一种节能环保型内循环流化床锅炉开发设计

谢曙光 范高峰

摘 要： 为适应国家节能环保的要求，本文介绍了一种节能环保型内循环流化床锅炉的结构、设计特点，详细说明了此类锅炉为适应节能环保进行的结构创新和优化情况，为此类锅炉的开发设计开拓了一种新思路。

关键词： 节能环保，内循环流化床锅炉，开发设计

【中图分类号】 TK229.91 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）20-0271-02

0 概述

循环流化床燃烧技术是一种新的高效节能、低污染排放的清洁燃煤技术，其主要特点是：

1）、锅炉炉膛内含有大量的蓄热物料，这些循环物料的交叉流动带来了高传热系数，利于燃料的预热、燃烧和燃尽，使此类锅炉对纯燃燃料或混燃燃料的适应性强，能够改善和优化我国能源结构。

2）、循环流化床锅炉运行温度通常在800 ℃～900 ℃脱硫温度区间，使炉内脱硫效率达到95%左右，炉内脱硫后锅炉初始SO2的排放浓度可以达到100mg/m3以下。同时在此温度下，循环流化床采用分级送风燃烧，使燃烧始终在低温低过量空气系数下进行，大大降低了NOX的生成和排放，锅炉的整体环保性能好。

3）、循环流化床锅炉还具有高的燃烧效率、可以燃用劣质燃料、灰渣易于综合利用，锅炉热负荷调节范围广等优点，因此在世界范围内得到了迅速发展。随着环保要求日益严格，循环流化床锅炉成为目前最实用和可行的高效低污染燃煤设备之一。

1、整体理论创新

虽然循环流化床锅炉具有以上优点，但在循环流化床锅炉的设计和使用过程中，仍存在燃烧效率较低，分离器的分离效率不太理想，返料系统稳定性较差，返料不易远程控制等亟需改进的共性问题。

循环流化床锅炉在国内目前存在几大流派，其中的内循环流化床锅炉是其中的一个流派，目前在用的内循环流化床锅炉因其分离器及回料通道、回料阀处于锅炉炉膛左侧，和锅炉炉膛混燃一体，因此和外置分离器相对应称为内循环流化床锅炉，此类锅炉除具有以上循环流化床锅炉的特点外，由于锅炉的床面积较大，可蓄热的燃料相应的较多，炉膛截面积相应的较大，炉膛内的流速较低，因此锅炉的燃料适应性及带负荷能力较强，但是由于本质上仍是循环流化床锅炉，因此仍具有以上循环流化床锅炉的共性问题。本文立足从内循环流化床锅炉的分离器结构优化和理论创新，返料系统的集成可控及远传，炉膛燃烧区燃烧效率的提高几个方面加以优化设计，开发出新型高效分离器、新型的可控及远传的锅炉返料技术及炉膛内漩涡流化燃烧技术，努力通过以上循环流化床锅炉燃烧、分离、返料关键部件的开发，达到提高锅炉燃烧效率，完善分离器结构进而提高分离器效率，变原来半人工控制的返料系统为全自动可远传的自动可控返料系统，从源头提高整个内循环流化床锅炉的循环可靠性和较高的燃烧效率、分离效率，同时在锅炉炉膛内通过对锅炉的二次风优化布置，通过减少一次风的供给和二次风的分层设计，提高锅炉配风的均匀性和氧气的利用率，减少锅炉燃烧时热力型氮氧化物的产生，形成了新一代的节能高效环保的内循环流化床锅炉技术，解决传统循环流化床锅炉普遍存在的可靠性、经济性、安全性较差等问题。

2、关键部件的开发设计介绍（详见附图）

1）、新型分离器的开发设计：内循环流化床锅炉的分离器原为卧式水冷分离器，分离器为前后一个整体，在烟气携带未燃尽的燃料进入分离器时，通过卧式水冷分离器的旋风分离作用进行对烟气和燃料的分离，分离的过程是在分离器进口达到一定的流速时（20-32m/s），进入分离器筒体后，烟气及其携带的燃料进行漩涡旋转，烟气流逐渐进入分离器的中心，燃料颗粒由于离心力的作用被甩到分离器的壁，然后通过贴壁流进入锅炉的回料道，从而达到燃料和烟气的分离作用，在现有的分离器结构下进行分离时，由于没有进行和颗粒分级相匹配的分离器流速分布，而是采用模糊笼统的流速设计，在这样的情况下，粗颗粒一般能够分离下来，细颗粒（50-80μm）由于分离器的流速不够，因此分离下来的几率较小，细颗粒随烟气流排出了锅炉炉膛，由于这部分燃料没有燃烧导致锅炉的燃料耗量增加了；同时在对锅炉的燃料和烟气进行分离的过程中，出现烟气和燃料的相互干扰现象，因为对于分离出来的燃料颗粒在顺着分离器壁向下流动的过程中，没有对这些颗粒的引导通道，因此是紊乱的，导致这种情况下将会出现分离出来的颗粒二次卷吸进烟气内的现象，随着烟气被带出了炉膛，这也造成了燃料耗量的增加，即是锅炉热效率的降低。

