300 MWe节能型循环流化床锅炉的设计与运行

汪佩宁,蔡润夏,柳成亮，苏 虎,张 缦，杨海瑞

(1.清华大学热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084；2.山西国峰煤电有限责任公司，山西 汾阳 032200；3.东方锅炉厂(集团)股份有限公司 技术中心，四川 成都 611731)

300 MWe节能型循环流化床锅炉的设计与运行

汪佩宁1,蔡润夏1,柳成亮2，苏 虎3,张 缦1，杨海瑞1

(1.清华大学热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084；2.山西国峰煤电有限责任公司，山西 汾阳 032200；3.东方锅炉厂(集团)股份有限公司 技术中心，四川 成都 611731)

依照清华大学提出的定态设计理念及基于流态重构的节能型循环流化床(CFB)锅炉技术，东方锅炉集团公司完成了采用节能型设计的1 000 t/h循环流化床锅炉产品的制造与安装。该产品已在晋能集团国峰电厂投运，运行结果及各项测试数据表明：与采用相似设计参数的传统循环流化床锅炉相比，采用节能型设计的循环流化床锅炉可以在更低的床压降下运行，厂用电率更低，受热面磨损更小；二次风出口位置颗粒浓度更低，二次风穿透更深，飞灰含碳量、SO2排放可以得到有效控制；受益于炉内还原性气氛的构造，NO排放相较于燃用类似煤种的传统循环流化床锅炉也大为降低。

循环流化床锅炉；节能型；低床压降；低NO排放

循环流化床(CFB)燃烧技术是一种在我国劣质煤燃用领域获得广泛应用的清洁煤技术，其近些年来的发展主要集中在两个方面：高参数大型化及低能耗低排放。随着CFB锅炉可用率、可靠性的提高，以及更为严格的排放标准的颁布实施，节能减排日益成为CFB燃烧技术面临的主要挑战。就经济性而言，传统CFB锅炉与煤粉炉相比仍存在较大差距，比如供电煤耗平均要高1%～3%、厂用电率则要高2%～3%[1]；在污染物排放方面，CFB锅炉由于炉内脱硫的采用及更低的NO原始排放而表现出的在污染物控制成本方面的优势，也随着排放标准的日趋严格而受到挑战。

针对上述问题，清华大学基于自身在理论研究和工业实践方面取得的经验与成果，在定态设计理论的基础上[2]，提出了基于流态重构的节能型循环流化床锅炉技术，并形成了全套的设计导则及计算方法。此前于小容量CFB锅炉上的工程实践已实现低能耗、低污染排放的优异性能[3-5]。东方锅炉集团公司完成采用节能型设计的1 000 t/h循环流化床锅炉产品的制造与安装，并在晋能集团国峰电厂投运。

1 节能型循环流化床锅炉设计理论

循环流化床锅炉炉膛作为一种气固垂直流动系统，炉膛内的气固流态及与之相关的颗粒浓度轴向分布对于炉内燃烧、传热、传质性能有着决定性的影响。CFB锅炉炉膛内的气固流态可以认为是由炉内有效床料构成的快速床及底部无效床料构成的鼓泡床叠加形成的复合流态[6]。所谓有效床料，即终端速度小于流化风速，能够使物料循环，直接影响炉内传热系数及受热面布置的物料颗粒。无效床料则是终端速度大于流化风速，只能在炉膛底部形成鼓泡床或湍动床，几乎不影响炉膛传热性能的部分颗粒[7]。所谓流态重构，是指利用快速床的多态性，在维持炉膛上部颗粒浓度及与之相关的传热性能的前提下，通过优化床料质量，减少无效床料，达到减小风机压头、降低厂用电率、减轻受热面磨损的目的。

实现流态重构的关键在于床料质量的优化，而床料质量是由炉内物料平衡决定的，即流态重构需要通过炉内物料平衡的迁移来实现[8]。具体而言，需要的条件如下：

1)分离器具有足够高的分离效率，以保证锅炉对有效床料的保存能力；

2)配有优化的物料回送装置，以防止气体反窜对分离器效率的不利影响；

3)合理控制入炉煤粒度，以保证其成灰主要集中在有效床料的粒度范围[9]。

此外，在炉内的物料浓度分布、传热系数及燃烧份额分配等方面，流态重构将使得节能型CFB锅炉与传统锅炉有较大差别。因此，需要重新调整受热面布置面积和布置形式，以满足锅炉的性能要求[10]。

流态重构同样会对二次风穿透深度、炉内氧化还原气氛分配产生深刻影响，进而影响锅炉燃烧效率及污染物排放水平。清华大学节能型循环流化床锅炉技术建议减少二次风层数以增强二次风刚度，提高其穿透深度[11]；调高二次风高度以保证燃料在一次风区还原性气氛下的停留时间，保持低NO生成[12]。

