无烟煤循环流化床锅炉的节能设计及应用

黄荣捷

(广西柳锅锅炉制造有限公司，广西 柳州 545005)

无烟煤循环流化床锅炉的节能设计及应用

黄荣捷

(广西柳锅锅炉制造有限公司，广西 柳州 545005)

结合Ⅱ类无烟煤的特点，分析探讨了针对低挥发分循环流化床20t/h无烟煤锅炉的节能设计，其中采用较高炉膛及较低空截面气速，在密相区布置合适数量的埋管受热面等环保技术措施。

循环流化床锅炉;结构;节能;设计;技术措施

工业锅炉是我国国民经济各部门及人民日常生活所需的热能动力设备，安全、节能、环保是国家对工业锅炉产品考核的必要条件。特别是进入21世纪以来，国家在节能减排方面对工业锅炉行业提出了更为严格的要求。2008年国家发改委发布的“‘十一五’十大重点节能工程实施意见”将燃煤工业锅炉节能列为十大重点节能工程首项，并提出开发工业锅炉节能产品和对燃煤工业锅炉进行节能改造的要求。为此工业锅炉行业积极响应和努力贯彻，通过提高企业创新能力、加大科研、新产品开发的投入力度等措施，开发出了不少行之有效的节能减排新技术、新工艺、新产品，以满足国家和市场的需求。

1 无烟煤循环流化床锅炉的特点

循环流化床锅炉是近三十年来发展起来的一种新型燃烧设备，其沸腾燃烧方式介于层状燃烧和悬浮燃烧之间，煤种适应性广，具有强化燃烧及传热的特点，且是一种低温燃烧方式，有利于炉内除硫，故受到国内外锅炉行业的广泛重视，加上产品在运行热效率及环保性能等方面水平的不断提高，是当前最有前途的清洁、高效率的燃烧方式之一。

SHXF20-1.6-WⅡ型Ⅱ类无烟煤循环流化床锅炉是为了适应市场发展需要而开发的新产品，针对Ⅱ类无烟煤燃烧特性和节能、环保的要求，设计时采用了较高炉膛及较低空截面气速，在密相区布置适当数量的埋管受热面及其它防磨措施，在布置U形惯性分离器和组合式旋风分离器、热管空预器等方面进行了创新，形成了高效燃烧炉膛，燃烧Ⅱ类无烟煤时取得了显著的节能和环保效果。该锅炉的研制成功标志着我国循环流化床燃用Ⅱ类无烟煤的燃烧技术进入了一个新阶段，为广大无烟煤锅炉用户提供了一种高效、节能、环保的锅炉新产品，成功地解决了我国低挥发分无烟煤在循环流化床锅炉上着火、稳定燃烧及燃尽的技术难题，并取得了重大突破。经国家权威检测机构机械工业锅炉及环保产品质量监督检测中心检测，该产品燃用Ⅱ类无烟煤时，负荷调节性能好，锅炉热效率为83.49%，比国家标准高18.49%，每台锅炉一年（按300天计）可节约煤7267t；20台可节约煤14.5万t；烟气黑度小于林格曼1级，符合《锅炉大气污染物排放标准》（GWPB3-1999）中二类地区的要求。锅炉出口初始排尘浓度及锅炉烟尘排放和SO2排放以及鼓、引风噪声和锅炉房噪声等环保指标均达到了国家标准和设计要求，环保效益显著。通过热工和环保测试，证明SHXF20-1.6-WⅡ型循环流化床锅炉各项性能指标均达到或优于设计和有关标准的要求。目前该高效节能锅炉已批量投产，畅销国内各地，深受用户好评。

2 锅炉设计主要规范

2.1 锅炉参数

额定蒸发量20t/h；额定蒸气压力1.6MPa；额定蒸气温度204℃；给水温度105℃；设计效率80.97%；埋管受热面积24.72m2；水冷壁受热面积32.19m2；凝渣管受热面积11.79m2；对流管受热面积283.74m2；省煤器受热面积354m2；热管空预器受热面积35.29m2；布风板有效面积6.08m2；密相区空截面风速（150℃）1.03m/s；稀相区空截面气速2.47m/s；风帽小孔平均风速（150℃）48.76m/s；风帽平均开孔率2.12%；设计燃料为Ⅱ类无烟煤Vr（可燃基挥发分）≤5%。

2.2 设计煤种及特性

该锅炉设计煤种为极低挥发分（Vr≤5%）的Ⅱ类无烟煤。无烟煤是埋藏年代最久、炭化程度最深、挥发分最低的一个煤种。我国的无烟煤储量较大，仅次于烟煤，约为3600亿t，多分布于华北、西南和中南地区，如阳泉矿区、晋城矿区、焦作矿区、京西矿区、遵义矿区、芙蓉矿区的无烟煤都很出名，而福建省的五个矿务局几乎全部为 Vr≤5%的低挥发分无烟煤。据调查了解，目前全国已有23个省市（约400个矿）大量开采无烟煤资源，并用作工业锅炉燃料。无烟煤表面具有明亮的黑色光泽，燃烧时仅有很短的青兰色火焰。无烟煤按其着火程度分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类无烟煤中，Ⅱ类无烟煤燃烧化学性能差、热传导能力低，着火非常困难，燃尽也极为不易。

