煤泥是煤炭洗选过程中产生的副产品，循环流化床（CFB）锅炉燃烧煤泥是清洁利用廉价煤泥的有效方法，但高灰分、高黏度、高持水、低热值的特性限制了煤泥应用的规模性。

目前，煤泥在CFB锅炉燃烧方式主要为掺烧，相关研究集中于掺烧方式、给料位置、掺烧比例等因素对锅炉运行的影响。当以脱水煤泥为掺烧燃料时，随着煤泥掺烧比例增加，密相区平均床温整体呈下降趋势，炉膛中上部温度及分离器出口烟温则因煤泥燃烧产生的细颗粒较多而上升。同等级锅炉的湿煤泥掺烧试验结果表明，随掺烧比例增加，密相区床温下降幅度增大，由于受热面积灰加速、烟气热容上升而导致排烟温度升高。邵伟等的掺烧试验表明，掺烧煤泥导致的床温下降有利于炉内脱硫效率的提高，掺烧比例在50%～60%范围内锅炉效率最高。黄中等的试验表明，中部给料的锅炉效率优于顶部给料，且煤泥添加时引起的床压下降限制了掺烧比例。姜红丽等使用热重分析法对煤泥和中煤的掺烧试验结果表明，随着煤泥掺混比例的增加，着火温度、峰值温度均有所降低，煤样更容易着火燃烧。

针对单个煤泥颗粒，煤泥团燃烧过程可分为脱水、有机物分解和碳氧化3个阶段，其污染物析出相对累积量随热解温度升高而降低。GRISHIN、尹炜迪等的煤泥团燃烧过程计算结果表明，煤泥颗粒运动性质与其粒径相关，较小颗粒下降达到某一位置之后稳定燃烧，而较大颗粒则存在一个先上升后下降的峰值，且干燥层相对很小，颗粒表面与内部温差较大。池涌、黄国权等的小型流化床试验台煤泥燃烧试验结果表明，颗粒密度、粒度和流化风速对异重床内颗粒的分布趋势有重要影响，燃料沿床高的分布规律及沉浮趋势可以用中间混合指数描述。裴婷对煤泥爆裂特性的研究结果表明，挥发分和灰分含量以及炉温越高，煤泥团爆裂越严重，但煤泥含水率为20%时爆裂最严重。为降低煤泥团爆裂对床温波动的影响，有学者提出了飞灰再循环、炉前安装粒化器等方法。

煤泥的结团和爆裂特性是煤泥CFB燃烧的重要现象。相比煤泥团个体燃烧特性和掺烧特性研究而言，对连续给料工况下、工业规模的全煤泥CFB锅炉内煤泥团的燃烧及污染物排放特性研究则少有报道。本文以数台工业全煤泥CFB锅炉为试验对象，重点研究了全煤泥CFB锅炉燃烧及SO2排放特性的不稳定性，分析其产生原因，了解煤泥在CFB内的流动、燃烧和SO2排放特性，为进一步推动煤泥CFB清洁燃烧技术及炉内高效脱硫工艺的选择提供技术支持。

1

试验设备

试验设备选用兖矿集团兴隆庄矿电厂3号锅炉（3号炉）、5号锅炉（5号炉）及东滩矿电厂1号锅炉（1号炉），各试验锅炉的主要参数见表1，试验锅炉循环灰、飞灰粒度分布见表2。

技术的75t/h全煤泥CFB锅炉，全烧煤泥时基本不产生底渣。3号炉、5号炉以石英砂作为床料，煤泥采用泵输送方式；1号炉以煤矸石为床料，煤泥采用皮带输送方式。3台锅炉均采用炉顶给料，其中3号炉为炉顶单点给料，入口管径为DN200，入炉煤泥团直径约为200mm；5号炉为炉顶三点给料，入口管径为DN100，入炉煤泥团直径约为100mm；1号炉为炉顶三点给料，煤泥在重力作用下断裂并坠入炉膛，入炉煤泥多为直径200mm的煤泥柱。不同的给料方式使得入炉煤泥团体积有较大差异，从而导致热爆后的煤泥团粒度分布的差异。3台锅炉中1号炉入炉煤泥团体积最大，其循环灰粒径也最大；与传统低倍率循环流化床的5号炉不同，3号炉为高倍率循环快速流化床，高效分离器及炉内燃料间的磨损减小了循环灰粒径的差异（表2）。本次试验燃料来自电厂日常生产所用煤泥，煤质分析数据、煤泥灰组分见表3和表4。试验数据通过锅炉DCS及烟气分析仪在炉膛出口处的现场测量记录。

