循环流化床锅炉煤泥掺烧的两种典型方式分析

万 屹，陈旭枫，许 华

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

煤泥作为煤炭洗选过程的副产物，具有灰分高、颗粒细、粘度大等特点，在洗选煤厂通常作为废弃物，且湿煤泥在堆积状态下性状极不稳定，遇水即流失，风干则飞扬[1]，严重影响洗选煤厂的环境。通常煤泥具有比劣质煤更高的热值，燃煤电厂可以以较为低廉的价格购入煤泥以替代部分燃煤进行掺烧利用，从而大大降低发电成本。

燃煤电厂掺烧煤泥不仅仅是充分利用价格低廉的能源，同时解决了相应洗选煤厂的环境污染问题，对洗选煤厂和发电厂是双赢的结果。目前煤泥掺烧主要有两种典型方式：一种是煤泥管道输送系统，即煤泥经压滤制成膏状采用煤泥泵管道输送系统输送入炉掺烧，这是目前的主流系统，主要在循环流化床锅炉机组上使用；另外一种是煤泥经过干燥后进入燃煤输送线与燃煤混合后输送入炉掺烧，这是最近一段时间开始采用的系统，应用方面不受炉型限制。

本文通过对煤泥管道输送系统和煤泥干燥系统技术特点及经济性进行比较分析，得出结论以供今后工程参考。

1 电厂煤泥掺烧两种典型方式介绍

1.1 煤泥管道输送系统

煤炭洗选过程产生的煤泥水经过沉淀后的底流，通常进入压滤机经过压滤脱水后供用户使用。压滤机通常分为板框式压滤机、带式压滤机、快开式隔膜压滤机以及一些特殊的新型压滤机[2]。煤泥在压滤机内可按需求制成含水率20%～30%的煤泥滤饼，作为管道输送一般要求煤泥含水率在30%以上。

煤泥管道输送系统指将煤泥滤饼加水搅拌后制成含水率30%-35%的煤泥膏浆如图1所示，加压后通过管道直接输送至循环流化床锅炉燃烧。

图1 搅拌仓中的煤泥

煤泥管道输送流程如图2所示。

图2 煤泥管道输送流程图

湿煤泥通过搅拌制浆设备制成膏浆后进入煤泥缓存仓，在仓下通过预压螺旋和煤泥泵对煤泥浆加压后经管道输送至锅炉炉膛。由于煤泥属于非牛顿流体，在高压管道内的流动呈结构柱塞流形式，要保持输送过程中不失水、不离析、不沉淀，以浓密膏体的形式输送[3]。

煤泥管道输送系统优点分析如下：

1)自动化程度高，出力调节方便，响应速度快。

2)煤泥输送采用封闭管道，对环境污染很小。

3)管道布置灵活，占地面积小。

4)可以实现大比例掺烧。

煤泥管道输送系统缺点分析：煤泥含水率稍高，煤泥入炉后水分蒸发带来气化潜热损失，锅炉排烟温度升高热损失，对锅炉燃烧效率均产生不利影响。

1.2 煤泥干燥系统

湿煤泥通过干燥设备，利用高温蒸汽或煤气等热源对煤泥进行烘干，然后掺入燃煤中进入锅炉燃烧利用。

以往部分煤矿利用煤气等热源通过热风炉烟气进行干燥[4]，将煤泥干燥成含水率15%以下的干煤泥，但是由于热风炉干燥后的烟气处理需配套除尘、脱硫脱硝等装置，系统比较复杂、投资较高。并且由于热风炉温度较高(达到700℃)，干燥过程煤泥有明显的挥发分损失，造成损耗，因此这种方式在新建工程中已较少采用。

目前较为流行的是低温蒸汽干燥技术，即从汽机抽取相对温度较低(0.6～0.8 MPa，约180℃)的饱和蒸汽，对煤泥进行烘干。由于蒸汽在火电厂易于获得，故其适用性很强。目前来看，低温蒸汽干燥技术已比较成熟，煤泥干燥的效果相对较好。

由于低温蒸汽干燥技术优于热风炉烟气干燥技术，近年来发展很快，目前已有数十台成功运行业绩，低温干燥技术已成为主流的煤泥干燥技术。下文所述(包括比较部分)的煤泥干燥系统均指采用低温蒸汽干燥技术的煤泥干燥系统，其基本流程如图3所示。

图3 煤泥干燥系统流程图

湿煤泥通过带式输送机和搅拌缓存设备进入卧式滚筒干燥机，在干燥机内通过蒸汽进行干燥，煤泥干燥后的成品干煤泥从干燥机出口排出，干燥过程中煤泥产生的蒸发湿气通过除尘设备处理后排放。蒸汽与煤泥不接触，冷却后形成冷凝水排出回收。

干燥后的煤泥可以降到15%以下的含水率，呈现出颗粒状，可以直接掺入燃煤中送入锅炉燃烧。目前单台烘干设备处理量在30～50 t/h。干燥前后的煤泥形态分别如图4、图5所示。

