循环流化床有机热载体锅炉技术综述

谢国利，庞乐民，钦 峰，向夏楠，何 燕

（1.湖州市特种设备检测中心，浙江 湖州 313000；2.湖州炜业锅炉容器制造有限公司，浙江 湖州 313000）

能源与环境，是当今社会发展的两大问题。我国是产煤大国，也是用煤大国，煤在我国的一次能源构成中，占据着绝对主要的地位。煤炭中又有84%直接用于燃烧，因此燃煤工业锅炉，仍将是工业锅炉的主导产品。

随着经济的发展，环境品质标准的不断提高，环境压力的增大，国内对各种清洁煤技术的需求进一步增长。洁净、高效地开发利用煤炭资源，将成为我国的必然选择[1]。

对目前社会上普遍应用的燃煤有机热载体炉而言，其燃烧方式均为层燃方式（即手烧固定炉排、往复炉排、链条炉排等），这种燃烧方式技术成熟、便于实现，但存在着燃烧效率低、煤种适应性差等诸多不足。同时链条等机械化炉排构造复杂，金属耗量多，运行故障多。

循环流化床（CFB）锅炉，以其特殊的流体动力特性，使炉内的质量和热量交换非常充分，未燃尽的燃料颗粒，通过多次循环，延长其在炉内的停留时间，燃烧中多次参与床层中剧烈的质量和热量交换，十分有利于燃料的燃尽，故其燃料的适应性较好，对于高灰分低热值的劣质煤而言，也可获得经济而稳定的燃烧。同时，炉内燃烧温度相对较低，可以抑制氮氧化物的生成，可方便采取脱硫措施，降低排放[2]。

有鉴于此，国内诸多大专院校、科研单位、锅炉制造厂家和用户，均在有机热载体锅炉领域进行流化床燃烧技术的尝试，并对循环流化床的流动特性、传热特性、燃烧特性进行深入的研究和试验，并开发出不同特色的循环流化床有机热载体炉。

1 循环流化床有机热载体炉

1.1 n型炉管流化床有机热载体锅炉

如图1所示，为山东某锅炉制造单位设计的n型炉管流化床有机热载体锅炉[3]。

图1 n型炉管流化床有机热载体锅炉

该锅炉辐射受热面采用n型管结构，可根据设计需要，在一定的空间布置多层n型管。其中，靠近炉膛内侧的n型管，是双面爆光的油冷壁，其吸热量为单面的2倍，整个外表面上，都能接受炉膛火焰的高效辐射，强化了传热效果，有效降低了锅炉本体钢材耗用量。该锅炉的炉膛由沸腾层和悬浮室组成，即采用惯性分离的方法。

该锅炉结构简单，布置方便，惯性分离器与锅炉匹配性好，热惯性好，流动阻力一般也不大。但是，惯性分离器分离效果欠佳，流化床物料循环质量往往难以保证[4]。

1.2 纵向膜式壁管流化床有机热载体锅炉

另外，国内某锅炉企业，还研发出了纵向膜式壁管流化床有机热载体炉[5]。与螺旋盘管作为辐射受热段不同，该锅炉由纵向膜式壁管围成辐射传热空间，燃烧室产生的高温烟气由下向上高速流动，膜式壁管内的导热油沿管壁由下向上以大于2 m/s的速度流动，并与高温烟气完成热交换。中部，高温烟气经过旋风分离器，向上转弯进入右侧对流室，在分离器内旋转分离出来的煤灰向下流动，回到燃烧室进一步燃烧，完成一个循环过程。所布置的旋风分离器，分离效率在97%～98%之间，分离效果比n型管锅炉有明显提高。对流传热部件的多组对流管束与烟气对流换热，下部为空气预热装置，回收余热。被加热的热空气送到左侧的燃烧室内，以利于燃烧。

采用膜式水冷壁，能使炉膛具有良好的密封性，减少了漏风。同时，由于采用敷管炉墙（管承炉墙），炉墙的全部重力由悬吊的水冷壁支撑。并且，由于水冷壁吸收大量辐射热，使炉墙内壁温度大大降低，因此炉墙的厚度和总质量可以减小[6]。

该种锅炉的缺点是，因炉膛内未布置传热系数高的埋管埋管受热面，需采用增大炉膛出口过量空气系数的方法控制炉内温度，但该举措因燃料在炉内的停留时间减少，将导致固体不完全燃烧热，损失增大，且烟气量过多，也会导致排烟热损失增加，甚至可能会引起分离器超温，并伴随着炉膛温度过高，容易产生有害气体等问题[7]。

图2 纵向膜式壁管流化床有机热载体锅炉

2 循环流化床油水双介质锅炉

上述两种以有机热载体为单一工质的循环流化床锅炉，尽管采取了一些提高热效率的方法（如增设空预器等），但因有机热载体的加热温度往往较高，尾部受热面对流换热后，锅炉排烟温度仍较高。为克服该问题，国内科研单位和制造厂家，研发出了多种循环流化床油水双介质锅炉。该种形式的锅炉与普通循环流化床的最大区别，在于其两部分，分别为蒸汽（热水）锅炉部分及有机热载体炉部分，即同时接入以水（蒸汽）为工质的低温供热系统。

