化工项目热动力站锅炉选型研究

张琼 许秉浩

（1.河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007；2.中国天辰工程有限公司，天津 300400）

化工项目热动力站锅炉选型研究

张琼1许秉浩2

（1.河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007；2.中国天辰工程有限公司，天津 300400）

本文主要探讨化工项目中热动力站锅炉的选型原则，分析不同因素对锅炉选型的影响，通过典型案例来介绍锅炉选型需要考虑的基本因素，从而为今后项目中锅炉炉型的选择提供一定的借鉴意义。

煤粉锅炉；循环流化床锅炉；选型

化工企业的发展是中国能源结构调整的重大举措，尤其是近年来一批大型煤制气、煤制油、煤制烯烃等项目的上马，为保障我国能源供应的安全、优化产业结构、提高煤炭资源的工业附加值等做出了突出贡献。

为确保化工企业的安全、稳定、长期运行，并且能适应各种负荷工况，需根据整个化工装置的生产规模和热、电需求情况，确定热力系统的建设规模和锅炉装机容量。锅炉容量确定后，再对锅炉的选型进行综合考虑，通过考察项目的输入条件，如燃料煤种情况、环保要求、运行要求、投资占地情况等多种因素，再结合项目自身特点最终确定锅炉设备的选型，以确保整个项目设计实现最优化。本文主要探讨在化工项目中热动力站锅炉选型所考察的重点因素，为今后其他项目中锅炉炉型的选择提供一定的借鉴意义。

1 常见锅炉炉型简介

目前，化工项目中常见的锅炉炉型按燃烧方式的不同可分为煤粉锅炉（悬浮燃烧）、循环流化床锅炉（流化床燃烧）2种炉型。

1.1 煤粉锅炉

煤粉锅炉将燃料煤经制粉系统磨制成粒度60～80μm的细煤粉，然后经燃烧器与送粉的热一次风一起喷入炉膛，煤粉与助燃热空气在炉膛内强烈混扰、悬浮燃烧，炉膛温度可达到约1 500℃，大约2s就完成了燃烧过程。燃料煤中的灰分约90%以细灰的形态存在于烟气中，燃烧产生的烟气与飞灰颗粒形成气固两相流以气力输送的形式掠过锅炉的各级受热面进行换热后离开炉体。

制粉系统及燃烧器是煤粉锅炉必不可少的设备，其作用是保证燃料的细度和燃烧用空气在进入炉膛时能充分混合，及时着火和稳定燃烧。煤粉锅炉配套制粉系统通常可分为直吹式系统和中间储仓式系统2种，主要设备通常包含给煤机、磨煤机、给粉机等。燃烧器可分为直流燃烧器及旋流燃烧器，直流燃烧器多采用四角切圆燃烧；旋流燃烧器喷口喷射出的煤粉气流能形成旋转射流，其卷吸量较大但射程短，适用于挥发分较高的煤种，最常见的布置方式是前后墙对冲布置。制粉系统及燃烧器往往对锅炉燃料煤的煤种有一定的要求，单只煤粉燃烧器的功率可以达到很大，NOx和SO2的排放量都很高，这也是其与循环流化床锅炉的重要区别之一。

煤粉锅炉的燃烧强度大、锅炉容量大，自控水平高、运行稳定、厂用电耗少、设备损坏消除周期短、制造技术成熟，安全可靠，是目前我国燃煤电厂最常用的炉型。

1.2 循环流化床（CFB）锅炉

循环流化床燃烧技术是国际上20世纪70年代中期发展起来的新型燃烧技术，其燃烧机理是把固态的燃料流体化，从而促进燃烧。燃料颗粒的粒径通常为1～10mm，在一次风的作用下处于流化状态，被烟气夹带在炉膛内向上运动，在炉膛的不同高度上，部分大颗粒将沿着炉膛边壁下落，形成物料的内循环；较小固体颗粒被烟气夹带进入分离器进行分离，绝大多数颗粒被分离下来，通过回料阀再次返回炉膛，继续燃烧，形成物料的外循环。通过炉膛的内循环和炉外的外循环，实现燃料不断地往复循环燃烧。因此，循环流化床锅炉可以实现高燃烧效率，达到97%～99%，其制粉系统简单，只需简单的干燥及破碎装置即可满足燃烧要求。

