循环流化床锅炉节能潜力分析

车丹

（山西大学，山西 太原 030001）

循环流化床锅炉节能潜力分析

车丹

（山西大学，山西 太原 030001）

基于国家节能减排政策，针对现有循环流化床机组的设备及系统配置，综合分析了循环流化床锅炉及辅助系统节能改造效果和预期收益。提出了循环流化床经过炉内脱硫后，尾部烟气酸露点温度较煤粉炉偏低，在设计及运行时，可降低该类型锅炉的运行排烟温度；通过系统的燃烧调整、浅床运行、合理控制启动油耗以及相对成熟的节能改造技术，循环流化床锅炉在不进行整体参数升级，现有设备及系统配置下，节能降耗效果显著，综合采取上述节能措施后，预计可节能3～5 g/(kW·h)。

循环流化床锅炉；排烟温度；浅床运行；节能

0 引言

2015 年，我国决定全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造，大幅降低发电煤耗和污染排放，2020年前对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，使所有现役电厂平均煤耗低于310 g/(kW·h)、新建电厂平均煤耗低于300 g/(kW·h)，对落后产能和不符合相关强制性标准要求的坚决淘汰关停，东、中部地区要提前至2017年和2018年达标。在国家能耗严格要求的前提下，循环流化床机组较煤粉炉机组能耗相对较大，循环流化床机组的节能降耗刻不容缓。

1 循环流化床锅炉的排烟温度节能分析

循环流化床锅炉普遍采用炉内、炉外脱硫，入炉煤中含硫所生成的SO2经炉内石灰石脱除后，在燃用同种煤质下，炉膛出口的SO2较煤粉炉大幅度降低。基于酸露点温度的计算，锅炉最终烟道出口排烟温度的控制将会随炉膛出口SO2浓度的降低而降低[1]。酸露点温度计算公式如式（1）所示。

式中：Δtp——酸点温度计算值；

Sn——1 000 kJ/kg热值下的折算含硫量；

An——1 000 kJ/kg热值下的折算干燥无灰基挥发分量；

∂yh——飞灰占灰分比例。

基于酸点温度计算公式，以入炉煤含硫量为1.5%，发热量为14 240 kJ/kg，灰分46.5%，炉内脱硫效率85%为例，煤粉炉的Δtp为51.8℃，循环流化床锅炉为36℃，酸点较煤粉炉降低 16℃。流化床锅炉运行中，排烟温度的控制较煤粉炉低16℃。锅炉效率提高约0.9%，机组供电煤耗可降低约2.4 g/(kW·h)；同时排烟温度的降低可节约脱硫系统耗水率35%，节约引风机电耗约4%，在冬季投入暖风器时，节约蒸汽耗汽量，减少布袋除尘器的阻力，提高布袋除尘器的效率，或电除尘的除尘效率，节能效果显著。基于循环流化床锅炉酸露点温度较低，对新建机组可通过受热面及空气预热器设计降低锅炉的设计排烟温度；对在役机组在空气预热器之后、脱硫塔之前烟道的合适位置通过加装烟气冷却器，用来加热凝结水、锅炉送风或城市热网低温回水，回收部分热量，从而达到节能提效、节水效果。采用低压省煤器技术，若排烟温度降低30℃，机组供电煤耗可降低1.8 g/(kW·h)，脱硫系统耗水量减少70%。

2 浅床运行节能分析

采用浅床运行可降低一次风机的压头，降低厂用电率，同时由于降低炉膛上部快速床的物料浓度，二次风背压降低，二次风压降低，二次风机电耗降低，二次风的穿透性加强，锅炉燃烧效率提高，床层压力每降低1 kPa，每台一次风机电流降低3～4 A，二次风机电流降低1～2 A； 此外实现浅床运行后，在降低风机电耗的同时，炉膛上部较细的焦炭粒子加强了焦炭对烟气中氮氧化物的还原性，氮氧化物生成量减少。

循环流化床物料开口系多粒度平衡。据多粒度平衡原理，用终端沉降速度可以将床内物料区分为有效和无效床料。可夹带的有效床料，构成燃烧室上部的快速床和形成外部循环，影响炉膛内和外循环回路的受热面布置；不可夹带的无效床料，无法参与循环，底部密相区粗颗粒的床存量受限于粗颗粒燃料燃烬时间。

