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0、背  景
    石油焦是煉油工藝的副產(chǎn)品。具有低灰分、低揮發(fā)分、高硫、高熱值等特點(diǎn)，由于著火與燃燒比較困難，且含有可能造成腐蝕、沾污的無機(jī)元素，屬于劣質(zhì)固體燃料。隨著世界原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化和原油深度加工的發(fā)展，石油焦產(chǎn)量不斷上升，經(jīng)濟(jì)、高效和清潔地利用石油焦，特別是將石油焦作為替代燃料己成為一個廣受關(guān)注的課題。
    在眾多利用方案中，循環(huán)流化床煤焦混燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)石油焦穩(wěn)定、高效燃燒并有能力滿足SO2、NOx排放指標(biāo)；采用混燒工藝帶來的灰稀釋效應(yīng)又可以有效解決CFB鍋爐純燒石油焦時可能存在的聚團(tuán)、結(jié)渣、腐蝕等問題；另外，通過和煤混燒還可顯著改善循環(huán)床內(nèi)部床料的粒徑分布特征，保證足夠的循環(huán)物料量，對于鍋爐高效燃燒、穩(wěn)定運(yùn)行十分有利。目前階段，利用循環(huán)流化床與煤混和燃燒處理石油焦技術(shù)的優(yōu)越性已經(jīng)得到了國內(nèi)外專家和技術(shù)人員的廣泛認(rèn)同。
    為了處理利用企業(yè)在石化生產(chǎn)中每年產(chǎn)生的28萬t高硫石油焦，上海石化熱電總廠從芬蘭福斯特惠勒公司引進(jìn)了兩臺310t/h石油焦混燒循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計燃料焦煤比3:1。由于燃燒石油焦的CFB鍋爐的發(fā)展還處于比較初級的階段，特別是在國內(nèi)，循環(huán)流化床中石油焦與煤的混燒機(jī)組主要依靠引進(jìn)，有關(guān)燃燒特性等的基礎(chǔ)研
究還很薄弱，且缺乏足夠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累。在上海石化項(xiàng)目中，由于福斯特惠勒公司對于石油焦和煤混合燃燒CFB鍋爐設(shè)計尚屬首次，也存在一些不足和問題，引進(jìn)的兩臺鍋爐在2002年2月投運(yùn)后雖能維持穩(wěn)定運(yùn)行，但也暴露出飛灰含碳量高、冷渣器出力不足、滿足SO，排放要求時C a/S比偏高等問題。為了達(dá)到高效、穩(wěn)定、環(huán)保的運(yùn)行，需要對鍋爐的燃燒運(yùn)行特性有深入透徹的了解，只有掌握了鍋爐的運(yùn)行規(guī)律，才能著手摸索優(yōu)化運(yùn)行的途徑并為今后設(shè)備改造和完善提供依據(jù)。為此，組織了鍋爐運(yùn)行特性試驗(yàn)研究，以了解該鍋爐一般運(yùn)行特點(diǎn)以及負(fù)荷、燃料、風(fēng)量變化時對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1、鍋爐概況
    鍋爐總體布置見圖l，為典型的原芬蘭奧斯龍技術(shù)的“Pyroflow循環(huán)流化床鍋爐”，爐膛內(nèi)布置有水冷屏和屏式過熱器，水冷型布風(fēng)板，采用汽冷旋風(fēng)分離器，配風(fēng)冷式選擇性冷渣器。
    該鍋爐設(shè)計燃料為石油焦和煤混合燃料，設(shè)計的焦、煤混合比例為3:1，焦、煤比例允許適用范圍
2、試驗(yàn)研究
    上海石化的這兩臺循環(huán)流化床鍋爐為了適應(yīng)生產(chǎn)需求必須變化混燒焦煤的比例，但是石油焦和煤的燃燒特性存在巨大的差異，兩種原料的粒徑分布、在床內(nèi)的破碎特性、燃燒速度和在稀密相區(qū)的燃燒份額都不相同；另外為了避免高硫石油焦入爐造成的硫氧化物排放超標(biāo)，必須添加相應(yīng)的石灰石進(jìn)行爐內(nèi)脫硫，加入的石灰石會在一定程度上影響床內(nèi)的熱量平衡、灰平衡以及物料循環(huán)。這些都是鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的重要影響因素�？紤]到CFB鍋爐設(shè)計中燃料特性的重要性，焦煤比的變化將會引起燃燒匹配條件、燃燒狀況、爐內(nèi)各部分的傳熱以及物料循環(huán)等發(fā)生變化，與之相對應(yīng)，鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也會隨之變化。為了掌握這種變化的規(guī)律，本試驗(yàn)結(jié)合相關(guān)理論計算，開展了不同煤焦混合配比燃料、不同負(fù)荷、不同布風(fēng)情況以及床溫床壓等運(yùn)行參數(shù)變化對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響的實(shí)驗(yàn)研究。