2

试验结果与分析

2.1

燃烧特性

图1—图4分别为3号炉、5号炉炉膛内温度、压差分布情况，图5为1号炉炉膛内温度及方差分布情况。受煤泥输送方式影响，5号炉入炉煤泥水分一般控制在30%，3号炉为28%，1号炉为25%。

从图1、图2可以看出：纯燃烧煤泥时，炉膛温度分布呈“两头高、中间低”的C型分布，且有较大波动；当掺烧混煤时，炉膛内温度分布与常规CFB锅炉近似，温度分布趋于均匀，波动减小。这种特殊的温度分布与煤泥燃烧时的结团现象和热爆性有关。在炉膛上部，当块状煤泥团从炉顶进料口加入后，在顺重力下落的同时，大煤泥团表面被高温向上流动的烟气加热。当煤泥团表面温度达到水蒸发温度时，表面层的水开始汽化，由于水蒸气体积膨胀，导致煤泥表面层崩破粉碎。破碎产生的小煤泥团，由于表面积增大，烟气吸热速度及干燥速率增加，水汽化膨胀崩破粉碎进一步加速。在煤泥团不断的破碎过程中，产生不同尺寸煤泥团，甚至煤泥颗粒。随负荷增加，煤泥加入量增加，不同尺寸的煤泥团和颗粒的量不断变化，从而导致压差波动增大（图3），颗粒分布符合中间混合指数描述的分布规律。

图4所示掺烧混煤炉膛压差波动增大则是掺烧混煤后排渣频率增加所致。当煤泥团或煤泥颗粒温度达到着火温度，开始燃烧。当达到SO2释放温度时，SO2开始释放。当煤泥颗粒尺寸足够大，下落达到密相床面时，参与密相流化、燃烧，在此形成主要燃烧和SO2释放区。当在下落过程中煤泥颗粒尺寸足够小，以致在未下落到密相区时，煤泥颗粒或细粉则被上升的烟气携带向上流动，在床层上部富集燃烧，释放SO2。在炉膛中部，由于煤泥处于干燥强度最大的区域，吸热量大，表面硬化，燃烧强度低，因而温度小于床层底部和上部。

从图5可以看出，随入炉煤泥体积成倍增大及含水量减小，上述过程呈下移趋势。可见，C型温度分布是煤泥由于干燥、热解、气化等吸热过程和燃烧放热过程的平衡作用形成的，是顶部加料CFB燃烧的典型特征。通过上述分析，可以将煤泥团在炉膛内的干燥、热爆、燃烧过程划分为不等速干燥、等速干燥以及燃烧3个阶段，具体燃烧过程示意如图6所示。

煤泥热爆是形成CFB锅炉内燃烧和污染物排放不稳定性的主要原因。一般认为，煤泥团热爆是由于煤泥团外表脱水干燥形成硬壳后，其内部水分汽化并蒸发膨胀，挥发分析出以及内外温差产生的热应力等所致。根据对试验过程的分析，作者认为煤泥团内部水分受热膨胀与炉内颗粒流的冲击力共同作用也是造成煤泥团热爆的原因之一。由于煤泥的燃烧速率取决于其含水量、密度，且煤泥团内部20mm处的燃烧速率与表面处相同，所以可以推测中间相形成的硬壳不会太厚；由文献中热应力公式(8)、公式(9)可知，呈膏体状煤泥的弹性模量E值较小，从而因温差引起的热应力会减弱，引起热爆的可能性降低。借鉴文献中的破裂计算公式（本文式(1)），假设煤泥团硬壳的线膨胀系数、容积增大系数均为0，列出煤泥团内部压力增长关系式(2)，其值与煤泥团表面积的乘积则为压力强度，不同粒径煤泥团对应的内部压力变化如图7所示。

