CFB 锅炉启动过程中结焦原因分析

文摘   其他   2024-11-07 09:00   江西  
某炼化企业热电部CFB锅炉为单炉膛、单汽包、双高温绝热旋风分离器的循环流化床锅炉,无中间再热、自然循环、平衡通风,配置炉内石灰石脱硫系统。2022年5月对该锅炉进行提效改造,主要将布风板风帽由箭形改为钟罩式,旋风分离器中心筒缩径并偏心安装。2022年7月锅炉改造完成后在启动过程中出现结焦,导致停炉。该文对CFB锅炉启动过程中结焦原因进行分析,提出防止结焦的改进措施。

1改造情况

为解决在高负荷情况下,平均床温偏高、炉膛上下温差大和旋风分离器分离效率偏低的问题,对旋风分离器及布风板风帽进行改造。

1.1旋风分离器改造

将旋风分离器中心筒由直筒结构改为上段直筒、下段偏心圆台结构。下口外径由Φ2190mm缩小为Φ2000~1900mm,偏心距为140~120mm。并对分离器入口烟道进行缩口,沿老鹰嘴侧墙平滑过渡缩小入口截面积,使锅炉在设计额定负荷时,分离器入口烟气速度由24.1m/s提高至28.3m/s。

1.2布风板改造方案

对布风装置进行改造,将原箭形风帽改为新型钟罩风帽结构,见图1。相对原有风帽,新型风帽的阻力主要集中在芯管上,外孔风速较低,且不易磨损,阻力特性稳定。通过改造布风板后,阻力明显下降,外孔风速有所下降,旋风分离器分离效率提高,并使更多的小颗粒床料能够返回到炉膛参与循环燃烧。

2结焦过程

该锅炉采用床上点火的方式启动,燃料为0#柴油,共布置4台额定出力为2.25t/h的Y型蒸汽雾化燃烧器,前墙2台,左右侧墙各1台,按照顺时针方向1#~4#编号依次布置。启动床料为锅炉底渣,经过双筛过滤,床料装填静高约为700mm。启动时,先投油燃烧器使床温升高,流化风量调整至约95000Nm3/h;在风机启动后约1.3h,等压风室压力由10200Pa降至8400Pa。燃烧器投烧顺序为先侧墙后前墙,当4台燃烧器全部投用,平均床温升至443℃时,前墙两台燃烧器2#、3#旁看火孔处出现挂焦现象;并且前墙床温D点由540℃急剧降至230℃,后停炉处理。停工后检查发现前墙1#、2#、3#、4#燃烧器护燃罩周边有不同程度挂焦,前墙2#、3#燃烧器下部床面有一定的区域结焦,见图2。

2.1燃烧器影响分析

2.1.1燃烧器雾化效果不佳

单台油枪油压高,油量过大,雾化不良,有部分未燃烧完全的油雾附着在燃烧器护燃罩耐火材料上,床料被吸入燃烧器高温负压区,与未完全燃烧的油雾混合形成结焦,见图3。

在锅炉投煤前,为提升床温,投入4台燃烧器且各台燃烧器均控制在高油压状态,燃烧器火嘴油压1.5~1.7MPa,而雾化蒸汽压力约0.9MPa。柴油经油管通过油孔进入混合室与汽管流入的蒸汽混合,柴油被高速蒸汽撞击后,雾化成小细滴。

一般Y型蒸汽雾化器的蒸汽压力为0.6~1.0MPa,油压0.5~2.0MPa,根据油雾化平均直径和蒸汽雾化压力与油压之比的关系:

d=5.831(PV/P0)–2.515+9.3969式中:d为油雾化的平均直径,μm;PV为蒸汽压力,MPa;P0为燃油压力,MPa。

当蒸汽雾化压力PV不变且PV<P0时,雾化粒子的平均直径随着燃油压力的增大而增大,油雾滴越大燃尽越难,燃烧越不充分。

另由于部分油枪有缺陷,油管路与蒸汽管路的结合面处有磨损,当油压高于雾化蒸汽压力,在未进入混合室前柴油会串入蒸汽管路,恶化雾化效果,导致雾化液滴燃烧器燃烧不充分。

2.1.2油枪雾化片安装角度偏大

燃烧器雾化片设计为10孔,喷孔轴线夹角为90°(以中心轴为基准,上下各45°),但2#燃烧器安装了试验用的8孔雾化片,在单台燃烧器出力一定情况下,试验用的雾化片单孔喷油量偏大,雾化油滴直径增加,易造成油雾燃烧不充分,滴落燃烧器口的下部区域。

2.1.3燃烧器二次风导向叶片出风口堵塞

停炉检查发现1#、2#、3#燃烧器二次风挡板各有3~4片出现堵塞,导致为燃烧器燃烧提供的二次风分布不均匀;另外1#燃烧器稳焰轮安装位置过于靠前,与设计偏差约40mm,不利于燃烧器稳定燃烧。

2.1.4燃烧器点火枪偏短

检查发现1#、4#燃烧器点火枪长度为2500mm,而设计为2800mm,明显偏短,导致点火时不易点燃,多次试点火才成功。在此过程中油枪吹入炉膛的柴油,易在流化不良的地方形成油焦。

2.2布风板改造影响

改造前箭型风帽1107个,每个风帽4个孔;改造后钟罩风帽870个,每个风帽8个孔,且风帽孔径由18mm×6mm改造为φ14mm。改造前后开孔率及风帽外孔流速见表1。