发展科技的目标，说到底就是为了大大改善人类的生存状况。在过去的五十年时间里，我国的经济发展速度迅猛，人们过多地关注经济发展，从而导致一些生态问题的出现，比如水土流失、全球变暖和资源能耗高等。另外，垃圾与大气污染也十分严重。在经历了一系列生态环境给经济发展带来的恶劣影响之后，人类终于开始反思自己对地球母亲到底做了些什么事情，并开始努力寻找一种新的发展模式。发展科技的本意是为了改善和优化人们的生存环境，但是科技发展带来的弊端，已经严重危害了人类的生存与发展。

循环流化床锅炉根据物料浓度的不同将炉膛分为密相区、过渡区和稀相区三部分。密相区中固体颗粒浓度较大，具有很大的热容量，因此在给煤进入密相区后，可以顺利实现着火；稀相区的物料浓度很小，是燃料的燃烧、燃尽段，燃烧后51%～63%的灰分进入烟气，其余部分进入炉渣排放。循环流化床锅炉的燃烧温度为850～900℃，由于燃烧温度低，NOx排放量较煤粉锅炉低，同时可在炉膛添加石灰石进行炉内脱硫，降低SO2的排放浓度，因此，循环流化床锅炉是一种清洁、环保的燃烧技术。

循环流化床锅炉对燃料的适应性强，煤种多变和各种燃料的混合物均可适应，特别适合于低热值劣质煤，如煤泥、煤矸石、洗混煤等，具有良好的经济效益。同时，循环流化床锅炉负荷调节范围大，低负荷可降到满负荷的30%左右；环保方面，NOx、SO2排放都低于煤粉炉。循环流化床锅炉是目前中小型工业锅炉采用最多的炉型。

2 锅炉选型主要考虑的因素

影响锅炉选型的主要因素有锅炉燃料煤种特性、环保要求、运行要求、项目自身特点以及其他因素等。

2.1 燃料的煤种特性

锅炉燃料的煤种特性是决定锅炉选型最重要的因素之一，其通常应包括以下各项指标：全水分及工业分析指标：Mt、Mad、Aar、Vdaf；元素分析指标：Car、Har、Nar、Oar、Sar；收到基低位发热量：Qar,net；煤灰熔融性温度：DT、ST、FT等。在提供锅炉设计煤质时，除挥发分需提供干燥无灰基值外，其他各项煤质指标均应提供收到基值，以便于锅炉设计计算。

2.1.1 挥发分。挥发分是评定锅炉燃烧性能的首要指标，主要用来衡量燃料煤点火及稳定燃烧的难易程度，通常认为干燥无灰基挥发分Vdaf≥15%的煤种宜选用煤粉锅炉；Vdaf≤12%，采用煤粉锅炉时燃料着火困难，难以稳定燃烧及燃尽，因此不宜选用煤粉锅炉；12%～15%则属于过渡区，应结合其他因素综合考虑［1］。但当Vdaf≥35%时，由于煤粉锅炉的燃料通常被磨制成60～80μm的细煤粉，同时煤粉采用热风干燥及送粉，煤粉在输送及存储过程中极易发生自燃和爆炸，因此，不易采用煤粉锅炉，若采用煤粉锅炉，需在设计时考虑防爆。

2.1.2 灰分。循环流化床锅炉在正常运行时必须保持一定浓度的炉内惰性物料，以确保物料的正常流化，在不投石灰石的情况下，床内惰性物料的来源完全依赖于燃料中的灰分，所以燃料中灰分的含量是循环流化床锅炉能否正常运行的关键因素，只有燃料中灰分含量达到一定的数值，才能建立床内正常的灰平衡。有关文献［2］指出：当燃料折算灰含量小于8.25g/MJ时，循环流化床锅炉难以建立灰平衡，必须在运行中连续或间断地向床内补充惰性物料（如细砂等），否则锅炉将无法正常运行，因此，对于灰含量小于8.25g/MJ的煤种不宜采用循环流化床锅炉。

