资源描述
循环流化床锅炉的应用及其烟风系统设计
张临峰 中国石化集团兰州设计院
[内容摘要] 本文以刘化热电厂4#锅炉扩建为例，阐述了循环流化床锅炉的原理、结构及其特点与应用，并着重就烟风系统的工程设计提出了一些看法和见解。
[关 键 词] 循环流化床锅炉 原理 应用 烟风系统 设计
一．前言
循环流化床锅炉在国外是二十世纪六十年代研制成功投入运行的，目前大型循环流化床锅炉在电站的运行越来越普遍。国内从二十世纪八十年代开始研制循环流化床锅炉，虽然起步相对于国外较晚，但进步很快。许多科研单位和大专院校研究和发展了各具特色的循环流化床锅炉，并且从试验室走向了工业应用。目前，30t/h～130t/h循环流化床锅炉的设计、制造、运行技术已经比较成熟，而且正朝着更大容量和更高参数的方向发展。许多建设单位把循环流化床锅炉作为新建锅炉房的首选炉型。
刘家峡化工总厂是一个原产10万吨/年合成氨、16万吨/年尿素的中型化工企业。1997年通过技术改造将生产能力提高到15万吨/年合成氨、25万吨/年尿素。化肥生产规模增大后，经全厂热平衡，蒸汽有较大的缺口，为保证工艺生产装置的长期、安全、平稳的运行，根据国家有关热电联产的能源政策，刘家峡化工总厂决定在原热电厂（3台35t/h次高压链条锅炉和1台6000KV背压汽轮发电机组）内扩建1台75t/h的次高压蒸汽锅炉和1台12000KW汽轮发电机组。经各方面比较后，最终确定选用无锡锅炉厂生产的型号为UG-75/5.3-M次高压循环流化床锅炉1台和武汉汽轮机厂生产的型号为C12-4.9/1.37的12000KW抽汽凝汽式汽轮发电机组1台。
锅炉扩建投产后，生产运行平稳，各项指标均达到了设计的预期要求，为刘家峡化工总厂工艺装置的扩能改造提供了稳定的热能保证。该项目的设计工作由我院完成，作为我院设计的第一台次高压循环流化床锅炉项目，有许多需要认识和值得总结的方面。本人参加了该锅炉扩建的烟风系统设计及设计代表工作，下面是本人通过该工程设计后对循环流化床锅炉的应用及其烟风系统设计的一些认识。
二．循环流化床锅炉的原理
循环流化床燃烧是近四十年来发展起来的新型燃烧技术，是对传统层燃炉燃烧和煤粉炉燃烧的一个重大革新。利用这种燃烧技术的循环流化床锅炉，其燃烧特性介于层燃炉和煤粉炉之间，它既不象煤粉炉那样要把燃煤磨成细粉吹进炉膛呈悬浮态下燃烧，也不象层燃炉那样把燃煤铺在炉排上燃烧，而是把燃煤破碎成小颗粒（一般≤12mm，随锅炉制造厂家的不同而略有不同），送进床层中呈流化态燃烧，床层中积存有大量呈炽热状态的惰性物料（如灰份、砂粒等），在鼓风压头的作用下呈流化状态，加入的燃料只占床料的很少一部分，床层温度保持在固定碳的着火温度和灰渣开始变形温度之间，一般为850℃～950℃之间。由于床料提供了大量的热量，燃料的着火条件好，气固混合均匀，床中热质交换强烈。燃烬后的灰渣从炉膛底部排渣口排出，烟气中携带的未燃尽的飞灰通过炉膛后部设置的飞灰分离器，被分离出来，经返料器送入炉膛内循环燃烧，这样使得飞灰含碳量大为降低，提高了锅炉的燃烧效率。通过向燃料或炉内添加脱硫剂（如石灰石、粒径≤2mm）的方式能脱除燃煤中85%以上的硫份，降低了锅炉尾部烟道的腐蚀，减少建设地区的二氧化硫的排放量，减轻了烟气对大气环境的污染。
三．循环流化床锅炉及其分离器的类型和结构特点
1.分离器的类型和结构特点