2.1測量內(nèi)容和方法
    為了準(zhǔn)確評估經(jīng)濟(jì)性，鍋爐熱效率計算采用GB10184 - 88簡化方法進(jìn)行，并增加石灰石煅燒和鹽化引起的熱損失，考慮到本次試驗(yàn)只是用于工況間相對比較，僅作入口風(fēng)溫修正。實(shí)驗(yàn)期間在集控室利用DCS系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有：汽水系統(tǒng)的主蒸汽流量、壓力、溫度、給水流量、壓力、溫度、減溫水流量；煙風(fēng)系統(tǒng)的床壓、床溫、風(fēng)箱壓力、空預(yù)器入口一二次風(fēng)溫、風(fēng)量、爐膛出口煙溫和省煤器后煙道壓力等；給料和排渣系統(tǒng)的給石灰石、給焦、給煤量、排渣量和渣溫等。就地測量的數(shù)據(jù)主要有空預(yù)器進(jìn)出口氧氣成分（9106型煙氣分析儀）、排煙溫度和飛灰、爐渣、原煤和石油焦的采樣分析。
2.2煤焦比變化試驗(yàn)
    鑒于煤焦混合比對于鍋爐的運(yùn)行有相當(dāng)大的影響，參考設(shè)計焦、煤混合燃料的可適用范圍和現(xiàn)運(yùn)行實(shí)際使用情況，改變焦、煤混合比例，了解鍋爐在不同混合比例工況運(yùn)行方式下對經(jīng)濟(jì)性的影響，在現(xiàn)場試驗(yàn)條件允許的前提下，焦、煤比變化工況安排為1：0（純焦工況）、5:1、3:1和2:1。工況參數(shù)如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
    由表3數(shù)據(jù)可知，從工況l到工況4，鍋爐負(fù)荷基本維持不變，焦煤比從2:1逐漸升高，直到1:0。由于受到冷渣器出力不足的限制，高硫石油焦入爐量增加的時候鈣硫比額定值偏低不少，大致維持在0.6~0.8的水平，雖然各工況石灰石投入量有所不同，但盡可能做到總灰分即燃料灰分和石灰石形成的灰分總和相一致，以增加各工況之間的橫向可比性。由圖2可以看到，隨著焦煤比例偏離設(shè)計工況，鍋爐熱效率出現(xiàn)顯著下降，特別是焦煤比增加的情況下，鍋爐效率由設(shè)計工況的90. 11%降低到純燒焦時的88. 72%，熱效率降低1.39%；在焦煤比例減小到2：1時，鍋爐熱效率也低了1. 26%。根據(jù)圖2中的排煙熱損失q：和固體未完全燃燒損失q。的變化趨勢看，q。在不同焦煤比工況中的變化顯然是鍋爐效率變化的主要原因。飛灰、爐渣含碳量的分析結(jié)果表明，焦量投運(yùn)比例過高時，對固體半焦顆粒的燃燼不利，這主要是由于焦的揮發(fā)分低、粒徑細(xì)、不容易燃燼而且也不易被分離器捕獲，而過高的石油焦摻混份額大大增加了這部分細(xì)焦粒的量。煤焦比小于額定工況時，q。的增加可能是由于煤比石油焦更易留存于密相區(qū)，隨著煤在爐內(nèi)份額增加，密相區(qū)的含碳量增加，底渣排放造成的熱損失增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明石油焦混燒鍋爐由于石油焦和煤在燃燒特性上的差別，存在最佳混燒份額。這個最佳點(diǎn)取決于密相區(qū)含碳量以及稀相區(qū)中含碳細(xì)顆粒的份額和分離器對顆粒的捕集效率。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
2.3配風(fēng)方案變化試驗(yàn)
    鍋爐總風(fēng)量和一二次風(fēng)分配份額的變化影響著鍋爐排煙煙氣量以及爐內(nèi)燃燒狀況，為此通過變化空預(yù)器進(jìn)口煙氣氧量（改變總風(fēng)量）以及改變一二次風(fēng)配比，在理解布風(fēng)方案對鍋爐熱效率的影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，探索合理的燃燒配風(fēng)方式。表4給出了一次風(fēng)量變化的兩組工況對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
