循环流化床锅炉低床压防磨控制手段研究

宫立志

（中国石油吉林石化分公司，吉林吉林201608）

循环流化床锅炉低床压防磨控制手段研究

宫立志

（中国石油吉林石化分公司，吉林吉林201608）

在环保控制日趋严格的形势下，火力发电行业中，循环流化床锅炉因低污染物排放而备受关注。但是，循环流化床的磨损失效问题始终制约着其长周期运行，当前多采用防护、缓冲、特种金属材料等被动防护手段减缓主要换热面磨损。分析磨损的根源因素，讨论如何采取主动控制手段延缓锅炉磨损，以延长锅炉运行周期。

循环流化床锅炉；低床压；磨损

0 前言

近年来，我国制定和颁布了《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国大气污染防治法》等法律法规，以防范和控制环境污染问题，保护我们赖以生存的自然环境。生活过程中的能源消耗产物和各行业生产过程中的3废排放，均会对环境造成影响。工业生产中对大气污染最为严重的是的火力发电生产，自2012年1月1日起《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223——2011）开始执行，对火力发电厂NOx，SO2，DST等污染物排放控制指标进一步降低，汞排放控制也有所要求；2015年12月2日，国务院常务会议决定，在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，其中东、中部地区要提前至2017年和2018年达标，超低排放已经开始全面推行。可见，在当今乃至未来较长时期，环保排放都将是生产经营单位亟待解决的问题或有持续提高的要求，相应的对电力生产将有更加严格的要求，火电锅炉的清洁生产和低污染排放控制已经成为电力企业生产经营的重点工作之一。

在污染物排放控制方面，循环流化床锅炉有着突出的优势，循环流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）锅炉具有较大优势，尤其在氮氧化物、二氧化硫等污染物生成控制方面有更突出的表现，一般流化床锅炉工艺条件要求炉膛燃烧温度在850～950℃，这恰好与炉脱硫脱硝最佳反应温度850～1100℃相匹配。但是与煤粉炉相比，其长周期稳定运行能力有明显不足。例如，磨损失效问题涉及到灰渣冲刷磨损、蒸汽冲刷磨损、振动摩擦磨损等；过热失效问题涉及到水循环系统、蒸汽循环系统等；辅助设备安全运行问题涉及到转动设备故障问题、燃烧设备故障问题等；工艺控制因素涉及到床压、汽温、汽压偏差以及偏差控制等。这里燃烧系统的灰渣冲刷磨损是导致锅炉失效最为关键的、也是最难解决的问题。

以220 t/h循环流化床锅炉的生产实践为基础，讨论循环流化床锅炉磨损失效的原因，研究在生产过程中如何采取有效措施控制锅炉磨损，以避免计划外停车，推进锅炉长周期安全运行。

1220 t/h循环流化床锅炉基本参数

通过在运行的循环流化床锅炉看，各锅炉制造厂家由于采取的工艺和技术特点不同，其生产的锅炉运行过程中内部物料浓度差别也很大，但均能取得很好的运行效果。运行经验表明，若想取得较好的循环流化工况，应该控制1 mm以下颗粒浓度＞80%，这有利于控制风机电耗和燃料燃尽度。

表1 循环流化床锅炉的主要工作条件

2 锅炉磨损情况实例

循环流化床锅炉的工艺性要求其炉膛内部的颗粒物料持续对换热面冲刷，造成换热面磨损导致锅炉故障的问题较多。结合运行实际经验看，锅炉部件磨损主要集中在：炉膛过渡区水冷壁、无耐火耐磨浇筑料稀相区水冷壁、水冷屏或屏过管排、给煤口附近、排渣口附近、风帽磨损等等，以及炉膛内部突出部位、涡流区域、流向改变区域等部位（图1）。

图1 耐磨浇筑料的磨损和水冷壁的磨损泄漏

3 循环流化床锅炉磨损基本理论

由于循环流化床锅炉工艺要求其循环系统内部保证满足循环需要的颗粒状物料，并且要以良好的粒度级配以实现分级燃烧，颗粒物料对锅炉各受热面的磨损控制，是保证锅炉稳定运行的核心问题。针对于循环流化床锅炉磨损问题，一些热工研究单位进行了专门的研究，一般公认的，物料对管壁磨损的速率与物料运动速度、浓度和粒度有关，具体为式（1）。