式中：β为煤泥团中水的平均膨胀系数，1/℃，其值取自文献；α为煤泥团中煤泥膏体的压缩系数，1/Pa，其值取自文献；Δt为温度升高值，℃；Δp、p1、p2分别为煤泥团内温度升高后煤泥团内部压力升高值、初始值及终点值，Pa。

由裴婷的试验结果可知，高温下煤泥团停留1min的抗压强度为50N，停留3min的抗压强度为150N。由图7可见：煤泥团粒径越大，达到煤泥团硬壳抗压强度极限值的温度越低；粒径为15mm煤泥团内部液态水的温度升高100℃，内部也达不到爆破压力，煤泥团也不会发生爆破。因此，将温度在100℃的区域定义为蒸汽膨胀爆破区，此区域的煤泥团爆破动力来自于煤泥团内部液态水的汽化或煤中挥发分析出燃烧导致的内部体积膨胀。对于工业级煤泥团而言，粒径100mm煤泥团内部压力达到抗压强度50N或150N所对应的煤泥内液态水的温度分别为33.6、46.8℃，对于粒径200mm煤泥团，温度则仅需27.4、31.7℃。很明显，在这些情况下，尽管煤泥团水的温度低于蒸发温度，但其内部压力已达其抗压强度，煤泥团在内部压力作用下可发生爆破。尹炜迪等数值计算

结果表明，对于粒径大于100mm煤泥团内距表面0.5mm处的温度均未超过100℃。由此本文认为，对于工业级大粒径煤泥团，粒径大于20mm时，煤泥团内部水分温度升高引起内部压力升高是煤泥团产生爆裂的主要原因；小于20mm时，煤泥团爆裂动力主要来自于内部水分受热汽化产生的膨胀力，而炉膛内部颗粒流动和相互作用加速了爆裂过程。

由此推测工业级煤泥团在炉膛内热爆破碎过程如图8所示。以粒径80mm煤泥团为例，当80mm煤泥团（I）内部液态水在1min内达到II处温度点时，煤泥团因液态水温度升高，体积膨胀达到爆破压力而破碎为大小不等的煤泥团，当破碎煤泥团粒径小于20mm时，此煤泥团的再次爆破发生在蒸汽膨胀爆破区，否则重复上述过程。80mm煤泥团（I）内部液态水在1min内未达到II温度点时，随煤泥团在炉内停留时间的增长，内部液态水则可能达到III处温度点，从而破碎为大小不等的煤泥团，继而重复上述过程。煤泥团爆破时，内部稀煤泥会因压力空降而从破碎点涌出，形成壳内中空，从而在炉内颗粒的碰撞下破碎。新断面的干燥、燃烧加剧了炉内燃烧及污染物排放的不稳定性。

2.2

SO2排放

为了探讨煤泥CFB锅炉SO2排放的不稳定性，对以煤泥和块煤为燃料的CFB锅炉SO2排放质量浓度进行了对比分析，结果如图9所示。其中，SO2排放质量浓度测试采用Seitron公司的C500系列多功能手持式烟气分析仪，测试位置均为烟道尾部干法脱硫装置入口处，记录间隔为10s，数值均已按烟气氧体积分数为6%折算。

从图9可以看出：以块煤为燃料的CFB锅炉SO2排放质量浓度的变化幅度明显小于煤泥CFB锅炉；块煤CFB锅炉SO2排放质量浓度在640～885mg/m3，而煤泥CFB锅炉SO2排放质量浓度的最大、最小值之差达到1100mg/m3，变化间隔约为200s。SO2排放质量浓度的大幅变化给炉内和尾部烟气脱硫控制、实现超低排放造成一定影响。

为了进一步探索煤泥在CFB锅炉内SO2释放及其不稳定性，采用煤炭全硫分测定方法对兴隆庄矿电厂煤泥在不同温度下硫的析出量进行了测量，测试结果如图10所示。

由图10可见：在400℃时燃料中的硫就大量析出，多来自于煤泥中的硫铁矿；随温度升高，煤灰中碱金属与碱土金属类矿物质（表4）对SO2析出的抑制作用开始发挥，硫的析出量减小；温度进一步升高到900℃以上时，硫的析出重新占据主导作用，硫的析出量增大，从而最终表现为800℃时硫的析出量最小。在CFB锅炉运行温度区间内（800～950℃），硫的析出量大致相似。因此，温度变化不是决定SO2排放质量浓度及其不稳定性的主要因素。为此，本文进一步研究了SO2排放质量浓度与温度、CO质量浓度的关系，结果如图11、图12所示。图中横坐标的零点为测量初始时间，数值按烟气氧体积分数为6%折算。