理论上，以大颗粒燃烬为限制适当降低构成循环床下部鼓泡床的无效床存量，避免多余存料量引起的不必要的风机能耗和受热面磨损是可能的。因为人为只能控制总床存量，所以可行的技术路线是提高床料质量，降低床存量，达到减少能耗和磨损的目的。对循环流化床物料平衡系统的分析证明为达到提高床质量，降低床存量必须：改进分离器的分离效率；改进物料回送装置的流动特性；注意控制燃料粒度；更新传热系数和燃烧份额分配设计导则。

浅床运行最终的床压及入炉煤粒径的控制依据煤的类型、灰分、灰的磨耗特性、燃烧爆破特性及大颗粒的燃烧速率。运行实践表明浅床运行更适合于易燃烬煤种（褐煤和烟煤）[2]，特别是褐煤，可达到较高的燃烧速率，对于贫煤及无燃煤，浅床运行可能会导致飞灰和低渣可燃物升高的问题，使锅炉的燃料特性及热稳定性变差，具体运行工况需依据煤质进行燃烧调整确定。

采用浅床运行技术后，锅炉节能效果主要体现在以下几方面。

a） 降低一、二次风风机压头，减少厂用电率。

b） 提高二次风的穿透力，提高锅炉燃烧效率。

c）较细粒径煤粒的燃烧，可降低烟气中氮氧化物的生成。

d）降低无效颗粒对锅炉的磨损。

3 锅炉燃烧调整

电厂实际燃用煤种与设计煤种差异较大时，对锅炉燃烧造成很大影响。开展锅炉燃烧优化试验，确定合理的风量、给煤粒径、一二次风配比、床压等，有利于电厂优化运行。预计可降低供电煤耗0.5～1.5 g/(kW·h)，技术成熟。现役各级容量机组可普遍采用，同时在燃烧调整时要兼顾污染物的排放及控制。

循环流化床锅炉的运行燃烧调整主要是对影响燃烧过程的燃煤粒径、床压及循环量进行优化调整。循环流化床锅炉的燃烧特点，要求入炉煤的颗粒细度有一定的范围，颗粒级配有合理的比例。其中1 mm以下颗粒份额对燃烧过程影响较大，合理值可按式（2）计算。

式中：Vdaf——入炉煤干燥无灰基挥发分；

D1——入炉煤中小于1 mm的份额。运行调整总风量及一、二次风比例的调整可以有效改善炉内风、煤及灰的混合程度。锅炉风量的调整原则是一次风保证流化和调节床温，二次风调整过量空气系数。炉膛出口的氧量一般控制在3%~4%，经济运行约3.5%，若兼顾锅炉低氮燃烧，氧量可控制在2.5%~2.8%。对床温的调节规律为：加大一次风，降低二次风可降低锅炉的运行床温。利用配风调整床温的幅度有限，一般在10~15℃，只能作为床温的辅助调节，床温的调节主要靠调节循环灰量。

在物料和床温满足运行的条件下，一次风调整的原则为满足炉内物料的流化即可。对我国单炉膛，床面面积较大的循环流化床锅炉来讲，满足长时间运行的最低流化风量为24 m3/h，但在实际运行中，为保证物料的有效携带及锅炉带负荷的要求，一次流化风量最低控制约30 m3/h。二次风量及二次风挡板调节主要准循：满足给煤燃烬所需的氧量；调节上下二次风挡板开度来调节床温、燃烬率及氮氧化物排放；满足上下二次风配比情况下，加大二次风挡板开度，降低二次风系统阻力，减少厂用电。对于特定的煤质及锅炉，正常条件下，分离器分离出来的循环灰全部进入炉膛，立管内的物料高度维持一定的自平衡状态。正常运行的返料风并不完全取决于返料风的大小，返料风应维持在合适的范围之内保证物料的正常循环。过高的返料风往往影响返料器的正常运行，特别是立管对应的上升段流化风，保证立管内的物料流化，可反送至返料阀即可，风量过大会阻碍返料灰的正常返料。实践运行结果对一进二出返料器，冷态用风，上升段1 100 m3/h,下降段1 500 m3/h；热态用风，上升段900 m3/h，下降段1 100 m3/h，风机电流为38~40 A。通过调整排渣率，降低床压运行，飞灰可燃物含量降低；但床压过低，低渣含碳量会升高，应依据不同类型煤种、煤质灰分、灰的磨耗特性及燃烧速率确定，在现场，可通过试验确定最佳床压。