针对以上两种情况，本文对分离器进行了结构优化：

首先根据对进入分离器的燃料的分布特点进行了分析，结果是当燃料进入炉膛时，细颗粒分布于炉膛前部，粗颗粒分布于炉膛的后部，因此在烟气携带颗粒进入分离器时应根据颗粒分布特点，选择不同的进口流速，同时对分离器筒体的流速也应加以区分，这样才能有针对性的对颗粒进行分离，鉴于此，把现有一级漩涡分离器分为了两级漩涡分离器，在回料流通的上部也进行了区分，这样可以对两级分离器采用不同的流速设计和结构设计，以便和进入分离器内的颗粒直径相匹配，把分离细颗粒的分离器称之为一级漩涡分离器，把分离粗颗粒的分离器称之为二级分离器，一级分离器的烟气在二级分离器汇合后通过二级分离器的中心筒排出炉膛；

其次在每个分离器内部的筒体壁上布置和颗粒流向相同的导流槽，以便规范分离出来的颗粒的流向，降低颗粒的折扬和卷吸情况的发生；

最后在分离器进口设计烟气流向导流板，引导烟气均匀的进入分离器，尽可能的避免烟气向中心筒方向的偏离。

通过以上三种结构的研究和完善，最终的分离效率得到提高，表现在对排出炉膛的烟气携带的颗粒物的测定达到10μm以下，验证了分离效率提高很多，达到了高效分离器开发设计的目标，提高了锅炉燃料的燃烧效率及燃料的利用率，达到了节能减排的目的。

2）、返料装置的开发设计：内循环流化床锅炉返料装置为由松动风及半自流阀组成，松动风仅起到松动的作用，而不能直接正好对着回料阀，否则将由于送风的速度过高，把阀门附近的受热面管子磨损破坏，由于回料阀是靠重力把燃料流入炉膛的，因此不能控制返料量的多少。这样出现了两个弊端，不能自动控制给风量，同时也不能控制返料量，因此这种带松动风的半自流阀需要进行重新的开发设计，达到可以通过远程自动控制给风量，进而用风控制返料量的目的。本文中采用彻底改变原来的给风和返料模式，把返料风进行下移做成几个独立的风箱，风箱上部布置流化风帽，同时配合上部双漩涡分离器分离下来的颗粒不同，布置的风帽数量也不同，达到风量供给随燃料返料量的联动目的，这样通过风箱内的风压可以远程控制风帽的流速，进而控制风帽上部返料的沸腾高度，也就是返料的料层差压，同时把风帽吹起来的返料刚好正对着返料阀，通过料层差压把返料送入炉膛，这样返料量的多少完全是由风箱的风压控制的，这种操作完全可以通过远程控制来实现，返料的多少变的可控可自动化操作。

3）、锅炉配风的开发设计：采用循环流化床锅炉低温分级送风燃烧的炉内低氮燃烧技术，在确保一次风满足床料流化需要的前提下，尽量减少一次风的供给，合理的将二次风管喷嘴沿炉膛高度方向分两层分别送入炉膛下部空间内。运行中可以通过调节一、二次风的风量及上、下级二次风的风量来控制燃烧，使燃烧始终在低过量空气下进行，从而大大降低了NOx的生成；结合炉膛温度在870～910℃之间（这个温度主要兼顾SOx的排放）的燃烧，在锅炉额定负荷下，氮氧化合物排放一般能够达到70mg/m3以下。

4）、锅炉低SOx排放技术：随着环境保护要求的逐渐严格，对燃煤锅炉SOx的排放有了新的控制标准。该项目创造性的在二次风管上设置了独立的石灰石接口。为了达到低硫排放标准，石灰石的粒径一般控制在0～2mm之间，同时制流化床燃烧温度一般应控制在870～910℃之间。石灰石宜通过仓泵等设备单独由气力输送系统喷进炉膛，燃料及脱硫剂经多次循环，反复进行低温燃烧和脱硫反应，加之炉内湍流运动剧烈，Ca/S摩尔比约为1.8～2.0时，可以使脱硫效率达到95%左右，SOx的排放量经过炉内脱硫即达到100mg/m3以下。

3、结束语：

采用该技术的锅炉已经在河南某地投入运行，在锅炉运行在额定时，锅炉燃烧二类烟煤，锅炉炉膛温度为845°C，锅炉排烟温度约为130°C，过量空气系数为1.25，尤其是SOx的监测排放量为85mg/m3， NOx的监测排放量为67mg/m3，达到国家标准要求的100 mg/m3以下的要求，而锅炉系统的自耗电低到了10.1度/吨汽，节能环保效果明显，锅炉其他各项锅炉参数也达到了设计要求。说明在采用新的结构设计后，锅炉的各项指标都达到了较优的表象，因此设计理念及结构开发上都是比较成功的，为下一代节能环保型内循环流化床锅炉的开发设计提供一個有效的途径。

参考文献

[1] 岑可法. 循环流化床锅炉理论设计与运行 〔M〕北京： 中国电力出版社，1998

[2] 林宗虎等. 循环流化床锅炉〔M〕 北京： 化学工业出版社，2004