由表1可以看出,开孔率增加,小孔风速降低。而小孔风速越低,气流对床层底部颗粒的冲击力越小,扰动减弱,不利于粗颗粒床料的流化,容易造成粗颗粒沉积,引起流化不良,出现结焦。

布风板改造后阻力降低,当流化风量约1×105Nm3/h,改造前约5200Pa,而改造后约3500Pa。布风板阻力降低,相对的布风均匀性也会减弱。如果布风板的压降偏小,气流就会大量通过床层上局部较疏松、阻力较小的截面。而一旦出现这种情况,在这个局部截面上的颗粒,就会由于气流的大量通过更趋稀疏,最后发生这个局部床层的“吹空”(沟流)与其他局部床层的“压死”(局部流化不良)。对于处于稳定流态化的阻力较高的布风板,受到干扰时容易自动恢复。比如通过调整减少低位一次风时,流化风风压增加,风速会增加,阻力压降与布风板上小孔风速的平方成正比,经过布风板阻力的压降相应大幅增加,从而控制流化速度增快,抑制布风恶化。而对于低阻力布风板,虽然点火前做流化试验时观察床面流化良好,但是当减少低位一次风后流化风风压增加,风速增大,引起出口床面流化破坏,易出现吹走细颗粒床料而留下粗颗粒床料的情况,最终导致床料分布不均匀,流化状态更加恶化。

2.3床料粒径的影响

适当的粒径是循环流化床锅炉正常运行的保证。为减少点火热量的流失,锅炉点火初期流化风量一般控制的较小,床料粒径过大易引起流化不良;而粒度太小会造成大量颗粒在启动过程中逸出炉膛,降低炉膛蓄热能力,影响炉膛热场分布的均匀性。启动时填装的床料粒度需符合正态分布。一般对床料进行双筛处理,掺混一部分细床料,整个床料粒径约为D50=4mm,床料粒径对比见图4。但是布风板改造后,风帽的小孔风速降低,对床层的穿透性减弱,按照以前要求装填的床料粒径偏大,易造成局部流化不良。

3应对措施

通过对CFB锅炉改造后启动中结焦过程及影响因素进行分析,确定结焦原因为:燃烧器火嘴油压偏高、油枪套管磨损等因素导致燃烧不充分,不完全燃烧的油雾滴与床料混合,造成燃烧器护燃罩周边挂壁结焦。另风帽改造后,布风板阻力减少,风帽出口小孔流速降低,填装的床料粒径偏大时,易造成流化不均匀,引起局部温度偏高,出现低温结焦,前墙区域表现较明显。针对这些原因,采取以下改进措施。

(1)对燃烧器进行全面检查。对燃烧器模拟雾化试验,及时更换雾化效果不好、磨损的油枪,配置原装雾化片,核实稳焰轮位置。控制合适的火嘴油压,雾化蒸汽压力约0.9MPa时,燃烧器火嘴油压上限不超过1.5MPa,避免油压过高,影响雾化效果。

(2)对燃烧器助燃风导流板进行疏通,保证二次风均匀分布。另外,CFB开工时合理配置二次风风量、风压,按照每台燃烧器配风11000Nm3/h进行增加,风压由2000Pa提高到3000~4000Pa,提高助燃风刚性,缩小油枪雾化角度,防止挂焦。

(3)针对风帽改造后布风板阻力减小的影响,对床料粒径进行调整。过筛去掉床料粒径≥10mm的颗粒,控制D50=1mm,增加床料的流动性。为防止因布风板阻力减小导致流化不均匀,将静置床料高度增加到850mm。(4)根据床料粒径和装填高度,将启动流化风量恢复到原设计值,保证床料流化状态。

(5)在锅炉启动前认真检查风帽、风室,清理杂物,做好冷态流化试验。在锅炉做流化试验或风机联运时,运行时间控制在1~2h,保证返料装置充满床料,若发现床料低时,及时从人孔增补,避免在点火升温时从前墙增补,影响前墙流化。

(6)严格按照锅炉升温曲线启动,减少过程中不必要的停留等待时间,降低低温结焦的可能性。

4实施效果

2022年8月10日CFB锅炉按照以上措施调整,取得良好的效果,锅炉启动正常,燃烧器护燃罩周边无挂焦,床料均匀无结焦。有效保证了改造预期效果,降低了床温偏差及高温区床温,改造前后床温偏差降幅约40~50℃,见表2。

旋风分离器分离效率提高,能够捕捉更多的小颗粒床料返回炉膛参与循环燃烧,CFB锅炉飞灰中位径由50μm下降至24.93μm,飞灰含碳量下降约4%。

5结语

某企业CFB锅炉通过对布风板和旋风分离器改造后,布风板阻力明显下降,启动过程中发生结焦事故,通过分析主要是燃烧器安装维护、油压控制、床层流化等影响。在CFB锅炉启动时,调整床料粒径为D50=1mm,静置床料高度增加到850mm,合理配风,能够有效保证床层流化。CFB锅炉启动时,落实燃烧器检查维护,选择合适的蒸汽雾化压力与火嘴油压。当雾化蒸汽压力约0.9MPa时,燃烧器火嘴油压上限不超过1.5MPa,可保证雾化效果,避免燃烧器周边结焦。CFB锅炉改造后,布风板阻力明显下降,外孔风速有所下降,降低了床温偏差及高温区床温,旋风分离器分离效率提高,改造前后床温偏差降幅约40~50℃,飞灰含碳量下降约4%。

文献信息

柴江华.CFB锅炉启动过程中结焦原因分析[J].石油石化绿色低碳,2023,8(06):61-65.DOI:10.20131/j.cnki.syshlsdt.2023.06.008.

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