4 循环流化床锅炉启动节能分析

循环流化床锅炉启动节能主要考虑在满足启动要求的同时，减小启动用油量。

4.1 利用热二次风进行锅炉辅助加热

通过二次风风道的改造，在2台炉之间增加二次风热风联络母管，并加装隔离挡板。1台机组启动时，可利用另1台热态运行炉的热二次风进行点火启动，减少冷二次风对锅炉的冷却，在同等耗油量下，可提高锅炉启动床料的温度，从而缩短启动过程中的投煤时间。

4.2 提高给水温度

锅炉启动时，在满足上水要求的前提下，尽量提高锅炉的上水温度，有炉底加热系统的锅炉要及时投入炉底加热，新建机组应设计炉底加热，缩短锅炉的启动时间，减少启动用油。

4.3 超临界循环流化床锅炉应控制保持合适的给水流量

目前，由于我国的超临界循环流化床锅炉处于初期试验阶段，为保证锅炉启动过程中水循环的可靠性，锅炉启动最低给水流量设计为30%额定蒸发量，启动给水流量设计较大，锅炉启动时床温增长慢，投煤时间长，启动时间长，启动耗油量大。通过现场的试运结果来看，在满足水冷壁壁温偏差不超过50℃的情况下，减少启动给水流量，缩短启动时间。图1为锅炉启动过程中，不同床温条件下，锅炉的最小给水流量。

图1 超临界循环流化床锅炉启动中给水流量随床温的变化曲线

4.4 选择合理点火方式

目前，循环流化床锅炉的点火方式主要有固定床点火、床上点火、床下点火、床上床下联合点火。各种点火方式的比较如表1所示。

表1 循环流化床锅炉不同点方式对比表

基于上述比较，在循环流化床运行和设计中要选择合适的点火方式。

a）优先选择床下点火方式。采用此种方式，热量利用率高；床温加热均匀；锅炉浇注料以及水冷壁受热均匀；便于对浇注料和水冷壁壁温的控制。

b）对不易着火的贫煤以及无烟煤采用床上、床下联合电点火方式，选择好投运床上油枪的时机，待床温升至400℃以上且风室温度在700~ 800℃时，此时床温温升率较低，及时投运床上油枪升温。

c）对褐煤及烟煤力求采用床下点火方式，合理安排启动时间。

5 合理安排启动时间

提前检查好油枪及其系统，减少在点火过程中处理油枪的次数。另外，外置床的投运时间也应合理安排，床温高于700℃时，迅速准备投运外置床。投运外置床前应适当增加给煤量，灰控阀开度也不易太大，开度为15%左右，以保证床温的稳定性。

汽机的配合是机组启动的关键,合理安排汽机的暖缸和冲转及带负荷是降低启动消耗和缩短启动时间的关键所在。在锅炉点火后，汽机应适时送轴封、抽真空，开高、低压旁路开始疏水，以保证锅炉、汽机前的蒸汽温度同步上升，一旦锅炉的蒸汽参数满足冲车条件即可进行冲车。避免了锅炉因汽轮机机前的温度还不满足冲车条件，就维持燃烧，提高机前温度的现象[4]。

6 合理的启动床料厚度及粒径

根据锅炉的升温升压要求，及时调整燃烧量，保证锅炉的正常升温。合理安排启动时间，启动过程中管理能耗同时添加合理的启动床料厚度及粒径。对整个系统内物料均排空的锅炉，在启动时建议添加床料800 mm，返料器为放空的情况下，添加床料启动时，建议添加床料600 mm，不易太高。根据循环物料对锅炉贡献的特点：大颗粒稳定床温，细颗粒加热锅炉，在锅炉启动添加床料时，床料添加不宜太细。若机组短期停运，重新点火时，床压较高，可通过返料器至冷渣器放灰管来降低锅内的有效物料，提高床温的温升速率，及时提高温度，缩短机组的启动时间。

7 锅炉附属系统的节能分析

7.1 锅炉受热面及风机变频改造

锅炉普遍存在排烟温度高、风机耗电高，通过改造，可降低排烟温度和风机电耗。具体措施包括：一次风机、引风机、增压风机叶轮改造或变频改造；锅炉受热面或省煤器改造。预计可降低煤耗1.0～2.0 g/(kW·h)，技术成熟。