由于煤粉锅炉燃料煤中90%的灰分会进入烟气之中，因此若煤种的灰分含量过高将会对后续除尘系统带来较大压力。因此，对于煤粉锅炉，一般煤中收到基灰分Aar不宜超过30%。

2.1.3 水分。水分对锅炉选型的影响主要体现在其对锅炉制粉系统的影响。煤种的水分含量过高将影响循环流化床锅炉的原煤破碎系统，致使粗碎机、筛板孔、给煤机出现粘煤现象，堵煤频繁，从而影响循环流化床锅炉的正常运行。而煤粉锅炉的制粉系统具有热风干燥作用，因而更适用于高水分的煤种。

对于褐煤开发利用项目及燃用印尼煤的项目，其共同点是需要燃用高水分的煤种。对于此类煤种，应优先选用煤粉锅炉，通常应配风扇磨制粉系统比较适合。实际运行经验表明，风扇磨制粉系统的干燥能力比中速磨制粉系统强很多，特别是对全水分Mt＞30%以上的褐煤，效果更为明显。如果水分高于35%，应采用风扇磨配抽炉烟的制粉系统比较适合［3］。

2.1.4 发热量。煤的收到基低位发热量Qar,net是反映煤质好坏的一个重要指标，当煤的发热量低到一定数值时，不仅影响燃烧的稳定性，而且会导致锅炉熄火，影响安全运行。这种影响对煤粉锅炉的作用尤为明显。通常Qar,net低于12 000kJ/kg的煤种不应采用煤粉锅炉［4］，而循环流化床锅炉对发热量则几乎没有要求。

2.1.5 灰熔融性温度。煤灰熔融性温度DT（变形温度）、ST（软化温度）、FT（流动温度）是用来定性地描述煤灰的熔化温度范围，煤灰成分十分复杂，其含量变化范围也很大，主要是硅酸盐、硫酸盐和各种金属氧化物的混合物。其没有固定的熔化温度，而只有一个熔化的温度范围。煤灰变形温度DT在1 160℃以下者为易熔煤。为避免高温对流管束的沾污和结焦，通常需要控制炉膛出口烟温低于煤灰变形温度DT 50～100℃以下［5］。

煤粉锅炉燃烧温度高，通常炉膛出口温度在1 000～1 200℃，对于易熔煤，锅炉结焦可能性大，因此不宜选用煤粉锅炉。而循环流化床锅炉属于低温燃烧，炉膛温度在800～950℃，燃烧温度低，灰渣不会达到熔融温度，不易结焦，对于具有结焦倾向的易熔煤宜选用循环流化床锅炉。

2.1.6 燃料来源。循环流化床锅炉对燃料具有广泛的适应性，可以燃烧高灰分煤、高硫煤、低挥发分煤、低热值煤、煤矸石、煤泥、石油焦、尾矿、煤渣等，对劣质燃料的处理具有重要意义。循环流化床锅炉是燃烧煤矸石的唯一可选炉型［6］，因煤矸石硬度大，极难破碎，很难到达煤粉锅炉要求的粒径。

目前，大型煤化工项目多距离煤源地较近，煤矿在洗选煤过程中会产生大量的煤泥、煤矸石等劣质燃料。因此，对于采用煤矸石、煤泥作为主要燃料或者辅助掺烧燃料的项目，应选用循环流化床锅炉。

对于不同煤种，根据其特性不同，易选用的锅炉炉型要求见表1。

表1 煤粉锅炉和循环流化床锅炉对煤种要求

2.2 环保要求

随着我国经济的发展，人们生活水平日益提高，民众的环保意识及环保要求不断增强，为此国家正不断提高对锅炉污染排放标准的要求。2014年，国家发展和改革委员会发布《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》，要求新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值，即锅炉污染物排放满足：烟尘≤10mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，NOx≤50mg/Nm3，而目前各地新建煤化工项目的环评要求也大多参照此标准执行。针对此排放标准，无论是煤粉锅炉还是循环流化床锅炉，都需要采用额外的脱硫、脱硝、除尘措施。