循环流化床锅炉物料循环量的大小受燃烧粒度、燃烧成灰特性、燃烧室的风速、排灰系统的设置、分离器的分级分离效率、物料回送系统的性能、床料层厚度等诸多因素影响，同时也受回灰温度的制约。而其中分离器的分级分离效率是首要因素。因此分离器是循环流化床锅炉的至关重要的部件，锅炉结构与其有着直接的关系。其有以下四种主要类型。
（1）高温热旋风筒分离器（见图1）
国内以济南锅炉厂为代表，国外以德国的Lurgi公司和芬兰的Ahlstrom公司为代表。其入口烟温在850℃左右，优点是技术成熟，锅炉燃烧效率高；缺点是体积庞大，密封和膨胀系统复杂、内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、耐火材料用量大、费用高、启动时间长、运行中易出现故障。在燃用可燃性较强的煤种时，旋风筒内温度可能比炉膛温度更高，易引起旋风筒内超温而结焦等。这样就使得分离器内防磨材料磨损及启动热膨胀问题不易解决，分离器前后膨胀节是长期运行的隐患，分离器内运行结焦不易控制。
（2）中、低温热旋风筒分离器
以德国Babcock公司为代表，分离器入口烟温在450～550℃，可使旋风筒尺寸减小、内衬减薄，解决高温旋风筒分离器的一系列问题，但因炉膛采用塔式布置，炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，为减少磨损，设计烟速较低，而炉膛下部又全部涂敷卫燃带，因而比其它炉型高、重许多。另外循环灰温度低，循环灰浓度低，使得燃烧效率比较低。炉膛上部过热器和高温省煤器磨损问题需采用国外的专利技术来解决，国内无法满足。
（3）水（汽）冷旋风筒分离器（见图2）
国内以东方锅炉厂为代表，国外以美国Foster Wheeler公司为代表。水（汽）冷旋风筒分离器可吸收一部分热量，分离器内物料温度不会上升，甚至略有下降，并较好地解决了旋风筒防磨问题。但是该旋风筒制造工艺复杂、生产成本高、维修不方便；不能取消分离器入口、出口的膨胀节，给运行带来隐患。
（4）异型（方型）水冷分离器（见图3）
国内以四川锅炉厂为代表，国外以芬兰的Ahlstrom公司为代表。该分离器是四周用膜式水冷壁组成方形分离器，但烟气入口段用水冷壁管弯制成圆弧形加速段，是一种非方非圆的结构。其解决了水（汽）冷旋风筒分离器制造成本高的问题，保留了高温水（汽）冷旋风筒分离器的所有优点，还取消了分离器入口、出口的膨胀节，彻底解决了膨胀、密封及分离器内结焦问题。缺点是燃用低灰份煤时，回灰温度低，锅炉燃烧效率下降。
以上四种分离器是目前循环流化床锅炉发展的主流，从技术先进性来看，异型（方型）水冷分离器技术具有明显的优势。在国内，四川锅炉厂、无锡锅炉厂、哈尔滨锅炉厂等都向中国专利拥有者－清华大学购买了该技术。
使用此四种分离器技术的循环流化床锅炉比较见表1。
图1 图2 图3
2．国内循环流化床锅炉的结构型式和特点
以75t/h次高压锅炉为例，国内循环流化床锅炉基本上可分为三种结构型式，如图4、5、6所示。
表1 循环流化床分离器技术比较表
分离器类型
z
项 目
高温热旋风筒分离器
中、低温热旋风筒分离器
冷却圆旋风筒分离器
异型水冷分离器
点火方式
耗有油高、起动慢
耗油较省、起动较快
耗油省、起动快
耗油很省、起动很快
分离器
分离效果好
分离效果好
分离效果好
分离效果较好
防磨不好、成本高
防磨较好、成本较低
防磨好、成本低
防磨好、成本低
整体性
分离器前后有膨胀节，密封、膨胀性不好
分离器前后有膨胀节，密封、膨胀性不好