Ⅱ类无烟煤的主要特性是：

（1）炭化程度高，挥发分极低，一般Vr为2%～4%，燃烧化学性能差，热传导能力低，燃烧速度低，着火温度高达 900℃ 以上（Ⅰ类约 800℃ 、Ⅲ类约700℃）。

（2）细屑煤末多，0～3 mm 煤屑占70%以上，煤颗粒粒径＜1mm 的占40%以上。

（3）质硬而脆，燃烧时会爆裂成粉末，折算水分Wzs＜3%，灰熔特性温度t1～t2=1100℃～1450℃，硫分较低，发热量较高。

由于Ⅱ类无烟煤质硬且细碎，在高温的炉膛内还会爆裂成更细的煤屑，故在运行中实际的微细颗粒比原来要多，燃烧中的飞灰量很大，如何提高飞灰的燃尽程度是至关重要的问题。采用循环流化床锅炉燃用Ⅰ类无烟煤的炉膛结构、燃烧组织、分离器形式、物料循环系统和防磨损等的设计必须有特别的技术措施。

3 锅炉结构特点

锅炉采用双锅筒横置式M形布置，螺旋给煤机并列布置在炉前，燃煤由滑差变速电机带动给煤机正压送入循环流化床内。从送风机出来的冷空气经热管空气预热器加热至150℃左右。经热风道大部分进入等压风室，流经布风板小风帽进入流化床参加燃烧，另一部分作为播煤风，回料风及二次风进入炉膛参加燃烧。所产生的烟气先后流经密相区、稀相区、凝渣管、U形惯性分离器烟道、组合式旋风分离器、燃尽室、对流管束、最后流经I级省煤器、热管空预器、Ⅱ级省煤器和除尘器后由烟囱排入大气。

3.1 炉膛设计

针对Ⅱ类无烟煤着火温度高，煤末比例大的特性在炉膛设计时，要创造两个高效燃烧炉膛的条件：

（1）保证整个炉膛自下而上的温度始终保持在Ⅱ类无烟煤着火温度（900℃以上），以确保在不结焦的前提下煤颗粒沿整个炉膛高度处于着火燃烧状态。要保证反应活性差的Ⅱ类无烟煤的高效燃烧，保持适宜的床层和整个炉膛温度水平是至关重要的。该锅炉在各种负荷下运行时，沸下温度在1030℃～1060℃，稀相区上段温度在930℃～990℃，炉膛出口温度在900℃左右。

（2）保证微米级的灰粒（高中温分离器不容易分离下来的细小飞灰粒子）在炉内有一定的停留时间。因为较大的煤颗粒能被高温分离器分离下来，重新进入炉内循环燃烧，炉内停留时间很长，燃尽率高；而微小飞灰颗粒所占的比例不少，但其经过高温炉膛的机会只有一次，此后就被烟气带走，因此尽可能提高这部分飞灰中炭的燃尽程度，是提高锅炉热效率的关键因素之一。为此采取了下列设计措施：

1）对于难燃的低挥发分Ⅱ类无烟煤的工业锅炉不宜采用高速循环床，而只能采用低倍率循环床，保持较少的循环物料是合适的。流化速度的选取十分重要，因为不同的流化速度首先会影响燃煤的停留时间，不但会影响燃煤一次通过炉膛能否燃尽的最大颗粒径，而且会影响循环物料的燃尽程度；其次不同的流化速度，煤燃烧释放出的热量沿炉膛高度的分布也不同，特别是密相区和稀相区之间的热量分配比例不同。显然，密相区流化速度较低时，大量燃煤在密相区内燃烧。为了保持合适的密相区温度，可在该区布置较多的埋管受热面，当密相区流化速度较大时则不布置埋管受热面，而在稀相区布置较多的水冷壁。密相区和稀相区较低的流化速度加上较高的炉膛，可使煤粒的停留时间延长，提高燃尽程度。

该锅炉设计了较高的炉膛高度。密相区布置了埋管受热面，其流化速度为3.1m/s左右，稀相区流化速度为2.4m/s，这样煤粒在高温炉膛内停留时间达4s多。足够的炉膛高度可有效提高燃料的燃尽率，降低飞灰含炭量，保证较高的燃烧效率。

2）采用正压给煤，这样新加入的冷态燃料与密相区炽热燃料混合并可迅速加热到着火温度以上。为保护给煤机头部不被烧坏和避免煤进入炉内堆集及提高燃烧效率，给煤机头部外壳加装了播煤二次风。布风板纵向采用不等开孔率的小风帽，使得密相区燃料形成炉内循环，有助于延长煤在炉内高温区的燃烧时间，进而有利于提高飞灰的燃尽程度。

