基于粒径的电厂固体微颗粒含碳量的相关研究

基于粒径的电厂固体微颗粒含碳量的相关研究

陈锦裕李祥奎

陈锦裕李祥奎

福建福清核电有限公司福建福清350300

摘要：通过对不同粒径、不同负荷、不同取样方式和在尾部烟道的不同位置对飞灰含碳量的影响进行实验研究。在锅炉180MW和240MW两种运行工况下，分5个取样点集灰，把采集到的飞灰粒径分成6组，采用灼烧法对飞灰含碳量进行测量。实验结果得出煤粉各组粒径百分含量和绝对飞灰含碳量百分比呈现正态分布，并且在60-200μm之间达到极值。随着锅炉运行工况增大整体大粒径飞灰稍有增加。飞灰含碳量在各分级电场中呈现少有的“逆向”分布现象。最后建议在进入锅炉之前增设一个筛分设备把大粒径颗粒进行二次破碎。使煤粉粒度小于60μm，这将有效地增加热值降低含碳量，促进飞灰的回收利用。

关键词：飞灰；含碳量；粒径；逆向分布

1概述

火力发电厂锅炉的主要燃烧方式是煤粉燃烧。提高煤粉的燃烧效率是火电厂节能减排的关键课题。其中主要的影响因素是飞灰含碳量。燃烧中主要热损失是机械不完全燃烧损失和排烟热损失。机械不完全燃烧产生的热损失90%由于飞灰的不完全燃烧造成。所以衡量飞灰不完全燃烧的程度的飞灰含碳量关系着锅炉燃烧效率的高低。飞灰含碳量越高，对锅炉燃烧乃至于节能减排有很大的影响。而且当含碳量高于3%时，将不能作为建筑材料，这将对飞灰的回收再利用造成相当大的影响，所以飞灰含碳量的研究对节能减排和资源的有效利用具有重要意义。目前对于含碳量的研究主要有蒋啸等[1]从实验入手得出飞灰含碳量随着粒径的增大呈现先减小后增大的非线性关系。樊越胜[2]和姜秀民等[3]分别通过热天平和激光粒度分析仪等研究氧浓度和煤粉粒径对煤粉燃烧特性的影响。肯定了高氧浓度和细的煤粉粒度各自对燃烧的积极作用。而且粒径越大氧浓度对煤粉燃烧的影响就越大。粒径对飞灰含碳量影响的研究已经相对成熟[4，5]，但还未见不同粒径、不同负荷、不同取样方式和在尾部烟道的不同位置对飞灰含碳量的影响的相关研究。电站锅炉在发电过程中经常会因突发状况而变换工况发电，所以有必要研究不同工况下粒径对飞灰含碳量的影响。省煤器、空气预热器都有一定的除灰作用必然使飞灰的含碳量发生改变，这也使不同位置飞灰含碳量的研究成为必要。除此之外不同的取样方式也会有影响。本文通过结合各个因素对含碳量进行研究并得到一些有利于工程实际的结论。

2实验方法

目前比较主流的采样器有等速过滤式、等速式取样器和电场灰斗取样。等速取样器为锅炉自带的飞灰测探仪表，通过阀门控制吸进烟气流速来保证与烟气流速同速，飞灰颗粒经旋风分离器与烟气分离。等速过滤取样则是采用外置式设备，在要测量的位置深入收集枪，不同的是飞灰是经过过滤装置收集的。灰斗取样更简便直接通过打开灰斗底部阀门，收集飞灰。飞灰通过直径为250μm、200μm、60μm、50μm、20μm的筛子分成5组。如下表。

表1筛分后6个粒径组的粒径分布范围

3实验结果及分析

3.1飞灰粒径质量分布及分析

通过实验，得出不同粒径组在不同负荷下的质量分布散点图，如图2和图3所示。

从图中可以看出，粒径组60-200μm的粒径范围很宽，但仅在省煤器后质量分布最大，在其他粒径组表现出较均匀性的分布，故此粒径组将不再进行进一步的划分。灰样的粒径的质量分布呈现正态分布，典型的中间分布高，两端分布低。飞灰粒径大部分处于20-200μm之间。相关研究表明，锅炉燃烧过程中煤粉颗粒尺寸基本不变，并且集中于50-60μm，当然对于不同锅炉会各有偏差。比较图2和图3可知在电场4中粒径小于60μm的飞灰含量很少几乎为零。大于60μm的粒径占主要部分。而对于电场1和电场2却相反并在粒径大于200μm急剧下降并趋近于零。这与粗粒径质量大在烟气进入除尘器迅速减速情况下容易使大颗粒的先沉降的规律不符。但是却进一步验证了齐立强等[6]的研究中出现电除尘各分电场的“逆向”分布的少数现象。再对比图4和5可以看出这种“逆向”分布随着工况的增大变得更加明显。进一步肯定了文献[6]指出的“逆向”分布可能跟电厂运行工况有关。仔细看电除尘器4明显看出在粒径组6的质量分数大于粒径组5但还是远小于粒径组4。这主要是因为随着粒径的增大，飞灰的比电阻剧烈减小[6]，这就是大颗粒飞灰容易吸附在极板上而与原先颗粒中合进而飞入下一个电场。这也导致粒径组6逐渐累积最终在最后的电场4含量稍高。同时随着工况的增大，飞灰的粒径有明显增大的趋势。