2.1 油水双介质循环流化床工业锅炉

如图3示，某锅炉厂开发了一种油水双介质循环流化床工业锅炉[8]。

图3 油-水双介质流化床锅炉

经过软化处理的水，先进入省煤器进口集箱，均匀地分配给省煤器管束，并与经过对流换热的烟气进一步换热，再从省煤器出口集箱排出，进入埋管进口集箱，各埋管管束直接伸入炉膛，与高温火焰直接换热，最终从热水出口集箱接至热用户。为减少埋管磨损，提高埋管使用寿命，选取壁厚较大的埋管，并且在埋管四周焊接鳍片，借此增加水冷壁温度，降低炉膛温度，即有效克服了纵向膜式壁管流化床锅炉的缺点。

而对有机热载体锅炉部分而言，有机热载体经热媒循环泵输入进口集箱，进口集箱连通对流受热面（含多支对流管组，以增加对流受热面积，起到分流作用），对流管束与高温烟气换热后，进入对流出口集箱，后通过连通集箱，将热载体导入辐射进口集箱均匀地分配给各辐射管，辐射管盘旋环绕而上，围成密闭的矩形炉膛。管子的向火面共同组成辐射受热面，加热有机热载体。工质最终进入顶上集箱，通过顶棚管到达出口集箱，在接至用户换热，继而再返回重新加热。

该锅炉因烟气经过对流管组、省煤器管束和空气预热器换热，能进一步降低排烟温度、提高热效率。

有机热载体炉上采用循环流化床技术，要特别注意的，就是克服磨损，一旦磨损爆管，损失将十分巨大。相对于尾部对流受热面磨损问题，已有成熟的技术而言，炉膛磨损至今仍是国际上的研究课题之一，故对炉膛内布置介质为有机热载体管壁的炉型，仍应慎重选择[9]。

2.2 热汽联产循环流化床工业锅炉

笔者通过对一种热汽联产循环流化床锅炉（DHX4-1.25-WII+YXL-12 000MW型）进行制造监督检验期间，对该种锅炉积累一定认识。鉴于上述各炉型的流化床锅炉均存在一些缺点和不足，故对此新型流化床锅炉进行介绍。

图4所示锅炉，也由有机热载体锅炉和蒸汽锅炉两部分构成。对于有机热载体锅炉，热载体经热媒循环油泵输入进口集箱，集箱连通对流受热面。对流管束与高温烟气换热后，进入对流出口集箱，再接至热用户换热，继而再返回重新加热。

图4 DHX4-1.25-WII+YXL-12 000MW型热汽联产循环流化床工业锅炉

对于蒸汽锅炉部分，其经软化处理的水，先进入省煤器进口集箱，均匀分配给省煤器管束，使之与对流换热后的烟气进一步换热，再从省煤器出口集箱排出，进入埋管进口集箱，各埋管管束、膜式水冷壁在炉膛内与高温火焰直接换热，最终从汽包接至热用户。在埋管上施焊鳍片，并增加壁厚以防磨。

尾部的对流管上均布置防磨片，以减弱烟气对管束的严重冲刷。该锅炉除具备油水双介质流化床锅炉的各项优势外，因炉膛内工质为水和蒸汽，更能保证安全运行的要求。

3 结束语

有机热载体炉与蒸汽锅炉相比，由于其运行时压力低，温度高，安全可靠，供热稳定，温度调节精确，节约能源，能短期收回投资，因而被越来越多的工业用户采用。而流化床与有机热载体炉结合的创新设计，也成为了工业锅炉领域的一个热点。本文介绍了几种不同型式的流化床有机热载体炉，总的来说，该类炉型的开发必须克服两个关键障碍：一是如何有效克服磨损，二是如何合理增设尾部受热面。文中介绍的DHX4-1.25-WII+YXL-12000MW型热汽联产循环流化床锅炉，因其技术先进，性能优越，经济效益明显，且能有效地克服以上关键障碍，具有非常大的潜力和竞争力，是值得推广的产品。

[1]吕俊复，张建胜，岳光溪.循环流化床锅炉运行与检修[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[2]黄荣捷.Ⅱ类无烟煤循环流化床工业锅炉的研制探讨[J].中国环保产业，2006，(2)：34-37.

[3]张文玉，吕春香，刘晓飞.流化床有机热载体锅炉的设计开发[J].工业锅炉，2010，(1)：25-27.

[4]冯俊凯，岳光溪，吕俊复.循环流化床燃烧锅炉[M].北京：中国电力出版社，2003.

[5]牟春涛，张文国，史文彬，等.循环流化床导热油炉[P].中国：N201811432U，2011–04-27.

[6]张 力.电站锅炉原理[M].重庆：重庆大学出版社，2009.

[7]薛晓垒，卢啸风，刘汉周，等.我国中小型循环流化床工业燃煤锅炉存在的问题及分析[J].工业锅炉，2010，(1)：13-16.

[8]李守泉，李 平.流化床油水双介质循环锅炉[P].中国：CN201672675U，2010-12-15.

[9]张保平，孟 庆.循环流化床在导热油加热炉方面的设计开发[A].中国机械工程学会工业炉分会第八届全国工业炉学术年会论文集[C].烟台：中国机械工程学会，2011.209-217.