3）密相区布置有斜横埋管，额定负荷下，实际运行时，密相区沸下、沸上温度均在1000℃～1060℃，分离器分离下来的灰颗粒用热风输送亦在沸上处进入循环燃烧，在沸上与稀相区下部间炉膛不布置受热面，稀相区中上部只在前后墙布置水冷壁，而两侧墙不布置水冷壁，形成了有一定高度的炉膛卫燃带。炉膛内衬用高铝耐火砖，在内外墙耐火砖与红砖之间的间隙用25mm厚的硅酸铝纤维毯，增加了保温效果，使得炉墙壁外表面温度大为降低，减少了散热损失。这样炉膛设计保证了整个炉膛温度始终保持在Ⅱ类无烟煤的着火温度900℃以上，形成了高温高效燃烧炉膛。

3.2 灰粒分离循环系统设计

该锅炉灰粒分离循环系统有三级，第一级是炉膛出口的U形惯性分离器；第二级是组合式旋风分离器；第三级是对流管束下部烟气转弯惯性分离室。前二级属高温分离。这三级分离器分别与立管和回料器组成5个独立的灰粒循环系统并均用热风送入密相区或密相区上方高温区内循环燃烧。由于三级分离均采用高、中温炉内分离循环方式，有较高温度的灰粒用150℃左右的热风送入炉内密相高温区燃烧，其效果是十分显著的。

3.3 防磨设计

国内外的循环流化床锅炉研制过程中都会碰到某些部件磨损和防磨设计的问题。该设计从多方面入手，防磨水平提高或减轻磨损程度以提高受热面和炉墙的使用寿命。

对流受热面的磨损和物料浓度、烟气流速成正比，而埋管受热面磨损的影响因素很多，其机理尚不完全清楚，但流化速度对磨损有直接影响。因此该设计采用较低的流化速度。密相区横埋管用厚壁的φ60×8mm的锅炉管，凝渣管和“U”形上行段水冷管易受磨损部位用Ф60×5mm锅炉管并焊上Ф13mm防磨圆钢。

为防止砖墙内表面及砖缝磨损，设计时在整个炉膛及U形段等后面几个部位涂上科光871高温胶泥，如在密相区周围内墙壁上涂一层5～100mm的LS-8高温胶泥，分离器元件间用LS-硅，U形段及各隔墙砖缝也用871高温胶泥。这种高温胶泥具有在低温状态时以化学黏结为主，以及在高温状态时以陶瓷烧结为主的双重黏结功能，并且高温性能好，黏接力强，抗热震，耐磨擦，防腐蚀。

3.4 采用热管空气预热器

在两级省煤器之间布置有热管空气预热器，热管向上倾斜10°。烟气段长1.5m，空气段长1.2m，光管规格为Ф32mm，纵向l0排，横向26排，总受热面积35.29m2。热管空气预热器与列管式空气预热器相比，热管是高效传热元件，其传热量可增加2～3倍，而且结构十分紧凑。同时由于热管管壁温度较高，对防止低温腐蚀和黏结性积灰十分有利。该锅炉采用热管空气预热器，热风达到150℃左右；作为一次风、回料风、播煤风和二次风，对促进无烟煤稳定燃烧是有利的。

4 锅炉的主要特点

该锅炉采用了一系列特别的技术措施，尽可能多地将较粗煤颗粒在炉膛内实现内循环。对于被气流带出炉膛的细颗粒，通过高中温分离装置和回料器输入炉膛实现多次循环燃烧，以提高煤粒的燃尽程度，从而解决了Ⅱ类无烟煤在循环流化床锅炉上着火、燃烧和燃尽等技术难题，并同时降低了锅炉出口的烟尘浓度，在环保方面取得较好的效果。经测试，燃用Ⅱ类无烟煤时锅炉热效率＞80%，烟尘排放浓度等指标均达到国家标准的有关要求。

5 结语

SHXF20-1.6-WⅡ型Ⅱ类无烟煤循环流化床锅炉，针对无烟煤的燃烧特性和节能、环保的要求，采用较高炉膛及较低空截面气速，在密相区布置合适数量的埋管受热面及采取其它防磨措施，布置U形惯性分离器和组合式旋风分离器、热管空预器等技术措施，形成了高效燃烧炉膛，燃烧Ⅱ类无烟煤时取得显著的节能和环保效果，为广大无烟煤、劣质烟煤锅炉用户提供了一种高效、节能、环保的锅炉产品。

Design and Application of Energy Saving for Circulating Fluid Bed Boiler of Blind Coal

HUANG Rong-jie
(Guangxi Liuguo Boiler Manufacture Co., Ltd, Liuzhou Guangxi 545005, China)

Based on the characteristics of II kinds of blind coal, the paper analyzes and probes into the higher hearth and lower section air speed adopted in the design of energy saving of 20t/h blind coal boiler aimed at low volatilization and circulating fluid bed as well as technical measures of environmental protection of heated surface of burying pipes in enclosed area.

circulating fluid bed boiler; structure; energy saving; design; technical measure

TK229.6+1

A

1006-5377（2010）12-0024-04

黄荣捷，男，高级工程师，主要从事Ⅱ类无烟煤和燃油燃气高效节能工业锅炉的研究与设计。参与研制的 8个项目均获福建省科学技术进步二、三等奖，2000年获第五届福建青年科技奖。