分离器前后有膨胀节，密封、膨胀性不好
分离器与炉膛、尾部烟道成为一个整体，膨胀、密封性好
防磨材料
耗量多、成本高
炉膛内均有内衬，耗量多、成本高
耗量少、成本低
耗量少、成本低
回料系统
复杂
简单
复杂
简单
尾部烟道
烟气速度高、有磨损
烟气速度低、无磨损
烟气速度高、有磨损
烟气速度低、无磨损
风系统
风机多、系统复杂
风机少、系统简单
风机多、系统复杂
风机少、系统简单
煤种适应性
烟煤和无烟煤不能通用
对灰份大或成灰特性好的煤，需排循环灰
煤种变化不能太大
较广
燃烧效率
燃烧效率高
中、低温分离，燃烧效率低
燃烧效率高
燃烧效率高，低负荷时有所下降
图4 图5 图6
表2 国内75t/h循环流化床锅炉主要技术特性
制造厂家
锅炉外形尺寸m
主蒸汽参数
给水温度℃
锅炉热效率%
燃料粒度mm
循环倍率
一、二次风比率%
负荷变化范围%
结构形式
汽包标高
柱中心距
温度℃
压力MPa
煤
石灰石
%
北锅
28.45
16.76x8.2
450
5.29
150
90.33
0~10
0~2
10.3
50/50
50~100
图4
川锅
24.7
11.45x6.7
450
5.3
150
89
0~13
0~2
-
50/50
50~100
图6
无锅
26.3
12.35x6.6
450
5.3
150
85~88
0~13
0~2
20
50/50
50~100
图5
济锅
27.22
14.94x8.8
450
5.3
150
88
0~13
0~2
-
50/50
50~100
图4
图4为第一种结构型式，它采用二级分离，二级分离器采用百叶窗加旋风筒分离器，分离效果好。
图5为第二种结构型式，它借鉴了国外的成熟经验，采用两个旋风筒分离器，分离出来的大颗粒灰经返料装置返回炉膛，循环燃烧；其分离效果好，飞灰少，燃烧效率高。
图6为第三种结构型式，采用一级惯性分离器和一级平面流陶瓷分离器，分离出来的未燃尽物料经回料阀送回到副床，再从副床溢流到主床燃烧。平面流分离器虽然耐用，但分离效果则不如旋风筒分离器。
四．循环流化床锅炉的技术特点
1．燃料适应性广：这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中，送入炉内燃料按重量计仅占床料的1～3%，其余是不可燃的惰性物料，其特殊流体动力特性，使得燃料进入炉膛后被迅速加热到着火温度。因而它可以燃烧热值较低的燃料，如油页岩、煤矸石、含碳炉渣等。
2.燃烧效率高：循环流化床锅炉气、固混合良好，而且绝大部分未燃尽的燃料被分离器重新分离出来，返回炉膛循环燃烧，因而燃烧效率高，通常在97.5~99%范围内，可与煤粉炉媲美。
3．制粉、给煤系统相对简单：循环流化床锅炉的给煤粒度一般要求≤12mm，与煤粉炉相比，其燃料的制备系统，不需要专门的制粉系统，省去了磨煤机等配套辅机，仅需破碎筛分就可送入炉膛燃烧。由于床内扰动强烈，故可集中给煤，使得给煤点数大大减少。
4.调节性能高：当负荷变化时只需调节给煤量、空气量和物料循环量；循环流化床负荷可以在30~100%范围内变化，负荷变化率可达每分钟5%。
5.灰渣活性好，利用潜力大：由于灰渣未经高温熔融过程，保持其原有活性，且含碳量极低，可用作烧制水泥的掺合料，也可用于砖、瓦等的制作。
6.运转设备少：循环流化床锅炉设有3（4）台风机及给煤机，较煤粉炉省去了复杂的制粉、送粉等系统，较链条炉省去了故障频繁的炉排部分，给设备的连续运行创造了条件。
