燃煤锅炉改水煤浆锅炉的探讨

文 // 赵旭 青岛特利尔环保锅炉工程有限公司

随着环境问题和能源问题日益严重，采用洁净煤技术，既能提高锅炉的热效率，又能减少环境污染。因此，常规循环流化床燃煤锅炉改造为燃水煤浆锅炉成为现在的一个发展方向。但使用循环流化床锅炉燃烧水煤浆会对炉膛的换热、循环物料的使用等产生影响，因此，本文主要根据水煤浆的特性和循环流化床锅炉的特点，对燃烧水煤浆锅炉的换热、物料循环等问题进行探讨。

1 水煤浆的主要特性

（1）水煤浆被俗称为液态煤炭产品，由65%的不同颗粒分布的煤和34%的水及1%的添加剂的混合物。其低位发热值为17000～19000kJ/kg，水分高（30%）、灰分低(＜10%)。

（2）水煤浆燃烧稳定、充分、炉膛充满度好，燃烧效率达96%～98%；锅炉热效率可达90%。

（3）水煤浆为液体，罐装和管道输送，不需要大的推煤场地以及铲车等设备，减少了占地面积和输送、存储过程带来的损失和污染。

2 水煤浆锅炉改造中遇到的问题

2.1 炉膛传热问题

悬浮燃烧的水煤浆，进入炉膛后迅速形成较大的颗粒团，在流化床内较高的断面热负荷下实现高的燃烧效率。水煤浆由于其含水分高，因此着火比煤粉炉延迟，火焰温度也低。但由于水分有增加燃烧的作用，因此水分对燃烧效率影响不大。但其燃烧生成的烟气量要比同等常规循环流化床锅炉的烟气量要大很多，这就导致热力计算中炉膛的传热系数偏高，也就是在实际水煤浆锅炉运行中，传热系数较低，导致炉膛受热面吸热量不足，同时由于水煤浆灰分的含量少，所以固体颗粒间的传热量也会降低，这样就会更大限度地减少锅炉炉膛的传热系数，所以在炉膛的设计改造中，选取一个合适合理的传热系数尤为重要。

循环流化床锅炉中的传热包括气体与固体颗粒间的传热，床层与水冷壁间的传热，床层与炉内埋管间的传热或外置式换热器中鼓泡床层与埋管间的传热，以及旋风分离器或其他一次分离器内的传热。锅炉中传热面的大小与分布对锅炉热效率及其热量输出影响很大，但是由于实验困难以及商业机密不愿公开的原因，目前文献报道的有关循环流化床锅炉的传热系数数据相当少。

考虑到由于水煤浆燃料水分的增大，燃烧生成的三原子气体的数量也急剧增大，这样对于锅炉的辐射传热会有益处。因此，笔者根据对75t/h燃煤循环流化床锅炉的改造设计和运行研究发现，燃用水煤浆锅炉传热系数要比普通燃煤循环流化床锅炉的传热系数小一些，因此为保证锅炉的额定出力，需要增加燃煤锅炉炉膛的受热面。

2.2 过热器、省煤器和空气预热器等受热面的问题

当锅炉的燃料改为水煤浆后，烟气量较燃煤循环流化床锅炉增加不少，而原有尾部烟道截面积的不变，势必造成烟气流速的增加，从而给尾部受热面带来两方面问题：第一，由于烟气流速的增加造成的磨损，导致受热面管系的使用寿命的降低。第二，烟气流速过快，将导致传热系数的下降。简单的说，就是导致尾部受热面吸热不足，进而导致锅炉达不到额定的出力和汽温要求。

对于空气预热器来说，由于水煤浆的水分高，通常需要较高的空气预热温度来辅助燃烧，这样空气预热器就需要认真核算其吸热能力，这也是燃煤锅炉改造水煤浆锅炉的一个重要课题。

因此，在改造设计中，需要考虑增大管束的节距来适当降低烟气流速，达到循环流化床燃煤锅炉的烟气流速。对于空气预热器，由于常规的循环流化床燃煤锅炉的空气预热器烟气流速偏低，可以不进行更改，流速的适当增大，会强化传热效果。

2.3 床料的选择

在燃用水煤浆燃料时，大都采用石英砂作为循环流化床床料，对于改造锅炉来说，带来以下三方面的问题：第一，磨损问题。石英砂密度大，达2.6×103kg/m3，在循环过程中，石英砂对炉膛、分离器，特别是对尾部的过热器、省煤器的磨损特别严重，大大降低了受压部件的使用寿命，进而影响锅炉的运行时间。因此，选用高位给料的方式，采用炉渣作为床料，降低锅炉受压部件的磨损，可以提高锅炉的运行时间，带来更大的经济收益。

第二，循环灰的问题。由于水煤浆燃料中灰分少（＜10%）,根本达不到循环流化床锅炉运行时需要的循环灰的灰量，所以，需要从床料上解决循环灰量不足的问题。采用炉渣作为床料，便很好的解决了这个问题。通过对75t/h改造锅炉的研究发现，炉渣的添加量为300kg/h。

第三，选用石英砂作为底料，通过计算，料层的阻力将会增大很多，这就势必要求对原有锅炉的风机进行重新选型配置，对于用户的改造费用将会增大。

3 烟气排放

水煤浆燃烧同其他燃煤过程一样，也会产生飞灰颗粒物、SO2、NOx等大气污染物。但由于水煤浆中的煤粒在制备过程中进行了洗选，以及水煤浆循环流化床锅炉燃烧温度低等原因，使得水煤浆燃烧的污染、排放情况要远好于普通燃煤锅炉。

3.1 飞灰及硫化物的排放

水煤浆燃料由于其灰分少（＜10%）、含硫分低（＜0.5%）,所以其飞灰颗粒物、SO2的排放数量都比普通燃煤锅炉明显要低。同时因为循环流化床锅炉自身的加石灰石炉内脱硫技术的应用，会使水煤浆循环流化床锅炉的硫化物排放满足国家的标准要求。

3.2 氮化物的排放

水煤浆的火焰温度以及循环流化床锅炉的床温通常比相同煤种煤粉低200℃左右，根据燃煤过程中NOx的生成机理，将有助于抑制NOx的生成。同时结合循环流化床锅炉分段配风的技术以及SNCR脱销技术，将可以保证锅炉的NOx的排放量达到国际的环保要求。

4 结论

燃煤锅炉改造为水煤浆悬浮循环流化床锅炉在技术上是可行的，但在改造设计中，需要仔细考虑其高水分、低灰分而引起炉膛传热系数的变化，以及由于烟气量增大对炉膛、过热器、省煤器以及空气预热器的影响，同时注意在风机选型中的配套问题。