由图11可见：SO2排放质量浓度在600～900mg/m3范围内波动；料层温度、密相区上部温度、炉膛中部温度、炉膛出口温度与SO2排放质量浓度的相关系数分别为0.086、0.131、0.464、0.172，炉内温度与SO2排放质量浓度间并未表现出明显的相关性，只是在个别时间段SO2排放质量浓度与炉膛中部温度、出口温度的变化趋势相似，特别是时间500s附近SO2排放质量浓度与炉膛中部温度表现出相同的变化趋势。对比图6，这一趋势变化可解释为：由于煤泥团热爆粒径的不可控，当炉膛中部因煤泥团热爆产生的小粒径煤泥团过多时，燃烧表面积增加，此区域燃烧强度增强，单位时间内硫析出量增大，从而表现为温度上升，SO2排放质量浓度增大。图12的CO排放质量浓度与SO2排放质量浓度变化趋势进一步说明了这个变化。个别时间段SO2排放质量浓度与炉膛上部温度变化趋势相同则显示了小块煤泥团和煤泥颗粒燃烧对SO2排放质量浓度的重要影响，说明有一部分SO2是在炉膛上部释放形成的，其值大小取决于小块煤泥团和煤泥颗粒所占份额的多少。

从图12还可以看出：在500s附近SO2、CO质量浓度几乎同时大幅升高，说明此时热爆使燃烧煤泥量增加，SO2总生成量随之增加；在1800s附近的质量浓度变化则显示煤泥团可燃表面积增加导致局部缺氧使SO2生成量下降，但随煤泥团充分燃烧，SO2排放质量浓度开始上扬。

上述分析表明，煤泥CFB锅炉SO2排放的不稳定性主要是由于入炉燃料热爆形成的煤泥团粒度及其在炉内分布的不可控，造成单位时间内炉内不同区域的燃料燃烧量不同，从而使得SO2排放质量浓度表现出较大波动性。在循环灰量稳定条件下，炉膛温度的“两头高、中间低”现象表明全煤泥CFB锅炉燃烧及硫析出主要区域位于炉膛上部及下部。因此，为了消除或降低炉内燃烧和SO2排放不稳定性，在实际工业CFB锅炉操作中，在条件允许的情况下，应当合理控制煤泥入炉尺寸，改变煤泥入炉位置。根据3号炉脱硫试验结果，对于炉内脱硫，保持一定的“石灰石有效存有量”，可以减少SO2排放，进一步实现超低排放。

3

结论与建议

1）全煤泥CFB锅炉与常规CFB锅炉不同，其炉内温度分布呈现“两头高、中间低”的C型分布，这是由于干燥、热解、气化等吸热过程和燃烧放热过程平衡作用的结果，是顶部加料CFB燃烧的典型特征。

2）对于工业级大粒径煤泥团，粒径大于20mm时，煤泥团内部水分温度升高引起内部压力升高是煤泥团产生爆裂的主要原因；小于20mm时，煤泥团爆裂的动力主要来自于内部水分受热汽化产生的膨胀力，而炉膛内部颗粒流动和相互作用加速了爆裂过程。

3）煤泥团的热爆性导致了燃烧、SO2排放特性的不稳定，全煤泥CFB锅炉的SO2排放特性与常规锅炉不同，小粒径煤泥团的炉膛上部燃烧加剧了SO2排放质量浓度的波动性。

4）为了消除或降低炉内燃烧和SO2排放不稳定性，在实际工业CFB锅炉操作中，在条件允许的情况下，应当合理控制煤泥入炉尺寸，改变煤泥入炉位置。对于炉内脱硫，保持一定的“石灰石有效存有量”，可以有效降低SO2排放的不稳定性。

文献信息

谭波,王传志,刘忠攀,蓝天.顶部给料全煤泥循环流化床燃烧与SO_2排放不稳定性研究[J].热力发电,2020,49(05):111-118.