7.炉内脱硫效果好，氮氧化物排放量低：这也是循环流化床锅炉的主要优点之一。据有关资料介绍，在炉内或直接在燃料中掺入脱硫剂，如当加入石灰石，且钙硫摩尔比为1.5~2.5时，其脱硫效率达90%以上；由于采用低温燃烧和分段燃烧技术，可使燃烧产生的氮氧化物排放量比其它类型的锅炉减少30%以上。这样就能以最经济的方式解决能源供应和满足环境保护的要求，省去了昂贵的烟道气脱硫、脱硝装置，减少了占地和建设投资。
五．刘化锅炉扩建选用循环流化床锅炉的意义
刘化总厂附近有丰富而且价格便宜的煤炭资源，扩建工程提供的煤质资料如下：
元素分析（空干基%）
Cad Had Oad Nad Sad Aad Mad
52.26 2.96 9.61 0.78 0.96 28.51 4.92
低位发热值：Q=13960k/kg (3334kCal/kg)
由上可知，扩建工程的煤质情况比较差，另外热电厂原链条炉使用燃煤煤质与设计煤种的变化较大，致使原有的三台对煤种适应性较差的链条炉燃烧效率降低，灰渣中含有较多的未燃烬的碳份，而循环流化床锅炉的优点之一就是能燃用劣质煤及含一定碳量的灰渣，刘化热电厂扩建工程中选用循环流化床锅炉能够很好地解决上述两个问题，并且能产生比较好的经济效益，因而是适宜、可行的。
六．循环流化床锅炉烟风系统的设计
循环流化床锅炉和其它形式锅炉的主要区别就在于烟风系统，辅机的差别也主要表现在烟风系统的辅机。其烟风系统的设计包括煤、渣、灰、冷、热风、烟气等系统的设计。
1.刘化循环流化床锅炉烟风系统有关的辅助设备及参数
一次风机 G9-19 No19D Q= 84585m3/h P=19587Pa 1台
二次风机 G6-31 No116D Q= 56390m3/h P=9401Pa 1台
循环风机 W7-16 No10D Q= 4400Nm3/h P=9200Pa 1台
引风机 Y4-73-2 No22F Q= 240000m3/h P=5770Pa 1台
水膜除尘器 Q= 240000m3/h
埋刮板输送机 SMS16 A型 Q=14~16 m3/h
2.给煤系统的设计
循环流化床锅炉由于给煤点少，因而给煤系统的设计较为简单，目前有三种入炉煤的输送方式：
(1) 从贮煤仓下接金属溜煤管直接进入炉前小煤斗。这种形式和链条炉一样，系统简单，但遇到水份稍大的煤，就容易堵塞，且供煤不均匀，虽有阀控制给煤量，但不能满足锅炉燃烧的要求。
(2) 从贮煤仓下接金属溜煤管至螺旋输煤煤机，然后由螺旋输煤煤机将煤送入炉前小煤斗，这种形式虽可控制入炉煤量，但仍存在堵煤的可能性。
(3) 从贮煤仓下接金属溜煤管至水平输送机（如埋刮扳机），将煤送至斜溜槽进入炉前小煤斗，这种形式不堵煤，锅炉入煤均匀，且宜控制。
刘化扩建锅炉本体只有两个受煤点，设计中采用上述第三种形式，用两台埋刮版输送机来给煤。根据锅炉投运后的实际情况来看，运行完全满足设计要求。
2.除渣系统的设计
循环流化床锅炉的排渣是控制床层厚度，保证流化质量，以达到稳定燃烧的主要手段。因锅炉容量、运行负荷、燃料含灰量、燃料粒度等情况的不同，循环流化床锅炉运行时一般采用间断地排放高温炉渣。目前国内使用循环流化床锅炉的电厂采用的排渣方式有如下四种：
(1) 水力冲渣至沉渣池。这种方式的缺点是排出的高温炉渣至冲渣沟后汽化，产生大量的水汽和灰尘，使厂房受到很大的污染，而且系统复杂，投资较大，不利于渣的综合利用。这里需要说明的是，为达到脱硫的目的，在燃料中加入石灰石后，锅炉排出的灰渣中含有一定数量的CaSO4，而CaSO4遇水则生成二水石膏浆液（CaSO42H2O），因此，循环流化床锅炉的灰渣不能采用管道水力输送，否则很容易堵塞管道。