式中E——磨损速率，μm/100 h

W——物料速度，m/s

D——物料粒度，mm

U——物料浓度，kg/m2·s

从关系式（1）可见，物料对换热面磨损速率与物料速度相关度最大，受物料粒度影响次之，与物料浓度关系较小。事实上为保证锅炉的良好运行，物料粒度要保证一个合理数值，实际运行过程D值是有限度的，过大颗粒不能形成快速床状态，并且其粒径达到一定尺寸后，在送风和颗粒等摩擦力作用下无法达到无浇筑料的水冷壁区域，不能对换热面造成磨损，其最直接的影响是床料流化异常，大颗粒大量沉积后造成流化风穿透、翻床甚至结焦等问题。因此，在研究过程中需要重点讨论的是物料速度和物料浓度控制问题。

4 锅炉低床压运行及其可靠性

循环流化床锅炉技术发展到现阶段，控制低床压运行是其发展趋势。在各锅炉制造企业、调试单位、电力生产企业等已达成共识，尤其在电力生产企业，从实践中积累了较丰富的经验。低床压的目的主要是控制循环物料量，按前文所述，若锅炉床压从15 kPa（静止床料量1.1 m）降至7 kPa（静止床料量0.6 m），按静止床料量分析，炉膛内循环床料减少50%，相应冲刷磨损速率要降低一倍。

（1）低床压运行的先决条件和优点。一是要保证锅炉布风板的良好性能，由于布风板上部床料量减少，布风的均匀性尤为重要，图2为布风板阻力试验的实测曲线，布风板结构（包括风帽等附属部件）是不变的，但其阻力与送风量有明显的线性关系，图2是220 t/h循环流化床锅炉布风板阻力系数K值可依测试数据按（2）式计算，计算后得K=19。（2）式中流量和风压变化量取自实测结果。K值对运行控制判断有重要意义，实际应用过程可以根据运行床压，依据系数K，计算此床压下的布风板阻力，以运行床压与布风板阻力床估算床料量。

图2220 t/h循环流化床锅炉布风板阻力曲线在线测试图

式中ΔQ——流量变化量，km3/h

ΔP——风压变化量，kPa

二是入炉燃料的粒度限制低床压运行的稳定性，如果床压过低，锅炉送风很容易穿透床层，出现沟流，尤其是入炉燃料粒度过大，在床压过低情况下，一次风对床料的流化作用减弱，床料颗（大颗粒）粒间隙增多、增大，送风直接穿透料层，造成死床状态，另外燃料挥发分迅速燃烧（观察创面，床层不动，火苗自颗粒空隙窜出），床层不流化，造成床层结焦。

三是低床压运行，床层蓄热量降低，床温不稳定性增强，燃料品质不变化时，床温会比较低，燃料的燃尽度降低，锅炉排渣一出现较多不完全燃烧成分。

四是一次风送风阻力减小，运行过程布风板阻力降低，风机电流明显降低，有利于降低风机功耗，控制生产成本。

（2）低床压运行的可靠性分析。高床压运行状况除风机功耗高、磨损严重等问题外，还有一个重要问题就是压床。图3为锅炉压床状态下的床压波动曲线。可见，床压频繁剧烈波动，波峰值为压床状态，物料流化减弱甚至局部出现不流动。这种压床很容易造成锅炉结焦、非金属补偿器损坏、风箱撕裂等严重问题。此时料层压力为9.5 kPa，与启动前冷态试验阻力比较，瞬间床料量已经达到启动用床料的两倍。锅炉基本处于不流化状态，送风勉强维持鼓泡床状态，炉膛出口温度急剧下降，锅炉负荷降低40%以上，风室压力已经达到风机额定出力，炉膛负压严重超标。

低床压运行可以更有效地保障锅炉稳定运行。运行调整中兼顾灰渣含碳损失控制、床料流化性能控制和床温均匀性控制，结合锅炉6 kPa和16 kPa工况等极限状态工艺指标情况，锅炉稳定运行最低床压控制在7～8 kPa范围较为理想。这种低床压工况相比15 kPa运行状态，循环灰量大幅减少，对控制磨损，促进锅炉长周期运行极为有利。并且，实践证实，锅炉在6.5 kPa左右床压参数下可以稳定运行。因此，关于上述提出的控制范围属于安全范围。

图3 锅炉压床状态床压波动曲线

另外低床压时，密相区和稀相区的过渡段降低，可将颗粒返混高度很好的控制在有耐磨浇筑料的区域；相应的密相区物料浓度也有明显降低，有利于给煤和回料的顺利进入炉膛；低床压运行，一般床温较低，可以有效规避结焦风险。

5 结论

所讨论的低床压运行方法是对磨损源头的控制，其与其他防磨手段配合应用，可实现锅炉长周期稳定运行，循环流化床锅炉主要换热面可以稳定运行200 d以上。锅炉故障率的下降，有利于降低检维修工作量，有利于延长锅炉使用寿命，更有利于降低生产成本。

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〔编辑利文〕

TH17

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.11