循环流化床锅炉在环保方面具有先天的优势。因循环流化床锅炉属于低温燃烧，其NOx原始排放浓度较煤粉锅炉低很多，大约在300mg/Nm3，因此其后续脱硝的运行费用也较低。同时，循环流化床锅炉物料反复燃烧，煤中原本含有的CaO、MgO等碱性氧化物易与SO2气体发生反应，因此其SO2的原始排放浓度也要低于煤粉锅炉。此外，还可以在炉内添加石灰石来实现烟气预脱硫，从而减轻后续脱硫系统的压力。当含硫量达到1.5%时，煤粉锅炉炉外脱硫效率需要达到99%以上才能满足35mg/Nm3的排放要求，而若采用循环流化床锅炉，在添加石灰石进行炉内脱硫后，其炉外脱硫效率仅需96.6%即可达到排放标准。循环流化床锅炉燃烧后煤中只有约60%的灰分进入烟气，而煤粉锅炉确达到了90%，对10mg/Nm3的烟尘排放要求，在采用相同的除尘技术条件下，循环流化床锅炉也具有可燃烧高灰分煤的优势。可见，循环流化床锅炉是一种清洁环保的燃烧方式，在环保要求日趋苛刻的当下，循环流化床锅炉应作为优先考虑的炉型。

2.3 运行要求

化工企业用汽属于工业用汽，首要考虑的是蒸汽供应的连续性和稳定性。

煤粉炉由于一般燃用设计煤种，煤种变化不大，通过调试可以达到燃烧系统自动控制，自动化程度高，其连续运行时间可达7 000 h，基本上能做到按计划检修，且其检修时间短，恢复快。而循环流化床锅炉在运行中多采用煤泥、煤矸石等劣质燃料，燃料成分多变，且循环流化床锅炉本身的燃料粒度大，流化燃烧物料多次循环致使受热面磨损较严重。此外，循环流化床锅炉的燃烧系统较煤粉炉复杂，对床压、床温、返料系统风量的控制，都是煤粉锅炉所没有的，其自动化控制难度较大，因此连续稳定运行时间低于煤粉炉，通常只有约2 000 h，且在炉本体磨损泄漏后检修需经过停炉、冷却、补焊、打水压等过程，需要的时间也较长。

为确保蒸汽供应的连续性和稳定性，锅炉会设有备用锅炉，以便在一台锅炉检修时，蒸汽供应依然能满足工艺生产的需求。当项目因占地或其他原因不能设置备用锅炉时，应优先考虑采用煤粉锅炉。但采用煤粉锅炉对锅炉的燃料要求较高，煤种若经常偏离设计煤种，或采用劣质燃料时，煤粉锅炉的运行也容易出现燃烧不稳、超温、结焦、甚至炉膛灭火、爆管等问题，因此需要具体问题具体分析。

2.4 项目自身特点

除考虑煤种、环保要求及运行安全稳定性外，在决定锅炉炉型时，还应结合项目自身的特点。例如，改扩建项目，锅炉的选型应尽量考虑与已建锅炉炉型保持一致，以便于项目的统一管理。

在锅炉炉型没有较大差别，即选用煤粉锅炉与循环流化床锅炉两者皆可时，还应充分考虑项目业主的意见，尽量满足业主的要求。

2.5 其他考虑因素

在考虑锅炉炉型时还要其他很多因素，如投资、占地、运行费用等，往往需要对这些因素进行综合考虑，如采用不同炉型时配套的制粉系统、脱硫脱硝系统、除尘系统可能都会发生较大变化，从而间接影响投资、占地、运行费用等，因此需要进行不同方案的技术经济比较。通常情况下，这些因素的差别不是很大，不会对锅炉的炉型选择起到决定性影响。

3 锅炉选型典型案例分析

3.1 典型煤粉锅炉

某煤间接液化工业示范项目，经过全厂蒸汽平衡计算，确定热动力站锅炉规模为：3台额定蒸发量480t/h，9.8MPa 540℃高温高压锅炉，锅炉产蒸汽全部用于驱动空压机透平，为保障蒸汽供应，锅炉设置为2开1备。