2 节能型300MWe CFB锅炉简介

2.1 锅炉设计规范

该锅炉的设计参数如表1所示。

表1 锅炉设计参数

2.2 燃料特性

该炉设计煤种为当地烟煤，其特性如表2所示。干燥无灰基挥发分高达30%，收到基水分为9.2%。

表2 煤种特性

注：燃料的入炉粒度范围为：0～9 mm，d50=1.5 mm。

循环流化床中，参与物料循环的有效床料主要是来自于煤中的灰和脱硫剂。因此，CFB锅炉的物料平衡主要取决于灰的平衡[8]。对于低床压降下运行的CFB锅炉，由于床存量的降低，无效床料通过退档现象转化为有效床料的过程将受到限制，物料平衡对于煤的本征成灰特性将变得更为敏感。基于磨耗和碎裂对煤最终成灰的粒径分布的影响是相互独立的，清华大学提出了静态燃烧和冷态振筛的方法开展煤种成灰特性的实验研究[9]，依此得到了设计煤样的成灰特性，如图1所示。

图1 华宝中煤的成灰特性

华宝中煤的灰分含量约为41.5%，低位热值为14 510 kJ/kg，挥发分含量较高，燃烧剧烈，热应力及挥发分析出会导致剧烈爆裂现象。由图1可知，在0～500 μm档的煤颗粒成灰中，100～300 μm 的份额占64%，其余各档成灰在100～300 μm的份额也往往大于10%。因此，华宝中煤的成灰性能较好，但受给煤粒度的影响较大。通过合理控制给煤粒度，应该可以满足低床压降运行时锅炉对循环流率及炉膛上部颗粒悬浮浓度的要求。

2.3 锅炉基本结构

该锅炉为亚临界、单汽包、自然循环、循环流化床锅炉，主体结构由膜式水冷壁炉膛、3台冷却式旋风分离器和尾部竖井组成，每台旋风分离器下方各布置一台一进二出结构的U型回料阀。8个给煤口在前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置。6个排渣口布置在炉膛后墙水冷壁下部，分别对应6台滚筒式冷渣器，如图2所示。

图2 节能型300 MWe循环流化床锅炉的基本结构

循环流化床锅炉能够进行流态迁移的关键在于新的物料平衡的构筑。CFB锅炉作为一进二出的开口系统，其物料平衡及与之相关的物料粒度、浓度分布是由给煤粒度及成灰特性、分离器效率、排渣粒度特性、料腿反窜控制、流化风速选取等综合作用的结果[6]。即是说，节能型设计对锅炉上述部件的性能提出了更高的要求。

2.4 主要技术特点

为保证系统对有效床料的保存能力，该锅炉分离器采用结构优化以获得更高的分离效率。通过优化返料风量，在保持回料阀高流率返料能力的同时，降低料腿内的气体反窜量，避免气体反窜对分离效率的影响。此外，通过二次风口及风道布置设计优化，增强二次风喷射刚度，提高其穿透深度，抑制炉内贫氧区的形成；同时，上移上、下二次风口高度，优化炉内氧化还原气氛的分配，以获得更低的污染物排放。

为保证锅炉在低床存量下仍能满足炉膛传热的要求，节能型CFB锅炉需要在新的流态、新的气固悬浮背景下对炉内燃烧份额分配、传热系数选取进行重新考虑，并据此安排受热面布置面积及布置形式。该锅炉前墙布置有6片中温过热器管屏、6片高温过热器管屏、6片高温再热器管屏及1片水冷隔墙，后墙布置2片水冷蒸发屏。

3 锅炉实际运行性能

目前，该节能型1 000 t/h CFB锅炉已经在晋能集团国峰电厂投运数月有余，整体运行状态良好，各项参数与设计值基本吻合。

3.1 低床压降运行

该锅炉由于采用了节能型设计，可以在较低的床压降下运行。床压降的降低显著地降低了风机压头，使得风机能耗大幅降低。如表3中所示，维持负荷在220 MWe附近，床压降由9.57 kPa降低至6.64 kPa，一次风机能耗可以降低21%；由于二次风出口位置颗粒浓度降低，二次风机背压降低，风机能耗也同样略有下降。同时，由于节能型CFB锅炉床料平均粒径较细，床存量的降低对稀相区颗粒浓度的影响有限，表3中稀相区压差仅略有降低。与之对应的，床温在降低床存量后略有升高。受益于二次风出口背压的降低，二次风穿透深度随之增加，炉内燃料与氧气的混合得到加强。因此，飞灰含碳量随床压降的降低而有所下降。床压降的降低并未显著改变炉内NO的生成量，且NO排放水平始终维持在100 mg/Nm3以下。