图2180MW工况下灰样不同粒径灰粒的质量含量

图3240MW工况下灰样不同粒径灰粒的质量含量

3.2飞灰含碳量分布及分析

如图4和图5为不同工况下不同粒径的含碳量分布图，不管在哪个工况下样本中的灰粒含碳量随着粒径的增大呈先变大后减小的趋势。在粒径小于250μm之前含碳量随着粒径的增大而增大。这主要是由于单位质量的煤粉表面积越越小，加热后析出的挥发分就会越少，燃烧反应的时间就会越多，燃烧得就越不充分，含碳量就越大。对于粒径大于250μm的煤粉在燃烧过程中经历熔融和塑性变形后变成多孔结构[7]。所以含碳量在200-250μm出现峰值后稍有回落。这也可能随着粒径的增大，在煤粉自身的化学反应动力学和流动特性的作用下使焦炭的燃尽时间呈正态分布有峰值出现[8，9]。

图5240MW工况下不同粒径灰粒的含碳量分布图

图6和图7为单位质量不同粒径灰粒的绝对含碳量百分比，从中可以看出，粒径组60-200μm的绝对含碳量百分比居高不下。并且几乎占据了全部的80%。这主要是由于煤粉颗粒受到自身的化学反应动力学和流动特性的影响，使粒径在60-200μm之间较难燃尽[8，9]。所以电厂在运行过程中，应该保证煤粉机的工作效率，在合适的条件下减少粒径大于200μm的煤粉进入锅炉。建议在进入锅炉之前增设一个筛分设备把大粒径颗粒进行二次破碎。使煤粉粒度小于60μm，有效地增加热值降低含碳量。

图8灰样平均含碳量

从图8可以看出，该电厂锅炉各取样点的飞灰含碳量并不是一成不变的。在180MW工况下随着取样点的分布飞灰含碳量呈现先增大后减小再增大的趋势。根据气体动力学可知低质量并且低含碳量的飞灰经过管件的阻碍后容易沿着螺旋状流动较易被取样器收集。再经过省煤器管和空气预热器管的收灰，导致省煤器后的含碳量比空气预热器之间的含碳量低。由上小节可知，电除尘各电场的粒径呈现“逆向”分布，加上小颗粒的含碳量较低，所以含碳量呈现再增大的趋势。在240MW工况下随着取样点分布呈现先几乎不变再增大的趋势。随着工况变大，烟气的速度也变大，管件对烟气积灰的影响较小，所以含碳量几乎不变。同时风速变大，增加大颗粒飞灰撞击省煤器管或空气预热器管而导致颗粒破碎大概率。而这些大颗粒的含碳量相对较高，这就导致后续的电场的含碳量增大。由图7可知2电场粒径组60-200μm的含碳量百分比很高，所以含碳量也就达到最大。而后由于颗粒结构变为多孔结构等原因导致含碳量稍有回落。

这说明负荷增加，虽然使得省煤器之后和空气预热器之间的含碳量减小。但是在经过电除尘器后飞灰的含碳量有所增加。所以电厂在改变锅炉运行工况时，应该考虑到各个电除尘器中飞灰的含碳量，这关系到飞灰的有效回收利用。

4结论

针对国内某电场锅炉进行实验，研究飞灰粒径和锅炉负荷对飞灰含碳量的关系，得出以下结论：

1）灰样的质量分布随着粒径的增大呈现正态分布，峰值在20-200μm之间。而且各级电场的粒径呈现“逆向”分布，飞灰的总体粒径也随着增大。

2）灰粒含碳量随着粒径的增大呈先变大后减小的趋势。在粒径小于250μm之前含碳量随着粒径的增大而增大。在200-250μm出现峰值后稍有回落。而灰粒的绝对含碳量百分比在粒径组60-200μm时居高不下。并且几乎占据了全部的80%。所以电厂在运行过程中，应该保证煤粉机的工作效率，在合适的条件下减少粒径大于200μm的煤粉进入锅炉。建议在进入锅炉之前增设一个筛分设备把大粒径颗粒进行二次破碎。使煤粉粒度小于60μm，有效地增加热值降低含碳量。

3）随着锅炉负荷增加，省煤器之后和空气预热器之间的含碳量减小。而电除尘器飞灰的含碳量有所增加。所以电厂在改变锅炉运行工况时，应该考虑到各个电除尘器中飞灰的含碳量，这关系到飞灰的有效回收利用。

参考文献

[1]蒋啸，周昊，岑可法．煤粉锅炉不同粒径飞灰含碳量的非线性变化特性[J]．中国电机工程学报，2009，8（29）：20-25．

[2]樊越胜，邹峥，高巨宝，等．煤粉在富氧条件下燃烧特性的实验研究[J]．中国电机工程学报，2005，25（24）：118-121．

[3]姜秀民，杨海平，刘辉，等．粉煤颗粒粒度对燃烧特性影响热分析[J]．中国电机工程学报，2002，22（12）：142-145．

[4]鄢晓忠，叶兆青，纪括，等．2070t/h超临界对冲火焰锅炉飞灰含碳量偏高原因分析[J]．长沙理工大学学报（自然科学版），2014，11（1）：68-74

[5]钟晓亮．未燃碳随飞灰粒径分布规律的实验研究[D]．保定：华北电力大学，2006.

[6]齐立强，原永涛，张建平，李铁南．电除尘不同电场飞灰含碳量分布规律的研究[J]．煤粉灰综合利用，1999，（3）：19-21．

[7]樊保国，刘兴国，刘海玉，等．循环流化床锅炉飞灰的分形特性[J]．煤炭学报，2014，39（6）：1154-1158．

[8]吕太，张墨，毕春丽，等．循环流化床锅炉飞灰含碳量的测定方法探讨[J]．粉煤灰综合利用，2004，（1）：17-19．

[9]李少华，王启民，肖显斌，等．循环流化床锅炉飞灰残碳的生成及其处理[J]．热能动力工程，2007，22（1）：52-56．

作者简介

陈锦裕（1991—），男，福建泉州人，硕士研究生，助理工程师，现从事核电厂检修工作。