    表4中的工況l和2是310t/h滿負(fù)荷條件下進(jìn)行變氧量（總風(fēng)量）工況，試驗(yàn)中維持焦煤比、一次風(fēng)量、床溫、床層壓降等重要參數(shù)的恒定，通過二次風(fēng)量的變化，使總風(fēng)量即氧量改變。兩個試驗(yàn)工況的氧量分別為3. 944%和4.7%。經(jīng)過熱損失和鍋爐效率計算得到鍋爐效率”分別列于表4中。由試驗(yàn)結(jié)果可分析，雖然工況2中二次風(fēng)的增加使總風(fēng)量增加，但由于一次風(fēng)量不變，燃燒初期的風(fēng)量不變，爐內(nèi)燃料的燃燒充分性沒有改變，使燃燼程度不變，也就是qa基本維持不變，但由于總風(fēng)量的增加使排煙熱損失增加，降低了鍋爐熱效率。這說明在這個工況范圍里，循環(huán)流化床鍋爐二次風(fēng)量的增加對燃料的充分燃燒沒有明顯的影響。要降低固體未完全燃燒損失，提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性，可能需要從提高溫度水平、改善分離器效率和物料循環(huán)、增加焦顆粒在高溫區(qū)的停留時間方面著手。工況3和4與工況l、2的運(yùn)行條件較相近，僅床壓設(shè)定較低，由3、4工況試驗(yàn)結(jié)果的對照也可以得到相同的結(jié)論，即在一次風(fēng)量相同的條件下，二次風(fēng)量的增加對q。損失沒有影響，但鍋爐熱效率都由于q的增加而減少。另外對照工況2和4可知，在相近的總風(fēng)量和一次風(fēng)量下，床壓的變化對鍋爐熱效率的影響較小，并且高床壓時飛灰含碳量高，爐渣含碳量低。
    在總風(fēng)量水平基本一致的條件下提高一次風(fēng)率，如表4中5、6工況所示，第6工況的一次風(fēng)率比第5工況高，q。損失也低，總的熱效率相應(yīng)提高，兩種工況下，q。分別為9. 20%、8.79%，n分別為87. 90%、88. 30%。試驗(yàn)工況中雖然一次風(fēng)率提高使床溫略有下降，但是使底渣和飛灰含碳量降低。一方面說明提高了密相區(qū)燃料顆粒的燃燒速度，另一方面也說明二次風(fēng)在爐內(nèi)的混合不如一次風(fēng)好。從燃燒角度看，在該工況條件下二次風(fēng)比率增加是不利于燃燒的。當(dāng)然，二次風(fēng)的主要作用在于控制NOx排放和降低風(fēng)機(jī)電耗，所以具體運(yùn)行中還需要綜合考慮這兩個因素，設(shè)置合理的比例。
2.4變負(fù)荷試驗(yàn)
    相同的燃燒狀況下，通過改變運(yùn)行出力，可了解負(fù)荷變化對鍋爐的適應(yīng)性以及對鍋爐熱效率的變化特性。受運(yùn)行條件限制，負(fù)荷變化安排為100%負(fù)荷(310t/h)和75%負(fù)荷(235t/h)。
    工況l、2和工況3、4分別為不同焦煤比混合燃料下，二組變負(fù)荷工況試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明和預(yù)想的一樣，兩個組中100%工況時鍋爐熱效率比相應(yīng)的75%負(fù)荷分別高了1.56%和1.63%，鍋爐在低負(fù)荷時熱效率降低明顯。根據(jù)飛灰和底渣含碳量的分析數(shù)據(jù)，效率較低的主要原因是飛灰含碳量在低負(fù)荷時顯著增加，這與低負(fù)荷運(yùn)行時較低的爐內(nèi)溫度水平、較低的煙氣流速、較低的物料循環(huán)倍率和旋風(fēng)分離器的對細(xì)顆粒的分離效率下降都有直接的關(guān)系。
3、結(jié)  論
    通過在上海石化310t/h的循環(huán)流化床石油焦混燒鍋爐上進(jìn)行的運(yùn)行特性試驗(yàn)研究，探索了該類型鍋爐在改變?nèi)剂蠐交毂壤�、配風(fēng)方案以及鍋爐負(fù)荷條件下對運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。
    試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于石油焦和煤具有不同的燃燒特性，不同的燃料組合下，隨著石油焦的比例過高或過低，都會不利于燃料燃燼，增加固體未完全燃燒損失，降低鍋爐熱效率，特別是石油焦摻混比過高時，由于其揮發(fā)分低、粒徑細(xì)，在分離器中分離效率不高，不易充分燃燼，會造成飛灰含碳量居高不下。
    在相同的總風(fēng)量下，改變一次風(fēng)率對爐內(nèi)燃燒有一定的影響，一次風(fēng)率高，飛灰含碳量低，對燃料燃燼更有利，而二次風(fēng)的改變對燃燼和鍋爐效率的影響不大。這說明試驗(yàn)工況下，密相區(qū)的燃燒接近擴(kuò)散控制，而稀相區(qū)更有可能處于動力燃燒狀態(tài)。如果在一次風(fēng)量維持不變的條件下增加二次風(fēng)量，不但對焦粒子的燃燼沒有幫助，還會增加排煙熱損失，降低鍋爐熱效率。
    鍋爐負(fù)荷對鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性影響很大。試驗(yàn)表明低負(fù)荷運(yùn)行時，較低的爐內(nèi)溫度水平、較低的煙氣流速、較低的物料循環(huán)倍率和旋風(fēng)分離器對細(xì)顆粒的分離效率下降，會大大增加飛灰含碳量，從而降低鍋爐熱效率。