对采用电除尘的机组可通过以下几种方式降低厂用电率。根据典型煤种，选取不同负荷，结合吹灰情况等，在保证烟尘排放浓度达的情况下，试验确定最佳的供电控制方式及相应的控制参数。通过电除尘器改造：工频电源改造为高频电源，采用低低温静电除尘器；选用旋转电极板，节电效果明显，预计可降低供电煤耗约2～3 g/(kW·h)，技术成熟。

7.2 暖风器系统节能

暖风器为锅炉防止低温腐蚀，保证排烟温度经常投运的一个系统。合理选择和投运暖风器，可提高机组整体的运行经济性。首先，在选择暖风器时，应选择运行阻力较低的暖风器，最好采用可旋转的暖风器，以便在夏季环境温度高时，解除暖风器，降低风系统的运行阻力。

其次，选用设计过冷段的暖风器，充分利用辅汽的热量，减少辅汽热能损失，同时暖风器运行调节设计采用疏水温度控制方式，提高辅汽热量的利用率。

7.3 石灰石系统的节能措施

石灰石系统的节能主要从4个方面着手。

a）依据不同负荷喷入炉内的石灰石量，通过控制输送用风的调整门，最好投入自动控制，来增加和减少石灰石系统输送压缩空气的用量，减少厂用电。

b）控制合适的石灰石粒径，延长石灰石在炉内的停留时间，加大100～500 μm范围内石灰石粉的粒径比例。

c）建议石灰石喷口加装在二次风喷口。

d）控制合适的床温，提高石灰石的脱硫效率。

7.4 锅炉本体严密性

7.4.1 疏水及减温水阀门内漏

机组在运行过程中，疏水阀门及减温水阀门易发生内漏，造成不必要的热力损失，所以对于疏水门和减温水门应重点监控。防止减温水阀门内漏，造成气温调节功能变化，热力资源浪费，疏水门的内漏是普遍的，应及时调整行程和更换损坏阀芯。

7.4.2 锅炉人孔及烟道漏风

锅炉漏风造成炉内温度降低，燃烧效率减低，排烟损失增大，引风机电耗增大。

8 结论

在国家节能降耗的前提下，特别是目前电力相对过剩的市场环境下，循环流化床机组从锅炉设计及运行角度，采取低排烟温度、低床压运行、燃烧调整、风机变频和除尘改造以及辅助系统的节能运行等措施，节能效果显著，预计综合节能3~5 g/(kW·h)。在不进行锅炉整体参数提升的前提及锅炉现有设备及系统配置下，降低循环流化床锅炉的能耗。

[1]蒋安众，王罡，石书雨，等.锅炉烟气酸露点温度计算公式的研究 [J].锅炉技术，2009，40(5)：11-17.

[2]孙献斌.循环流化床锅炉浅床运行技术及大型化分析研究[J].煤炭燃烧，2009(2)：57-59.

[3]孙献斌，黄中.大型循环流化床锅炉技术与工程应用 [M].北京：中国电力出版社，2013：231.

[4]邢秀峰，胡俊峰.循环流化床锅炉启动能耗大原因分析及对策 [J].山西电力，2012，175(5)：65-68.

Energy Saving Potential Analysis of Circulating Fluidized Bed Boiler

CHE Dan
（Shanxi University,Taiyuan,Shanxi030001,China）

Based on the national energy-saving emission reduction policies,in viewof the unit equipment and systemconfiguration of the circulating fluidized bed existing,the energy-saving effect and expected benefits of CFB boiler and its auxiliary system were comprehensively analyzed.It is pointed out that due todesulfurization in CFB boiler,the acid dewpoint temperature of flue gas is lower in CFB than it in PCboiler sothat the CFB flue gas temperature in design and operation can be lowered.After combustion adjustment,shallow bed operation,lowering start-up fuel consumption and adopting other energy saving technologies,overall parameter upgrading of the CFB boiler is not necessary.After having adopted the energy-saving measures mentioned above,with the present configuration,the energy-saving effect is remarkable,expected tosave 3～5 g/(k·Wh).

circulating fluidized bed boiler；exhaust gas temperature；shallowbed；energy saving analysis

TM621.27

A

1671-0320（2017）03-0061-05

2017-02-19，

2017-04-11

车 丹(1982)女，山西孝义人，2006年毕业于太原理工大学热能与动力专业，硕士，讲师，主要研究方向为锅炉燃烧技术。