基于流态重构的节能超低排放循环流化床锅炉技术

2018-02-15葛星垣

机械管理开发 2018年5期

葛星垣

（太原锅炉集团有限公司，山西太原 030008）

引言

循环流化床燃烧方式是一种燃尽率高、污染物初始排放低的洁净煤燃烧技术，燃料在锅炉内的燃烧过程主要有以下步骤：燃料进入炉膛达到燃烧温度后，在一、二次风的作用下开始燃烧并形成含有大量物料的热烟气；物料随热烟气沿炉膛上升过程中一部分沿水冷壁贴壁回流后再次燃烧，另一部分经炉膛出口进入分离器；在分离器的作用下，烟气中的物料被分离下来并经过分离器下部的返料阀回送至炉膛内，与新进入的燃料一起再次燃烧，随烟气进入分离器后再次被分离并回送，形成多次循环燃烧。由于炉膛内充满了温度、浓度很高的循环灰物料，所以循环流化床锅炉形成了有别于其他炉型的以辐射换热为主的炉膛传热形式。鉴于此，循环流化床锅炉炉膛不需要很高的燃烧温度（850～880℃），却需要建立起一定浓度的循环物料（2～2.5 kg/m3）来满足锅炉传热的要求。而这两个因素又直接使得循环流化床锅炉具备了燃料适应性广、污染物原始生成低的特点。在环保形势日趋严峻的今天，循环流化床锅炉逐渐成为洁净煤燃烧的首选设备。

但循环流化床锅炉在发展过程中以下四个问题严重制约了这项技术的发展进步。一是由高风量带来的磨损问题；二是高风压带来的厂用电率问题；三是高床温带来的污染物高的问题；四是在没有循环流化床锅炉理论体系和工程设计的情况下，根据经验设计的产品燃烧效率低的问题。所以，如何将“高风量、高风压、高床温、高排放、低效率”的四高一低现象转变为“低风量、低风压、低床温、低排放、高效率”的四低一高的目标，成为流化燃烧技术在理论研究和产品设计上的突破方向。太锅清华科研团队在此目标下对循环流化床锅炉进行了有益的理论探索和技术优化，并成功开展了大面积的工业应用验证。

1 定态设计理论与流态重构技术

根据岳光溪院士在2005年5月加拿大第18届国际循环流化床燃烧会议上第一次提出了：循环流化床锅炉内的流化状态是由循环流化床锅炉下部密相区形成的鼓泡床和锅炉上部稀相区形成的快速床组成，在此基础上形成了解决前述四大问题的循环流化床锅炉定态设计及流态重构理论。

定态设计是指循环流化床锅炉设计人员在锅炉满负荷条件下，选定一个固定的状态，并依此合理地布置床内受热面。炉内受热面的布置应该由设计工况下物料循环量及炉内物料浓度分布决定，循环流化床锅炉中悬浮物料浓度大小直接决定了受热面的换热系数和换热量，定态设计的依据归结到循环量上，在相应的定态设计准则下，循环流化床内的物料循环量有一个范围，随燃料种类和特性的不同，维持这一状态的核心是保证循环流量不变[1]。

流态重构理论则认为循环流化床锅炉中存在于下部鼓泡床中的粗颗粒主要作用是稳定燃烧和降低排渣含碳量，副作用是增加一次风机电耗和对受热面的磨损，针对不同燃料，粗颗粒的存量有一个最佳范围，在此范围内，既能保障燃料稳定燃烧和排渣含碳量低，又能减轻对受热面的磨损和降低一次风机电耗；与此同时，通过优化分离器结构，提高了分离效率，上部快速床中的细颗粒量得到增加，使得粗、细颗粒的份额发生变化，实现了适当减少粗颗粒量低床压运行并满足锅炉运行时对炉膛上部快速床中循环物料量的要求。

床存量降低后，二次风区域物料浓度降低，二次风穿透扰动效果增强，炉膛上部气固混合效果得以改进，提高了锅炉燃烧效率，降低了锅炉机组的供电燃料耗；床存量降低后，物料流化需要的动力减小，锅炉一、二次风机的压头降低，风机电耗下降，从而降低锅炉机组的厂用电率；床存量降低后，炉膛下部物料浓度大幅度减小，从而可以减轻炉膛下部浓相区特别是防磨层与膜式壁交界处的磨损，提高锅炉机组的可用率；[2]分离器效率提高后，脱硫脱硝剂循环利用率提高，床料质量提高，整个炉膛温度场均匀处于脱硫脱硝所要求的最佳范围，同时新型二次风结构保障了低氧高效分级燃烧，使得锅炉在较低石灰石耗量下达到较高的炉内脱硫效率；同时NOx原始排放浓度降低30%以上，SNCR脱硝效率达到75%以上。