图4 干燥前煤泥形态

图5 干燥后煤泥形态

煤泥干燥系统优点分析如下：

1)烘干煤泥可以掺入到燃煤中，利用原输煤输送线最终输送入炉，炉型没有限制，既可以加入CFB锅炉，也可以加入到普通煤粉炉中。

2)烘干煤泥含水率低，对锅炉效率的负面影响相对较小。

3)烘干煤泥颗粒输送方便，输送过程对环境污染较小。

4)烘干煤泥相对湿煤泥的热值高。

煤泥干燥系统缺点分析如下：

1)单台烘干设备处理量相对较小，设备占地相对较大。

2)依赖火电厂的蒸汽作为热源。

3)烘干过程不可避免造成部分挥发分等热值损失。

为准确比较两者的技术经济性，便于指导今后设计，如下进行了更加详细的比较。

2 煤泥干燥和管道输送入炉比较

为方便比较，以山东某2×300 MW等级的CFB煤泥掺烧电厂工程的参数作为基准，比较两个方案的技术经济性(以下均按单台锅炉进行比较)。

方案一：煤泥管道输送系统，采用输送含水率35%的煤泥至炉膛，煤泥量为80 t/h(含水重)，系统采用4台出力为20 m3/h的煤泥泵(电功率4×110 kW)。比较范围从煤泥仓进口至锅炉炉膛，不包括煤泥堆场(煤泥池)以及煤泥入厂系统。

方案二：煤泥干燥系统，采用含水率25%的煤泥通过卧式滚筒干燥机烘干为15%以下的煤泥，设备进口煤泥量75 t/h(含水重),系统采用4台(3运1备)出力为25 t/h的卧式滚筒干燥机(电功率3×260 kW)。比较范围从干燥机进口至干燥机出口输送带，不包括湿煤泥堆场以及后续上煤系统。

2.1 技术比较

煤泥干燥和管道输送入炉是两种不同的技术路线，均有成熟的运行业绩。

两种方案的技术比较如表1所示。

表1 技术比较表

2.2 经济性比较

两种方案中的煤泥从初始的含水率开始算起，在煤泥管道输送系统中以35%的初始含水率在锅炉内被蒸发，并被加热至排烟温度；而煤泥干燥系统分为两段，一段是以25%左右的初始水分通过蒸汽干燥至15%以下，后续仍然在锅炉中被蒸发，并被加热至排烟温度。

一般性设计输入数据如表2所示。

表2 设计输入数据表

1)初投资

煤泥干燥系统的设备费用约1 600万元，土建费用约60万元；煤泥管道输送系统设备费用约800万元，土建费用约80万元。

2)煤泥中水分蒸发带走热量

本计算采用热平衡的方法衡量煤泥水分减少过程中消耗的热量并折算成锅炉煤耗，为简化计算，两个方案15%以下的含水率在炉内蒸发部分均不作考虑，即煤泥管道输送系统通过炉内蒸发将煤泥从输送入炉的35%含水率降低至15%，煤泥干燥系统将煤泥含水率从干燥前的25%减小至15%。

两个方案煤泥水分蒸发带走热量折算煤耗如表3、表4所示。

表3 管道输送系统影响煤耗表

3)掺烧煤泥对锅炉效率的影响

由于煤泥管道系统掺烧煤泥对锅炉效率的影响主要表现对排烟热损失q2和固体不完全燃烧热损失q4的影响，根据西安热工院对山西某电厂测试结果，掺烧30%煤泥时，比不掺烧煤泥排烟温度升高5～12℃。

而干燥后的煤泥通过混入燃煤进入锅炉燃烧对锅炉效率的影响较小(干燥后的煤泥掺烧对排烟温度的影响目前缺乏试验数据，本次比较暂按不影响考虑)，综合取值煤泥管道系统比干燥系统降低锅炉效率约0.5%[6]，折算煤耗1.05 t/h。

4)经济性比较汇总

比较汇总如表5所示。

表5 比较汇总表

2.3 比较结论

根据比较结果，可以得出以下结论。

1)煤泥干燥系统和管道输送系统在技术上各有特点。煤泥干燥系统的优势在于能够适应各种锅炉，输送系统比较简单，掺烧对锅炉的影响小。煤泥管道输送系统的优势在于密闭管道输送对环境污染小，运行调节方便，响应速度快等，但由于入炉含水率较高对锅炉燃烧效率有一定影响。

2)煤泥管道输送系统的经济性优于煤泥干燥系统。从本文的实例分析比较来看，无论是初投资还是运行费，煤泥管道系统均占优势，掺烧量越大差异越明显。

3)目前阶段对于CFB电厂，煤泥入炉系统仍推荐采用管道输送入炉的方式，若需要供应其他形式的锅炉掺烧或者需要掺入燃煤中外售等情况，可以采用煤泥干燥的方式。

3 结论

煤泥目前已大量应用于燃煤电厂进行掺烧，燃煤电厂得益于煤泥低廉的价格，经济效益显著，但是煤泥的利用方式还需进一步优化，提高能源的利用效率。

对于煤泥输送入炉系统目前最重要的工作是如何降低入炉煤泥的含水率，根据试验结果，煤泥管道输送的极限含水率在28%左右(根据输送条件和煤泥特性共同确定)，在工程设计中一般在30%以上。然而在实际运行中，煤泥含水率的波动幅度较大，最大甚至达到35%以上，其对经济性的影响很大。另外，如何减小煤泥掺烧对锅炉效率的影响也是亟待解决的问题(主要是降低排烟温度以及减小不完全燃烧损失，如根据安徽省电力科学研究院对淮北临涣一期300 MW工程的测试，从不投煤泥到投入52 m3/h的煤泥时，锅炉总的效率下降了约1.5%[7]。)

而煤泥干燥采用蒸汽进行干燥，其能源的转换利用率不高，建议今后可开发结合利用电厂大量的较低温度的废热和少量高温热源的干燥工艺，进一步提高能源的转化利用率。

总的来说，这两种方式目前都存在不同程度的缺点，对于循环流化床锅炉相比较而言，煤泥管道系统更优，尤其是大比例掺烧煤泥优势更大。