(2) 用小车将高温红渣运至厂房外渣场。但红渣在排放和运输过程中易造成烫伤和火灾事故，现场污染较大。
(3) 采用风冷式装置。但设备、管道布置困难，且密封要求高，国内还没有成熟的经验。
(4) 采用水冷螺旋出渣装置。其漏水和磨损问题严重。
目前大多数厂家采用的是前两种方式，即无冷渣器，而使用冷渣器的厂家，使用效果不佳，问题较多，需要不断的改进和完善。
刘化扩建的75t/h循环流化床锅炉是在原预留的35t/h锅炉的场地上建设，要布置冷渣装置，受场地条件的限制，是不可能实现的。在设计中根据其具体情况，结合其已有沉渣池的有利条件，排渣方式采用干式除渣和水力除渣相结合。在锅炉排渣口，接出一裤衩管，一路通向水力冲渣沟，由水力冲渣至原有沉渣池；一路用小推车将渣运至厂房外渣场。在锅炉运行时可按照实际情况，采取不同的方式来除渣。
3.烟气系统的设计
循环流化床锅炉烟气系统的设计和其它类型的锅炉一样，着重需要考虑的是除尘器及引风机的配套与烟道的布置。循环流化床锅炉的灰渣比一般为4:6，故其烟尘的初始浓度比较高，需要配备高效率的除尘器才能满足国家颁布的《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-91）和《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-1996）两部标准。为此，大部分循环流化床锅炉的使用者配备的是高效的电除尘器或水膜除尘器。
在刘化锅炉扩建工程中，由于受布置场地条件的限制，不可能配备电除尘器，设计中采用了带文丘里管双旋筒湿式水膜除尘器。该锅炉烟气处理技术，是目前国内中小型热电站推广使用的一门新技术，是近年来发展较快的一项环保措施，其除尘效率达96%以上。文丘里管双旋筒湿式除尘器的优点是投资小、能耗低、运行可靠、除尘效率高、运行费用低、尚有一定的脱硫功能等。本工程采用后，使锅炉烟气得到了较好的处理，使偏低的烟囱能力更趋于安全。
由于锅炉本体烟道出口低、除尘器烟道入口高（高差达14米），加之受布置场地的的限制（烟道下有除渣沟，本工程的建设不能影响原有链条炉的运行），烟道的支撑成了一个问题，通过现场实际测量及土建专业采取特殊措施后才得以实现。
4.冷、热风系统的设计
循环流化床锅炉冷、热风系统包括一次风、二次风及烟气再循环系统，与其它类型锅炉冷、热风系统相比，最大的区别是其风压高。随各锅炉生产厂家的炉型结构和布风装置的不同，其风系统也不尽相同，有的复杂，有的简单。
在刘化锅炉扩建工程的冷、热风系统的接口多，系统较为复杂。冷风系统设计时，考虑到风压比较高，风机和风管的振动大，为减小振动及其传递，在风机进出风管上各装加了一组波纹补偿器。热风系统是本次设计的一个难点，由于锅炉炉体为倒挂式，当锅炉启动（停运）时整个炉体有一个向下（向上）的热位移量，而炉体的热风接口亦随炉体向下（上）移动，而热风管道的支架要生根在锅炉钢架上，这样就势必使热风管道和炉体接口之间有一个比较大的上下错位。根据无锡锅炉厂提供的资料，在一次风入口处炉体向下膨胀量有100多毫米，为防止热风管道撕裂事故的发生，需设置补偿器。而在热风道布置距离受限制的情况下，这样大的补偿量，单靠波纹补偿器是无法满足的，为此除在水平管上装加波纹补偿器与弹簧支架外，还和有关厂家的技术人员协商，采用特殊型式的复式拉杆补偿器装加在热风管道和炉体接口处，这种补偿器除轴向补偿量较大外，侧向位移量也较大。根据锅炉投运后的情况看，此部分没出现任何问题，可见设计中采取的措施是的当的。