2 基于流态重构的节能型超低排放循环流化床锅炉的结构保障

基于流态重构的CFB产品，在设计时锅炉整体采用“M”型布置方式、各个受热面的吸热比例分配和各个相关部件的结构形式都进行了不同程度的优化。其目的就是在维持CFB锅炉上部快速床状态的前提下，保持流化风速和循环流率不变，使得床料中粗、细颗粒的比例发生变化，从而优化了炉膛中下部物料的浓度分布，实现“低风量、低风压、低床温、低排放、高效率”的四低一高的目标。这一过程中流态的改变是该技术的关键。

2.1 定态理论下保证的炉膛结构

根据流化风速和物料携带率两个参数建立的循环床流态图谱，对设计参数进行选定：炉膛烟气流速＜5 m/s，烟气物料携带量为2～2.5 kg/m3。

采用传统的被动防磨措施与让管结构的同时，根据T=CV3.6dfh2的磨损计算公式，按照流态图谱的要求选择主动降低烟气流速，基本解决了交界处磨损的问题；炉膛上部设计在保证烟气流场同时，对出烟口进行了扁高形的优化设计，提高分离器烟气进口流速的情况下，对烟气进行预压缩，为分离器分离效率的提高提供了先决条件。

2.2 专利风帽结构保证的流化布风系统

锅炉布风板风帽采用钟罩式结构风帽不漏渣的结构特点，由风帽头、夹套和内管芯三部分组成，实际运行阻力小于3 000 Pa，彻底解决倒渣、内管芯磨损的问题。

2.3 大动量、高流速、低氧高效燃烧的二次风系统

摒弃了二次风周圈多层的布置方式，按照一次风主导流化、二次风主导燃烧的原则，根据不同燃料合理匹配二次风比例，采用大动量、高流速（70～80 m/s）的前后墙单层布置方式，更利于穿透到炉膛中心，实现锅炉在较低过量空气系数，较小烟气量时，燃料燃烧效率大幅度提高。

2.4 高效分离器结构

优化分离器的结构模型，使得同等容量循环流化床锅炉高温分离器的d50和d99尺寸大幅度减小，保障了循环物料的质和量，降低了飞灰含碳量，在提高炉内脱硫效率的同时降低了钙硫摩尔比，降低NOx原始排放浓度的同时提高了SNCR效率。

2.5 高流率、低能耗、自平衡的返料阀

采用依据“回料立管负压差移动床流动流谱”开发的专利技术的自平衡回料阀，该专利针对循环物料的下降流速、返料阀阻力等确定了返料腿的直径、内部隔墙、水平通道等结构的形式及尺寸。保证返料系统返料风不倒窜、返料床不结焦、返料风机功率最低，有助于提高分离效率的同时保证返料流畅，高压头、小风量的罗茨风机保障了返料电耗最低。

2.6 锅炉辅助系统的配置优化

为保证新一代锅炉本体性能的充分实现，配套设计了保证流化、燃烧的一二次风系统、无需调节的自平衡返料风系统、保障入炉粒径燃料破碎系统、保证炉内脱硫效率的石灰石喷入系统、保证负荷调节的选择排渣系统、保证吹灰效果的吹灰系统等，并对相关的配套辅机提出选型规范。

通过在此基础上完成的结构设计，使得“低风量、低风压、低床温、低排放、高效率”的运行目标得以实现。

3 工程实例

1）山东淄博力久热电有限公司一台260 t/h循环流化床锅炉，额定负荷下，在不进行炉内脱硫的情况下，NOx的初始排放质量浓度在20～40 mg/m3，而相邻的其他锅炉厂的相同燃料、相同容量的循环流化床锅炉，额定负荷NOx的初始排放质量浓度为120 mg/m3左右；采用新技术的锅炉，厂用电率同比下降30%。

2）新疆油田公司一台130 t/h循环流化床油田注汽锅炉采用流态重构技术，中国特种设备检测研究院测试结果：在额定负荷下，当锅炉热效率为92.79%、钙硫摩尔比为1.89时，炉内脱硫效率为97.94%（二氧化硫原始排放质量浓度为1 858 mg/m3，炉内脱硫后排放质量浓度为38.24 mg/m3）[3]，厂用电率与同类锅炉相比下降40%，锅炉运行3年无任何磨损。