表3 节能型300MWe循环流化床锅炉低床压降运行

3.2 一、二次风运行优化

对于该节能型CFB锅炉，在低床压降运行的前提下，通过优化其一、二次风配比，锅炉性能有望得到进一步的提升。得益于节能型CFB锅炉炉内更高的床料质量，该锅炉在二次风率较高的条件下依然可以维持足够的物料循环，保证锅炉正常的带负荷能力。如表4所示，二次风率升高后，稀相区压差仅略有下降，床温有所升高，但依然可以满足锅炉的负荷要求。此外，二次风的增加提升了二次风的穿透深度，加强了炉内的气固混合效率，使得飞灰含碳量有所降低。另外，由于二次风机出口压力远小于一次风机，二次风率的增加在一定程度上还可起到降低风机能耗的效果。

表4 节能型循环流化床锅炉一、二次风运行优化

3.3 污染物排放控制

该锅炉燃用煤种含氮量为1.15%，如表3、表4所示，在不同运行工况下，NO排放量始终低于100 mg/Nm3的排放标准。在进行168 h满负荷运行条件下，NO原始排放可以控制在59 mg/Nm3左右，显著低于燃用类似煤种的传统循环流化床锅炉。造成这一现象的原因与节能型设计的CFB锅炉内存在更强的局部还原性反应气氛有关。更低的床料粒径将使得密相区气泡相与乳化相间的传质阻力加大，增强了乳化相中的还原性气氛；另一方面，由于粒径更细的颗粒更倾向于团聚，再考虑到流态重构往往会使稀相区颗粒浓度相较于传统流化床锅炉更高，因此，采用节能型设计的CFB锅炉稀相区往往存在更多的颗粒团，颗粒团内部由于燃料颗粒的富集往往处于还原性气氛下，从而抑制了NO的生成[12]。

该锅炉燃用煤种含硫量为1.57%，属高硫煤种。因此，在采用炉内脱硫的同时，还加装了半干法脱硫装置，以保证锅炉污染物排放达标。因为尾部烟气脱硫装置的存在，实际运行中炉内脱硫的负担得以减轻，无需全力运行，其喷钙脱硫钙硫比往往小于1.5。如表4所示，在这样的运行条件下，二次风率的升高带来了脱硫塔入口SO2浓度的降低。造成这一现象的原因可能与二次风穿透深度随二次风率的增加而增加有关。二次风穿透深度增加，氧气与石灰石的接触效率随之提升，从而使得炉内脱硫效率升高，脱硫岛入口SO2浓度降低。

4 结 论

1)对采用节能型设计的某1 000 t/h循环流化床锅炉的实际运行性能进行实践研究，其结果表明，基于流态重构的循环流化床低床压降运行技术有助于减少风机能耗，降低CFB锅炉的厂用电率，减轻磨耗；

2)低床压降运行有助于提高二次风穿透深度，降低飞灰含碳量，提高锅炉燃烧效率；

3)一、二次风的运行优化有助于提升节能型CFB锅炉的性能表现；

4)更高的二次风率有助于加强炉内氧气与脱硫剂的混合，提高脱硫效率；

5)成功的流态重构有助于优化炉内氧化还原气氛的分配，降低NO的原始排放。

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(责任编辑 张 凯 校对 佟金锴)

Design and Operation of a 300 MWe Low Energy Consumption CFB Boiler

WANG Pei-ning1,CAI Run-xia1,LIU Cheng-liang2,SU Hu3,ZHANG Man1,YANG Hai-rui1

(1.Department of Thermal Engineering,Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry Education,Tsinghua University,Beijing 100084; 2 Shangxi Guofeng Coal Power Plant Co.Ltd.,Fenyang 032200,Shanxi Province;3 Dongfang Boiler (Group) Co.Ltd.,Chengdu 611731,Sichuan Province)

Based on the concept of State Specification Design Theory and Low Energy Consumption (LEC) CFB Technology,a 300MWe LEC CFB boiler had been designed and installed by Dongfang Boiler Group Co.,Ltd.and was put into operation in Guofeng Power Plant,Jinneng Group Co.,Ltd..The operation performance of this CFB boiler demonstrated that the LEC design could not only make the boiler operate with a lower bed pressure drop and a lower energy consumption,but also lessen the formation of NO and enhance the performance of pollution control of CFB boilers.

Circulating fluidized bed boiler;Low energy consumption;Low bed pressure drop;NO formation

2016-09-04

国家科技支撑计划项目(2012BAA02B01)；科技部国际合作项目(2011DFA60390)

汪佩宁(1991-)，男，甘肃会宁人，博士研究生。

杨海瑞(1972-)，男，北京人，教授，博士，博士生导师，主要从事循环流化床锅炉相关研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.004

TK229.6

A

1673-1603(2016)04-0308-06