锅炉燃料煤采用金鸡滩洗选混末煤，其干燥无灰基挥发分Vdaf：38.6%，全水分：Mt：12.68%，收到基灰分：Aar13.52%，收到基流Sar：1%，收到基低位发热量Qar,net：21.94MJ/kg，变形温度DT：1 170℃，属于高挥发分、低灰分、低水分、易燃、易结焦的煤种。从煤种及环保因素考虑煤粉锅炉及循环流化床锅炉都能满足要求，采用循环流化床锅炉锅炉可以避免锅炉的结焦，同时降低煤粉的自燃及爆炸危险性。

但从锅炉的运行要求考虑，锅炉产汽全部用于空分压缩机，一旦蒸汽供应出现问题无疑将对全厂的连续满负荷生产，甚至安全运行产生重大影响。因此，对锅炉的安全稳定运行要求很高，宜采用煤粉锅炉。同时，考虑到本项目的燃料煤采用火车专线供应，煤源稳定，为了保证煤粉锅炉的稳定运行，最终推荐采用煤粉锅炉作为设计炉型。

3.2 典型循环流化床锅炉

某焦炉气综合利用制烯烃项目，根据全厂蒸汽平衡确定锅炉规模为：4台额定蒸发量260t/h，9.8MPa 540℃高温高压锅炉。

此项目为扩建项目，原项目建有3台循环流化床锅炉，新建锅炉与原项目锅炉互为备用，不再新建备用锅炉。

本项目采用洗中煤、煤泥、煤矸石的混煤作为锅炉燃料，因此只能选用循环流化床锅炉作为设计炉型。同时，业主基于对已建锅炉运行特性的了解，为便于生产管理，也强烈要求采用循环流化床锅炉，因此最终推荐采用循环流化床锅炉作为设计炉型。

4 结语

锅炉作为化工厂的动力中心，在化工项目中占有重要地位，锅炉的选型正确与否决定了锅炉能否安全、稳定、环保、连续运行；不同项目中锅炉燃料煤的煤种特性、环保要求、运行要求及项目自身特点等对锅炉的选型起到了决定性作用：对于燃用煤泥、煤矸石等劣质燃料的锅炉，只能选用循环流化床锅炉；对于运行要求较高，要求蒸汽连续供应的项目应选用煤粉锅炉，选用煤粉锅炉时对燃料煤的供应也要求具有稳定性；燃料煤收到基低位发热量Qar,net≤12 000kJ/kg，干燥无灰基挥发分Vdaf≤15%的煤种不宜采用煤粉锅炉；对于燃用高水分、低灰分煤种的锅炉不宜采用循环流化床锅炉；对于改扩建项目，锅炉的选型应尽量考虑与已建锅炉炉型保持一致，以便于项目的统一管理；在同等条件下，基于清洁、环保的考虑，应优先选用循环流化床锅炉作为设计炉型，同时应充分考虑项目业主的意见。

［1］ 范新宽.煤源煤质确定和锅炉炉型选择的分析［J］.电力建设，1999（11）：26-28.

［2］ 刘升，刘德丰，王永红.CFB锅炉煤质选取的技术经济分析［J］.华北电力技术，2001（10）：48-49.

［3］ 张方炜.高水分褐煤锅炉及其制粉系统设计［J］.电力勘测设计，2007（6）：46-50.

［4］ 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 7562-2010.发电煤粉锅炉用煤技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2010.

［5］ 李天荣.煤粉炉用煤质量标准与安全经济运行的关系［J］.华北电力技术，1990（12）：37-42.

［6］ 阎维平，路长，冯培烧.燃烧高灰分贫煤的新概念电站锅炉设计［J］.锅炉技术，2014（4）：4-6.

Type Selection for the Thermal Power Station Boiler

Zhang Qiong1Xu Binghao2
（1.Henan Electric Power Survey&Design Institute，Zhengzhou Henan 450007；2.China Tianchen Engineering Corporation Company Limited，Tianjin 300400）

This paper mainly discussed the principles for model selection of the thermal power station in the chemical industry project,and analyzed the influence of different factors on the boiler type selection.Through the typical case to introduced the basic consideration of boiler type selection.It provides certain reference significance for the selection of boiler furnace type for the future projects.

coal dust boiler；CFB；type selection

TQ054

A

1003-5168（2017）11-0072-04

2017-10-09

张琼（1988-），女，硕士，工程师，研究方向：工业锅炉工艺设计。