率。结果如下：
a)二台飞灰再循环投用后，锅炉的平均飞灰碳含量明显下降，飞灰含碳量从43.06%下降到18.04%。具体数据见表7。
表7 飞灰再循环投入后飞灰含碳量变化表 %
项目
未投用前
投用一台
投用二台
飞灰碳含量
43.06
32.93
18.04

b)通过DCS系统取数，最大转速下，飞灰再循环输送风压力最高达到56.79Kpa，计算飞灰再循环量达到5.94t/h；稳定运行时平均飞灰再循环输送风压力为53.39Kpa，计算平均飞灰再循环量达到4.79t/h。
c)锅炉效率采用正平衡进行计算，按DCS的数据，投用二台飞灰再循环后锅炉效率比原来提高3.8个百分点，具体见表8。
表8 飞灰再循环投入后锅炉效率变化表 %
项目
未投用前
投用一台
投用二台
锅炉效率
88.4
89.5
92.2

飞灰再循环对锅炉效率的影响主要体现在以下几个方面：
（1）飞灰中的碳再次回J阀和炉膛燃烧，飞灰通过CFB锅炉中流速最低的J阀进入再进入炉膛，例低温的飞灰起到较好的预热作用，同时，使飞灰进入炉膛的密相区，在炉膛内的停留时间延长，与其它飞灰再循环进炉膛底部相比，飞灰再循环的碳燃烬率就相对较高。
（2）飞灰中的氧化钙再次回用，氧化钙与二氧化硫的硫酸盐化反应是一个放热反应，也可提高锅炉的效率，这使锅炉效率略有提高。
（3）由于飞灰再循环投入后，飞灰循环起来后，飞灰的量明显增加，带入尾部受热面的热量增加，导致排烟温度升高，排烟温度从投料前的153.5℃增加到158.3℃，使锅炉效率略有下降。
（4）飞灰再循环投入后，床温下降了30～50℃，锅炉效率将下降0.5%左右。
7 结论
以高硫石油焦为燃料的CFB锅炉，在石化企业作为延迟焦化技术路线的延伸，具有技术先进、炉内磨损轻、负荷适应性好、环保优势明显、经济性好、能长周期运转等优势，是今后石化企业，特别是加工高硫油石化企业，要优先考虑的炉型。

参考文献
1 岑可法,倪明江,骆仲泱等著.循环流化床锅炉理论、设计与运行.北京：中国电力出版社，1998:754,665~691
2 [加]P.巴苏、S.A.弗雷泽.循环流化床锅炉的设计与运行.岑可法,倪明江,骆仲泱等译.北京:科学出版社，1994:118~152
3 沈伯雄，刘德昌，陆继东.石油焦燃料及其循环流化床燃烧的技术.石油炼制与化工，1999，30（3）:25~28
4 刘德昌，沈伯雄，陈汉平，张世红，黄琳，陆继东.烧高硫石油焦循环床锅炉的技术发展.动力工程，2000，20（1）:507~510
5 沈伯雄，刘德昌，陆继东.石油焦着火和燃烧燃烬特性的试验研究.石油炼制与化工，2000，31（10）:60~64
6张建胜,吕俊复等.循环流化床中一种高硫石油焦燃烧的结焦特性.热能动力工程,2000,15(5)：510～512
7 FOSTER　WHEELER,7TH FOSTER WHEELER fluidized bed customer conference o&m workshop discussions Friday ,august 15,2002
8　FOSTER　WHEELER,7TH FOSTER WHEELER fluidized bed customer conference o&m workshop discussions Friday ,august 16,2002

作者简介：郑伟军，1968年12月，浙江宁波人，1991年毕业于浙江大学电厂热能动力专业，长期从事热能动力生产技术管理工作，现为镇海炼化公司公用工程部总工程师。