七．循环流化床锅炉应用及其烟风系统设计存在的问题和建议
1．磨损问题
由于循环流化床锅炉内的高颗粒度灰份和高运行风速，导致锅炉内部烟气冲刷件（如过热器管束、省煤器管束等）的磨损比较严重，使锅炉的运行周期大大缩短。目前解决磨损的措施主要有两种，一种是采用特殊的抗磨损金属材料；另一种是对受磨损部位部位添加防磨护瓦和涂防磨涂料以减轻磨损。由于前一种防磨措施所需的金属材料要从国外引进，而且价格昂贵，在国内使用较少。国内目前采用较多的是后一种措施。因此，研制、生产适合循环流化床锅炉的耐磨材料是国内科研、锅炉制造厂的主要问题。
2．冷渣器的设置
目前循环流化床锅炉的除渣大多采用的是干式和水力除渣两种方式，此两种除渣方式的不利之处是排渣处灰尘飞扬，工作条件恶劣，高温炉渣在排放和运送过程中易发生人员烫伤事故，并且间断排放造成空气量波动，使得燃烧不稳定。为了使循环流化床锅炉处于稳定工作状态，应根据料层厚度尽量实现连续、自动排渣。这就需要设置相应的冷渣器，但国内目前还没有成熟可靠的冷渣器可供选择，这成为设计过程中的一大难题，希望国内有关的科研单位和生产厂家能够研制、生产出适合的冷渣器。
3．锅炉制造厂家的有关问题
循环流化床锅炉发展迅速，更新换代比较快，锅炉制造厂家往往注重本体方面的设计，而忽略了与设计院有关的外围烟风系统，给烟风管道的设计带来很大的困难，发生如烟风管道和平台扶梯相撞、和本体管道相撞、支撑困难、布置不合理等问题，这样使得烟风管道和本体协调性差，给运行、检修留下了不方便因素。只要锅炉厂和设计院多加强工程设计前期的协商、沟通，就能使此类问题得到很好的解决。
八．结束语
循环流化床锅炉正以其明显的特点和优势得到越来越广泛的应用。但由于循环流化床锅炉的发展时间比较短，其基础理论还有待进行深入的研究，从锅炉本体到配套辅机和附属设备尚需进一步完善。本人认为，选择应用循环流化床锅炉时应考虑以下情况：
1．循环流化床锅炉对企业生产性质的适应性
循环流化床锅炉对负荷的适应性强，适应各种性质的企业设置。但由于其磨损问题还没有得到很好的解决，对连续性生产企业，需要对锅炉的容量及台数做全面的考虑和规划，以保证系统生产的连续性。
2．适宜设置循环流化床锅炉的地方
在劣质煤或废弃燃料供应充足的地方，煤源不固定、煤质变化较大的地方，以及环保要求严格的地方设置中小型循环流化床锅炉，能最大限度地发挥其优势和特点。当然在其它新建或扩建锅炉的地方，循环流化床锅炉也是首要考虑的炉型之一。
3．循环流化床锅炉对煤种的适用性
尽管循环流化床锅炉对煤种的适应性强，燃烧效率高，但由于循环流化床锅炉磨损问题还没有得到很好的解决，一味地追求燃用劣质煤，会使锅炉的磨损加重，进而缩短锅炉的运行周期。在条件允许时，还是燃用煤质较好的煤为宜。
[参考文献]
1．《工业锅炉房设计手册》 （第二版） 航天工业部第七设计研究院编
2．《循环流化床锅炉理论与设计运行》 岺可法等 中国电力出版社
3．《热能工程设计手册》 化工部热工设计技术中心站
4．无锡锅炉厂、四川锅炉厂资料
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
